导轨副的组成、种类及要求分析

导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的部件通常称导轨副，简称导轨。

（1）导轨副的种类

导轨副主要由承导件1和运动件2两大部分组成，如图6.49所示。运动方向为直线的称直线运动导轨副，运动方向为回转的称回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为互动导轨、滚动导轨、液体介质摩擦导轨等，如下所示。

图6.49　导轨副的组成

1—承导件；2—运动件

按其结构特点可分为开式（借助重力或弹簧力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（只靠导轨本身的结构形状保证运动部件与承导面之间的接触）导轨。常用导轨结构形式如图6.50所示，其性能比较见表6.8。

表6.8　常用导轨性能比较

续表

图6.50　常用导轨结构示意图

（2）导轨副应满足的基本条件

机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。

对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承必须符合三点定位原理。

1）导向精度

导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。导向精度的高低主要取决于导轨的结构类型，导轨的几何精度和接触精度，导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度，导轨和基础件的刚度及热变形等。

直线运动导轨的几何精度（见图6.51），一般有下列几项规定：

①导轨在垂直平面内的直线度（即导轨纵向直线度），如图6.51（a）所示。

②导轨在水平平面内的直线度（即导轨横向直线度），如图6.51（b）所示，理想的导轨与垂直和水平截面上的交线，均应是一条直线，但由于制造的误差，使实际轮廓线偏离理想的直线，测得实际包容线的两平行直线间的宽度ΔV、ΔH，即为导轨在垂直平面内或水平平面内的直线度。在这两种精度中，一般规定导轨全长上的直线度或导轨在一定长度上的直线度。

图6.51　直线运动导轨的几何精度

③两导轨面间的平行度，也称为扭曲度。这项误差一般规定用在导轨一定长度上或全长上横向扭曲值表示。

2）刚度

导轨的刚度就是抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度，抵抗交变载荷的能力称为动刚度。下面介绍静刚度。

在恒定载荷作用下，物体变形的大小，表示静刚度的好坏。导轨变形一般有自身、局部和接触这3种变形。

自身变形。由于作用在导轨面上的零部件重量（包括自重）而引起，它主要与导轨的类型、尺寸及材料等相关。因此，为了加强导轨自身刚度，常用增大尺寸和合理布置筋和筋板等措施解决。(www.xing528.com)

导轨局部变形发生在载荷集中的地方，因此必须加强导轨的局部刚度。如图6.52所示，在两个平面接触处，由于加工造成的微观不平度，使其实际接触面积仅是名义接触面积的很小一部分，因而产生接触变形。由于接触面积是随机的，故接触变形不是定值，基础刚度也不是定值，但在实际应用时，接触刚度必须是定值。为此，对于活动接触面（动导轨与支承导轨），需施加预载荷，以增加接触面积，提高接触刚度，预载荷一般等于运动件及其上的工件等重量。为了保证导轨副的刚度，导轨副应有一定的接触精度。导轨的接触精度以导轨表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比或在25 mm×25 mm面积上接触点的数目和分布状态来表示。这项精度一般根据精刨、磨削、刮研等加工方法按标准规定。

图6.52　导轨的实际接触面积

3）耐磨性

精度的保持性主要由导轨的耐磨性决定。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。导轨的耐磨性主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等，提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护。采用独立的润滑系统自动润滑已被普遍采用。防护方法很多，目前多采用多层金属薄板伸缩式防护罩进行防护。

4）运动的灵活性和低速运动的平稳性

机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和运动速度都比较高，因此其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象，高速运动时应无振动。在低速（如0.05 mm/min）运行时，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停（即爬行）。其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。

图6.53中传动系统2带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。在运动开始的低速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。由此来分析如图6.53所示的运动系统：匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，运动件3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时，运动件3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，运动件3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在运动件3上的弹簧力逐渐减小，运动件3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到运动件3停止运动，主动件1这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。

图6.53　弹簧—阻尼系统

1—主动件；2—弹簧—阻尼；3—运动件；4—静导轨

为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小接合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。

5）对温度的敏感性和结构的工艺性

导轨在环境温度变化的情况下，应能正常工作，既不“卡死”，又不影响系统的运动精度。导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。

结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度地降低成本。

（3）导轨副的设计内容

设计导轨应包括以下几个方面的内容。

①根据工作条件，选择合适的导轨类型。

②选择导轨的截面形状，以保证导向精度。

③选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性及运动轻便和低速平稳性。

④选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保证所需的导向精度。

⑤选择含量的耐磨涂料、润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。

⑥制定保证导轨所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。