滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副靜剛度研究發(fā)展趨勢(shì)

王皓　樊明貞　周亮

【摘 要】滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副作為高精度的滾動(dòng)功能部件，但是目前我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床采用的滾動(dòng)功能部件近80%以上需要從國(guó)外、臺(tái)灣地區(qū)購(gòu)買(mǎi)。數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副提出了更高的要求，其性能直接影響數(shù)控機(jī)床整機(jī)的質(zhì)量和壽命。進(jìn)一步深入分析滾柱直線導(dǎo)軌副的靜剛度性能及靜剛度的影響因素具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】滾柱直線導(dǎo)軌副；靜剛度；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

直線導(dǎo)軌副的運(yùn)行原理特別的簡(jiǎn)單，通過(guò)滾動(dòng)體來(lái)取代直接的滑動(dòng)接觸，并且滾動(dòng)體在反向器的作用下，在滾道和滑塊內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

一、研究的背景和意義

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床工業(yè)技術(shù)水平的逐漸提升，數(shù)控機(jī)床性能有了較大提升。相對(duì)于歐美、日本等國(guó)家，國(guó)內(nèi)起步較晚。目前我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床依賴(lài)進(jìn)口的局面依然存在，主要是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)機(jī)床關(guān)鍵功能部件技術(shù)水平低、剛性差、承載能力不足、長(zhǎng)時(shí)間使用精度易產(chǎn)生偏差、穩(wěn)定性不高。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副靜剛度是影響精密數(shù)控機(jī)床加工精度和承載能力的重要指標(biāo)，對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行理論研究，可以為導(dǎo)軌副的研發(fā)提供理論支撐和選用參考。打破國(guó)內(nèi)在世界范圍內(nèi)占比小的尷尬局面，從而做到完全自主生產(chǎn)。

二、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

（一）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的理論研究和生產(chǎn)制造都比較晚，還處在仿制國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的階段，但是通過(guò)近些年的不斷努力，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品系列化已基本成形，制造企業(yè)主要有濟(jì)寧博特精工股份有限公司、廣東高新凱特精密機(jī)械有限公司、南京工藝裝備制造廠和漢江機(jī)床廠等。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副作出了大量的研究。孫健利等人商討出過(guò)盈尺寸和預(yù)加載荷在某些方面存在必然聯(lián)系。解決了已知鋼球過(guò)盈尺寸求預(yù)加載荷的計(jì)算問(wèn)題。此外，倪國(guó)林等人通過(guò)研究導(dǎo)軌副的受力情況，建立了導(dǎo)軌副的不同加載情況下的靜剛度理論模型。華中科技大學(xué)的方健、程遠(yuǎn)雄等研制出了一種靜剛度試驗(yàn)機(jī)。馮虎田等人采用伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)梯形絲杠對(duì)導(dǎo)軌副加載的方案，設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌副靜剛度測(cè)量裝置。可以通過(guò)更換裝夾組件來(lái)測(cè)量垂直、傾斜、俯仰及偏擺靜剛度，在此基礎(chǔ)上對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的靜剛度試驗(yàn)方案進(jìn)行了又一步的提升，可行度更高。

此外，華中科技大學(xué)聯(lián)合廣州高新凱特精密機(jī)械股份有限公司，將對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的研究試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)推向更高維度，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行多種類(lèi)型靜剛度試驗(yàn)需求。

（二）國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的生產(chǎn)、研究和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品方面以美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)及日本等先進(jìn)工業(yè)制造國(guó)家的幾家公司在處在領(lǐng)先地位。主要的企業(yè)有英國(guó)RHR公司，日本的THK、NSK、IKO、NACHI公司，德國(guó)的INA、FAG公司，中國(guó)臺(tái)灣HIWIN、ABBA 公司，瑞典的SKF公司，美國(guó)的TIMKEN、TORRWGTON公司，韓國(guó)太敬公司等。他們每個(gè)廠家都有各自的先進(jìn)理論基礎(chǔ)和制造技術(shù)，各自生產(chǎn)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌也都具有自己的一些性能優(yōu)點(diǎn)，比如SKF公司研制出了把直線電機(jī)與直線導(dǎo)軌的一體化設(shè)計(jì)；ABBA通過(guò)精密設(shè)計(jì)滾動(dòng)體溝槽的形狀，使其接觸面受力最優(yōu)化，具有更大的承載能力；NSK公司的由自動(dòng)潤(rùn)滑元件K1做成的自潤(rùn)滑密封片的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副以及滾柱直線導(dǎo)軌等。

國(guó)外，日本的清水茂夫等對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副靜剛度進(jìn)行了比較深入的理論和試驗(yàn)研究。Majda通過(guò)研究了機(jī)床幾何精度問(wèn)題，提出了一種評(píng)估滾珠直線導(dǎo)軌副幾何誤差對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差影響的方法。Ohta等考慮了滑塊的群部變形，不再將滑塊視為鋼體，該模型將是否考慮滑塊的群部變形下的理論計(jì)算靜剛度大小與試驗(yàn)測(cè)量的導(dǎo)軌副靜剛度大小作對(duì)比，證實(shí)考慮滑塊變形下的理論計(jì)算更接近真實(shí)值，實(shí)際測(cè)量的靜剛度大小是不考慮滑塊變形下的一半左右。

（三）滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副發(fā)展趨勢(shì)

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的新類(lèi)型、新功能在不斷涌現(xiàn)，正在向著自動(dòng)化、快速化、組合化方向發(fā)展。目前的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）用滾珠保持架的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。THK公司提出讓滾珠與滾珠保持架設(shè)計(jì)成一體，其具有噪聲低、可靠性高、壽命長(zhǎng)、速度超高等優(yōu)點(diǎn)，并已開(kāi)始推廣使用。

（2）帶磁柵檢測(cè)系統(tǒng)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。瑞士的BH公司與AG公司研究出了“Monorail“的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，該導(dǎo)軌副是利用磁化鋼帶粘貼在導(dǎo)軌的側(cè)面，拾取信號(hào)的磁頭與導(dǎo)軌副的滑塊固定且一起運(yùn)動(dòng)的原理設(shè)計(jì)而成的。

（3）帶阻尼滑座的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。德國(guó)的INA公司研究出了“RUDS”阻尼滑座導(dǎo)軌副，將這種滑座安裝到導(dǎo)軌副出現(xiàn)最大振幅的位置。試驗(yàn)表明：安裝帶有 “RUDS”阻尼滑座的導(dǎo)軌副，振幅及噪聲降低明顯。

（4）利用新型材料制造滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。例如對(duì)于一些要求較高溫度和真空使用的，反向器可以使用不銹鋼材料。此外，現(xiàn)在用陶瓷材料制作的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副也在開(kāi)發(fā)中，將來(lái)也會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

三、總結(jié)

國(guó)內(nèi)外對(duì)提高滾柱直線導(dǎo)軌副靜剛度的研究主要集中在靜剛度模型理論的研究、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及靜剛度的影響因素研究。這對(duì)于進(jìn)行滾柱直線導(dǎo)軌副靜剛度的研究有很大的借鑒意義，對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)指明了方向。

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