摘要：數(shù)控機床導軌越來越多的選用直線滾動導軌，承載能力大、導向精度高、剛度高、耐磨性能好、調(diào)速范圍寬，其內(nèi)部承載元件及運動傳遞元件既有用滾珠的，也有用滾柱的滾動導軌塊，本文對直線滾動導軌的選型與承載能力、壽命計算作了分析。

Abstract： Linear guide rails are increasingly used in CNC machine tool guides， with large bearing capacity， high guidance accuracy， high rigidity， good abrasion resistance and wide speed range. The internal load-bearing components and motion transmission components not only use ball and but also use the roller guide block of the roller. This paper analyzes the selection， bearing capacity and life calculation of the linear guide.

關鍵詞：直線滾動導軌;規(guī)格型號選擇;承載能力;壽命計算

Key words： linear rolling guide;selection of specifications;bearing capacity;life calculation

中圖分類號：TG519.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0199-03

1? 直線滾動導軌結構及工作原理

數(shù)控機床導軌越來越多的選用直線滾動導軌，作為精密傳動部件，承載能力大、導向精度高、剛度高、耐磨性能好、調(diào)速范圍寬，滾動摩擦系數(shù)為0.002～0.003mm，避免了爬行現(xiàn)象，脂潤滑。直線滾動導軌的承載元件及運動傳遞元件既有用滾珠的，也有用滾柱的滾動導軌塊，滾動導軌塊各項性能指標更高更優(yōu)。直線滾動導軌結構上由滑塊、導軌兩大部分組成，兩者能夠相對運動，如圖1所示，導軌上均布有一排螺釘安裝孔，將導軌安裝在固定基準面上，導軌長度根據(jù)機械傳動的運動行程設計計算，最長4m/根，可裁可接。

滑塊上表面是精磨加工過的裝配面，用以安裝執(zhí)行機構負載，根據(jù)負載的類型、方向、大小、作用點、有無偏心等工況，可以選擇一個、兩個或三個滑塊，每個滑塊內(nèi)部設計有兩組或四組滾珠，滑塊與導軌的相對運動就是通過滾珠的連續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的。

直線滾動導軌的導向定位精度決定了執(zhí)行機構的運動精度，導軌精度分為普通級、高級、精密級、超精密級、超高精密級共五級。直線滾動導軌有四個重要的平面：兩個裝配面及兩個側面定位基準面，都經(jīng)過了精密的磨削加工，如圖2所示，兩個裝配面指滑塊上表面C面及導軌下表面A面，是滑塊、導軌在高度方向的裝配定位基準，分別用來安裝工作臺負載及固定導軌。兩個側面定位基準面D面、B面，是滑塊、導軌在寬度方向的裝配定位基準，作用是在裝配及工作時找正導軌及負載。

2? 直線滾動導軌的選用

直線滾動導軌的滑塊、導軌內(nèi)部都設計有圓弧滾道，滾珠在圓弧滾道內(nèi)循環(huán)運行，傳遞運動及動力，運動阻力非常小，很小的推動力就可以驅(qū)動負載，實現(xiàn)穩(wěn)定的高精度、高速直線運動。滑塊、導軌的圓弧滾道能夠承受來自水平、垂直、傾斜等不同方向的外載荷，施加一定的預緊力后零間隙，多個方向同時具有高剛度，以適應重型機械裝備的需要。直線滾動導軌在工作時可以承受垂直于滑塊安裝面的徑向載荷及反徑向載荷，可以承受平行于滑塊安裝面的橫向載荷，如圖3所示，還可以承受來自三個不同方向的力矩載荷MA、MB、MC，如圖4所示。力載荷、力矩載荷可以單一作用，也可以合成作用，導軌工作時力載荷、力矩載荷或合成載荷首先傳遞給滑塊，滑塊傳遞給滾珠，滾珠傳遞給導軌，導軌傳遞給基準安裝面。

2.1 選擇公稱尺寸

直線滾動導軌的公稱尺寸主要有15、20、25、30、35、45、55、65等多種規(guī)格，負載越大，導軌的公稱尺寸就越大。首先按照滾珠絲杠公稱直徑的尺寸大小預選導軌公稱尺寸，再根據(jù)工況條件（如行程、加速度、速度、負載質(zhì)量等）計算預選導軌的額定壽命，如果導軌工作壽命低于導軌額定壽命，說明導軌選型合適，承載能力足夠。

2.2 選擇導軌長度

導軌長度是根據(jù)負載的運動行程來設計的，負載運動行程越大，導軌長度就越長，導軌長度計算如圖5所示，Lo=N×F+2G，Lo-導軌長度，mm;F-螺釘孔中心距，mm;N-螺釘孔的數(shù)量;G-導軌兩端距第一個螺釘孔的距離，mm。

2.3 選擇滑塊數(shù)量

使用直線滾動導軌時，有一根導軌上裝配一個滑塊（單滑塊）、一根導軌上裝配兩個滑塊（雙滑塊）、一根導軌上裝配三個滑塊（三滑塊）的結構，如圖6所示。

如果導軌在工作時主要承受徑向載荷（工作臺重量）及反徑向載荷，當負載中心正好位于滑塊中心時，負載簡化為作用點位于滑塊中心的集中力，此時應選用單滑塊結構;當負載沿導軌長度方向的尺寸較短，只要導軌承載能力足夠，可以采用單滑塊結構。

如果工作臺尺寸遠大于滑塊尺寸，負載沿導軌長度方向存在一定程度的偏心，滑塊除了承受負載重力外，還將承受因為偏心結構而產(chǎn)生的MA方向的偏心力矩負載，力矩載荷傳遞到滾珠，部分滾珠將長期承受較大的局部載荷，造成滾珠的非正常磨損，降低滑塊的使用壽命，降低導軌的工作壽命，此外負載加減速運動時的慣性力也會產(chǎn)生MA或MB方向的附加力矩載荷。此時導軌有必要增加負載支承點，采用雙滑塊結構，使偏心結構成為平衡結構，降低或消除偏心力矩載荷的影響，導軌承受MB方向附加力矩的能力也將得到提高;當徑向載荷較大但結構空間（例如高度尺寸）不夠時，為減小導軌公稱尺寸可采用雙滑塊結構承載。

2.4 選擇導軌數(shù)量

直線滾動導軌承載同一外載時，有單導軌、雙導軌、三導軌之分，圖7（a）為單導軌單滑塊結構，圖7（b）為雙導軌單滑塊結構，圖7（c）為雙導軌雙滑塊結構，圖7（d）為三導軌雙滑塊結構。但數(shù)根導軌中只有一根是基準導軌，非基準導軌對基準導軌有平行度要求。

選擇導軌數(shù)量要分析外載荷的類型、大小、方向、作用點及分布，當導軌安裝在水平面上，負載在滑塊寬度方向尺寸較小且沒有偏心結構時，可以采用單導軌結構。

如果導軌安裝在水平面上，負載在滑塊寬度方向不對稱有偏心，將會產(chǎn)生MC力矩載荷，MC力矩載荷會加重部分滾珠負荷，影響導軌工作壽命，單滑塊承受MC力矩載荷的能力是有限的，一旦超過其承載能力就需要增加負載支承點，采用雙導軌;當導軌安裝在水平面上，負載在滑塊寬度方向尺寸較大時，為保證機構運動處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，應選用雙導軌。

如果負載重量非常大、負載工作臺在滑塊寬度方向尺寸又很大時，為保證機構運動處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，需要采用三導軌。

2.5 選擇導軌安裝方式

根據(jù)機器的傳動性能及工作載荷的空間結構，導軌的安裝方式有水平平面上安裝、豎直平面上安裝、傾斜平面上安裝三種，大部分為水平平面上安裝，一般是導軌固定、滑塊運動，根據(jù)工況條件，也可以是滑塊固定、導軌運動。

2.6 導軌預緊

導軌預緊有無預壓、輕預壓、中預壓三個等級，預緊就是導軌出廠前對滾珠、滑塊、導軌接觸部施加內(nèi)應力，消除滾珠與滑塊圓弧滾道、導軌圓弧滾道之間的間隙，使?jié)L珠與滑塊圓弧滾道、導軌圓弧滾道接觸部位預先產(chǎn)生彈性小變形量，導軌工作時承受的外載荷會被內(nèi)應力吸收、緩沖，減少彈性變形，提高導軌剛度，提高導軌承載能力，這種結構稱為負間隙結構。但過大的預緊力會使?jié)L珠與滑塊、導軌之間產(chǎn)生過大的應力，反而會縮短導軌的工作壽命，因此預緊力的大小要合理控制，原則上預緊力不應超過軸向載荷的1/3，導軌預緊力越大，導軌安裝要求也越高。

3? 直線滾動導軌承載壽命計算

某機床進給系統(tǒng)采用滾珠絲杠傳動機構（滾珠絲杠副型號FFZD4008-5），選用雙導軌雙滑塊直線滾動導軌，導軌初定上銀公司的HG系列，因為滾珠絲杠公稱尺寸為40mm，導軌公稱尺寸可初定為45mm，根據(jù)上銀公司技術資料，預選導軌額定靜載荷C0=155930N，額定動載荷C=77570N。預選導軌的承載、受力如圖8所示。

其中：軸向負載F=2274N;工作臺重量W=4960N;工作臺上工件重量W1=1960N;工作行程S=800mm;滑塊每分鐘往復運動次數(shù)n1=10次/min;導軌間距c=300mm，滑塊間距f=800mm;軸向負載作用點高度l=500mm;工件重心位置尺寸：a=140mm，d=150mm;工作壽命24000小時;常溫工作。

3.1 滑塊1工作載荷計算

滑塊編為滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊4，每個滑塊承受的實際工作載荷為P1、P2、P3、P4，參考各大制造商提供的滑塊工作載荷計算公式及數(shù)據(jù)，得知最大工作載荷發(fā)生在滑塊1上，滑塊1的額定壽命就是導軌的額定壽命，只需要對滑塊1進行額定壽命計算及校核。

滑塊1承受的最大工作負荷P1=6669N。

3.2 靜安全系數(shù)計算及校核

滑塊1承受的最大工作負荷P1=6669N，靜安全系數(shù)，查表可知靜安全系數(shù)最小值fs=1～5，靜安全系數(shù)計算值遠遠大于靜安全系數(shù)最小值，預定導軌的靜安全能力足夠。

3.3 滑塊額定壽命計算及校核

滑塊額定壽命可以用滑塊行走距離L1表示，可以用滑塊工作時間Lh1表示。導軌為普通工況條件，載荷系數(shù)fw=1.5;根據(jù)滾珠、滑塊與導軌圓弧滾道的硬度值，硬度系數(shù)fH=1;常溫工作，溫度系數(shù)fT=1;雙導軌雙滑塊，接觸系數(shù)fC=1。滑塊1預期額定壽命，從計算結果可知，預定公稱尺寸45mm導軌的額定壽命Lh1=24257.3小時，大于機器工作壽命24000小時，其承載能力及壽命足夠。

3.4 選定導軌精度等級、預緊力等級

根據(jù)導軌的用途及工況條件，選用普通精度導軌，預緊力等級為輕預壓。

綜上，直線滾動導軌型號確定為“HGH45 C A 2 R 1200 ZA C Ⅱ”，上銀公司HG系列導軌，四方型滑塊，公稱尺寸45mm，雙導軌雙滑塊，導軌全長1200mm，ZA輕預壓，導軌精度普通級C。

參考文獻：

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