滚动直线导轨副是20 世纪70 年代末发展起来, 根据滚动轴承的基本原理逐步改进而成的一种具有独特机械性能的滚动支承机构, 具有结构简单、动静摩擦因数小、定位精度高及精度保持性好等优点, 已经成为精密数控设备的关键基础部件之一。相比于应用于数控机床的滑动导轨等, 滚动直线导轨副具有卓越的特点和优良的使用性能。
一、摩擦特性
滚动直线导轨副在摩擦特性方面具有突出的优点, 其摩擦阻力比滑动导轨小得多, 一般摩擦因数μ =0. 002 ~0. 004, 为滑动导轨的1/50 左右, 起动摩擦和动摩擦接近相等。在速度变化时, μ 值稳定, 运动轻快、灵活、平稳, 因而可实现高速运动, 提高了生产效率。
二、运动特性
由于滚动直线导轨副的摩擦极小, 因此在起动时无颤动, 低速下运动无爬行现象。当施加预加载荷后, 可以消除间隙, 提高刚性。此外, 具有自动调心、补偿安装基面误差的功能, 故其整体运动精度高, 因此适用于高精度、高性能的机械产品。另外, 由于滚动直线导轨副具有很好的误差均化功能, 因此也称之为“魔法导轨”、“神器导轨”。滚动直线导轨的运动借助钢球或滚柱滚动实现, 导轨副摩擦阻力小, 动、静摩擦力之差很小, 随动性极好,低速时不易产生爬行, 即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短, 有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度, 能实现高定位精度。滚动直线导轨副作为具有高定位精度的滚动功能部件, 适合作频繁起动或换向的运动部件, 可将机床定位精度设定到超微米级。与此同时可根据需要, 适当增加导轨副预载荷, 确保钢球或滚柱不发生滑动, 实现平稳运动, 减小了运动的冲击和振动。滚动直线导轨副也适应高速直线运动, 其瞬时速度比滑动导轨提高约10 倍。
三、寿命特性
在滑动导轨中, 大部分能量以磨损能形式而消耗掉, 因而磨损快, 难以长期维持高精度。相反, 滚动导轨副摩擦小, 磨损少, 可以长期保持高精度。另外, 由于滚动导轨副中采用多个滚动体作为支撑, 同时滚道能较容易地获得很高的加工精度及较高的表面硬度, 因此滚动直线导轨副具有较长的工作寿命。对于滑动导轨面的流体润滑, 由于油膜的浮动, 产生的运动精度误差是无法避免的。在绝大多数情况下, 流体润滑只限于边界区域, 由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的, 在这种摩擦中, 大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反, 滚动接触由于摩擦耗能少, 滚动面的摩擦损耗也相应减少, 故能使滚动直线导轨系统长期保持高精度状态。同时, 由于使用润滑油也很少, 这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变得非常容易。
四、承载特性
滚动直线导轨副具有较好的承载性能, 可以承受不同方向的力和力矩载荷, 如承受上下、左右方向的力, 以及俯仰力矩、偏摆力矩和旋转力矩, 因此, 具有很好的载荷适应性。在设计制造时施加适当的预加载荷可以增加阻尼, 提高抗振性, 同时可以消除高频振动现象。而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负荷较小, 易造成机床运行精度不良。
五、互换特性
简化了机械结构的设计和制造。成对使用导轨副时, 具有“误差均化效应”, 从而降低基础件(导轨安装面) 的加工精度要求, 降低基础件的机械制造成本与加工难度。传统的滑动导轨必须对导轨面进行刮研, 既费事又费时, 且一旦机床精度不良, 必须再刮研。滚动导轨具有互换性, 只要更换滑块或导轨或整个滚动导轨副, 机床即可重新获得高精度。
六、驱动特性
驱动功率大幅度下降, 只相当于普通机械的1/10。采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小, 可使所需的动力源及动力传递机构小型化, 使驱动转矩大大减少, 使机床所需电力降低80%, 节能效果明显。可实现机床的高速运动, 机床效率可提高20% ~30%。
七、经济特性
滚动直线导轨副因其摩擦阻力小、磨损少, 润滑、维修和保养方便, 故维修成本低廉。此外, 滚动直线导轨副还具有很好的互换性, 易形成标准化、系列化, 并由专业厂商成批生产, 使用户选用十分方便, 从而缩短了设计工时。另外, 节能省油是滚动直线导轨副的又一显著特点。日本THK 公司曾对使用滑动导轨的单轴平面磨床和使用滚动导轨的三轴平面磨床进行对比性能测试, 结果是使用滑动导轨的功耗为滚动导轨副的16. 7 倍。鉴于滚动直线导轨副具有众多的突出优点, 因而在机械工业中得到广泛应用, 各种数控机床、精密工作台、工业机器人、医疗器械、检测仪器、轻工机械以及运动机械中都有体现。
