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滚动直线导轨副、滚珠丝杠的现状及技术动向
发布时间:2011/3/12   浏览:3224
  随着我国改革开放的不断深入以及加入世贸组织,我国已经名副其实地成为了世界制造工厂。制造业已经发展成为一个支柱产业,由此中国也成为了世界上最大的机床消费国,由于汽车工业的发展以及对生产效率和产品品质的要求逐步提高,对机床的速度和效率都提出了新的更高的要求。目前机床的数控化率发展很快。提高数控机床功能零部件的性能和质量已经成为中国机床工业发展的当务之急。
  为实现其高性能,中国生产的机床在驱动上使用高精度滚珠丝杠的比率有了很大的提高。目前机床采用的滚珠丝杠,有价格较低的国产的,也有精度较高的日本和欧洲等进口产品。使用进口产品往往是在那些对加工速度、精度、寿命及稳定性方面有较高要求的机床。
  随着机床速度的提高,导轨的使用也由滑动向滚动转化。在中国,由于机床速度较低及制造成本上的原因,滑动导轨的使用还占大多数,但使用滚珠导轨和滚柱导轨的机床数量在急速上升。由于滚动导轨具有高速、长寿命、可加预压、安装方便等方面的优点,随着对机床性能及数控化要求的提高,滚动导轨使用比率的提高是必然的趋势。
  要提高机床的生产效率,就要提高机床的速度。由此,对高速滚珠丝杠和直线导轨的需求也会有快速的增加。为此开发了高速静音滚珠丝杠和高负荷滚子直线导轨,为发展高性能机床提供有力的支持。
  新型滚动直线导轨副的多样化
  1. 高速、高加减速滚动直线导轨副的开发
  近年来数控机床、机器人、电子机械装置等各种机械的进给速度的高速化发展很快,已经提高了2~3倍,而这些机械中使用的滚动直线导轨副的高速要求更高。滚动直线导轨副实现高速、高加减速的基本要求:①滚动体之间不接触;②润滑性能提高,并有长期维持特性;③整列滚动体光滑运动;④冲击力小的循环机构。
  基于以上要求,日本THK公司开发了SSR导轨副,它采用了以下技术:
  (1)导轨副中采用了滚动体保持器,使滚动体均匀地排列,平稳地进行循环运动。这使得SSR导轨副具有噪声低、免维修、寿命长等特点,并且可进行300m/min的超高速直线运动。该导轨副实现了100m/min运动速度下噪声小于50dB,摩擦波动幅度减少到以往产品的1/5。另外,通过了一次加油脂2ml,运行2800km的无负载试验。
  (2)自润滑免维护装置。为了使滚动部件能长期稳定工作且保持其机能,润滑和免维护要求是十分重要的,为此,日本NSK公司开发了滚动直线导轨副使用的含有润滑油的树脂材料“固形油”的“KI系列润滑装置”,装置中的密封件含有重量比为70%的润滑油,润滑油慢慢地溢出而维持长期润滑能力。
  2. 滚柱式滚动直线导轨副的发展动向
  滚柱式滚动直线导轨副有寿命长、刚性高和噪声小等主要特点。它分为O型和X型两大类,X型为德国INA公司开发的新产品。
  滚柱式滚动直线导轨副的发展动向主要是润滑问题。定期注油是必要的,然而装置复杂,成本高。为此,日本Memuson公司独立开发了毛细管状的润滑体安装在滑块体内,可以实现5年或2万km的行程而不需维护。而日本THK公司研制的QZ润滑器包含具有纤维网及密封件的油池,也使导轨副的润滑达到长期免维护的技术要求。
  3. 带磁栅测量系统的滚动直线导轨副
  Schneeberger公司开发了名为“monorail”的滚动直线导轨副,它把直线运动的导向功能与磁栅—数显的位移检测功能合二为一。磁化钢带粘贴在导轨的侧面,而拾取信号的磁头则与导轨副的滑块固定并与之同步运动。磁栅测量系统的最小分辨率为0.001,精度为0.005,最高移动速度为3m/min。导轨最长可以达3000mm,每50mm设一个参考点。“Monorail”滚动直线导轨副具有以下特点:①结构紧凑,易于安装,占用空间小;②由于测量系统装在导轨体内,显着地减小了误差,提高长度测量的准确性;③把磁栅密封在导轨体内,从而增加了测量系统的抗干扰能力。
  4. 微型导轨副的开发
  针对医疗、半导体制造及计量装置,THK公司开发了导轨宽度分别为1mm、2mm、4mm等3个型号(长度100mm)标准产品,具有以下特点:
  ①超小型:LM导轨副系列中断面尺寸最小的、可靠性高的超微型产品。它满足设备重量轻、省空间的要求;②低滚动阻力;③能承受所有方向的载荷;④出色的耐腐蚀性:LM导轨及滚珠均使用马氏体不锈钢,耐腐蚀性出色,最适合使用于医疗器械及清洁车间中。
  更加个性化的的研发
  1.高精度化技术的发展
  (1)“过渡曲线”的优化设计。
  日本学者通过试验发现滚动直线导轨副钢球循环回路的设计直接影响到进给运动中的高频振动及动摩擦力的变动,动摩擦力的变动频率与钢球直径有关,表明钢球在进出工作滚道中产生了冲击摩擦力。
  笔者对滚动直线导轨副滑块循环回路过渡曲线形式进行了探讨,以给定间隙的方法,钢球循环回路采用圆弧形凹圆柱面沟槽,每个圆柱面的中心线(即砂轮中心轨迹线)采用多段单、双圆弧样条曲线,并对其进行优化。使钢球载荷变化平稳连续无突变,减小了冲击,从而减小了动摩擦力高频振动幅值,对于提高精密直线进给精度具有重要意义。
  (2)导轨安装螺孔的节距及螺纹孔的沉孔深度对导轨的下沟槽的精度影响。
  为了适应各种机床对导轨的冲击,满足工作稳定的需求,提高吸震作用,合理的设计导轨副安装联接螺栓疲劳强度是必要的。日本NSK公司通过试验,在不同的螺孔安装节距及螺纹孔的沉孔深度的情况下,对导轨下沟槽变形量进行了测量。
  可见导轨安装螺孔节距及螺纹孔的沉孔深度对导轨的下沟槽的精度影响较大,选择合适的导轨安装螺孔的节距及螺纹孔的沉孔深度,对提高滚动直线导轨副的精度是非常重要的。
  (3)超精密定位装置的研究。二见茂通过实验研究,由滚动直线导轨副和直线电机组成的进给装置实现了1nm级的超精密传动。同时从理论上分析了滚动直线导轨副在微小位移时的非线性特性为由滚动直线导轨副组成的精密传动装置的设计提供了依据。
  2. 直线运动单元
  直线运动单元实现了将直线运动平台模块化、标准化,而使用者可以根据作业内容的需要选择适当的型式及行程,组成不同的结构。直线运动单元多用于自动化与精密测量中,如XYZ多轴平台、自动装配与运送系统、半导体制造设备及光电产品等。
  直线运动单元连续使用环境温度可达80℃,短时运行温度可达100℃。如果所有的力和力矩均在直线运动单元的最大值以内,则其原则上可安装在任何位置。直线运动单元的进给速度最高达60~90m/min,加速度0.6~2.0g,定位精度达到20~25 。而未来取代直线驱动的直线电机,其进给速度可达80~200m/min,加速度1~10g以上,定位精度可达0.5~0.005 (甚至更高)。这样,对于配套使用的滚动直线导轨副提出了更高的要求。
  3. 互换性导轨系列
  为了满足客户对交货期要求,加速资金周转降低成本,互换性产品的生产是最佳方式,也就是说可将导轨和滑块分别制造、库存,对应定货合同可以从库存标准品中组织装配做到短期交货,另外,互换性产品对客户的维护更换也十分方便。为了达到互换性要求,首先必须精确加工测量沟槽位置尺寸,提高导轨、滑块的加工精度,另外要加强半成品库存管理,建全电脑管理体系。
  更加趋向环保的绿色化设计
  1. 滚动直线导轨副的噪声问题得到了较好解决
  研究证明滚动直线导轨副的噪声产生的主要原因是滚动体与端盖、滚道之间的碰撞。对于在100~20 000HZ范围内的声压级,通过装入较轻的陶瓷球(Si5 N4)可以降低。通过实测当运动速度在0.3~1.17m/s范围内,钢球滚动体的噪声为60.0~76.9dB,而陶瓷钢球的噪声为55~71dB,平均降噪为4.5 dB。
  2. 面对绿色环境保护的要求
  半导体、液晶制造设备对绿色环境要求极高,这样的环境下,滚动直线导轨副使用真空氟素润滑剂,因为氟素润滑剂粉尘的发生量极少。但是氟素润滑剂的耐久性及防锈能力不高,高速运行时阻力增大,由于以上原因低发尘的润滑剂和KI系列组成的密封润滑件的使用可以得到真空润滑剂同等的特性。
  为了实现绿色环保的要求及各种各样的使用要求,防锈能力提高是十分重要的。比如,不锈钢导轨副,采用马氏体系不锈钢材料,具有与一般标准导轨副相同的额定载荷等机能。以防锈和防止光反射作用必须对导轨副进行表面处理。从防锈机能,耐久性,成本各方面出发,推荐采用镀黑铬的电解防锈黑色膜表面处理技术。还可以用氟化低温喷镀方法涂上一层氟素树脂涂料,使防锈性能进一步提高,在医药、食品机械中可以广泛使用。
 
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