新型滾動直線導(dǎo)軌副的多樣化
1. 高速、高加減速滾動直線導(dǎo)軌副的開發(fā)
近年來數(shù)控機床、機器人、電子機械裝置等各種機械的進給速度的高速化發(fā)展很快,已經(jīng)提高了2~3倍,而這些機械中使用的滾動直線導(dǎo)軌副的高速要求更高。滾動直線導(dǎo)軌副實現(xiàn)高速、高加減速的基本要求:①滾動體之間不接觸;②潤滑性能提高,并有長期維持特性;③整列滾動體光滑運動;④沖擊力小的循環(huán)機構(gòu)。
基于以上要求,日本THK公司開發(fā)了SSR導(dǎo)軌副,它采用了以下技術(shù):
(1)導(dǎo)軌副中采用了滾動體保持器,使?jié)L動體均勻地排列,平穩(wěn)地進行循環(huán)運動。這使得SSR導(dǎo)軌副具有噪聲低、免維修、壽命長等特點,并且可進行300m/min的超高速直線運動。該導(dǎo)軌副實現(xiàn)了100m/min運動速度下噪聲小于50dB,摩擦波動幅度減少到以往產(chǎn)品的1/5。另外,通過了一次加油脂2ml,運行2800km的無負載試驗。
(2)自潤滑免維護裝置。為了使?jié)L動部件能長期穩(wěn)定工作且保持其機能,潤滑和免維護要求是十分重要的,為此,日本NSK公司開發(fā)了滾動直線導(dǎo)軌副使用的含有潤滑油的樹脂材料“固形油”的“KI系列潤滑裝置”,裝置中的密封件含有重量比為70%的潤滑油,潤滑油慢慢地溢出而維持長期潤滑能力。
2. 滾柱式滾動直線導(dǎo)軌副的發(fā)展動向
滾柱式滾動直線導(dǎo)軌副有壽命長、剛性高和噪聲小等主要特點。它分為O型和X型兩大類,X型為德國INA公司開發(fā)的新產(chǎn)品。
滾柱式滾動直線導(dǎo)軌副的發(fā)展動向主要是潤滑問題。定期注油是必要的,然而裝置復(fù)雜,成本高。為此,日本Memuson公司獨立開發(fā)了毛細管狀的潤滑體安裝在滑塊體內(nèi),可以實現(xiàn)5年或2萬km的行程而不需維護。而日本THK公司研制的QZ潤滑器包含具有纖維網(wǎng)及密封件的油池,也使導(dǎo)軌副的潤滑達到長期免維護的技術(shù)要求。
3. 帶磁柵測量系統(tǒng)的滾動直線導(dǎo)軌副
Schneeberger公司開發(fā)了名為“monorail”的滾動直線導(dǎo)軌副,它把直線運動的導(dǎo)向功能與磁柵—數(shù)顯的位移檢測功能合二為一。磁化鋼帶粘貼在導(dǎo)軌的側(cè)面,而拾取信號的磁頭則與導(dǎo)軌副的滑塊固定并與之同步運動。磁柵測量系統(tǒng)的最小分辨率為0.001,精度為0.005,最高移動速度為3m/min。導(dǎo)軌最長可以達3000mm,每50mm設(shè)一個參考點。“Monorail”滾動直線導(dǎo)軌副具有以下特點:①結(jié)構(gòu)緊湊,易于安裝,占用空間;②由于測量系統(tǒng)裝在導(dǎo)軌體內(nèi),顯著地減小了誤差,提高長度測量的準(zhǔn)確性;③把磁柵密封在導(dǎo)軌體內(nèi),從而增加了測量系統(tǒng)的抗干擾能力。
4. 微型導(dǎo)軌副的開發(fā)
針對醫(yī)療、半導(dǎo)體制造及計量裝置,THK公司開發(fā)了導(dǎo)軌寬度分別為1mm、2mm、4mm等3個型號(長度100mm)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,具有以下特點:①超小型:LM導(dǎo)軌副系列中斷面尺寸最小的、可靠性高的超微型產(chǎn)品。它滿足設(shè)備重量輕、省空間的要求;②低滾動阻力;③能承受所有方向的載荷;④出色的耐腐蝕性:LM導(dǎo)軌及滾珠均使用馬氏體不銹鋼,耐腐蝕性出色,最適合使用于醫(yī)療器械及清潔車間中。
更加個性化的的研發(fā)
1. 高精度化技術(shù)的發(fā)展
(1)“過渡曲線”的優(yōu)化設(shè)計。
日本學(xué)者通過試驗發(fā)現(xiàn)滾動直線導(dǎo)軌副綱球循環(huán)回路的設(shè)計直接影響到進給運動中的高頻振動及動摩擦力的變動,動摩擦力的變動頻率與鋼球直徑有關(guān),表明鋼球在進出工作滾道中產(chǎn)生了沖擊摩擦力。
筆者對滾動直線導(dǎo)軌副滑塊循環(huán)回路過渡曲線形式進行了探討,以給定間隙的方法,鋼球循環(huán)回路采用圓弧形凹圓柱面溝槽,每個圓柱面的中心線(即砂輪中心軌跡線)采用多段單、雙圓弧樣條曲線,并對其進行優(yōu)化。使綱球載荷變化平穩(wěn)連續(xù)無突變,減小了沖擊,從而減小了動摩擦力高頻振動幅值,對于提高精密直線進給精度具有重要意義。
(2)導(dǎo)軌安裝螺孔的節(jié)距及螺紋孔的沉孔深度對導(dǎo)軌的下溝槽的精度影響。
為了適應(yīng)各種機床對導(dǎo)軌的沖擊,滿足工作穩(wěn)定的需求,提高吸震作用,合理的設(shè)計導(dǎo)軌副安裝聯(lián)接螺栓疲勞強度是必要的。日本NSK公司通過試驗,在不同的螺孔安裝節(jié)距及螺紋孔的沉孔深度的情況下,對導(dǎo)軌下溝槽變形量進行了測量。
可見導(dǎo)軌安裝螺孔節(jié)距及螺紋孔的沉孔深度對導(dǎo)軌的下溝槽的精度影響較大,選擇合適的導(dǎo)軌安裝螺孔的節(jié)距及螺紋孔的沉孔深度,對提高滾動直線導(dǎo)軌副的精度是非常重要的。
(3)超精密定位裝置的研究。二見茂通過實驗研究,由滾動直線導(dǎo)軌副和直線電機組成的進給裝置實現(xiàn)了1nm級的超精密傳動。同時從理論上分析了滾動直線導(dǎo)軌副在微小位移時的非線性特性為由滾動直線導(dǎo)軌副組成的精密傳動裝置的設(shè)計提供了依據(jù)。
2. 直線運動單元
直線運動單元實現(xiàn)了將直線運動平臺模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化,而使用者可以根據(jù)作業(yè)內(nèi)容的需要選擇適當(dāng)?shù)男褪郊靶谐,組成不同的結(jié)構(gòu)。直線運動單元多用于自動化與精密測量中,如XYZ多軸平臺、自動裝配與運送系統(tǒng)、半導(dǎo)體制造設(shè)備及光電產(chǎn)品等。
直線運動單元連續(xù)使用環(huán)境溫度可達80℃,短時運行溫度可達100℃。如果所有的力和力矩均在直線運動單元的最大值以內(nèi),則其原則上可安裝在任何位置。直線運動單元的進給速度最高達60~90m/min,加速度0.6~2.0g,定位精度達到20~25 。而未來取代直線驅(qū)動的直線電機,其進給速度可80~200m/min,加速度1~10g以上,定位精度可達0.5~0.005 (甚至更高)。這樣,對于配套使用的滾動直線導(dǎo)軌副提出了更高的要求。
3. 互換性導(dǎo)軌系列
為了滿足客戶對交貨期要求,加速資金周轉(zhuǎn)降低成本,互換性產(chǎn)品的生產(chǎn)是最佳方式,也就是說可將導(dǎo)軌和滑塊分別制造、庫存,對應(yīng)定貨合同可以從庫存標(biāo)準(zhǔn)品中組織裝配做到短期交貨,另外,互換性產(chǎn)品對客戶的維護更換也十分方便。為了達到互換性要求,首先必須精確加工測量溝槽位置尺寸,提高導(dǎo)軌、滑塊的加工精度,另外要加強半成品庫存管理,建全電腦管理體系。更加趨向環(huán)保的綠色化設(shè)計
1. 滾動直線導(dǎo)軌副的噪聲問題得到了較好解決
Yamata 等人研究證明滾動直線導(dǎo)軌副的噪聲產(chǎn)生的主要原因是滾動體與端蓋、滾道之間的碰撞。對于在100~20 000HZ范圍內(nèi)的聲壓級,通過裝入較輕的陶瓷球(Si5 N4)可以降低。通過實測當(dāng)運動速度在0.3~1.17m/s范圍內(nèi),鋼球滾動體的噪聲為60.0~76.9dB,而陶瓷鋼球的噪聲為55~71dB,平均降噪為4.5 dB。
2. 面對綠色環(huán)境保護的要求
半導(dǎo)體、液晶制造設(shè)備對綠色環(huán)境要求極高,這樣的環(huán)境下,滾動直線導(dǎo)軌副使用真空氟素潤滑劑,因為氟素潤滑劑粉塵的發(fā)生量極少。但是氟素潤滑劑的耐久性及防銹能力不高,高速運行時阻力增大,由于以上原因低發(fā)塵的潤滑劑和KI系列組成的密封潤滑件的使用可以得到真空潤滑劑同等的特性。
為了實現(xiàn)綠色環(huán)保的要求及各種各樣的使用要求,防銹能力提高是十分重要的。比如,不銹鋼導(dǎo)軌副,采用馬氏體系不銹鋼材料,具有與一般標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌副相同的額定載荷等機能。以防銹和防止光反射作用必須對導(dǎo)軌副進行表面處理。從防銹機能,耐久性,成本各方面出發(fā),推薦采用鍍黑鉻的電解防銹黑色膜表面處理技術(shù)。還可以用氟化低溫噴鍍方法涂上一層氟素樹脂涂料,使防銹性能進一步提高,在醫(yī)藥、食品機械中可以廣泛使用。