导轨的选择：圆形还是方形？

作者：丹纳赫传动公司 Robert Lipsett    来源：DesignNews

欢迎访问e展厅 展厅 9 导轨/丝杠展厅 滚珠丝杠, 梯形丝杠, 直线导轨, 交叉导轨, 直线轴承, 直线滑块, ... 自从采用了Thomson于20世纪40年代发明的圆形导轨Ball Bushing直线轴承，循环滚珠直线导轨领域一直保持稳定发展。载荷能力、使用寿命的提高以及制造的简化，使几近零摩擦的直线导轨越来越多的应用于更为广泛的领域中。自从20世纪70年代推出方形导轨、直线导轨以来，设计工程师一直面临的关键问题就是：应该选用圆形导轨还是方形导轨? 尽管设计中固有的各种磨制要求导致方形导轨的初始成本是圆形导轨的数倍，但新的制造技术和尺度经济性已经允许方形导轨在更广泛的应用空间与圆形导轨展开有力竞争。在进入机床领域之后，在曾经只能采用圆形导轨产品的许多应用中，现在已经能够看到方形导轨的使用。然而，圆形直线轴承的销售额还在逐年提高。由于某些固有独特性以及适合特定应用的有利特性，滚珠衬套导轨依然流行，最重要的原因就是因为它们是圆形的，而方形销有时是无法匹配到圆形孔中的。 为了将正确类型的直线导轨应用于特定应用中，设计工程师必须考虑到每种导轨的优点和能力。首先必须考虑的就是设计要求，这就需要考虑载荷、准确度、刚度、光洁度、几何尺寸等重要因素。而在通常情况下，这些要求之间存在着相互制约作用。 方形导轨产品可以很好地满足需要高刚度的高载荷应用，例如25mm方形导轨的最高载荷可达20 kN，在轴承导轨和导轨之间平行运行时，可达到3～10m /m的高精度。这种导轨产品中的滚珠轨道经过精密的研磨，从而使该导轨与滚珠精密匹配，即滚珠导轨上运行的座圈只能略微大于滚珠本身的直径。这就使滚珠和座圈之间的接触面积在载荷下大于圆形导轨总成 ，因为在圆形导轨中滚珠和内座圈（轴）均为凸表面。因此，由于滚珠在载荷下变扁，当加载时，方形导轨轴承的刚度将增加到原来的五倍。 方形导轨也可以用于带预载荷的情况，载荷从轻载荷（额定动载荷的3％）到重载荷（额定动载荷的13％）均可适用。方形导轨轴承的典型应用是对载荷能力、刚度和准确度要求极高的机床行业。由于轴承已经承受了一个初始变形，因此，重预载荷进一步降低了载荷下的变形量。到目前为止，我们已经讨论了采用球形滚珠元件的轴承。值得注意的是，如果在不提高包络尺寸的情况下需要比方形滚珠导轨更高（两倍以上）的载荷能力，还可选择配有圆柱辊子型元件的方形导轨轴承。 在方形导轨可以满足载荷能力、刚度和准确度要求后，许多工程师就不会再做进一步的测试。然而，这会导致系统性能下降，以及前期成本和维护成本的增加。圆形导轨产品具有许多优点，其中之一就是：当安装到超过150 mm /m平面度误差的欠光滑表面上时，仍然能够平稳运行。当在滚轴上、倾斜处和侧滑角装配刚性直线轴承时，装配表面的平面度误差通常会造成束缚，从而导致更高的拖曳，并会将使用寿命降低高达50％。为了解决此问题，在装配过程中，必须严格修整匹配表面，或者将各部件进行垫片调整并调节到正常运行，这将使成本提高。对于更精密的机加工应用，由于维护要求提高，因此会提高前期成本和操作成本。此项成本随应用的不同而差异较大，从不足 100美元到数千美元都有可能。而采用圆形导轨产品，可将轴承安装到焊接管型框架或直接固定到混凝土工厂的地板上。 由于具有调心能力，滚珠衬套直线轴承可适应各种条件。由于轴是圆形的，因此，滚珠衬套在围绕轴滚动的过程中可自由旋转。这样两个相邻导轨的安装高度可略有不同，当导轨以300mm或300mm以上的间隔进行安装时，1到2 mm的高度差是可以接受的。同样，大多数滚珠衬套上的轴承座圈在设计上可确保每个直线轴承在倾斜处和偏滑角上旋转最多1/2度，以适应平面度或对中误差。用于约束滚珠衬套以及导轨支撑件的轴台通常采用铝材质，具有较小的灵活性，以适应各轴之间的最大25m的平行性误差。其结果是能够在不理想的情况下达到0.001到0.004的摩擦系数，实现高效引导 。将直线导轨安装到焊接管型框架上在工厂自动化中非常常见。在许多OEM应用中，装配表面均采用拉拔管材和板金。在这些条件下，圆形导轨产品通常比方形产品更快速地安装和更平稳地运行。 圆形导轨产品的一个显著优点就是其圆形板可在端部支撑轴，实现横跨相当于轴直径的12～24 倍的间隙的圆形直线轴承设计，从工厂自动化中的龙门吊系统到DNA 取样机中拣选和放置模块的各种应用均可采用这一设计。运动轴完全通过固定轴的两端进行组建。无论两点之间的机器表面处于何种情况，无论是否只有一个点，该装置的精密性都不会受到影响，仅仅取决于端部支撑装置的准确度。此外，如果要通过直线导轨对中一套丝杠传动系统，只需在一个板上打三个孔，即以两个圆形导轨和丝杠轴承的支撑为基准，这是最容易做到的方法。通过这一设计，在装配过程中无需调节。 解决对中问题的方形导轨解决方案只需使用一个导轨。由于它能够支撑所有方向上的力矩，因此，在导轨副甚至轴承副中无需使用方形导轨轴承。对于轻载荷，即处于轴承载荷和力矩能力范围内的载荷，单个方形导轨轴承即可提供所期望的引导，但并不是所有的方形导轨产品均可按此类型操作进行设计。这种引导消除了在渐扩表面上对两个导轨进行对中的问题。然而，仍然必须考虑到通过传动机构进行对中，方形导轨在设计上没有横跨间隙和端部支撑。由于偏心加载而在导轨上产生力矩，因此，单个导轨可能不适合运动足迹较宽（如300mm）的应用。在做出决定之前，应检查导轨的力矩额定值及其在力矩载荷下的刚度。 在组件选择过程中，设计灵活性是需要考虑的一个非常重要的因素。通常，为了达到最优性能，必须对组件进行改型，以提高功能或在所期望的空间中进行匹配。当与载荷额定值进行对比时，方形导轨轴承比圆形滚珠衬套轴承更为紧凑。这样，如果几何尺寸支持用户的系统要求，则用户将有相当优化的外壳。然而，如果需要进行改型，则在圆形导轨系统上更容易进行此项工作。圆形轴系可按许多方式进行配置，以便于该轴的端部固定，并可用作大尺寸总成中的一个结构件，还可以中心和径向通过轴箱的钻孔、平面和直径。采用圆形轴系后，可单独购买滚珠衬套，这样可以与相邻组件中固有的镗孔，以及铝制或钢 制轴台相匹配。轴台使得轴承易于安装，而且留出了一定的改型余量。 在某些应用中， 平整度可能是需要考虑的另一个主要因素。虽然组件和应用之间在细微处可能略有不同，并通常缺乏行业相关平整度数据，但滚珠衬套轴承往往可以非常平稳地运行，方形导轨和圆形导轨之间的差异通常用手即可感觉得到。滚珠和导轨之间凸表面的点式接触可将擦伤的可能性降到最低。滚珠衬套通常在微小间隙量或1％到2％额定动载荷的轻预载荷下运行，提高了平稳性。而由于较高的一致性和预载荷，方形导轨轴承可在某些“缺口”情况下使用。 在大多数情况下，这是可行的，但如果需要用到仪表级轴承，圆形导轨可能更有优势。同样，由于其简单的圆形几何形状，圆形衬套上的密封件往往更为可靠，产生更小的拖曳。方形导轨擦拭器必须符合导轨中的滚珠轨道，以达到耐用型密封。 安装圆形导轨时最后需要考虑的是安装在轴上的非滚珠型聚合物衬套。可采用适用于铝或其他基底的高性能轴承级材料，以提供良好的载荷能力（相当于滚珠衬套载荷能力的20％）和一个在0.05到0.25范围内的较低摩擦系数。衬套轴承可在具有能够损伤密封严实的滚珠衬套的微粒的恶劣环境中平稳运行，也可在受到冲击载荷损伤的滚珠轴承系统下正常工作。另一方面，滚珠循环噪声可能会成为滚珠衬套或方形导轨轴承中的一个问题，但对于上述衬套轴承却基本上不是问题。由于接触面分布在一个较大的区域中，无需配有滚珠衬套的硬化钢轴。可以采用不锈钢轴系，既适用于像半导体和医药行业所处的清洁环境，也适用于像食品加工行业所处的恶劣环境。 在许多情况下，设计师在选择技术方面拥有很大的灵活性。通过采用适合每个功能的最佳组件，对一套系统的性能进行微调，就会产生最优解决方案，由此可转换成成本和性能的竞争优势。但是，为了达到这一最优解决方案，应考虑到总体安装成本，以及机械加工、表面修整和安装等成本。(end)

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