滚动直线导轨副反向器的设计

河南机电高等专科学校 毕业设计说明书

论文题目：滚动直线导轨副反向器的设计

系 部： 机械工程系 专 业： 机械制造与自动化 班 级： 机制061 学生姓名： 王生伟 学 号： 060114123 指导教师： 程雪利

2009年 5 月 22 日 河南机电高等专科学校毕业设计 1 第1章 绪 论 1.1 引言 随着数控技术和机电一体化的普及和发展，机械传动机构的定位精度、导向的精度和进给速度在不断提高。传统的导向机构发生了重大变化，从七十年代中期开始，直线滚动导轨以其独有特点在越来越多的领域中得到应用。 直线滚动导轨一般有导轨、滑动块、反向器、滚动体和保持器等组成。它是一种新型的作为相对往复直线运动的滚动支承。能以滑块和导轨见的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以在滚道和滑块内实现无限循环。基于结构上的特点，与滚动导轨相比，它具有卓越的特点和优良的使用性能。

1.1.1 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的多，摩擦系数ｕ=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ｕ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。

1.1.2 运动精度 滚动直线导轨副的摩擦系数极小，因此在起动是无颤动，低速下运动无爬行现象。当施加愈加载荷时可以消除间隙，提高刚性和精度。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，因此可制成高精度高性能的机械。另外，由于滚动直线导轨具有很好的误差均化功能。

1.1.3 寿命特点 河南机电高等专科学校毕业设计 2 滚动直线导轨副具有较好的承载特性，可以承受不同方向的力和力矩载荷。 大部分的能量以磨损的形式消耗掉，因而磨损快，难以长期维持精度。相反，滚动直线导轨副摩擦小、磨损小及温升小，可以长期维持高精度，具有较长的精度寿命。

1.1.4 承载特性 滚动直线导轨副具有较好的承载特性，可以承受不同方向的力和力矩载荷，可承受上下、左右的力及颠簸力矩、摇动力矩和摆动力矩等。具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当预加载荷，可以增加阻尼以提高抗震性，同时可消除高频振动现象。如图1.1所示

图1.1 滚动直线导轨副的承载类型 1.1.5 经济性能 滚动直线导轨副因其摩擦阻力小、磨损小以及润滑维修保养容易，故维修成本低廉。此外，滚动直线导轨还有很好的互换性，易行成标准化、系列化，并有专业厂家成批生产，使用户选用十分方便，从而缩短了设计工时。另外节能省油使滚动直线导轨副的又以显著特点。总之，滚动直线导轨副作为一种新型支承部件由于在许多方面都具有突出特点，因而近年来被广泛应用于各种数控机床、加工中心精密工作台、工业机器人及医疗器械、检测仪器、轻工机械、运输机械之中，促进了机械工业的技术进步，带来了巨大的经济效益。 河南机电高等专科学校毕业设计 3 1.2 滚动直线导轨副的发展概况

原始的滚动直线导轨副使1932年法国专利局公司公布的一项专利，如图1.2所示。但由于当时设计制造者水平的限制，使得这种新型导轨的承载能力差、刚性低且装配复杂、易出故障等原因，从而使滚动直线导轨副的研究和应用迟缓至20世纪90年代。 20世纪90年代以来，随着机械化高精度节能及耐久性的要求越来越高，促进了对滚动导轨的研究。日本THK公司提出了L/B型直线滚珠花键的专利，并应用于各种机械之中。接着便是圆柱型筒式直线导轨的问世。经过四十年的发展，滚动直线导轨副以日趋成为国际通用的一种支承和传动装置。鉴于此况，1979年国际标准化组织滚动轴承技术委员会成立了直线运动球轴承分委会。

图1.2 滚动直线导轨副的雏形 进入80年代以来，随着工业的发展和技术的进步，直线运动球轴承由于承载小、刚性差等原因，使用范围受到限制，已不能满足要求。从1982年开始，日本精工NSK公司和THK公司对滚动直线导轨进行了一系列的开发和研究工作，研制出许多新型类型，并在世纪生产中得到了广泛应用。 目前，国内在导轨制造方面处于仿制阶段，其中汉江机床厂和南京工艺设备厂在产品试制方面已有大量工作，产品基本形成系列化。但由于生产技术、产品质量等方面的原因，在实际中还没有得到广泛应用，在很大程度上依然依靠进口来解决。 河南机电高等专科学校毕业设计 4 1.3 滚动直线导轨副的研究现状及设计内容 滚动直线导轨副是一项技术密集型产品，需要有先进的技术装备和较大的投资才能大规模生产。目前世界上只有先进工业国家(日本THK/NSK/IKO公司、瑞典的SKF公司、德国的INA公司及美国的汤姆森公司)在滚动直线导轨副的生产研究和开发新产品方面处于领先水平，而且各企业都有内部制定的标准、产品的性能等级，形状也千差万别。基础研究文献也十分罕见由此说明基础研究十分不成熟。在我国，基础理论研究工作正在逐步展开，有些研究所及高等院校已做了大量工作。特别是华中理工大学的孙健利教授已取得了很大成就完成了刚度理论及其计算研究。导轨的寿命计算研究、基本定载荷的研究也取得了很大成绩。特别是反向器的设计逐步趋于完善成熟。 反向器是滚动直线导轨的一个重要功能部件，也是目前对滚动导轨研究所急需解决的问题。本文工作的重点就是在理论上研究的基础上完成反向器的结构设计，从而进一步完成整个直线导轨副的设计打下基础。 本设计工作主要反映在以下几个方面。 （1）介绍滚动直线导轨的发展情况及其研究现状； （2）以回珠效率为基准选取了回珠曲线的曲率半径，并对其进行了分析； （3）对反向器回珠曲线进行了设计； （4）对滚动直线导轨副的进行了设计，包括反向器的结构、滑块与导轨、润滑和密封装置。 河南机电高等专科学校毕业设计

5 第2章 滚动直线导轨副反向器回珠曲线的设计 2.1反向器的作用及设计要求 2.1.1反向器的作用 在直线滚动导轨副的滑块两端装有使钢球循环滚动的端盖，称为反向器。其作用使将从受载滚道中出来的钢球的运动平稳的改变180°，使钢球沿滑块中的直线回程道返回滚道入口处。在反向器内加工有相应的回珠滚槽，钢球就通过回珠沟槽实现方向过程。反向器是循环回程的重要环节，是产生摩擦力、振动噪声等现主要来源之一。特别是当摩擦力过大时回产生钢球堵塞现象，影响滚动导轨的传动效率，特别是回球槽开设的不合理时钢球有可能产生自锁，无法实现循环，从而加剧对导轨副的磨损，应绝对避免。因此，反向器的设计和研究是极其重要的问题。

2.1.2 反向器设计的基本要求 一、反向器回球槽与承载滚道及直线回程道的连接部分相切，接口平整，使传动时滚珠无跳动，并避免产生楔紧，以降低噪音和摩擦阻力，提高运转灵活性和平稳性。 二、反向器回珠沟槽应避免急剧的转弯，并尽可能设计的短些，减少回珠沟槽中滚珠数目，以减少滚珠对回珠沟槽的摩擦及滚珠之间的摩擦，提高传动效率。 三、滚珠进入回珠沟槽和离开回珠槽前要逐个卸载和承载，以减少滚珠的冲击与拥挤，过渡缓慢可减少对钢球和导轨副的磨损并可减少噪音。 四、反向器的结构要简单，并要求具有良好的刚度，以避免承载的变形，影响滚珠运转的流畅性和导轨的正常运行。 五、反向器外形尺寸要求小，使滑块结构紧凑，节省安置空间，并且也有利于缩短回珠沟槽。 六、反向器加工工艺要好，以便于模具制造，降低成本。 河南机电高等专科学校毕业设计 6 2.1.3 回柱曲线设计的基本要求

反向器设计的核心使回柱曲线设计，回柱曲线即钢球通过反向器的回柱沟槽时，其中心的运动轨迹。一般地说，回柱曲线使一条空间曲线。对于理想的回柱曲线，应使钢球咋回柱过程中传动受力小，同时还要求滚柱中心的运动速度无突变和加速度尽量缓慢，无冲击作用，以减少不必要的动力损失。保证钢球的运动流畅性和平稳性。 回柱曲线在反向器中应该具有唯一性，即要求滚道与钢柱的间隙要均匀。

2.2 反向器回柱曲线的设计 2.2.1 对原有反向器的质疑 原有的设计中回柱曲线是平面圆弧，这种曲线具有设计计算方便、加工简单等优点，但存在一个突出缺点：两滚柱中心线的距离是不均匀的。这就使得与挡块紧邻的钢柱面与挡柱块间的间隙不均匀，因而对滚珠反向器产生不良影响。如图2.1所示。 另一方面，由于滚柱导轨的传动速度慢，在很多地方使用也受到一定的限制。因此提出一种更新的方案，具体如下：

图2.1 间隙分析 河南机电高等专科学校毕业设计

7 基于滚珠导轨的优点启发，在导轨与滚柱的原有的长线接触更改为短线接触，也即在保证滚柱导轨刚度和寿命基础上，由原来的“长线接触”变为两个“短线接触”。其优点是保证滚柱导轨具有快速的运动速度，其速度介于滚珠导轨与滚柱导轨之间，同时其噪音小、摩擦阻力小，运转具有很大的灵活性，特别是当滚柱体回转到换向器端盖时，其平稳地卸荷与加载。由于滚柱的特殊构造，使其在换向器内换向更加容易，从原来的长线接触到短线接触，对换向器端盖的构造再进行适当的改造，把回珠曲线的“平面圆弧”改为“短线圆弧”，由此可解决圆的投影一般为椭圆问题。而挡珠块为半圆环在垂直于轴线的投影上万为半圆，垂直于挡珠块轴线的投影面投影后发生变化，使得与挡珠块紧邻的钢柱面与挡珠块的间隙发生变化即从∆1~∆2，解决了这种情况容易产生卡球与堵塞现象。

2.2.2 对改进后的设计进行验算 一、参数方程的建立

xyz

o 图2.2 空间交线

xy图2-3 投影分析

图2.3 投影分析