直线导轨机构的设计原理与应用

         自动化机构采用模块化结构来实现特定的运动和功能,最基本的运动模式是旋转运动和直线运动。旋转运动主要用于动力传输、物料输送、旋转加工等。如各种输送系统的驱动、凸轮分度器的驱动、步进/伺服进给系统、机床主轴驱动等。而直线运动广泛应用于各种工件的移载、交接、装配、检测、包装等场合。 

一、线性运动系统的结构

要实现直线运动,需要满足以下两个基本条件:

  • 驱动部件
  • 导向部分

驱动部分提供直线运动所需的动力,而导向部分确保机构沿某一方向运动,并提供足够的运动精度和支撑刚度。

1.驱动部件

工程中最新的线性运动驱动组件:

  • 气缸
  • 液压缸
  • 各种电机(步进电机、伺服电机)

为了驱动机构实现直线运动,最简单和成本最低的方法是使用直线运动气缸。

虽然线性气缸能够满足使用要求,但在少数情况下也受到以下限制:

运动模式的局限性

普通气缸只能在两点之间进行运动循环,大多数情况下满足使用要求。即使要实现三点之间的运动循环,也可以串联使用两个气缸。在这些情况下,一旦调整完成,气缸速度是固定的,并且只能以固定的范围和速度
移动。然而,在某些情况下,需要频繁的气动和停止来实现多条线之间的运动循环,并且运动方向和速度经常根据实际情况灵活改变,这是普通气缸无法完成的。

结构空间的局限性

在一些结构非常紧凑的情况下,可能没有足够的空间来安装气缸,并且电机可以容易地解决这个问题,因为电机安装在空间允许通过皮带传动或链条传动的其他地方,从而证明了电机在这种情况下的优越性。

2.运动转换机构

由普通直线运动气缸驱动的气动机构具有简单、成本低、制造快速的优点,但一般局限于两点间的固定速度和形成的直线运动,不能实现灵活的启动、停止、转向和变速。虽然电机的输出是旋转运动,而不是通常所
要求的直线运动,但电机的特点是可以很好地实现启动、停止、方向和速度的控制。

有没有办法利用电机极其简单的控制,并将其作为直线运动的驱动部件?

答案是肯定的,如果采用一些转换机构,电机输出的扭矩可以转换成负载所需的直线牵引力,电机输出的往复旋转运动可以转换成负载所需的往复直线运动,从而实现一些特殊场合所需的直线运动,可以实现多点多
周期无级调速。

自动机械结构设计中最常用的转换机构有:

  • 滚珠丝杠机构
  • 同步带/同步带轮
  • 齿轮/齿条

采用滚珠丝杠机构将丝杠的旋转运动转化为滚珠螺母的直线运动

采用同步带/同步带轮连接负载和同步带,将同步带轮的旋转运动转化为同步带(和负载)的直线运动

如果负载与齿条连接,齿轮的旋转运动可以转化为齿条(和负载)的线性运动

通过执行马达和上述转换部件可以形成各种线性运动系统,以实现复杂的线性运动。

3.导向组件

自动机械中的大多数直线运动都不是普通的直线运动,而是具有高运动精度的直线运动。由于一定的负载,线性运动系统还必须具有足够的刚度,以确保在负载下不可接受的变形。因此,导向部件是实现直线运动的
基本要素之一。

(1)传统导向部件

导向部分的作用是保证机构在一定方向上直线运动,并提供足够的运动精度,因此导向部分的精度是各种机械设备工作精度的基础。

在机床和自动机械的早期,为了获得所需的直线运动,通常会专门设计和加工各种特殊的导轨。

机加工导轨有以下缺点:

  • 组件通用性差
  • 高制造成本
  • 长制造周期
  • 精确度很难保证。

(1)目前自动机械行业广泛使用的标准导向部件

  • 线性滚动导向机构(如线性导轨)
  • 线性轴承/线性轴(如线性轴承)
  • 滚珠花键(如花键轴)

上述导向件不仅可以简化各种机械的设计和制造,大大简化设计,缩短设计和制造周期,而且可以以较低的测量成本获得极高的精度。

二、直线导轨机构的结构及工作原理

1.使用直线导轨机构

基于线性导向机构,只有通过加工具有一般精度或较低精度的零件才能获得高精度的线性运动。由于线性导向机构的特殊设计,它还具有同时在多个方向上传递载荷所需的高刚性。因此,通常,在机器结构上不需要
额外的刚性设计。线性导向机构可以支撑负载。

2.直线导轨机构的结构及工作原理

直线导轨机构通常也称为直线导轨,直线滚动导轨,直线滚动导轨对,直线滑块等。

在内部,两个滚珠均用作承重元件,而滚子用作承重元件。使用滚子的直线导轨机构比直线导轨具有更高的精度和更大的承载能力。

(1)导轨

导轨是细长的元件,其通常安装并固定在基准面上。一系列螺钉安装孔均匀分布在导轨上,用于安装螺钉。根据使用所需的运动行程,可以选择不同的导轨长度,最长不超过4米(制造时的标准长度),并且可以根据
长度截取。由于使用了特殊的材料,专业的加工设备和技术,因此导轨具有出色的性能,出色的工作精度和良好的性价比。

(2)滑块

滑块是一个矩形组件,带有两个或四个安装螺丝孔,顶部的精加工安装表面用于安装负载。根据负载的形状,大小和偏心率,您可以选择一个,两个或三个安装滑轨以匹配导轨。

注意:直线导轨机构是精密组件。滑块在出厂时已经过检查和精确调整。在使用,运输和存放期间,无法取下滑块。

(3)球

滑块内部有一系列钢球,一组在一侧,两组在工作。球分别接触滑块和导轨。滑块相对于导轨的运动是通过球的连续运动来实现的。负载首先传递到滑块,然后通过滚珠传递到导轨,最后传递到基座安装表面。

球在机构中起到运动传递和轴承的作用。该图显示了当滑块承受各种载荷时,滑块内部的球的力。

(4)端盖

端盖的功能是固定滚珠,以使滚珠形成一个环。

(5)防尘罩

防尘罩是保护件。直线导轨是精密零件,内部不允许有灰尘。防尘罩的作用是防止灰尘进入滑块并确保机构的准确性。

(6)装配面和装配基准面

直线导轨机构在使用中有4个重要平面:两个装配面和两个侧面定位参考平面

在图中,两个安装表面分别是指滑块的上平面C和导轨的下平面A,分别用于安装负载和固定导轨。两个装配参考表面(D,B)用于确定装配过程中的载荷和导轨方向。宽度方向上的装配参考。为了轻松识别装配基准, 

每个制造商在装配基准上均刻有特殊符号。这四个平面都是精密研磨的。只要确保机器安装基础的准确性和正确的安装,负载就可以在所需方向上执行稳定的高精度线性运动。

2.直线导轨机构的特点

(1)运动阻力小
(2)运动精度高
(3)定位精度高
(4)多个方向同时高精度
(5)容许负荷大
(6)可以长时间保持高精度
(7)可以高速移动
(8)维修方便
(9)能耗低
(10)价格低
(11)交货快捷

三,直线导轨的使用

如何选择相对运动

由于导轨和滑块是彼此相对移动的两个部分,因此与气缸的使用类似,线性引导机构具有以下两种用途

(1)导轨固定—滑块运动

这是最基本,最常用的方法。使用方法:将导轨安装在固定机构上,并通过螺钉将负载直接安装在滑块上。

(2)固定滑块—导轨运动

这是一种运动方法。使用方法是将滑块安装在固定机构上,将负载直接安装在导轨上,然后导轨驱动负载进行线性往复运动。

这种方法很少使用,它主要用于负载冲程长且机器缺少足够的安装空间的场合。 解决了安装空间的难题,并满足了大行程的需求。

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