2.3 導向機構

機電一體化系統的導向機構為各運動機構提供可靠的支承，并保證其正確的運動軌跡，以完成其特定方向的運動。簡而言之，導向機構的作用為支承和導向。機電一體化系統的導向機構是導軌，一副導軌主要由兩部分組成，在工作時一部分固定不動，稱為支承導軌（或導軌），另一部分相對支承導軌作直線或回轉運動，稱為運動導軌（或滑塊）。

2.3.1 導向機構的性能要求與分類

（1）導軌的性能要求

機電一體化系統對導軌的基本要求是導向精度高、剛度足夠大、運動輕便平穩、耐磨性好以及結構工藝性好等。

1）導向精度。指運動導軌沿支承導軌運動的直線度。影響導向精度的因素有導軌的幾何精度、結構形式、剛度、熱變形等。

2）剛度。導軌受力變形會影響導軌的導向精度及部件之間的相對位置，因此要求導軌應有足夠的剛度。

3）低速運動平穩性。指導軌低速運動或微量位移時不出現爬行現象。爬行是指導軌低速運動時，速度不是勻速，而是時快時慢，時走時停。爬行產生的原因是靜摩擦因數大于動摩擦因數。

4）耐磨性。指導軌在長期使用過程中能否保持一定的導向精度。導軌在工作過程中難免有所磨損，所以應力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調整。

5）其他方面。導軌應結構簡單、工藝性好。并且熱變形不應太大，以免影響導軌的運動精度，甚至卡死。

（2）導軌的分類及特點

常用的導軌種類很多，按導軌接觸面間的摩擦性質可分為滑動導軌、滾動導軌、流體介質摩擦導軌等。按其結構特點可分為開式導軌（借助重力或彈簧強力保證運動件與支承導軌面之間的接觸）和閉式導軌（只靠導軌本身的結構形狀保證運動件與支承導軌面之間的接觸）。常見導軌的特點見表2-1。

表2-1 常見導軌的特點

一般滑動導軌靜摩擦系數大，并且動、靜摩擦系數差值也大，低速易爬行，不滿足機電一體化設備對伺服系統快速響應性、運動平穩性等要求，因此，在數控機床等機電一體化設備中使用較少。

2.3.2 滾動直線導軌

（1）滾動直線導軌的特點

滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當的滾動體，使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力。滾動導軌適用于工作部件要求移動均勻、動作靈敏以及定位精度高的場合，因此在高精密的機電一體化產品中應用廣泛。目前各種滾動導軌基本已實現生產的標準化、系列化，用戶及設計人員只需了解滾動直線導軌的特點，掌握選用方法即可。

滾動導軌的特點：

1）摩擦因數低，摩擦因數為滑動導軌的1/50左右。動靜摩擦因數差小，不易爬行，運動平穩性好。

2）定位精度高，可達0.1～0.2μm，運動平穩，可微量移動。

3）剛度大。滾動導軌可以預緊，以提高剛度。

4）壽命長。由于是純滾動，摩擦因數為滑動導軌的1/50左右，磨損小，因而壽命長，功耗低，便于機械小型化。

5）結構復雜，幾何精度要求高，抗振性較差，防護要求高，制造困難，成本高。

（2）滾動直線導軌的分類

1）按滾動體的形狀

分為滾珠式、滾柱式和滾針式，如圖2-22所示。滾珠式的特點是：點接觸、摩擦小，承載力小，剛度低；滾柱式的特點是：線接觸、摩擦大，承載力大，剛度高，對導軌平行度敏感；滾針式的特點是尺寸小，結構緊湊，承載能力大。

2）按滾動體是否循環

分為滾動體循環式和滾動體不循環式。滾動體不循環式導軌的滾動體可以是滾珠、滾針或圓柱小滾子，該形式的導軌由于滾動體不循環，其行程有限。滾動體不循環式導軌結構簡單，制造容易，成本較低，但有時難以施加預緊力，剛度較低，抗振性能差，不能承受沖擊載荷。滾動體循環式導軌行程不受限制，并且與滾動體不循環式導軌相比其承載能力大，剛度高。

圖2-22 滾動直線導軌副按滾動體形狀的分類

a）滾珠式 b）滾柱式 c）滾針式

（3）滾動直線導軌副

類似于滾珠絲杠，滾動導軌的生產也實現了標準化、系列化，目前世界上有很多公司都生產各種用途的標準化導軌，并使之規模化來降低成本。在設計機電一體化系統時應盡量采用標準化的導軌，來滿足設計的需求，使產品的成本降低并使生產周期縮短，提高產品的市場競爭力。圖2-23為THK公司生產的HSR型滾動直線導軌，滾珠在導軌與滑塊被精密研磨加工過的4列滾動溝槽上進行滾動，再通過裝在滑塊上的端蓋板使各列球進行循環運動，因滾珠被保持板保持，即使將滑塊從軌道上抽出，滾珠也不會脫落；該系列導軌為使滑塊的各方向（徑向方向、反徑向方向、橫向方向）具有相同的額定負荷，各球列被設計成45°的接觸角，無論何種姿態都可以，并且因施加均等的預壓，從而既能一邊維持較低的摩擦因數，又加強剛性，可以獲得穩定的高精度直線運動，用途非常廣泛。

（4）滾動直線導軌的選用

在設計選用滾動直線導軌時，應對其使用條件，包括工作載荷、精度要求、速度、工作行程、預期工作壽命等進行計算，并且還要考慮其剛度、摩擦特性及誤差平均作用、阻尼特征等因素，從而達到正確合理的選用，以滿足設備技術性能的要求。

圖2-23 HSR型滾動直線導軌

1—油嘴 2—末端密封墊片 3—端蓋板 4—滑塊 5—保持板 6—導軌 7—滾珠 8—保持板 9—內部密封墊片 10—側面密封墊片

2.3.3 塑料導軌

所謂塑料導軌，指床身仍是金屬導軌，在運動導軌面上貼上一層、或涂覆一層耐磨塑料的制品。塑料導軌也稱貼塑導軌。采用塑料導軌的主要目的有以下兩點：

1）克服金屬滑動導軌摩擦因數大、磨損快、低速易爬行等缺點。

2）保護與其對磨的金屬導軌面的精度，延長其使用壽命。

塑料導軌一般用在滑動導軌副中較短的導軌面上。塑料導軌的應用形式主要有以下幾種：

（1）塑料導軌軟帶

塑料導軌軟帶的材料以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結，并做成軟帶狀。使用時采用粘接材料將其貼在所需處作為導軌表面，如圖2-24所示。

圖2-24 塑料導軌

1—導軌軟帶 2—粘結材料

塑料導軌軟帶有以下特點：

1）摩擦因數低且穩定。其摩擦因數比鑄鐵導軌低一個數量級。

2）動靜摩擦因數相近。其低速運動平穩性比鑄鐵導軌好。

3）吸收振動。由于材料具有良好的阻尼性，其抗振性優于接觸剛度較低的滾動導軌。

4）耐磨性好。由于材料自身具有潤滑作用，因而在無潤滑情況下也能工作。

5）化學穩定性好。耐高低溫、耐強酸強堿、耐強氧化劑及各種有機溶劑。

6）維護修理方便。導軌軟帶使用方便，磨損后更換容易。

7）經濟性好。結構簡單、成本低，成本約為滾動導軌的1/20。

（2）金屬塑料復合導軌

如圖2-25所示，金屬塑料復合導軌分為三層，內層鋼背保證導軌板的機械強度和承載能力。鋼背上鍍銅燒結球狀青銅粉或銅絲網形成多孔中間層，以提高導軌板的導熱性，然后用真空浸漬法，使塑料進入孔或網中。當青銅與配合面摩擦發熱時，由于塑料的熱脹系數遠大于金屬，因而塑料將從多孔層的孔隙中擠出，向摩擦表面轉移補充，形成厚約0.01～0.05mm的表面自潤滑塑料層—外層。金屬塑料導軌板的特點是：摩擦特性優良，耐磨損。

（3）塑料涂層

摩擦副的兩配對表面中，若只有一個摩擦面磨損嚴重，則可把磨損部分切除，涂敷配制好的膠狀塑料涂層，利用模具或另一摩擦表面使涂層成形，固化后的塑料涂層即成為摩擦副中配對面之一，與另一金屬配對面組成新的摩擦副，利用高分子材料的性能特點，達到良好的工作狀態。

圖2-25 金屬塑料復合導軌

1—外層 2—中間層 3—內層

2.3.4 流體靜壓導軌

流體靜壓導軌是指借助于輸入到運動件和固定件之間微小間隙內流動著的黏性流體來支承載荷的滑動支承，包括液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。流體靜壓導軌利用專用的供油（供氣）裝置，將具有一定壓力的潤滑油（壓縮空氣）送到導軌的靜壓腔內，形成具有壓力的潤滑油（氣）層，利用靜壓腔之間的壓力差，形成流體靜壓導軌的承載力，將滑塊浮起，并承受外載荷。流體靜壓導軌具有多個靜壓腔，支撐導軌和運動導軌間具有一定的間隙，并且具有能夠自動調節油腔間壓力差的零件，該零件稱為節流器。

靜壓導軌間充滿了液體（或氣體），支撐導軌和運動導軌被完全隔開，導軌面不接觸，因此靜壓導軌的動、靜摩擦因數極小，基本無磨損、發熱問題，使用壽命長；在低速條件下無爬行現象；速度或載荷變化對油膜或氣膜的剛度影響小，并且油膜或氣膜對導軌制造誤差有均化作用；工作穩定且抗震性好。但其結構比較復雜，需要有一套供油（供氣）裝置，調整比較麻煩，成本較高。

（1）液體靜壓導軌

液體靜壓導軌由支撐導軌、運動導軌、節流器和供油裝置組成。液體靜壓導軌分為開式和閉式兩種，閉式液體靜壓導軌原理如圖2-26所示。

在靜壓導軌各方向及導軌面上都開有油腔，液壓泵輸出的壓力油經過六個節流器后壓力下降并分別流到對應的六個油腔，設六個油腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ處的油壓分別為p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆。當工作臺受到豎直方向的載荷P時，油腔Ⅰ和Ⅳ間隙減小，油腔Ⅲ和Ⅵ的間隙增大，由于節流器的作用p₁和p₄增大，p₃和p₆降低，四個油腔產生向上的合力，使工作臺穩定在新的平衡位置。當工作臺受到水平方向的載荷F時，油腔Ⅱ間隙減小，油腔Ⅴ的間隙增大，由于節流器的作用p₂增大，p₅降低，兩個油腔產生向左的合力，使工作臺穩定在新的平衡位置。當工作臺受到顛覆力矩M時，油腔Ⅳ和Ⅲ的間隙增大，油腔Ⅰ和Ⅵ間隙減小，由于各節流器的作用，使油腔Ⅳ和Ⅲ的壓力p₄和p₃減小，而油腔Ⅰ和Ⅵ的壓力p₁和p₆增大，這些力作用在工作臺上，并形成一個與顛覆力矩反向的力矩，從而使工作臺保持平衡。所以閉式靜壓導軌具有承受各方向載荷和顛覆力矩的能力。

（2）氣體靜壓導軌

氣體靜壓導軌的工作原理和液體靜壓導軌相同，只是其工作介質不同，液體靜壓導軌的工作介質為潤滑油，氣體靜壓導軌的工作介質為空氣。由于氣體具有可壓縮性、黏度低，比起相同尺寸的液體靜壓導軌，氣體靜壓導軌的剛度較低，阻尼較小。

圖2-26 閉式液體靜壓導軌原理

1—運動導軌 2—支撐導軌 3—節流器 4—濾油器 5—液壓泵 6—溢流閥 7—濾油器 8—油箱