滾動直線導軌副的技術動向
2015-08-01
新型滾動直線導軌副的多樣化
1. 高速、高加減速滾動直線導軌副的開發
近年來數控機床、機器人、電子機械裝置等各種機械的進給速度的高速化發展很快，已經提高了2～3倍，而這些機械中使用的滾動直線導軌副的高速要求更高。滾動直線導軌副實現高速、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沖擊力小的循環機構。
基于以上要求，日本THK公司開發了SSR導軌副，它采用了以下技術：
（1）導軌副中采用了滾動體保持器，使滾動體均勻地排列，平穩地進行循環運動。這使得SSR導軌副具有噪聲低、免維修、壽命長等特點，并且可進行300m/min的超高速直線運動。該導軌副實現了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。為了使滾動部件能長期穩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公司開發了滾動直線導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. 滾柱式滾動直線導軌副的發展動向
滾柱式滾動直線導軌副有壽命長、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公司開發的新產品。
滾柱式滾動直線導軌副的發展動向主要是潤滑問題。定期注油是必要的，然而裝置復雜，成本高。為此，日本Memuson公司獨立開發了毛細管狀的潤滑體安裝在滑塊體內，可以實現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及密封件的油池，也使導軌副的潤滑達到長期免維護的技術要求。
3. 帶磁柵測量系統的滾動直線導軌副
Schneeberger公司開發了名為“monorail”的滾動直線導軌副，它把直線運動的導向功能與磁柵—數顯的位移檢測功能合二為一。磁化鋼帶粘貼在導軌的側面，而拾取信號的磁頭則與導軌副的滑塊固定并與之同步運動。磁柵測量系統的最小分辨率為0.001，精度為0.005，最高移動速度為3m/min。導軌最長可以達3000mm，每50mm設一個參考點。“Monorail”滾動直線導軌副具有以下特點：①結構緊湊，易于安裝，占用空間小；②由于測量系統裝在導軌體內，顯著地減小了誤差，提高長度測量的準確性；③把磁柵密封在導軌體內，從而增加了測量系統的抗干擾能力。
4. 微型導軌副的開發
針對醫療、半導體制造及計量裝置，THK公司開發了導軌寬度分別為1mm、2mm、4mm等3個型號（長度100mm）標準產品，具有以下特點：①超小型：LM導軌副系列中斷面尺寸最小的、可靠性高的超微型產品。它滿足設備重量輕、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，最適合使用于醫療器械及清潔車間中。
更加個性化的的研發
1. 高精度化技術的發展
（1）“過渡曲線”的優化設計。
日本學者通過試驗發現滾動直線導軌副綱球循環回路的設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，表明鋼球在進出工作滾道中產生了沖擊摩擦力。
筆者對滾動直線導軌副滑塊循環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，并對其進行優化。使綱球載荷變化平穩連續無突變，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）導軌安裝螺孔的節距及螺紋孔的沉孔深度對導軌的下溝槽的精度影響。
為了適應各種機床對導軌的沖擊，滿足工作穩定的需求，提高吸震作用，合理的設計導軌副安裝聯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距及螺紋孔的沉孔深度的情況下，對導軌下溝槽變形量進行了測量。
可見導軌安裝螺孔節距及螺紋孔的沉孔深度對導軌的下溝槽的精度影響較大，選擇合適的導軌安裝螺孔的節距及螺紋孔的沉孔深度，對提高滾動直線導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，由滾動直線導軌副和直線電機組成的進給裝置實現了1nm級的超精密傳動。同時從理論上分析了滾動直線導軌副在微小位移時的非線性特性為由滾動直線導軌副組成的精密傳動裝置的設計提供了依據。
2. 直線運動單元
直線運動單元實現了將直線運動平臺模塊化、標準化，而使用者可以根據作業內容的需要選擇適當的型式及行程，組成不同的結構。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、半導體制造設備及光電產品等。
直線運動單元連續使用環境溫度可達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，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軌副提出了更高的要求。
3. 互換性導軌系列
為了滿足客戶對交貨期要求，加速資金周轉降低成本，互換性產品的生產是最佳方式，也就是說可將導軌和滑塊分別制造、庫存，對應定貨合同可以從庫存標準品中組織裝配做到短期交貨，另外，互換性產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。更加趨向環保的綠色化設計
1. 滾動直線導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軌副的噪聲產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。通過實測當運動速度在0.3~1.17m/s范圍內，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. 面對綠色環境保護的要求
半導體、液晶制造設備對綠色環境要求極高，這樣的環境下，滾動直線導軌副使用真空氟素潤滑劑，因為氟素潤滑劑粉塵的發生量極少。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。
為了實現綠色環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，不銹鋼導軌副，采用馬氏體系不銹鋼材料，具有與一般標準導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軌副進行表面處理。從防銹機能，耐久性，成本各方面出發，推薦采用鍍黑鉻的電解防銹黑色膜表面處理技術。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，在醫藥、食品機械中可以廣泛使用。
1. 高速、高加減速滾動直線導軌副的開發
近年來數控機床、機器人、電子機械裝置等各種機械的進給速度的高速化發展很快，已經提高了2～3倍，而這些機械中使用的滾動直線導軌副的高速要求更高。滾動直線導軌副實現高速、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沖擊力小的循環機構。
基于以上要求，日本THK公司開發了SSR導軌副，它采用了以下技術：
（1）導軌副中采用了滾動體保持器，使滾動體均勻地排列，平穩地進行循環運動。這使得SSR導軌副具有噪聲低、免維修、壽命長等特點，并且可進行300m/min的超高速直線運動。該導軌副實現了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。為了使滾動部件能長期穩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公司開發了滾動直線導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. 滾柱式滾動直線導軌副的發展動向
滾柱式滾動直線導軌副有壽命長、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公司開發的新產品。
滾柱式滾動直線導軌副的發展動向主要是潤滑問題。定期注油是必要的，然而裝置復雜，成本高。為此，日本Memuson公司獨立開發了毛細管狀的潤滑體安裝在滑塊體內，可以實現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及密封件的油池，也使導軌副的潤滑達到長期免維護的技術要求。
3. 帶磁柵測量系統的滾動直線導軌副
Schneeberger公司開發了名為“monorail”的滾動直線導軌副，它把直線運動的導向功能與磁柵—數顯的位移檢測功能合二為一。磁化鋼帶粘貼在導軌的側面，而拾取信號的磁頭則與導軌副的滑塊固定并與之同步運動。磁柵測量系統的最小分辨率為0.001，精度為0.005，最高移動速度為3m/min。導軌最長可以達3000mm，每50mm設一個參考點。“Monorail”滾動直線導軌副具有以下特點：①結構緊湊，易于安裝，占用空間小；②由于測量系統裝在導軌體內，顯著地減小了誤差，提高長度測量的準確性；③把磁柵密封在導軌體內，從而增加了測量系統的抗干擾能力。
4. 微型導軌副的開發
針對醫療、半導體制造及計量裝置，THK公司開發了導軌寬度分別為1mm、2mm、4mm等3個型號（長度100mm）標準產品，具有以下特點：①超小型：LM導軌副系列中斷面尺寸最小的、可靠性高的超微型產品。它滿足設備重量輕、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，最適合使用于醫療器械及清潔車間中。
更加個性化的的研發
1. 高精度化技術的發展
（1）“過渡曲線”的優化設計。
日本學者通過試驗發現滾動直線導軌副綱球循環回路的設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，表明鋼球在進出工作滾道中產生了沖擊摩擦力。
筆者對滾動直線導軌副滑塊循環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，并對其進行優化。使綱球載荷變化平穩連續無突變，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）導軌安裝螺孔的節距及螺紋孔的沉孔深度對導軌的下溝槽的精度影響。
為了適應各種機床對導軌的沖擊，滿足工作穩定的需求，提高吸震作用，合理的設計導軌副安裝聯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距及螺紋孔的沉孔深度的情況下，對導軌下溝槽變形量進行了測量。
可見導軌安裝螺孔節距及螺紋孔的沉孔深度對導軌的下溝槽的精度影響較大，選擇合適的導軌安裝螺孔的節距及螺紋孔的沉孔深度，對提高滾動直線導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，由滾動直線導軌副和直線電機組成的進給裝置實現了1nm級的超精密傳動。同時從理論上分析了滾動直線導軌副在微小位移時的非線性特性為由滾動直線導軌副組成的精密傳動裝置的設計提供了依據。
2. 直線運動單元
直線運動單元實現了將直線運動平臺模塊化、標準化，而使用者可以根據作業內容的需要選擇適當的型式及行程，組成不同的結構。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、半導體制造設備及光電產品等。
直線運動單元連續使用環境溫度可達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，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軌副提出了更高的要求。
3. 互換性導軌系列
為了滿足客戶對交貨期要求，加速資金周轉降低成本，互換性產品的生產是最佳方式，也就是說可將導軌和滑塊分別制造、庫存，對應定貨合同可以從庫存標準品中組織裝配做到短期交貨，另外，互換性產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。更加趨向環保的綠色化設計
1. 滾動直線導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軌副的噪聲產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。通過實測當運動速度在0.3~1.17m/s范圍內，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. 面對綠色環境保護的要求
半導體、液晶制造設備對綠色環境要求極高，這樣的環境下，滾動直線導軌副使用真空氟素潤滑劑，因為氟素潤滑劑粉塵的發生量極少。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。
為了實現綠色環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，不銹鋼導軌副，采用馬氏體系不銹鋼材料，具有與一般標準導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軌副進行表面處理。從防銹機能，耐久性，成本各方面出發，推薦采用鍍黑鉻的電解防銹黑色膜表面處理技術。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，在醫藥、食品機械中可以廣泛使用。