直線滾動導(dǎo)軌理論與實驗研究現(xiàn)狀★

劉 耀， 惠 燁

（1.陜西秦川精密數(shù)控機床工程研究有限公司， 陜西 西安 710018； 2.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

引言

精密和超精密加工技術(shù)是機械制造業(yè)最重要的發(fā)展方向之一，已成為衡量一個國家高科技水平的重要標志。機床剛度是影響精密和超精密加工精度的重要因素之一。直線滾動導(dǎo)軌副由于其導(dǎo)向精度高、運動靈活及運動平穩(wěn)等優(yōu)點，在高性能數(shù)控機床中獲得了廣泛的應(yīng)用。機床的切削運動過程中直線滾動導(dǎo)軌起著導(dǎo)向的作用，對進給系統(tǒng)的動靜特性有顯著的影響，特別是對主軸切削單元的影響尤為明顯。現(xiàn)有文獻的研究結(jié)果表明[1-3]，直線滾動導(dǎo)軌特性不僅影響機床結(jié)構(gòu)剛度，而且對精密定位工作臺的振動特性影響顯著，增加導(dǎo)軌的剛度可以提高其動態(tài)頻率和動態(tài)剛度。因此，直線滾動導(dǎo)軌的特性直接影響機床的整機性能，從而影響加工零件的精度。

1 國外研究現(xiàn)狀

直線滾動導(dǎo)軌副屬于精密型的滾動功能部件，其生產(chǎn)需要先進的技術(shù)設(shè)備和較大的資金投入，目前國際上主要有 THK、NSK、INA、STAR、Schneeberger等公司，其在直線滾動導(dǎo)軌副的生產(chǎn)研發(fā)等方面均處于世界領(lǐng)先水平。

國外關(guān)于直線滾動導(dǎo)軌副的研究主要以日本的學(xué)者清水茂夫[4-5]等為主要代表，在直線滾動導(dǎo)軌副的靜態(tài)特性及動態(tài)特性研究方面進行了深入的理論與試驗研究。分析了直線滾動導(dǎo)軌副滑塊循環(huán)回路的過渡曲線，并給出了采用單圓弧曲線的建議；研究了直線滾動導(dǎo)軌副的靜剛度、額定動靜載荷及其壽命，同時進行了相應(yīng)的試驗驗證；以4滑塊支撐的滑臺為例，分析了為載荷作用下各導(dǎo)軌結(jié)合部的載荷分布情況；采用試驗方法研究了直線滾動導(dǎo)軌副的精度平均化作用。

滾珠直線導(dǎo)軌副剛度的研究方面，傳統(tǒng)的計算模型將導(dǎo)軌副中的滑塊和導(dǎo)軌均視為剛體，僅考慮滾珠與溝槽接觸點處的彈性變形。日本學(xué)者經(jīng)過試驗測試后發(fā)現(xiàn)，由測試得到的滾珠直線導(dǎo)軌副垂直剛度值遠遠低于由剛體模型計算得到的滾珠直線導(dǎo)軌副剛度值[6-7]。但是，這些研究并沒有建立滾動導(dǎo)軌副的剛度模型，僅是將實驗結(jié)果與基于剛體模型的計算結(jié)果進行了比較。Ohta等[8-10]以Hertz接觸理論為基礎(chǔ)，對直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、噪聲等級、固有頻率、通過振動等方面進行了大量的研究。研究中對LGT系列導(dǎo)軌在恒定速度下的噪聲進行了理論分析和實驗研究，并建立滑塊剛體自由振動模型，分析表明噪聲等級隨滑塊速度的增加而增加；建立導(dǎo)軌通過振動的描述方程，并建立了導(dǎo)軌溝槽反向曲線的設(shè)計方法，結(jié)合實例對反向曲線的設(shè)計過程進行了說明；對三種不同潤滑情況下的導(dǎo)軌進行了實驗研究，結(jié)果表明導(dǎo)軌的振幅隨潤滑油脂的粘度增加而降低，即導(dǎo)軌阻尼增加。Horng[11]建立了滾柱與兩平面接觸的力學(xué)模型，并分析了含有不同端部曲線滾柱LGT型導(dǎo)軌的剛度，計算結(jié)果表明高階曲線滾柱能增強導(dǎo)軌的剛度，降低邊緣應(yīng)力集中。Houpert[12-13]基于Hertz接觸理論提出了一種新的滾珠和滾柱軸承的近似計算方法，可以分別計算5項載荷作用下軸承的剛度，對滾柱的Hertz接觸問題計算公式進行修正，對各因素進行無量綱化，分析了各因素對彈性趨近量的影響。Majda[14]研究了機床幾何精度問題，提出了一種評估滾珠直線導(dǎo)軌副幾何誤差對工作臺運動誤差影響的方法。研究結(jié)果表明，導(dǎo)軌副的幾何誤差會導(dǎo)致工作臺的顯著變形。該結(jié)論驗證了工作臺變形是引起機床整體誤差的重要來源。另外研究結(jié)論還指出，角度運動誤差特性的離線補償方法并不合理。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)直線滾動導(dǎo)軌副的研究起步較晚。1988年起，以華中科技大學(xué)的孫健利教授為代表的科技人員以赫茲接觸理論為基礎(chǔ)，對直線滾動導(dǎo)軌副的剛度理論、壽命、基本額定載荷的計算方法以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行了研究。如文獻[15-17]理論和試驗研究提出了直線滾動導(dǎo)軌副的靜剛度計算公式，給出了直線滾動導(dǎo)軌副的額定動靜載荷及壽命的計算方法；文獻[18-19]建立了直線滾動導(dǎo)軌副的振動模型，并對其振動特性進行了初步研究；文獻[20-21]對直線滾動導(dǎo)軌副的反向器回珠曲線進行了優(yōu)化設(shè)計，分析了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸、剛度及精度之間的關(guān)系。

浙江工業(yè)大學(xué)的沈曉慶等[22]通過試驗和理論相結(jié)合的方法對MK7132A型平面磨床的直線滾動導(dǎo)軌動態(tài)特性進行研究，利用參數(shù)識別方法獲得其剛度及阻尼參數(shù)，將這些參數(shù)應(yīng)用于機床的整機分析，辨識出機床的薄弱環(huán)節(jié)，對機床進行了優(yōu)化設(shè)計。

山東大學(xué)的許向榮等[23]考慮載荷、滾珠個數(shù)、滾珠預(yù)變形量等因素對接觸剛度的影響，建立了直線滾動導(dǎo)軌副接觸剛度模型。并以LSA-45G型號的直線滾動導(dǎo)軌副為例，計算得到了直線滾動導(dǎo)軌副的Y向和Z向的接觸剛度值。并建立了滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進給單元的有限元模型，實驗結(jié)果與計算結(jié)果比較表明，考慮直線滾動導(dǎo)軌副特性的滾珠絲杠進給單元的各階固有頻率更接近試驗結(jié)果。

南京理工大學(xué)的袁軍堂[23-24]等建立了識別滾動導(dǎo)軌結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)的測量模型。將安裝有滾動導(dǎo)軌的機構(gòu)簡化為單自由度系統(tǒng)，消除了基礎(chǔ)位移對參數(shù)識別的影響。并基于測量模型，研制了滾動導(dǎo)軌結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)測量裝置。以施耐博格MRC45滾動導(dǎo)軌為實驗對象，測量了其結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)，準確地獲得了法向和側(cè)向動態(tài)剛度，并分析了載荷變化對動態(tài)剛度的影響規(guī)律。郭成龍[25]等以GZB45、GGB45系列導(dǎo)軌為實驗對象進行了參數(shù)識別實驗，得到了滾動結(jié)合面的動態(tài)剛度，并分析了滾動體預(yù)壓等級及類型、載荷、滑塊長度等各種因素對動剛度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：改變滾動體的類型及預(yù)壓等級，增加滑塊長度，提高載荷等措施都可以改善滾動結(jié)合面的動剛度。

東北大學(xué)的孫偉等[26-28]以Hertz接觸理論為基礎(chǔ)，建立了單個滾珠與溝槽之間的接觸剛度模型，系統(tǒng)地分析了滑塊與導(dǎo)軌之間的變形關(guān)系，并建立了滾動導(dǎo)軌塊的接觸剛度模型。以NSK直線滾動導(dǎo)軌為對象，分析了外載荷及預(yù)緊力對導(dǎo)軌接觸剛度的影響。以THK公司生產(chǎn)的SHS-35R型導(dǎo)軌為例，從有限元分析單個滾珠溝槽的接觸特性出發(fā)，確定了在不同預(yù)緊力作用下單個滾珠的接觸剛度；用彈簧質(zhì)量單元模擬單個滾珠溝槽的接觸，在充分考慮滾珠分布的基礎(chǔ)上完成了導(dǎo)軌系統(tǒng)的精細有限元建模。并將有限元計算結(jié)果與解析模型分析（Hertz接觸理論）結(jié)果相比較，二者計算分析結(jié)果基本相符。以組裝在床身上的THK導(dǎo)軌結(jié)合部為對象進行了動態(tài)測試，基于模態(tài)辨識原理識別出導(dǎo)軌結(jié)合部的法向質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和和阻尼矩陣。

東南大學(xué)的李磊等[29-30]以直線滾動導(dǎo)軌（LMG）為例，基于模態(tài)理論和拉格朗日方程建立該直線滾動導(dǎo)軌動力學(xué)方程，計算出導(dǎo)軌系統(tǒng)前五階固有頻率，并通過模態(tài)實驗進行了驗證。同時，重點分析了直線滾動導(dǎo)軌非線性動態(tài)特性，揭示了預(yù)緊力和外部激勵等因素對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。蔣書運[31]等利用Hertz接觸理論計算了直線滾動導(dǎo)軌的線剛度、滾珠絲杠副和角接觸球軸承的軸向剛度，并建立了含結(jié)合部動態(tài)參數(shù)的加工中心整機有限元模型，分析結(jié)果表明結(jié)合部動態(tài)參數(shù)的描述是影響機床整機動力學(xué)性能的重要因素，特別是對于高階固有頻率特性計算影響更為明顯。

3 結(jié)語

當前國內(nèi)外直線滾動導(dǎo)軌的研究方法主要根據(jù)赫茲接觸力學(xué)理論或表面粗糙度理論建立導(dǎo)軌副接觸剛度模型。由于直線滾動導(dǎo)軌副特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的運動形式，使得目前尚無有效方法能夠準確表征其物理特性。因此，進一步研究直線滾動導(dǎo)軌結(jié)合部靜態(tài)特性并建立其表征模型，對于研制“高速、高精、高效”的制造裝備具有重要科學(xué)價值，具有重大的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。