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直线导轨寿命计算
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文章附图

直线导轨具有低摩擦、使用方便的特点,一般被应用在负载不是很大、运动速度比较高的场合。目前被广泛使用在需要做各种直线运动的机器设备上。如何通过比较合理的计算获取主要参数二选择合适的直线导轨,对于机器设备的精度、寿命以及降低成本具有很重要的意义。

  1.类型选择
  目前市场上直线导轨的生产厂家很多,各个厂家的型号命名和类型有所不同。PMI的直线导轨类型比较齐全,基本上可以完全覆盖市场上的所有需求,其主要的类型有自调心全钢珠重负荷型(MSA)、自调心全钢珠低组装型(MSB)、全不锈钢微小型(MSC)、全滚柱重负荷型(MSR)、静音钢珠(柱)重负荷型(SME/R)。

  直线导轨的选型主要是依据不同的导轨特点和设计要求进行选择,PMI直线导轨依据使用经验可以参照表1选择。

  1 PMI直线导轨主要类型及适用设备


类型

适用设备


类型

适用设备

自调心全钢珠重负荷型(MSA)

数控机床

全滚柱重负荷型(MSR)

龙门设备
电火花设备

自调心全钢珠低组装型(MSB)

产业机器
电子设备
测试平台

静音钢珠重负荷型(SME)。

数控机床
工业机器人
医疗器械

全不锈钢微小型(MSC)

检测机器
医疗器械

静音钢柱重负荷型(SMR)。

龙门设备
电火花设备

  2.精度选择
  直线导轨的精度包括:

  1.行走平行度(动态精度)。包括滑块C面(上表面)相对滑轨A面(底面)的行走平行度,滑块D面(滑块侧基准面)相对滑轨B面(滑轨侧基准面)的行走平行度。

  2.几何尺寸精度。包括高度H的尺寸容许误差,高度H的成对相互差(△H)、宽度W2的尺寸容许误差、宽度W2的成对相互误差(△W2)。精度具体含义如下图1。


图1 直线导轨的精度示意图

  精度等级根据误差的容许范围分为:普通级(N)、高级(H)、精密级(P)、超精密级(SP)、超高精密级(UP),具体的相应等级对应的容许误差值可以查阅PMI的相关样本手册。根据一般的使用经验给出数控机床的等级选择参考。如表2所示。

  表2直线导轨精度等级适用数控机床类型参考

机床类型

机床坐标

精度等级


机床类型

机床坐标

精度等级

数控镗铣床

X/Y/Z

SP/P /P

数控磨床

X/Y/Z

SP/P/P

电火花机床

X/Y/Z

SP/P /H

数控车床

X/Z

P/P&H/H

数控雕刻机

X/Y/Z

H/H/H&N/N/N

普通机床

X/Y/Z

H/H/H&N/N/N

数控十字台

X/Y

P/H

线切割

X/Y

P/P&H/H

  3.滑块载荷计算
  在一般的设备上工作台多采用4个滑块的直线导轨来承载水平运动,4个滑块承载的工作台水平运动载荷受力情况如图2所示。


图2 滑块工作台水平运动载荷受力图

  如果还有其它类型的受力情况,可参阅PMI样本手册中的计算图例说明。

  4.预压等级的确定
  预压力的大小决定了导轨的刚性大小,同时可以消除一定的滑块径向间隙,实验证明预压的效果可以提高未预压时直线导轨的刚性2。8倍。PMI的直线导轨预压等级分为:轻预压(FC),中预压(F0),重预压(F1),超重预压(F2)四个等级。正确的选定直线导轨的预压力对设备的刚性具有很大的影响。根据一般的使用经验给出表3的预压等级参考。

  3 预压等级使用条件及应用行业参考

预压等级

使用条件

应用行业

轻预压(FC)

精度要求不高,滑动阻力小

产业机械、木工机械、数控雕铣机

中预压(F0)

单轴、悬臂、高精度

电子设备、测量设备、直线机器人

重预压(F1)

冲击大、高刚性、高负载

重载数控机床

超重预压(F2)

超高负荷、超重切削

超重型机械设备

  5.按照寿命要求选择
  直线导轨的寿命L根据实际所承受载荷有所不同,一般可以根据滑块的基本额定动负荷C和工作负荷P推算使用寿命,直线导轨的使用寿命会随着使用运动状态、滚动面的硬度与环境温度的而变化,依据循环滚动体类型,选用图3的钢珠/钢柱直线导轨寿命计算公式:


图3 钢珠/钢柱直线导轨寿命计算公式

  ⑴硬度系数fH。直线导轨的滚动面硬度必须为HRC58~64,硬度过低会降低直线导轨的负荷能力,此时基本额定动、静负荷分别乘以硬度系数fH,出厂的PMI直线导轨硬度为HRC58以上,故此fH=1.0。


图4 硬度系数fH

  ⑵温度系数fT。直线导轨使用环境温度高于100℃时高温效应会影响其寿命,此时基本额定动、静负荷分别乘以相对的温度系数fT。PMI直线导轨部份的配件为塑料制品,环境温度不能高于100℃。


图5 温度系数fT

  ⑶负荷系数fw。直线导轨导轨实际使用中大都伴随着震动或冲击,在考虑到不同的运转条件与使用速度,根据经验得到负荷系数除以基本额定动负荷C。经验取值如表4所示。

  4 负荷系数fw经验取值表

冲击及振动

速度

振动的测量值(G)

fW

没有外部冲击及振动

低速时:V£15m/min

相当G值£0.5

1.0~1.5

没有特别明显的冲击及振动

中速时:15<V£60m/min

0.5<G£1.0

1.5~2.0

有外部冲击及振动

高速时:V>60m/min

1.0<G£20

2.0~3.5

  6.计算应用实例
  根据目前PMI使用某客户简易工作平台为例说明。
  MSA25E2SSF0+R900NII
  基本额定动负荷:C=28.1kN
  基本额定静负荷:C0 =42.4kN


图6 某客户简易工作平台

  其中:m1=100㎏; m2=300㎏; L1=500㎜; L2=400㎜; L3=0; L4=0; L5=45㎜; L6=100
  根据水平等速使用运动公式可以得到四个滑块的承受载荷都是均等:
  P1=P2=P3=P4=(500+400)×9.8÷4=2205N
  根据一般工况条件,选择其它参数如下:
  fH=1 fT=1 fw=1.2
  所以综合起来滑块的寿命:L=[(1/1.2)×(28100/2205)]3×50=(0.84×12.75)3×50=61427km


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