滚动直线导轨副的研究状况和发展趋势

滚动直线导轨副的研究状况和发展趋势

王皓樊明贞周亮

山东建筑大学机电工程学院山东济南250100

摘要：滚动直线导轨副作为精密仪器的一种，具备承载能力强，动静摩擦系数小，定位精度高，精度保持性好，寿命长等特点。目前，它已成为数控机床、精密电子机械、工业机器人和测量仪器不可或缺的重要组成部分。滚动直线导轨副在国内的发展于20世纪80年代初，远远落后于国外。基础零部件的落后，阻碍了高端先进机床等设备的发展，导致国内很多尖端设备依赖于进口。伴随中国制造2025的步伐，整个工业环境对滚动直线导轨副的精密性和高速性提出了新的要求，也促进滚动直线导轨副得到高速的发展。

关键词：滚动直线导轨副，研究状况，发展趋势，测试技术

在20世纪70年代，随着机械产品的数控技术的运用，“滚动导轨”应运而生。1973年，成熟的滚动直线导轨副的开发在日本成功开展，并开始批量生产。国内的开发始于20世纪80年代初，并且仅开发了大约40年。

作为高精度滚动功能零部件，该滚动直线导轨副承载能力强，动静摩擦系数小，定位精度高，精度保持性好，寿命长。它已被广泛应用于高精度、高速、节能环保等领域。目前，它已成为数控机床、精密电子机械、工业机器人和测量仪器不可或缺的重要组成部分。本文介绍一下滚动直线导轨的研究现状和滚动直线导轨的发展趋势，指出了进一步研究和应用的方向。

一.滚动直线导轨副的现今研究状况

高端数控机床是装备制造业的重要战略支撑。然而滚动直线导轨副作为高档数控机床的关键基础部件之一，中国的制造与测试技术同国外先进制造商（如日本的THK，NSK，德国的INA等）有很大的差距。

1.1滚动直线导轨额定静载荷、动态负载和额定寿命研究概述

滚动直线导轨副故障的主要原因是重复的压缩应力，即接触疲劳使得滚动表面层的疲劳剥离。一种理论称为最大静态剪切应力，还有一种理论Lundberg.G和Palmgren.A提出最大动态剪切应力。

基于上述两种理论，国内孙建利教授等人所使用一种对比的原理--滚动直线导轨副来比较所述轴承和所述滚珠丝杠副之间的相似性，并提出了滚动直线导轨的相应的计算方法，额定静载荷、动态负载和额定寿命也被定义出来。

国外德国的MichaelSchnaider博士对导轨的使用寿命进行了一些研究。日本学者，如清水茂府，石川义雄和井ツ尺实等人，他们对滚动直线导轨的动态和静态载荷和寿命进行了理论和实验研究。

1.2滚动直线导轨副静刚度研究概述

线性静刚度是选择导轨时要考虑的最重要因素之一。滚动直线导轨的静刚度的研究是基于两个理论。其中之一是赫兹理论，另一个是模型仿真的方法。

关于导轨副的预加载荷，国内很多科研团队也做了很多研究，孙建利等人，提出了许多理论计算公式和方法，并做了很多的实验。建立了过盈尺寸和预加载荷的关系。倪国林等人建立了理论计算模型对滚动直线导轨副进行研究。东北大学的孙伟使用ADAMS模拟滚动直线导轨副的动态特性。

在国外的研究中，在滚动直线导轨的静态刚度方面，日本川匠、清水茂夫等人对其深入研究。Ohta建立考虑导轨的弹性变形的垂直刚度的半分析计算模型。该模型不仅考虑施加的载荷下导轨对滑块的变形，同时也考虑在导轨副中的预加载力而导致的滑块的变形量。

1.3滚动直线导轨副摩擦力研究概述

滚动直线导轨副作为一种精密传动部件，特别是高速运转状态下，极其容易发热引起变形，进而影响系统的整体精密度。

在对摩擦性能的研究，一些日本学者，如角田和雄所作的差动滑动摩擦力在滚动轴承的理论推导，此理论是基于赫兹的弹性接触理论推导出来。日本的须田稳、石川义雄在摩擦的试验研究，主要针对直线运动球轴承进行研究，发现摩擦力周期性地波动。

国内研究中，国内孙健利、刘建素、张朝辉等对滚动直线导轨副的两点接触导轨副和四点接触导轨副等进行了深入的研究并获得了不同接触条件下的差动滑动摩擦公式。孙健力、刘建素等人还对滚动直线导轨副进行了实验。据研究表明摩擦力的周期性波动与滚动体的直径有直接的关系，为了降低滚动直线导轨副摩擦力提高系统响应而进行设计，分析其中周期性的波动原因，发现周期性波动与钢球循环进出承载区有关。

二.滚动直线导轨副的发展趋势

随着高新技术的发展及应用，各种新的类别和新功能的滚动直线导轨不断应运而出，并在智能化、精度高、互换性好、成本低，环保的方向迈进。

2.1高性能、智能化方向发展

随着技术的进步，低端产品竞争日渐加剧，且利润率过低，像THK公司着力于高性能滚动直线导轨副的发展方向。THK直线导轨SSR系列，通过滚动体保持架与组装在SSR滑块上的反向器，使滚动体作循环运动。使滚动体保持架可消除滚动体之间的摩擦并提高润滑脂的保持性。

“Monorail”的滚动直线导轨副安装了抗磁性传感器，这使导轨同时具备了快速直线运动功能和各种数据传感器检测功能。滚动直线导轨副与DC伺服电机结合用以达到直线传送的目的。运动结构非常紧凑，具有控制功能响应快，操作方便。

2.2向互换性、低成本方向发展

互换性的发展能够将成本快速降低，导轨和滑块可以单独制造和存储，并可以进行标准化装配。为了满足互换性要求，需要制定行业标准，推动标准化生产，并提高导轨和滑块等部件的加工精度。通过标准化制造和互换性，使客户不必再因为一个零部件的损坏而对一个人的部分更换，浪费了资源也使生产成本提高。

2.3向绿色环保方向发展

滚动直线导轨副的噪声的主要原因是滚动体自身的碰撞，还有就是滚动体与反向器和导轨的碰撞。经过研究发现用质量较轻的陶瓷球（Si5N4）替代钢球可以降低噪声。通过实际测量，当移动速度是在0.3至1.17米/秒的范围内，平均噪声降低为4.5分贝。

三.滚动直线导轨副测试技术的发展趋势

国外走在前列的滚动直线导轨副生产公司，测试技术属于他们的战略性基础。国内各个滚动直线导轨副生产企业也深深意识到测试技术的重要性，不断科研攻关。

南京理工大学重点实验室自主研制了滚动直线导轨副精度及性能测试试验系列装置。解决了关键检测试验装备在国内落后从而导致精度及性能走不到世界前列的尴尬局面。汉江机床成立直线导轨试验室，并先后设计研发了滚动直线导轨副可靠性试验台、滚动直线导轨副摩擦力试验台。通过提高基础试验能力，采集是自身产品的精确试验数据与国外产品试验数据对比，寻找差距，不断提高自身制造技术与能力。国内现已投入使用的LR45～65滚柱滑座精密数控检测装置，是由大连高金数控集团有限公司与上海麦睿菱测量技术有限公司联合开发的。LR45～65滚柱滑座精密数控检测装置的精度重复性可以达到5.6×10-4，真值度可以达到1.1×10-3，检测速度为10s/件左右，具有高精度、可靠性高等优势，并且对工作环境要求较低，可适用于多种环境使用，价格较国外精密数控检测装置较低。

四.结束语

时代已经拉开中国制造2025的序幕，伴随着新旧动能转换，低端产品制造已经逐渐失去了在国际上的竞争力。我国自主研发制造的高档数控机床正在不断地发展，滚动直线导轨副作为其不可或缺的精密部件，有着重要的基础性作用。未来要求更多高层次滚动直线导轨副被开发与利用，也为先进制造业夯实基础。

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