CN105840652A

CN105840652A - 一种改善滚动式线性滑轨动态特性的方法

Info

Publication number: CN105840652A
Application number: CN201510013365.2A
Authority: CN
Inventors: 黎文龙
Original assignee: YEONG CHIN MACHINERY INDUSTRIES Co Ltd
Current assignee: YEONG CHIN MACHINERY INDUSTRIES Co Ltd; YEONG CHIN MACHINERY IND CO Ltd
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明涉及一种改善滚动式线性滑轨动态特性的方法，是于滚动式线性滑轨的导轨加入一个非线性元件，所述非线性元件与滚动式线性滑轨的滑块共同承受一个工作平台的垂直向负荷，且所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨具有面接触的渐硬非线性接触特性，所述非线性元件在组装于所述滚动式线性滑轨的导轨，在轻负荷平移状态时，所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨的接触面属于软接触，当所述工作平台或加工件进行加工施力状态时，所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨之间为具有渐硬非线性接触特性的面接触。本发明的方法改善了所述滚动式线性滑轨的刚性与阻尼，从而使其能够达到更好的动态特性，提升了工具机的切削精度。

Description

一种改善滚动式线性滑轨动态特性的方法

技术领域

本发明涉及一种改善线性滑轨动态特性的方法，特别是涉及一种改善滚动式线性滑轨动态特性的方法。

背景技术

滚动式线性滑轨是一种高精度的运动机构组件，已被大量用于精密工具机、机器人及工业自动化设备等，以作为提供低摩擦和低阻抗的线性运动及承载负荷的机构，如图1所示，其主要构造元件包含导轨10(rail)、滑块20(slide unit,slider,slideblock,or carriage,亦称滑座)及滚动体30(rolling element)，三个部分。滑块20用以固定及承载工作平台及加工件，而滚动体30多为滚珠(ball)或滚柱(roller)，导轨10与滑块20间通过滚动体30做相对运动，进而带动工作平台，完成高精度线性运动，由于其间两者的接触为点或线，故摩擦阻抗非常低，约仅有滑动摩擦的2％、系数约在0.004左右。

由于弹性的理论，当有外力施加于滑块20面上时，线性滑轨内部的滚动体30会有微小的弹性变形(如图2虚线所示)，但弹性变形并非永久变形，当所施加的外力移除后，该滚动体30还是会变回原来的形状，因此在施加的外力若是随时间变化、或大小不一时(例如工具机的切削力)，该滚动体30的弹性变形变化过程中，就产生了许多工艺上的不利因素。因此，许多不同的设计方式或技术从而产生，纵观这些方法或专利中，除了主动由控制器以补偿方法处理外，大致上可以分成几个大类：

(一)提高线性滑轨的刚性：主要是从“减少滚动体的弹性变形”为改良出发点。例如，改变滚动体的几何尺寸、数量、相对配置，及滚动体的预压等方式；

(二)增加高线性滑轨的阻尼：主要是从“让滚动体的弹性变形变化快速停止”为改良角度出发，即是以“若产生振动，让该振动快速衰减、停止”的构想。例如，在滑块和导轨间增加多个微小面接触滑动零件、改用高阻尼的材质、或改成液压滑块以油膜厚度提供较高的阻尼特性等；

(三)同时改善线性滑轨的刚性与阻尼：此方式是比较符合业界需求，也是较进步的一种方式，多是以额外加入一辅助滑块来达成。

一般配合组装于滑块上的工作平台状态，该线性滑轨需要相对提供满足该状态的不同功能需求，而工作平台基本上较常有：(一)平移快速运动、及(二)施力外力将工件加工等两种状态：

(一)平移运动状态

当工作平台需要移动时，此时线性滑轨需要提供满足低摩擦、低阻抗的功能，一方面需要快速移动，另一方面也需要迅速定位，因此，滚动式线性滑轨的导轨、滚动体与滑块间以点、线接触，最能满足此低摩擦、低阻抗需求。

(二)加工状态

此时工作平台是静止或低速缓慢移动，滚动式线性滑轨低阻抗与否，已经不是主要的要求，反而需要有高刚性功能，最好是刚体，以减少线性滑轨的变形。

当工件的加工精度要求不高时，市售常见的滚动式线性滑轨大体上可以满足工程需求，但是，对高精度需求的加工程序，现今工程界或市场上仍是采用以平面接触的硬轨，例如V形轨或鸠尾形轨，主要就是这个原因，能提高滑轨的刚性，降低变形所造成的影响。

发明内容

为了解决改善滚动式线性滑轨于加工状态刚性不足的问题，本发明提出了一种改善滚动式线性滑轨动态特性的方法，能够同时改善线性滑轨的刚性与阻尼，从而达到改善滚动式线性滑轨动态特性的目的。

本发明的技术方案是，一种改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其方法为，于一个滚动式线性滑轨的导轨加入一个非线性元件，所述非线性元件与滚动式线性滑轨的滑块共同承受一个工作平台的垂直向负荷，且所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨具有面接触的渐硬非线性接触特性，在轻负荷平移状态时，所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨的接触属于软接触，当所述工作平台处于加工施力状态时，所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨之间的接触具有渐硬接触特性。

如上所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其中，所述方法的步骤包括：

步骤a、确立面接触的渐硬非线性接触特性：确立拟设计的所述非线性元件的面接触的渐硬非线性接触特性的曲线；

步骤b、确立在低刚性区、高刚性区的刚性：依据步骤a所得到的所述面接触渐硬线性接触特性的曲线，再计算出所述非线性元件在所述低刚性区与所述高刚性区的刚性值；

步骤c、设计非线性元件：设计所述非线性元件，使该非线性元件具有步骤a所述的面接触的渐硬非线性接触特性，且该非线性元件满足步骤b的要求。

如上所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其中，所述低刚性区用于承受垂直负荷时先行变形，所述高刚性区随着所述低刚性区逐渐变形而逐渐靠向所述滚动式线性滑轨的导轨的导轨面，且所述高刚性区具有一个直接或间接抵靠所述导轨面的接触面。

如上所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其中，所述渐硬接触特性为所述非线性元件于接触施力后，所述非线性元件所需施加的荷重与变形量的关系具有渐硬非线性接触特性，也同时满足当变形量增大时，所述非线性元件所需施加的荷重也随之增大。

如上所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其中，所述渐硬非线性接触特性为包含以多段直线所组成的多直线非线性。

如上所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其中，所述非线性元件为原有滚动滑块外设置的元件，且所述非线性元件与所述导轨的相对运动为接触面之间的相对滑动，该接触面之间的接触特性满足所述渐硬非线性接触特性。

本发明的改善滚动式线性滑轨动态特性的方法的有益效果是，为了改善滚动式线性滑轨于加工状态刚性不足的缺点，本发明于原有的滚动式滑块之外，另外增设了一个以面接触的非线性元件，能同时满足平移运动状态及加工状态的两种工作平台运动状态的需求。

不过，如果仅只是增加一平面接触的非线性元件，事实上是会造成工作平台快速移动时的阻抗及磨耗增加的问题，同时在制作调整上，由于非线性元件与导轨间两平面的硬接触，也会产生极大的组装困难。为了解决此项困难，本发明于是将该非线性元件与导轨的接触面关系，另设计成具渐硬(hardening)的非线性接触特性，使得在组装及平移状态时，该两接触面的接触属于软接触或刚性较小，但在加工施力状态时，该两平面的接触则提供高刚性效果。

依本发明的方法设计所得的滑块，在归类上仍可归属于上述第(三)类，即同时改善线性滑轨的刚性与阻尼。此外，由上述的说明可知：线性滑轨如果可以有较高的刚性，其所产生的振动幅将较小，从而使得需要让该振动消失的阻尼，也可以较小或于更短的时间内消失。

附图说明

以下配合附图详细说明本发明的特征及优点：

图1是常见线性滑轨结构的剖面示意图。

图2是常见线性滑轨的滚动体弹性变形的示意图。

图3是实施本发明非线性元件的组装示意图。

图4是本发明要求的面接触渐硬非线性特性曲线示意图。

图5是本发明实施例的简化面接触特性：双直线接触示意图。

图6是本发明非线性元件一实施例的截面示意图。

图7是本发明非线性元件一实施例的组装示意图。

图8是本发明非线性元件的刚性增加状态示意图。

图9是本发明非线性元件另一实施例立体示意图。

附图标记说明：1.滚动式线性滑轨，11.导轨，12.滑块，111.导轨面，2.非线性元件，20.外套，21.低刚性区，22.高刚性区，23.接触面，3.工作平台，4.加工件。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

参考图3所示，本发明改善滚动式线性滑轨动态特性的方法，是在一滚动式线性滑轨1的导轨11上滑动地设置一非线性元件2，并使非线性元件2位于该滚动式线性滑轨1的两滑块12之间，使该非线性元件2与滑块12一起承载一工作平台3或一加工件4所产生的垂直负荷。

本发明特别是将上述该非线性元件2设计成具有渐硬(hardening)的非线性接触特性，使得该非线性元件2在组装于导轨11上及无负荷平移状态时，该非线性元件2与导轨11的接触面属于软接触或刚性较小，但在该工作平台3或该加工件4进行加工施力状态时，该非线性元件2则能提供高刚性效果。其中，所述的渐硬(hardening)的非线性接触特性，是指该非线性元件2随着从工作平台4而来垂直向负荷增加，该非线性元件2能反向产生渐硬的面支撑作用，因此当工作平台4的垂直向负荷较小时，该非线性元件2与导轨11的面接触较软(软接触)，反之当工作平台4的垂直向负荷较大时，该非线性元件2与导轨11的面接触变硬，使该非线性元件2具有较硬的刚性(硬接触)，进而支撑在该工作平台4与该导轨11之间，达到非线性元件2的作用。

如图4所示，为本发明要求的非线性元件所具有的渐硬接触特性，如图的曲线OBC所示，所谓的刚性即是该曲线的斜率，其中B点可视为高、低刚性区的反转点或分界点。当加入该非线性元件2后的线性滑轨在组装或平台移动状态时，由于尚未施力加工，故整体的总荷重较小，应在F_B以下，故非线性元件2提供了OB段的低刚性功能，若令该刚性为k_S,OB，而单块原滑块12的滚动刚性为k_R，且k_R>>k_S,OB，每一方向的工作平台共用两支线性滑轨(四个滚动滑块、两个非线性元件)，故其总等效静刚性k_eq应可表示为

(1)

k_{eq}^{(1)} = {4 k}_{R} + {2 k}_{S, OB} \approx {4 k}_{R}

也即加入的该非线性元件2所增加的刚性几乎可以忽略，线性滑轨仍只是呈现了原滑块12(如图1)的刚性，故也仍维持低摩擦、低阻抗的功能。

另一方面，若在切削加工状态时，假定加工负荷大小为(F_D-F_B)，或总负荷为F_D，则由图4中的特性曲线可知，BC区段的刚性随变形量或荷重急速增加，令该区段的刚性为k_S,BC，且k_S,BC>>k_S,OB及k_S,BC>k_R，则总等效静刚性k_eq成为

(2)

k_{eq}^{(2)} = {4 k}_{R} + {2 k}_{S, BC}

也就是整个线性滑轨除了原滑块12的刚性外，也实质增加了非线性元件2在BC区段的高刚性。

此外，与滑块12不同的是，本发明所加入的非线性元件2实质上是以平面接触，其间的摩擦机制为滑动，故添加的润滑剂油膜及接触机制，都会另外提高了非线性元件在OB及BC两区段的阻尼效应。缘此，也说明了本发明的理论正确性与进步性。

为了说明本发明的实施方式，特以下实施范例说明如何实施本发明的方法，以发展出创新的非线性元件。本实施例以简化的范例说明其实施步骤。

步骤一：确立面接触的渐硬非线性特性

参考前述的发明内容说明，首先确立拟设计的非线性元件的面接触渐硬特性曲线(参考图4)，只要满足本发明所规范的渐硬非线性功能特性，均可接受。

令上述非线性元件2与导轨11面接触的荷重与变形量满足线性增加特性，故简化图4的OB(即“低刚性区”)、BC(即“高刚性区”)间均为两直线关系，则图4的OB、BC间成为以两直线构成的非线性元件，即俗称的“双直线”(bi-linear)非线性，如图5所示，则非线性元件在OB与BC区段间的刚性分别为两条直线所对应的斜率，或可得第(1)及(2)式的k_S,OB及k_S,BC均为常数，该两常数的大小即决定了非线性元件在低、高刚性区的刚性值。

步骤二：确立在低、高两刚性区的刚性

依据前步骤一及图5的结果，计算出非线性元件在OB与BC区段间的刚性。令荷重与变形量分别为F与x，故由图5可得两区段间的刚性分别为：

(3)

k_{S, OB} = \frac{F_{B}}{x_{B}}

及

(4)

k_{S, BC} = \frac{F_{D} - F_{B}}{x_{D} - x_{B}}

步骤三：设计非线性元件

设计该非线性元件2具有一刚性较弱的低刚性区，及一刚性高于该低刚性区的一高刚性区，低刚性区用于承受上述工作平台3或加工件4的垂直负荷时先行变形，而高刚性区可以随着低刚性区逐渐变形而逐渐靠近线性滑轨1的导轨11的导轨面111，且高刚性区具有一直接或间接抵靠导轨面111的接触面。

只要上述的接触面只要能够满足图5的双直线的非线性接触特性者，均得采用。另，本发明所定义的非线性元件2并不局限于几何或材料非线性的刚性，但本实施例将以几何非线性者作为说明，以佐证本发明的有效性。

图6中的刚性非线性元件2即为满足图4刚性功能曲线的一设计案例截面示意图，图7为其应用在导轨11的示意图。当由上述工作平台3或加工件4传递过来的垂直负荷，通过非线性元件2的一外套20到达非线性元件2，使得该非线性元件2中间刚性较弱的低刚性区21先行受重而逐渐变形，而该部位的刚性则是依据步骤二所得的k_S,BC刚性值，其变形量视垂直负荷而定，当变形量到达预设的变形量x_B，一旦变形量大于x_B，低刚性区21左右两边的高刚性区22的一接触面23会加入与导轨面111接触(如图8所示)，其刚性立即增大、到达高刚性部位，故可达成双直线非线性的面接触特性。

根据上述步骤，再如图9所示，为双直线非线性元件2的另一实施例立体示意图。其中，该非线性元件2可在两侧分别设计一低刚性区21，而在两个低刚性区21之间设计一高刚性区22，高刚性区22同样具有一用于接触导轨面111的接触面23，如此能够得到等效的非线性元件。

步骤四：非线性元件的组装

如图3所示，本步骤是将前面所完成的非线性元件2滑动地组装在一滚动式线性滑轨1的导轨11上，而且非线性元件2是组装在该滚动式线性滑轨1的两滑块12之间，并使非线性元件2的一顶面或其他选定部位结合在工作平台3，如此参与滑块12一起承载一工作平台3或一加工件4所产生的垂直负荷。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所应当地涵盖了与本案创新点有关的其他组合及具体应用。

Claims

1.一种改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其特征在于，于一个滚动式线性滑轨的导轨加入一个非线性元件，所述非线性元件与滚动式线性滑轨的滑块共同承受一个工作平台的垂直向负荷，且所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨具有面接触的渐硬非线性接触特性，在轻负荷平移状态时，所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨的接触属于软接触，当所述工作平台处于加工施力状态时，所述非线性元件与所述滚动式线性滑轨的导轨之间的接触具有渐硬接触特性。

2.如权利要求1所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

3.如权利要求2所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其特征在于，所述低刚性区用于承受垂直负荷时先行变形，所述高刚性区随着所述低刚性区逐渐变形而逐渐靠向所述滚动式线性滑轨的导轨的导轨面，且所述高刚性区具有一个直接或间接抵靠所述导轨面的接触面。

4.如权利要求3所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其特征在于，所述渐硬接触特性为所述非线性元件于接触施力后，所述非线性元件所需施加的荷重与变形量的关系具有渐硬非线性接触特性，也同时满足当变形量增大时，所述非线性元件所需施加的荷重也随之增大。

5.如权利要求4所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其特征在于，所述渐硬非线性接触特性为包含以多段直线所组成的多直线非线性。

6.如权利要求5所述的改善滚动式线性滑轨的动态特性的方法，其特征在于，所述非线性元件为原有滚动滑块外设置的元件，且所述非线性元件与所述导轨的相对运动为接触面之间的相对滑动，该接触面之间的接触特性满足所述渐硬非线性接触特性。