TW201625854A - 一種改善滾動式線性滑軌動態特性的方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種改善滾動式線性滑軌動態特性的方法，特別適用於精密工具機、機器人或自動化設備等之滾動式線性滑軌。其係於滾動式線性滑軌中另外再加入一非線性元件，從而使得該滾動式線性滑軌於切削加工時，可提供更好的動態特性，也即提高線性滑軌之整體動態剛性及阻尼之效應。以本創新方法所得之非線性元件係巧妙利用具有漸硬剛性之非線性元件平面接觸特性，讓線性滑軌於滑塊快速移動或組裝期間，該非線性元件有較小之剛性，便於組裝與減低與導軌面之摩擦和磨耗，而於重負荷或加工期間，提供比原滾動式滑塊更高之剛性，同時也由於額外提供平面接觸之滑動特性，故也改善了滾動式滑塊之點或線接觸之低阻尼缺點，可提升工具機之切削精度。

Description

一種改善滾動式線性滑軌動態特性的方法

本發明係有關於一種改善滾動式線性滑軌動態特性的方法，滾動式線性滑軌已被大量用於精密工具機、機器人及工業自動化設備等，以作為提供低摩擦和低阻抗之線性運動及承載負荷之機構。

滾動式線性滑軌是一種高精度的運動機構組件，如第一圖所示，其主要構造元件包含導軌10(rail)、滑塊20(slide unit,slider,slide block,or carriage,亦稱滑座)及滾動體30(rolling element)，三個部分。滑塊20用以固定及承載工作平台及加工件，而滾動體30多為滾珠(ball)或滾柱(roller)，導軌10與滑塊20間透過滾動體30做相對運動，進而帶動工作平台，完成高精度線性運動，由於其間兩者之接觸為點或線，故摩擦阻抗非常低，約僅有滑動摩擦之2%、係數約在0.004左右。

由於彈性的理論，當有外力施加於滑塊20面上時，線性滑軌內部的滾動體30會有微小的彈性變形(如第二圖虛線所示)，但彈性變形並非永久變形，當所施加之外力移除後，該滾動體30還是會變回原來的形狀，因此在施加 的外力若是隨時間變化、或大小不一時(例如工具機之切削力)，該滾動體30的彈性變形變化過程中，就產生了許多製程上的不利因素。因此，許多不同的設計方式或技術從而產生，縱觀這些方法或專利中，除了主動由控制器以補償方法處理外，大致上可以分成幾個大類：(一)提高線性滑軌之剛性：主要係從「減少滾動體的彈性變形」為改良出發點。例如，改變滾動體的幾何尺寸、數量、相對配置，及滾動體的預壓等方式；(二)增加高線性滑軌之阻尼：主要係從「讓滾動體的彈性變形變化快速停止」為改良角度出發，即是以「若產生振動，讓該振動快速衰減、停止」之構想。例如，在滑塊和導軌間增加多個微小面接觸滑動零件、改用高阻尼之材質、或改成液壓滑塊以油膜厚度提供較高之阻尼特性等；(三)同時改善線性滑軌之剛性與阻尼：此方式是比較符合業界需求，也是較進步的一種方式，多是以額外加入一輔助滑塊來達成。

一般配合組裝於滑塊上的工作平台狀態，該線性滑軌需要相對提供滿足該狀態之不同功能需求，而工作平台基本上較常有：(一)平移快速運動、及(二)施力外力將工件加工等兩種狀態：

(一)平移運動狀態

當工作平台需要移動時，此時線性滑軌需要提 供滿足低摩擦、低阻抗之功能，一方面需要快速移動，另一方面也需要迅速定位，因此，滾動式線性滑軌之導軌、滾動體與滑塊間以點、線接觸，最能滿足此低摩擦、低阻抗需求。

(二)加工狀態

此時工作平台係靜止或低速緩慢移動，滾動式線性滑軌低阻抗與否，已經不是主要之要求，反而需要有高剛性功能，最好是剛體，以減少線性滑軌之變形。

當工件之加工精度要求不高時，市售習知之滾動式線性滑軌大體上可以滿足工程需求，但是，對高精度需求之加工程序，現今工程界或市場上仍是採用以平面接觸之硬軌，例如V形軌或鳩尾形軌，主要就是這個原因，能提高滑軌的剛性，降低變形所造成的影響。有鑑於此，為了改善滾動式線性滑軌於加工狀態剛性不足的缺點，本發明於原有的滾動式滑塊之外，另增設一以面接觸的非線性元件，以同時滿足前述之兩種工作平台運動狀態的需求。

不過，如果僅只是增加一平面接觸之非線性元件，事實上是會造成工作平台快速移動時之阻抗及磨耗增加的問題，同時在製作調整上，由於非線性元件與導軌間兩平面之硬接觸，也會產生極大的組裝困難。為了解決此項困難，本發明於是係將該非線性元件與導軌之接觸面關係，另設計成具漸硬(hardening)之非線性接觸特性，使得在組裝及平移狀態時，該兩接觸面之接觸屬於軟接觸或剛性較小，但在加工施力狀態時，該兩平面之接觸則提供高剛 性效果。

依本創新法設計所得之滑塊，在歸類上仍可歸屬於上述第(三)類者，即同時改善線性滑軌之剛性與阻尼者。此外，由上述之說明可知：線性滑軌如果可以有較高之剛性，其所產生之振動幅將較小，從而使得需要讓該振動消失之阻尼，也可以較小或於更短的時間內消失。

1‧‧‧滾動式線性滑軌

11‧‧‧導軌

12‧‧‧滑塊

111‧‧‧導軌面

2‧‧‧非線性元件

20‧‧‧外套

21‧‧‧低剛性區

22‧‧‧高剛性區

23‧‧‧接觸面

3‧‧‧工作平台

4‧‧‧工件

第一圖係習知線性滑軌結構之剖面示意圖。

第二圖係習知線性滑軌之滾動體彈性變形之示意圖。

第三圖係實施本發明非線性元件之組裝示意圖。

第四圖係本發明要求之面接觸漸硬非線性特性曲線示意圖。

第五圖係本發明實施例之簡化面接觸特性：雙值線接觸示意圖。

第六圖係本發明非線性元件一實施例之截面示意圖。

第七圖係本發明非線性元件一實施例之組裝示意圖。

第八圖係本發明非線性元件之剛性增加狀態示意圖。

第九圖係本發明非線性元件另一實施例立體示意圖。

茲依附圖實施例將本發明之結構特徵及其他之作用、目的詳細說明如下：參考第三圖所示，本發明改善滾動式線性滑軌 動態特性的方法，係在一滾動式線性滑軌1的導軌11上滑動地設置一非線性元件2，並使非線性元件2位於該滾動式線性滑軌1的兩滑塊12之間，使該非線性元件2參與滑塊12一起承載一工作平台3或一加工件4所產生的垂直負荷。

本發明特別是將上述該非線性元件2設計成具有漸硬(hardening)之非線性接觸特性，使得該非線性元件2在組裝於導軌11上及無負荷平移狀態時，該非線性元件2與導軌11之接觸面屬於軟接觸或剛性較小，但在該工作平台3或該加工件4進行加工施力狀態時，該非線性元件2則能提供高剛性效果。其中，所述的漸硬(hardening)之非線性接觸特性，係指該非線性元件2隨著從工作平台4而來垂直向負荷增加，該非線性元件2能反向產生漸硬的面支撐作用，因此當工作平台4的垂直向負荷較小時，該非線性元件2與導軌11的面接觸較軟，反之當工作平台4的垂直向負荷較大時，該非線性元件2與導軌11的面接觸變硬，使該非線性元件2具有較硬的剛性，進而支撐在該工作平台4與該導軌11之間，達到非線性元件2的作用。

如第四圖所示，為本發明要求之非線性元件所具有之漸硬接觸特性，如圖之曲線OBC所示，所謂之剛性即是該曲線之斜率，其中B點可視為高、低剛性區之反轉點或分界點。當加入該非線性元件2後之線性滑軌在組裝或平台移動狀態時，由於尚未施力加工，故整體之總荷重較小，應在F _B以下，故非線性元件2提供了OB段之低剛性功能，若令該剛性為k _S,OB，而單塊原滑塊12之滾動剛性為k _R，且 k _R>>k _S.OB，每一方向之工作平台共用兩支線性滑軌(四個滾動滑塊、兩個非線性元件)，故其總等效靜剛性k _eq應可表示為

也即加入的該非線性元件2所增加之剛性幾乎可以忽略，線性滑軌仍只是呈現了原滑塊12(如第一圖)之剛性，故也仍維持低摩擦、低阻抗之功能。

另一方面，若在切削加工狀態時，假定加工負荷大小為(F _D-F _B)，或總負荷為F _D，則由第四圖中之特性曲線可知，BC區段之剛性隨變形量或荷重急速增加，令該區段之剛性為k _S,BC，且k _S,BC>>k _S,OB及k _S,BC>k _R，則總等效靜剛性k _eq成為

也就是整個線性滑軌除了原滑塊12之剛性外，也實質增加了非線性元件2在BC區段之高剛性。

此外，與滑塊12不同的，本發明所加入之非線性元件2實質上是以平面接觸，其間之摩擦機制為滑動，故添加之潤滑劑油膜及接觸機制，都會另外提高了非線性元件在OB及BC兩區段之阻尼效應。緣此，也說明了本發明之理論正確性與進步性。

為了說明本發明之實施方式，特以下實施範例說明如何實施本發明之方法，以發展出創新的非線性元件。本實施例以簡化之範例說明其實施步驟。

步驟一：確立面接觸之漸硬非線性特性

參考前述之發明內容說明，首先確立擬設計之非線性元件之面接觸漸硬特性曲線(參考第四圖)，只要滿足本發明所規範之漸硬非線性功能特性，均可接受。

令上述非線性元件2與導軌11面接觸之荷重與變形量滿足線性增加特性，故簡化第四圖之OB(即「低剛性區」)、BC(即「高剛性區」)間均為兩直線關係，則第四圖之OB、BC間成為以兩直線構成之非線性元件，即俗稱之「雙直線」(bi-linear)非線性，如第五圖所示，則非線性元件在OB與BC區段間之剛性分別為二直線所對應之斜率，或可得第(1)及(2)式之k _S,OB及k _S,BC均為常數，該兩常數之大小及決定了非線性元件在低、高剛性區之剛性值。

步驟二：確立在低、高兩剛性區之剛性

依據前步驟一及第五圖之結果，計算出非線性元件在OB與BC區段間之剛性。令荷重與變形量分別為F與x，故由第五圖可得兩區段間之剛性分別為：

及

步驟三：設計非線性元件

設計該非線性元件2具有一剛性較弱的低剛性區，及一剛性高於該低剛性區的一高剛性區，低剛性區用 於承受上述工作平台3或加工件4的垂直負荷時先行變形，而高剛性區可以隨著低剛性區逐漸變形而逐漸靠近線性滑軌1的導軌11的導軌面111，且高剛性區具有一直接或間接抵靠導軌面111的接觸面。

只要上述的接觸面只要能夠滿足第五圖之雙直線之非線性接觸特性者，均得採用。另，本發明所定義之非線性元件2並不侷限於幾何或材料非線性之剛性，但本實施例將以幾何非線性者作為說明，以佐證本發明之有效性。

第六圖中之剛性非線性元件2即為滿足第四圖剛性功能曲線之一設計案例截面示意圖，第七圖為其應用在導軌11的示意圖。當由上述工作平台3或加工件4傳遞過來之垂直負荷，透過非線性元件(2的一外套20到達非線性元件2，使得該非線性元件2中間剛性較弱之低剛性區21先行受重而逐漸變形，而該部位之剛性則是依據步驟二所得之k _S,BC剛性值，其變形量視垂直負荷而定，當變形量到達預設之變形量xB，一旦變形量大於xB，低剛性區21左右兩邊的高剛性區22的一接觸面23會加入與導軌面111接觸(如第八圖所示)，其剛性立即增大、到達高剛性部位，故可達成雙直線非線性之面接觸特性。

根據上述步驟，再如第九圖所示，為雙直線非線性元件2之另一實施例立體示意圖。其中，該非線性元件2可在兩側分別設計一低剛性區21，而在兩個低剛性區21之間設計一高剛性區22，高剛性區22同樣具有一用於接觸導 軌面111的接觸面23，如此能夠得到等效的非線性元件。

步驟四：非線性元件之組裝

如第三圖所示，本步驟係將前面所完成之非線性元件2滑動地組裝在一滾動式線性滑軌1的導軌11上，而且非線性元件2是組裝在該滾動式線性滑軌1的兩滑塊12之間，並使非線性元件2的一頂面或其他選定部位結合在工作平台3，如此參與滑塊12一起承載一工作平台3或一加工件4所產生的垂直負荷。

唯以上所述者，僅為本發明實施方式之驗證例一而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等理論應用、變化與修飾等，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1‧‧‧滾動式線性滑軌

11‧‧‧導軌

111‧‧‧導軌面

12‧‧‧滑塊

2‧‧‧非線性元件

3‧‧‧工作平台

4‧‧‧工件

Claims (6)

1. 一種改善滾動式線性滑軌之動態特性的方法，其包括：於一滾動式線性滑軌的導軌加入一非線性元件，該非線性元件與該滾動式線性滑軌的滑塊共同承受一工作平台的垂直向負荷，且該非線性元件對於該滾動式線性滑軌的導軌具有面接觸的漸硬非線性接觸特性，當該工作平台處於輕負荷平移狀態時，該非線性元件與該導軌之接觸面屬於軟接觸，當該工作平台處於負荷加工狀態時，該非線性元件與該導軌之間的接觸具有漸硬接觸特性。
2. 如請求項1所述改善滾動式線性滑軌之動態特性的方法，其步驟包括：(a)確立面接觸之漸硬非線性接觸特性：確立擬設計之該非線性元件之面接觸的漸硬非線性接觸特性的曲線；(b)確立在低剛性區、高剛性區之剛性：依據前步驟(a)所得到的面接觸漸硬線性接觸特性的曲線，再計算出該非線性元件在該低剛性區與該高剛性區之剛性值；(c)設計非線性元件：設計該非線性元件，使該非線性元件具有步驟(a)所述的面接觸的漸硬非線性接觸特性，且該非線性元件滿足步驟(b)的要求。
3. 如請求項2所述改善滾動式線性滑軌之動態特性的方法，其中該低剛性區用於承受垂直負荷時先行變形， 該高剛性區隨著該低剛性區逐漸變形而逐漸靠向該滾動式線性滑軌的導軌的導軌面，且該高剛性區具有一直接或間接抵靠該導軌面的接觸面。
4. 如請求項3所述改善滾動式線性滑軌之動態特性的方法，其中該漸硬接觸特性係指該非線性元件於接觸施力後，其荷重與其變形量之關係具有漸硬非線性接觸特性，同時滿足當變形量增大時，其所需施加之荷重也隨之增大者。
5. 如請求項4所述改善滾動式線性滑軌之動態特性的方法，其中該漸硬非線性接觸特性包含以多段直線所組成之多直線非線性者。
6. 如請求項5所述改善滾動式線性滑軌之動態特性的方法，其中該非線性元件係指於原有滾動滑塊外設置的元件，且所述非線性元件與該導軌之相對運動為接觸面之間的相對滑動，該接觸面之間的接觸特性滿足該漸硬非線性接觸特性者。