TWI555924B

TWI555924B - 六列滾珠式線性滑軌

Info

Publication number: TWI555924B
Application number: TW103131125A
Authority: TW
Inventors: 郭長信; 黃聖翔
Original assignee: 上銀科技股份有限公司
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-11-01
Also published as: TW201610315A

Description

六列滾珠式線性滑軌

本發明提供一種六列滾珠式線性滑軌，其是與線性傳動裝置有關，特別是和兼具高下壓方向、上拉方向及側向靜額定負荷之線性傳動裝置相關。

線性滾珠滑軌為一種重要的線性傳動裝置，具備高效率及高精密度的傳動特性使其被廣泛地運用於各種運載機械上，在選用線性滾珠滑軌的考量重點之一為其所能承受之靜額定負荷，包含下壓方向、上拉方向及側向的靜額定負荷，而一般線性滾珠滑軌所能承受的靜額定負荷與滾珠列數及滾珠直徑的平方成正相關關係，因此業界多以增加滾珠直徑或增加滾珠列數之手段提高靜額定負荷能力；然而，機械對於靜額定負荷的需求不斷提高，一般的線性滾珠滑軌的靜額定負荷目前仍有不足，而需要再予提昇。

如圖1所示為日本特開平07-035136號專利之線性滑軌10，其主要包含一滑塊11可滑移地套覆於一滑軌12，且該滑軌12與該滑塊11之間設置四列滾珠13，該線性滑軌10主要是將列數由一般的兩列增加為四列滾珠13，該四列滾珠13對稱位於該滑軌12的兩側，透過增加滾珠13列數以提高線性滑軌10所能承受的靜額定負荷；然而，從該線性滑軌10的四列滾珠 13之配置方式來看，該線性滑軌10的四列滾珠13均是圓弧式兩點45°-45°的接觸方式，即所有的滾珠與所接觸之滾動溝的接觸角為45°，在此接觸角的配置方式下能均勻提供下壓方向、上拉方向及側向的負荷能力；且該線性滑軌10的牙形係數亦配置為完全相同之牙形係數，使得整體線性滑軌10的結構能完全均勻地提供下壓方向、上拉方向及側向的負荷能力，但是，對於特別需要更高的下壓方向、上拉方向及側向負荷的機械結構，此設計之靜額定負荷仍無法符合要求；如圖2所示為美國US6132093號專利之線性滑軌20，此為一種加強其下壓方向及上拉方向的靜額定負荷之習用技術，其主要包含一滑塊21可滑移地套覆於一滑軌22，且該滑軌22與該滑塊21之間設置四列滾珠23，該線性滑軌20主要是將兩列滾珠23設置於滑軌22的頂面，以特別加強下壓方向的靜額定負荷，而另外兩列則分別位於滑軌22的兩側並經由接觸點的改變來加強上拉方向的靜額定負荷；然而，以該線性滑軌20的四列滾珠23之配置方式來看，位於滑軌22頂面的兩列滾珠23主要是承受下壓之負荷，於承受側向負荷的能力很差，而位於兩側之兩列滾珠則又強調其上拉方向之負荷能力，其承受側向負荷的能力也不佳，總體來說並無法全面顯著提高其下壓方向、上拉方向及側向之負荷能力，其雖能局部提昇下壓方向及上拉方向之負荷能力，但是側向之負荷能力並不佳，因此負荷能力仍不足以適用多數機構，且更由於該滑軌22頂面及側面均設置有供滾珠23容置之滾動溝，因此該滑軌22於加工生產時必須經過至少一次上方研磨及一次側向研磨才能完成，兩次的加工工序將大幅提高加工成本並同時降低生產效率，而有經濟效益不佳之缺失；而且更嚴重地，由於兩次的加工工序的加工基準不同，使頂面及側面之滾動溝相對位置具有誤差，而降低滾珠滑軌的精準度；另外，加大線性滑軌的尺寸雖能同時增加下壓方向、上拉方向及側向之負荷能力，但使整體的機構空間增加，而無法使用於大多數的應用實例之中；有鑑於此，本發明人潛心研究並更深入構思，歷經多次研發試作後，終於發明出一種六列滾珠式線性滑軌。

本發明提供一種六列滾珠式線性滑軌，其主要目的是提高整體的靜額定負荷，並且兼具下壓方向、上拉方向及側向之靜額定負荷；並改善一般滾珠滑軌為提高負荷能力之結構形態配置會增加加工工序降低生產效率之缺失，及避免兩次加工工序的加工基準不同所導致之滾動溝相對位置誤差而降低滾珠滑軌的精準度的問題；此外，能不增加尺寸，以符合一般的使用需求。

為達前述目的，本發明提供一種六列滾珠式線性滑軌，包含：一滑軌，沿一X方向延伸長度之長條塊體結構，而垂直該X方向則定義一Y方向及一Z方向，且該Y方向與該Z方向垂直，且該滑軌由該X方向上的兩端端面來看，該滑軌整體係相對於一對稱軸對稱設置之結構體；且該滑軌上於對稱軸兩側分別設置三個滾動溝；一滑塊，具有一套槽，該滑塊以該套槽可滑移地穿套於該滑軌上，且該套槽上對應各該滾動溝的位置設置六個滾動槽；複數滾珠，可滾動地容置於各該滾動溝與該滾動槽之間，其特徵在於：該滑軌於對稱軸兩側分別設置一上滾動溝、一中滾動溝以及一下滾動溝，且各該上滾動溝於該滑軌的該Z方向位置高於各該中滾動溝於該滑軌的該Z方向位置；且各該中滾動溝於該滑軌的該Z方向位置高於各該下滾動溝於該滑軌的該Z方向位置；以及定義各該滾動溝的牙型係數為兩倍該滾動溝的圓弧半徑減去該滾珠直徑後的值再除以該滾珠直徑的比值，各該下滾動溝的牙型係數小於各該上滾動溝的牙型係數；而以小於各該上滾動溝的牙型係數的0.8倍為更佳。

本發明透過於滑軌及滑塊之間設置六列滾珠以提高整體的靜額定負荷，六列滾珠分別對稱位於滑軌頭部的兩側，同時，再配置位於上、中滾動溝的滾珠都承受下壓負荷，使下壓方向之靜額定負荷增加，而位於下滾動溝的滾珠則承受上拉負荷，且各該下滾動溝的牙型係數分別小於各該上滾動溝的牙型係數，使上拉方向之靜額定負荷也增加，並且由於上、中、下滾動溝的滾珠都可承載側向的負荷，而提高側向的靜額定負荷，據此使得本發明成為兼具下壓方向、上拉方向及側向靜額定負荷之配置；且本發明容置滾珠的滾動溝是對稱設置於滑軌的頭部兩側，而能透過側向加工一次研磨加工完成，簡化加工工序、提高生產效率及經濟效益，並且避免兩次加工工序的加工基準不同所導致之頂面及側面之滾動溝相對具有誤差而降低滾珠滑軌的精準度的問題。此外，由於空間的設計及最佳化設計，使尺寸不需增加而能符合一般的使用需求。

《習知技術》

10‧‧‧線性滑軌

11‧‧‧滑塊

12‧‧‧滑軌

13‧‧‧滾珠

20‧‧‧線性滑軌

21‧‧‧滑塊

22‧‧‧滑軌

23‧‧‧滾珠

《本發明》

30‧‧‧滑軌

31‧‧‧頭部

311‧‧‧上滾動溝

312‧‧‧中滾動溝

313‧‧‧下滾動溝

32‧‧‧頸部

33‧‧‧底部

40‧‧‧滑塊

41‧‧‧套槽

411‧‧‧滾動槽

50‧‧‧滾珠

X‧‧‧方向

Y‧‧‧方向

Z‧‧‧方向

W1‧‧‧頭部寬度

W2‧‧‧頸部寬度

W3‧‧‧底部寬度

L‧‧‧對稱軸

T‧‧‧接觸點

α‧‧‧接觸角

V‧‧‧垂直線

R‧‧‧圓弧半徑

D‧‧‧滾珠直徑

圖1 為一種習知的滾珠滑軌示意圖。

圖2 為另一種習知的滾珠滑軌示意圖。

圖3 為本發明六列滾珠式線性滑軌的外觀示意圖。

圖4 為本發明六列滾珠式線性滑軌的端視平面圖。

圖5 為本發明六列滾珠式線性滑軌之滑軌平面示意圖。

圖6 為本發明六列滾珠式線性滑軌改變接觸角對於下壓及側向靜額定負荷關係圖。

圖7 為本發明之六列滾珠式線性滑軌之下滾動溝的牙型係數改變和上拉方向靜額定負荷之關係圖。

圖8 為本發明六列滾珠式線性滑軌與習用產品的下壓方向及側向靜額定負荷數負荷能力的比較圖。

為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：本發明六列滾珠式線性滑軌的較佳實施例如圖3至8所示，包含：一滑軌30，沿一X方向延伸長度之長條塊體結構，而垂直該X方向則定義一Y方向及一Z方向，且該Y方向與該Z方向垂直，且該滑軌30由該X方向上的兩端端面來看，該滑軌30整體係相對於一對稱軸L對稱設置之結構體；且該滑軌30於該Z方向上依序區分為一頭部31、一頸部32及一底部33，該頭部31相較於該底部33於該Z方向上為上方向，而該底部33相較於該頭部31於該Z方向上為下方向，該頭部31於該Y方向上的最大寬度為一頭部寬度W1，該頸部32於該Y方向上的最小寬度為一頸部寬度W2，而該底部33於該Y方向上的最大寬度為一底部寬度W3，該頸部寬度W2小於該頭部寬度W1及該底部寬度W3；此外，該滑軌30上於對稱軸L兩側分別設置三個滾動溝，該滑軌30兩側的滾動溝相對於該對稱軸L為對稱設置；本實施例是於該滑軌30的該頭部31上於該對稱軸L兩側分別設置一上滾動溝311、一中滾動溝312以及一下滾動溝313，且各該上滾動溝311於該滑軌30的Z方向位置高於各該中滾動溝312於該滑軌30的Z方向位置；且各該中滾動溝312於該滑軌30的Z方向位置高於各該下滾動溝313於該滑軌30的Z方向位置；且本發明之各該上滾動溝311及各該中滾動溝312設於該頭部31的上半部，而各該下滾動溝313設於頭部31的下半部；一滑塊40，具有一套槽41，該滑塊40以該套槽41可滑移地穿套於該滑軌30上，且該套槽41上對應各該上滾動溝311、各該中滾動溝312及各該下滾動溝313的位置設置六個滾動槽411；以及複數滾珠50，可滾動地容置於各該滾動槽411與該滾動槽311、312、313之間，且當各該滾珠50容置於各該滾動溝311、312、313內時，容置於二該上滾動溝311內的各該滾珠50承受下壓及側向負荷；容置於二該中滾動溝312內的各該滾珠50承受下壓及側向負荷；而容置於二該下滾動溝313內的各該滾珠50承受上拉及側向負荷；當各該滾珠50容置於各該滾動溝311、312、313內時，本發明之滾珠50與滾動溝311、312、313符合赫茲接觸理論(Hertz contact theory)之假設與定義，則該滾珠50與該各滾動溝311、312、 313分別產生一接觸點T，該滾珠50或該各滾動溝311、312、313的接觸面上通過該接觸點T具有一法線N，各該上滾動溝311、各該中滾動溝312之滾珠50的該法線N分別與Z方向之上方向之間的夾角則定義出一接觸角α，而各該上滾動溝311、各該中滾動溝312分別與其接觸之滾珠50的接觸角α為20~70度，從製造方向考慮，接觸角α小於20度會使滾珠50或該各滾動溝311、312、313的接觸面變小，而降低接觸面所能承受的負荷能力；相反的，如果接觸角α大於70度會使滾珠50或該各滾動溝311、312、313在Z方向的負荷能力降低而無法達到本發所要達到的高下壓剛性的目的；更佳地，為避免製造上的不穩定所導致的問題，並提高本發明所要達到的高下壓剛性的特色，接觸角α以30~50度更佳；而最佳設計角度為40度；且，同理，各該下滾動溝313之滾珠50的該法線N分別與Z方向之下方向之間的夾角同樣定義出一接觸角α，而各該下滾動溝313與其接觸之滾珠50的接觸角α為20~70度，30~50度為更佳；而40度為最佳；以上為本發明六列滾珠式線性滑軌的結構組態及特徵，而首先值得說明的是，由於本發明之各該滾動溝311、312、313是對稱設置於該滑軌30的兩側，該滑軌30的上方頂面並未配置滾動溝，因此於研磨生產該滑軌30時可於該滑軌30的兩側分別同時進行一次性的研磨加工即可完成，不需再進行上方或其他方向的研磨，而能簡化生產工序、提高生產效率，並創造更高的經濟效益；並且也避免習知技術使用兩次加工工序的加工基準不同，使頂面及側面之滾動溝相對具有誤差，而降低滾珠滑軌的精準度的問題；再者，本發明更特別配置各滾珠50與滾動溝312的接觸角α 之角度為20~70度，請配合參閱圖6所示為本發明接觸角α改變與下壓及側向靜額定負荷之數據圖，圖6中之縱軸表線性滾珠滑軌之靜額定負荷，實線(三角形數據點)表示下壓方向之靜額定負荷，而虛線(圓形數據點)表示側向之靜額定負荷，雖然降低接觸角α的角度可提升下壓方向之靜額定負荷，但也相對地更大幅地降低側向之靜額定負荷，圖6顯示在接觸角α之角度小於20度以後，側向負荷之靜額定負荷持續下降，但下壓方向的靜額定負荷提昇的效果減緩，同樣地，在接觸角α之角度大於70度以後，下壓方向之靜額定負荷持續下降，但側向負荷的靜額定負荷提昇的效果不大，也就是接觸角α之角度小於20度或大於70度時，想增加的靜額定負荷並無明顯增加，反而造成另一方向之靜額定負荷明顯減少，而一般運載裝置對於線性滾珠滑軌的需求通常必須兼具下壓方向及側向之靜額定負荷，故在接觸角α之角度設計上以20~70度為佳；再者，從圖6所示之曲線可以看到，在接觸角α為50度時，下壓方向的靜額定負荷約等於側向的靜額定負荷，而本發明的考量在於提昇下壓剛性，故以選擇接觸角α為小於50度使下壓方向的靜額定負荷大於側向的靜額定負荷為更佳，而再從側向的靜額定負荷曲線來看，在接觸角α之角度為30度時，側向的靜額定負荷數值已達到其側向的靜額定負荷之最大數值的一半以上，也就是其已具有相當的側向的靜額定負荷，故，選擇接觸角α之角度大於30度可以達到兼顧側向的靜額定負荷的效果，因此在設計上以接觸角α之角度大於30度為更佳，即接觸角α之角度在30~50度為更佳；而最佳實施例是設置接觸角α為40度，於此狀態下，下壓方向的靜額定負荷明顯高於側向的靜額定負荷，能顯著提高下壓負荷能力，且又兼具有很好的側向負荷的能力，提供高下壓靜額定負荷之特性，滿足下壓負荷需求較高的使用狀況。

此外，本發明為了兼具下壓方向之靜額定負荷及上拉方向之靜額定負荷，故需使上拉方向之靜額定負荷也增加。因此，本發明更進一步地以牙型係數限定各該滾動溝與各該滾珠的接觸關係，其中，本發明定義各該滾動溝的牙型係數為兩倍該滾動溝的圓弧半徑R減去該滾珠直徑D後的值再除以該滾珠直徑D的比值，比值為一無單位量，不會因為滾珠直徑D的大小而產生影響；圖7為本發明之六列滾珠式線性滑軌的該下滾動溝的牙型係數改變和上拉方向靜額定負荷之比較圖，圖7的横軸為各下滾動溝的牙型係數與各上滾動溝的牙型係數的比值，為一個無單位量除以一個無單位量的結果，也是一無單位量，縱軸為上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值，也是一無單位量，圖中針對各種不同的上滾動溝的牙型係數進行分析，上滾動溝的牙型係數為0.01的資料點以符號×表示，上滾動溝的牙型係數為0.02的資料點以符號○表示，上滾動溝的牙型係數為0.04的資料點以符號□表示，上滾動溝的牙型係數為0.08的資料點以符號△表示，由圖7中可看到上滾動溝的牙型係數從0.01~0.08的不同資料點，其集中於一曲線上，而當下滾動溝的牙型係數相對於上滾動溝的牙型係數的比值愈小，則上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值愈大，在牙型係數的比值小於1之後，曲線有明顯變陡的趨勢，也就是在下滾動溝的牙型係數小於上滾動溝的牙型係數時，明顯可以使上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值加速上升，比就是能增加上拉方向靜額定負荷(由於下壓方向靜額定負荷未改變)，因此，各該下滾動溝的牙型係數以小於各該上滾動溝的牙型係數為佳；而當該下滾動溝的牙型係數小於各該上滾動溝的牙型係數的0.8倍後，上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值加速上升，而使本發明之六列滾珠式線性滑軌的上拉方向的靜額定負荷快速上升，以加強本發明之六列滾珠式線性滑軌的上拉方向的靜額定負荷，故本發明之六列滾珠式線性滑軌的下滾動溝的牙型係數以小於各該上滾動溝的牙型係數的0.8倍為較佳；而從圖7中可以看到，當下滾動溝的牙型係數相對於上滾動溝的牙型係數小於0.5倍以後，上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值急速上升，在下滾動溝的牙型係數相對於上滾動溝的牙型係數為0.5倍時，上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值約已達0.8，即上拉方向靜額定負荷可提昇到下壓方向靜額定負荷的0.8倍，而在下滾動溝的牙型係數相對於上滾動溝的牙型係數為0.4倍時，上拉方向和下壓方向靜額定負荷的比值已經大於1，即上拉方向靜額定負荷可大下壓方向靜額定負荷，此時可使本發明之六列滾珠式線性滑軌不只具有極佳的下壓方向靜額定負荷，也有極佳的上拉方向靜額定負荷，故本發明之六列滾珠式線性滑軌的下滾動溝的牙型係數以小於各該上滾動溝的牙型係數的0.5倍為更佳；而考慮到製造的困難度及下壓方向的靜額定負荷，上滾動溝的牙型係數以0.02~0.04為最佳；為了驗證本發明兼具下壓方向、上拉方向及側向靜額定負荷之能力，以軌道寬度為34mm的規格，上滾動溝的牙型係數為0.02，下滾動溝的牙型係數以小於各該上滾動溝的牙型係數的0.6倍，接觸角α為40度為例，比較本發明之六列滾珠式線性滑軌與習用產品的下壓方向及側向靜額定負荷數負荷能力如圖8，圖8中之縱軸為在下壓方向、上拉方向及側向之靜額定負荷，單位為kN，資料A為本發明，資料B為同一大小之一般線性滑軌，資料C為習用加強下壓線性滑軌，由圖8可得知本發明之下壓方向、上拉方向及側向靜額定負荷之靜額定負荷數值皆遠高於一般之線性滑軌，且也明顯高於習用加強下壓線性滑軌之靜額定負荷數值(在相同尺寸限制下的比較)，尤其是本發明之側向靜額定負荷遠高於習用加強下壓線性滑軌之側向靜額定負荷；故本發明之六列滾珠式線性滑軌，其透過於滑軌與滑塊之間設置六列滾珠以提高整體之靜額定負荷，六列滾珠分別對稱位於滑軌頭部的兩側，同時，再配置位於上、中滾動溝的滾珠都承受下壓負荷，使下壓方向之靜額定負荷增加，而位於下滾動溝的滾珠則承受上拉負荷，且各該下滾動溝的牙型係數分別小於各該上滾動溝的牙型係數，使上拉方向之靜額定負荷也增加，並且由於上、中、下滾動溝的滾珠都可承載側向的負荷，而提高側向的靜額定負荷，據此使得本發明成為兼具下壓方向、上拉方向及側向靜額定負荷之配置。