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高速运动直线导轨-线速度可超10米/秒-低噪音

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直线运动,在我们的日常生活环境和工作环境中几乎无所不在。从工业技术的角度来看,直线运动有如下几个衡量指标:刚性,精度和速度;不同的应用场合,对直线运动有不同的要求;比如机床行业,对直线运动的主要要求是刚性和精度,用来实现精密的运动轨迹控制;自动上下料,对直线运动的主要要求是速度和刚性,用来实现快速的点到点的点位控制,这就需要用到高速直线导轨。

目前,全世界范围内,用来实现直线运动的直线导轨,主要是滚珠直线导轨和滚轮直线导轨。滚珠直线导轨,主要应用在高刚性和高精度的应用场合,比如机床行业;而滚轮直线导轨,主要应用在要求高速的工厂自动化项目中,其最高线速度可超10m/s,是高速直线导轨的典型代表。

一:滚轮直线导轨的高速/低噪音特性

在很多工厂自动化的项目中,并不需要机床行业要求的高刚性和高精度,要求的是适当精度和刚性条件下的高速度,滚轮直线导轨就非常适合这种应用。HEPCO滚轮直线导轨是通过V型轴承V型导轨面上,或者外球面滚轮轴承在方型导轨面上滚动实现的高速直线运动;滚轮直线导轨在自动上下料,桁架机械手等工厂自动化的项目中得到了广泛的应用:

HEPCO高速直线导轨的如下特性,使得其适合线速度超10米每秒的高速应用:
A:滚轮轴承的精度等级为P4,有些精度指标达P2,游隙得到了精确的控制,确保滑块高速运行时的平稳性和低噪音;。
B:滚轮轴承外圈的V型槽面或圆弧滚道面,经过表面淬硬,硬度达HRC60;导轨表面也经过表面淬硬,硬度达HRC60;这样可确保高速运行情况下,导轨的长使用寿命。

C:导轨采用了表面淬硬工艺,芯子依然是软的;所以导轨的刚性和韧性得到了很好的平衡。适合频繁加减速的高速应用。
D:滚轮轴承采用了精密的密封工艺和高品质的润滑脂,高速运行时,滚动体和滚道之间的润滑依然充分,并进行了良好的散热;这样才可保证滚轮轴承的终生免维护。
E:滚轮轴承和导轨之间的滚动,是在开放的空间中进行的,而不是在一个密闭的小空间里进行的,这很好地解决了高速运行时的散热问题。

以滚轮导轨为基础,配合同步带传动/齿轮齿条传动方式,为模块化的直线模组,大大方便了设计和装配;详细说明,请参考文章:超长行程超高速直线模组聚氨酯同步带-长距离高速直线运动应用齿轮齿条直线运动单元

基于同样原理的滚轮圆弧导轨,同样具有优秀的高速运行性能,最高圆周运行线速度可超5米每秒:


二:滚珠直线导轨的高速应用适应性:

滚珠直线导轨,不是很适合高速应用,且高速情况下噪音太大,如下是从产品设计的角度出发的分析:

滚珠直线导轨的滚动导轨副具有传动效率高,承载能力和动静刚度均较高的特点,故广泛应用于各行各业。导轨和滑块的圆弧滚道均经过淬火和精磨;钢球从导轨和滑块的承载滚道通过后,进入反向器的卸载滚道,从而实现钢球的无限循环运动和滑块的往复直线运动,如下图所示:



滑块快速移动时,钢球从承载滚道进入方向器,然后再进入滑块的反向孔中。钢球在反向器中的运动,沿着180度的半圆弧运动,不停地改变运动方向,直到最后完全实现反向运动;反向孔的壁不停地施加阻力于钢球上,促使其改变运动方向。不管速度快慢,钢球一直对反向器有冲击。如果速度很快,那对方向器的冲击就会太大,不但反向器的损耗加快,而且会产生很大的噪音。

钢球和导轨间的接触角为45度,故钢球运转时的自转轴线的空间方向不断变化,无定向规律可循;根据理论力学原理,这种运动会产生陀螺力矩,陀螺力矩将使钢球沿着滚道滑动。高速运动时,这种滑动效应非常显著,会产生很大的滑动摩擦力,噪音将非常巨大,滚道的损耗将加快。

高速应用时,散热是非常重要的。滚珠直线导轨的诸多滚珠,是在一个密闭的腔体里,在滚道上滚动的,不容易散热;散热不好,会导致滑块的预紧力变大,使得运行阻力加大甚至卡死。

上述特点,使得滚珠直线导轨不是很适合高速的应用场合,除了损耗快之外,噪音还很大。

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