2.3 导向机构
机电一体化系统的导向机构为各运动机构提供可靠的支承，并保证其正确的运动轨迹，以完成其特定方向的运动。简而言之，导向机构的作用为支承和导向。机电一体化系统的导向机构是导轨，一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨（或导轨），另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为运动导轨（或滑块）。
2.3.1 导向机构的性能要求与分类
（1）导轨的性能要求
机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚度足够大、运动轻便平稳、耐磨性好以及结构工艺性好等。
1）导向精度。指运动导轨沿支承导轨运动的直线度。影响导向精度的因素有导轨的几何精度、结构形式、刚度、热变形等。
2）刚度。导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。
3）低速运动平稳性。指导轨低速运动或微量位移时不出现爬行现象。爬行是指导轨低速运动时，速度不是匀速，而是时快时慢，时走时停。爬行产生的原因是静摩擦因数大于动摩擦因数。
4）耐磨性。指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。
5）其他方面。导轨应结构简单、工艺性好。并且热变形不应太大，以免影响导轨的运动精度，甚至卡死。
（2）导轨的分类及特点
常用的导轨种类很多，按导轨接触面间的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为开式导轨（借助重力或弹簧强力保证运动件与支承导轨面之间的接触）和闭式导轨（只靠导轨本身的结构形状保证运动件与支承导轨面之间的接触）。常见导轨的特点见表2-1。
表2-1 常见导轨的特点
一般滑动导轨静摩擦系数大，并且动、静摩擦系数差值也大，低速易爬行，不满足机电一体化设备对伺服系统快速响应性、运动平稳性等要求，因此，在数控机床等机电一体化设备中使用较少。
2.3.2 滚动直线导轨
（1）滚动直线导轨的特点
滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的滚动体，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。滚动导轨适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合，因此在高精密的机电一体化产品中应用广泛。目前各种滚动导轨基本已实现生产的标准化、系列化，用户及设计人员只需了解滚动直线导轨的特点，掌握选用方法即可。
滚动导轨的特点：
1）摩擦因数低，摩擦因数为滑动导轨的1/50左右。动静摩擦因数差小，不易爬行，运动平稳性好。
2）定位精度高，可达0.1～0.2μm，运动平稳，可微量移动。
3）刚度大。滚动导轨可以预紧，以提高刚度。
4）寿命长。由于是纯滚动，摩擦因数为滑动导轨的1/50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。
5）结构复杂，几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高，制造困难，成本高。
（2）滚动直线导轨的分类
1）按滚动体的形状
分为滚珠式、滚柱式和滚针式，如图2-22所示。滚珠式的特点是：点接触、摩擦小，承载力小，刚度低；滚柱式的特点是：线接触、摩擦大，承载力大，刚度高，对导轨平行度敏感；滚针式的特点是尺寸小，结构紧凑，承载能力大。
2）按滚动体是否循环
分为滚动体循环式和滚动体不循环式。滚动体不循环式导轨的滚动体可以是滚珠、滚针或圆柱小滚子，该形式的导轨由于滚动体不循环，其行程有限。滚动体不循环式导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。滚动体循环式导轨行程不受限制，并且与滚动体不循环式导轨相比其承载能力大，刚度高。
图2-22 滚动直线导轨副按滚动体形状的分类
a）滚珠式 b）滚柱式 c）滚针式
（3）滚动直线导轨副
类似于滚珠丝杠，滚动导轨的生产也实现了标准化、系列化，目前世界上有很多公司都生产各种用途的标准化导轨，并使之规模化来降低成本。在设计机电一体化系统时应尽量采用标准化的导轨，来满足设计的需求，使产品的成本降低并使生产周期缩短，提高产品的市场竞争力。图2-23为THK公司生产的HSR型滚动直线导轨，滚珠在导轨与滑块被精密研磨加工过的4列滚动沟槽上进行滚动，再通过装在滑块上的端盖板使各列球进行循环运动，因滚珠被保持板保持，即使将滑块从轨道上抽出，滚珠也不会脱落；该系列导轨为使滑块的各方向（径向方向、反径向方向、横向方向）具有相同的额定负荷，各球列被设计成45°的接触角，无论何种姿态都可以，并且因施加均等的预压，从而既能一边维持较低的摩擦因数，又加强刚性，可以获得稳定的高精度直线运动，用途非常广泛。
（4）滚动直线导轨的选用
在设计选用滚动直线导轨时，应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命等进行计算，并且还要考虑其刚度、摩擦特性及误差平均作用、阻尼特征等因素，从而达到正确合理的选用，以满足设备技术性能的要求。
图2-23 HSR型滚动直线导轨
1—油嘴 2—末端密封垫片 3—端盖板 4—滑块 5—保持板 6—导轨 7—滚珠 8—保持板 9—内部密封垫片 10—侧面密封垫片
2.3.3 塑料导轨
所谓塑料导轨，指床身仍是金属导轨，在运动导轨面上贴上一层、或涂覆一层耐磨塑料的制品。塑料导轨也称贴塑导轨。采用塑料导轨的主要目的有以下两点：
1）克服金属滑动导轨摩擦因数大、磨损快、低速易爬行等缺点。
2）保护与其对磨的金属导轨面的精度，延长其使用寿命。
塑料导轨一般用在滑动导轨副中较短的导轨面上。塑料导轨的应用形式主要有以下几种：
（1）塑料导轨软带
塑料导轨软带的材料以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状。使用时采用粘接材料将其贴在所需处作为导轨表面，如图2-24所示。
图2-24 塑料导轨
1—导轨软带 2—粘结材料
塑料导轨软带有以下特点：
1）摩擦因数低且稳定。其摩擦因数比铸铁导轨低一个数量级。
2）动静摩擦因数相近。其低速运动平稳性比铸铁导轨好。
3）吸收振动。由于材料具有良好的阻尼性，其抗振性优于接触刚度较低的滚动导轨。
4）耐磨性好。由于材料自身具有润滑作用，因而在无润滑情况下也能工作。
5）化学稳定性好。耐高低温、耐强酸强碱、耐强氧化剂及各种有机溶剂。
6）维护修理方便。导轨软带使用方便，磨损后更换容易。
7）经济性好。结构简单、成本低，成本约为滚动导轨的1/20。
（2）金属塑料复合导轨
如图2-25所示，金属塑料复合导轨分为三层，内层钢背保证导轨板的机械强度和承载能力。钢背上镀铜烧结球状青铜粉或铜丝网形成多孔中间层，以提高导轨板的导热性，然后用真空浸渍法，使塑料进入孔或网中。当青铜与配合面摩擦发热时，由于塑料的热胀系数远大于金属，因而塑料将从多孔层的孔隙中挤出，向摩擦表面转移补充，形成厚约0.01～0.05mm的表面自润滑塑料层—外层。金属塑料导轨板的特点是：摩擦特性优良，耐磨损。
（3）塑料涂层
摩擦副的两配对表面中，若只有一个摩擦面磨损严重，则可把磨损部分切除，涂敷配制好的胶状塑料涂层，利用模具或另一摩擦表面使涂层成形，固化后的塑料涂层即成为摩擦副中配对面之一，与另一金属配对面组成新的摩擦副，利用高分子材料的性能特点，达到良好的工作状态。
图2-25 金属塑料复合导轨
1—外层 2—中间层 3—内层
2.3.4 流体静压导轨
流体静压导轨是指借助于输入到运动件和固定件之间微小间隙内流动着的黏性流体来支承载荷的滑动支承，包括液体静压导轨和气体静压导轨。流体静压导轨利用专用的供油（供气）装置，将具有一定压力的润滑油（压缩空气）送到导轨的静压腔内，形成具有压力的润滑油（气）层，利用静压腔之间的压力差，形成流体静压导轨的承载力，将滑块浮起，并承受外载荷。流体静压导轨具有多个静压腔，支撑导轨和运动导轨间具有一定的间隙，并且具有能够自动调节油腔间压力差的零件，该零件称为节流器。
静压导轨间充满了液体（或气体），支撑导轨和运动导轨被完全隔开，导轨面不接触，因此静压导轨的动、静摩擦因数极小，基本无磨损、发热问题，使用寿命长；在低速条件下无爬行现象；速度或载荷变化对油膜或气膜的刚度影响小，并且油膜或气膜对导轨制造误差有均化作用；工作稳定且抗震性好。但其结构比较复杂，需要有一套供油（供气）装置，调整比较麻烦，成本较高。
（1）液体静压导轨
液体静压导轨由支撑导轨、运动导轨、节流器和供油装置组成。液体静压导轨分为开式和闭式两种，闭式液体静压导轨原理如图2-26所示。
在静压导轨各方向及导轨面上都开有油腔，液压泵输出的压力油经过六个节流器后压力下降并分别流到对应的六个油腔，设六个油腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ处的油压分别为p1、p2、p3、p4、p5、p6。当工作台受到竖直方向的载荷P时，油腔Ⅰ和Ⅳ间隙减小，油腔Ⅲ和Ⅵ的间隙增大，由于节流器的作用p1和p4增大，p3和p6降低，四个油腔产生向上的合力，使工作台稳定在新的平衡位置。当工作台受到水平方向的载荷F时，油腔Ⅱ间隙减小，油腔Ⅴ的间隙增大，由于节流器的作用p2增大，p5降低，两个油腔产生向左的合力，使工作台稳定在新的平衡位置。当工作台受到颠覆力矩M时，油腔Ⅳ和Ⅲ的间隙增大，油腔Ⅰ和Ⅵ间隙减小，由于各节流器的作用，使油腔Ⅳ和Ⅲ的压力p4和p3减小，而油腔Ⅰ和Ⅵ的压力p1和p6增大，这些力作用在工作台上，并形成一个与颠覆力矩反向的力矩，从而使工作台保持平衡。所以闭式静压导轨具有承受各方向载荷和颠覆力矩的能力。
（2）气体静压导轨
气体静压导轨的工作原理和液体静压导轨相同，只是其工作介质不同，液体静压导轨的工作介质为润滑油，气体静压导轨的工作介质为空气。由于气体具有可压缩性、黏度低，比起相同尺寸的液体静压导轨，气体静压导轨的刚度较低，阻尼较小。
图2-26 闭式液体静压导轨原理
1—运动导轨 2—支撑导轨 3—节流器 4—滤油器 5—液压泵 6—溢流阀 7—滤油器 8—油箱