聚合物直线导轨的制作方法

专利名称：聚合物直线导轨的制作方法
发明的
背景技术：
发明所属领域本发明涉及一具有滑块和导轨的直线导轨。更确切地，本发明涉及一直线导轨，其中滑块、导轨或者两者整体由聚合物建造，镀有或者设有一聚合物支承面。
已有技术描述直线运动导轨是构造自动的或其它类型设备的重要组成部分。直线运动导轨(以下简称为“直线导轨”)作为设备的一部分，如机械手或工件，具有高精确度，在相对长的距离内前后直线运动。因为每个直线导轨仅有沿导向轨纵向的一个自由度，多个直线导轨可以通过组合使用来为设备的运动提供附加的自由度。
一般地，直线导轨具有两个主要组成部分，一个导向轨(也称为轨道，以下简称为“导轨”)和滑动块(以下简称为“滑块”)。滑块和导轨设计成使滑块沿导轨装配并没有摆动或间隙地移动。这是通过在两者之间安装一支承装置来实现的。
在一种已有直线导轨中，循环球轴承被装配在滑块内，与在导轨中形成的轴承座圈相接触。这个系统在生产和替换时费用相对昂贵。当磨损时，循环球轴承滑块的构造使得至少整个滑块必须被替换掉，更典型的是滑块和导轨都被替换。因为磨损是发生在轴承接触滑块和导轨的轴承座圈，所以仅替换球轴承是不可行的。
另一种直线导轨实际上去除了使用循环球轴承还提供了在滑块和导轨之间必要的浅滑动摩擦。在这种直线导轨中，支承材料永久地与滑块相连接，这样就在滑块和导轨之间提供了一接触界面。用来形成这些支承面的聚合物材料包括尼龙，聚四氟乙烯(PTFE)和许多其他物质。这种设计一般从无需湿润滑剂的角度讲，被认为可以省去维护，因为所选的聚合物典型地提供了一嵌装式和永久的润滑剂。
上述设计的一些缺点在于对滑块和支承部分需分别生产然后将支承部分安装到滑块上。这种安装通常涉及将预定厚度的聚合物与滑块的区域相连接来接合导轨。连接过程本身取决于涉及到的特定聚合物和滑块，有时很复杂且昂贵。此外，对在使用中连接的失败和其它结果的担心也由此产生。
在1998年4月7日发表的美国专利第5,735,610号公开了一个将聚合物与滑块相连接的可替代方法，其主题在这儿一起作为参考。在该发明中，滑块需要可替换的聚合物嵌入物，滑块在该嵌入物上滑行。
考虑到前述已有技术装置的限制和缺点，以及其它未专门提及的不利因素，仍然需要在技术上对直线导轨改进是很显而易见的。
因此本发明的主要目的是通过提供一种无需球轴承或将聚合材料与导轨相连接的直线导轨来满足上述需要。
本发明的另一目的是提供一种直线导轨，其滑块和支承部分无需分别生产。
本发明的又一个目的是提供一种直线导轨，其支承部件和滑块或者导轨是作为一个部件形成的。
发明的总结简要描述，可以根据本发明实现上述和其它目的通过提供一种与已有技术一样的包括可滑动地安装在导向轨上的滑块的直线导轨。但本发明中的滑块和可供选择实施例中的导轨，限定了允许滑块和导轨相互移动的支承面。
本发明的滑块包括一具有顶部、底部、对边和相对端的滑体。滑体部分限定了一个在相对端之间纵向伸展通过滑体长度的凹槽。凹槽一般在滑体底部的方向上具有一开口，呈现出一个可以容纳导轨的截面形状。导轨的相对端限定了导轨的长度，其大于滑体的长度。滑体和导轨的截面形状之间的相互配合具有一小的间隙，允许滑体沿导轨运动而将运动限制在一个自由度内。相应地，滑体相对于导轨的侧向和垂直运动是禁止的。
滑块和导轨是由几种最好的聚合物材料中的一种制成，这些聚合物材料具有低的摩擦系数、高的承载能力和好的抗磨特性，这样使得滑块相对导轨的纵向运动变得容易。本发明包括的实施例中，有的滑块由聚合物组成而导轨由非聚合物材料组成，有的导轨由聚合物组成而滑块由非聚合物材料组成，有的导轨和滑块都由聚合物组成，有的滑块具有与非聚合物核心相连接的聚合物，以及有的导轨包括可替换的聚合物支承嵌入物。在导轨和滑块都由聚合物组成的实施例中，它们最好是由不同的聚合物材料组成。
通过提供如上简要描述的支承元件，本发明的几个实施例具有直接啮合导轨的滑块，不需要由滑块牵引的或与滑决相连接的单独支承件。
本发明另外的益处和优点通过如下最优实施例和附加的权利要求，并结合上附图，对于那些在本发明相关技术领域中的熟练人员来说，会变得很明显。
附图的简要说明

图1为体现本发明原理的直线导轨的透视图；图2为根据本发明原理的直线导轨的部件分解图；图3为大致沿图1中3-3线，说明本发明各种特征的截面图；图4-7为大致沿本发明中可供选择的实施例中的图1中3-3线的截面图；图8a-8b为本发明滑块的定位装置的替代视图。
最优实施例的详细描述现在参照附图，图1中所示的一直线导轨，一般用10来表示，体现了本发明的原理。直线导轨10主要包括由滑体(滑块14)支承的导向轨(导轨12)。依据这里详细描述的本发明的特定实施例，轨道12或者滑块14可以由铝，钢，聚合物或其他适合的材料制成。
导轨12是一纵向部件，包括一顶面16，底面18和正对的侧端面20。垂直孔22设在导轨12内，从顶面16延伸到底面18，通过例如螺钉的紧固件(图中未示出)使导轨12紧固在适合的基架或工作台上。垂直孔22的设定方式使得将紧固件的端部埋头在顶面16的下方。这样，紧固件将不会妨碍滑块14沿导轨12的运动。
导轨12的端面或端部20构造成使包体24通常向内对着导轨的另一包体，包体24以梯形凹槽的结构设定在端部20内。在以下进一步的描述中，包体24与滑体14的伸出部分一起配合使滑体14固定在导轨12上并将两者之间的相对运动限制在沿着导轨12的轴心或纵向方向。
现在参照图2和3，滑块14通常是包括一顶面26，一底面28，正对的侧面30和正对的端面32的长方体。顶面26形成一个通常为平面的表面，由直线导轨10导向的部件的至少一部分安装在该平表面上。为方便安装，在顶面26内垂直地设有安装孔34，伸进滑块14内。螺栓或其它紧固件(图中未示出)能穿过滑块14并穿过安装孔34，使一个螺母或其它啮合装置(图中未示出)将紧固件的对立端啮合住。如果需要，安装孔34可以被车出螺纹或设有螺纹插入物(铸造的或在孔内加工成的)来啮合紧固件，而无需进一步啮合螺母。切口36，在轴心方向与安装孔34排成一列，在滑块14内形成，使螺母凹进(如果使用的话)在滑块14的外形尺寸内。切口36在图中显示为从底面28向上伸展，从侧面30和端面32向内伸展，这样切口36通常被定位在滑体14的四个角。很明显，可供选择的定位和形状，或者甚至完全不需要切口36都可以根据直线导轨10和其计划应用的专门设计标准得到应用。
凹槽38纵向穿过滑块14而形成，通常在底面28的方向上开口，它的横截面形状通常与导轨12的横截面形状相一致。如图3所示，凹槽38的横截面形状在尺寸上与导轨12的横截面形状接近一致。紧靠底面28，突出部40将颈缩进口区限定在凹槽38内，这将与凹槽配合来防止滑体14相对于导轨12的垂直和侧向运动。
在以上对导轨和凹槽形状详细描述的同时，应当认识到它们的形状能够设成许多可替换的形状。因此，只要能够满足直线导轨的上述通常操作参数，所有这些形状被认定为图示形状的等同物。
如上简要描述，滑块14直接放置在导轨12上，其限定了表面作用的凹槽38作为一支承部件来发挥作用和工作。可替代地，限定了凹槽38的表面能包括一系列图中未示出的突出或凸起部分，这些凸起部分沿凹槽38部分或全部长度伸展，与导轨12啮合，并起到作为滑块14的支承面作用。
在最佳实施例中，如图8a和8b所示，滑块14应用了一自动定位装置47，包括弹簧偏置定位销48。定位销48是为滑块14相对于导轨12的自动调整而设。数个孔46穿过滑块14在侧面伸展，这样定位销48(图示实施例中为3个)与导轨12在上部竖直面49相接触。尤其是孔46沿滑块14长度等距离地设定，来使载荷平均分布和滑块14相对于导轨12自动调整。定位销48与导轨12的接触通过以下方式来可调整地设定在定位销48和定位螺钉52之间加入螺旋形弹簧或其它偏置装置/部件，定位螺钉以螺纹方式容纳在孔46中。由定位销48施加在导轨12上的压力可以通过推进或收回定位螺钉52来改变。在位置上的变化改变了定位销48施加在导轨12上的压力，允许滑块14的位置相对于导轨12自动调整。尽管可多或可少的使用定位销，在最佳实施例中是三个定位销48用来将上述滑块14和导轨12自动定位的。定位销自身由于过多接触和沿导轨12滑行，而由低摩擦系数的聚合物材料制成，例如以下描述的材料。
在另一个最佳实施例中，定位销48固定在以螺纹方式容纳在孔46中的螺纹套管内。在套管内一弹簧用来偏转定位销，这样定位销部分地从套管颈缩部突出来。套管的对立端闭合着用来固定弹簧，而且包括一传动套筒或传动头部使其在孔46内推进或收回。通过相对于孔46推进或收回套管，或者在套管内设定一程度不同的刚性弹簧，就由定位销48提供力。在定位销48直接与导轨12接触的同时，它们也可以全部与一普通夹条接触，而夹条自身再与导轨12接触。夹条由滑体14支承或者可以伸展大约滑体14的长度。这样，夹条可以容纳在滑体14中形成的一个轴向槽中，并安装成其横向运动为一限制数量，例如0.001英寸。因为与导轨12接触，夹条由低摩擦系数的聚合物制成，在本实施例中，定位销48可以由不同材料制成，例如钢。
为形成滑体14，聚合物材料可以被铸造成或被模压成理想端形状，可以被挤压成理想端形状，或者可以在开始以任何方式成型随后被机加工成理想端形状。上述孔34和46加工在滑体14内，或铸在滑体14内。孔34和46被车出螺纹，或者内螺纹逐渐变尖进入经机械加工的孔，或者被称为螺旋管的内螺纹插入物(金属制成或其它适合的材料制成)，被成型在滑块14的体内或安装在孔34内。
根据本发明，对直线导轨10的基本操作限制预计为载荷(300-750磅/滑块)；压力/速度水平(大约7500)；最高操作温度(华氏300-500度)以上；很明显，超过以上所列参数的操作参数能被应用在适合的实际应用设计考虑中。例如，直线导轨10的承重能力可以通过在最初成型时在滑块14体内加入加强构件(例如杆，筛孔，栅格或其它结构)来得到提高。
由上可见，除了满足设想的操作参数外，制成滑块14的材料需要有一低摩擦系数，良好的承重能力但不再需要湿润滑剂。因此任何能满足上述标准的适合材料都能构成本发明的最佳实施例。
在没有限制的情况下，具有代表性的材料包括热固性聚合物例如环氧树脂，烯丙基酯，氨基聚合物，酚醛，聚脂，聚酰胺和尼龙，氰基丙烯酸酯(cyanoacrylates)，聚氨基甲酸酯，硅氧烷以及它们的混合物；热塑性聚合物例如聚苯乙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terapthalate)，以及它们的混合物；具有以上两种聚合物特性的材料；塑性润滑剂例如聚四氟乙烯和填充(filled)的聚四氟乙烯。聚合物也能包括自动润滑或固体润滑部件。通常，一种能被接受的聚合物是在保持低摩擦特性的同时能承载足够载荷的任何聚合物。
一特定最佳实施例的材料，具有7500压力/速度水平(PV)和超过华氏300度的操作温度范围，在商业上可以从DSM聚合物公司，Reading,Pennsylvania处获得以TORLON为商品名的挤压聚酰胺-酰亚胺。这种材料的摩擦系数是0.20，操作温度范围超过华氏500度(使材料在升高的温度下更坚固)，热膨胀率明显地低(使部件间更紧密的配合)，同时压力/速度水平极限值(45,000)大大超过直线导轨10最为人所熟悉的应用中的预想技术条件。另一最佳材料在商业上可以从上述公司获得，它们以Nylatron为商品名。
如图3的实施例可见，导轨12由例如铝或钢适合的材料制成，表面涂有或设有一低摩擦系数的外表面。提供这种低摩擦系数表面的一种方法是通过增效涂料实现的。这种涂料因为其耐磨性，低摩擦，抗腐蚀以及不粘附的特性而很有好处。这种涂料为人熟知，它涉及将金属基底表面转换为氧化物(陶瓷)表面，将聚合物(例如氟聚合物)处理进或熔入氧化物表面，生成一具有高使用性能的新表面。
如图5所示，在一个可供选择的实施例中，导轨12是聚合物而滑块14是由例如铝或钢非聚合物材料制成。如图3的实施例，非聚合物材料设有一具有低摩擦系数的外表面(最少在与导轨接触的地方)。同样，这一表面可以通过增效涂料来提供。导轨12由上述材料制成，与图3实施例中的滑块14相连接，能够用上述任何方法制成。
现在参看图4，滑块14和导轨12都显示为由聚合物材料制成。在本实施例中，滑块14和导轨12由不同的聚合物材料制成。滑块14和导轨12之间聚合物材料的区别，在当滑块14滑过导轨12时，减小了滑块14和导轨12间的摩擦。
在图6的实施例中，导轨12将一合适的聚合物材料的对应包套60与其连接。包套60设有一与以上描述的支承面相似的支承面，至少在上述区域与滑块14啮合。已知有许多连接聚合物与铝或钢的不同方法，这种方法应用在本实施例中。
在图7的实施例中，非聚合物导轨12设有一纵向槽62，其中，可被移动的聚合体嵌入物64安装在该槽内。聚合体嵌入物64在滑块14和导轨12之间充当支承面。它包括支脚66，或者将其加工成或插上销来配合地啮合并固定在槽62内。聚合体嵌入物可通过以下方式很容易地被移走或安装沿导轨12的纵向或从具有对应形状的槽62中滑动嵌入物64，特别是支脚66。一旦嵌入物64在合适位置，即导轨口的端部，为安装和移走嵌入物64提供了通道并容纳着端盖(图中未示出)，该端盖遮盖了嵌入物64插入的槽62的端面。端盖被加工成与导轨12的外形或横截面形状一致的形状，由螺钉或其它适合的紧固件来固定。以这种方式，嵌入物64被装配并被保持在导轨12的槽62中。该嵌入物64同样由一种上述或相似的材料制成，可以以任何适合的方式来制作，包括铸造，机加工，挤压或其它方法。相应地，与槽62配合着的支脚66防止了嵌入物64的侧向移动，这样使得对嵌入物64的刚性安装是可能的。
当上述描述构成本发明的最佳实施例时，应当认识到在不偏离本发明的合适范围和合理意义的情况下，本发明是很容易被改型，改变和变化的。
权利要求
1．一种直线导轨装置，包括一具有顶部、底部、相对侧边和相地端的滑块，上述滑块的部分限定了一个在上述端面间纵向伸展通过滑块长度的凹槽，该滑块具有一个在上述凹槽中包括有支承面的单个结构；一具有相对端和与上述凹槽横截面形状一致的横截面形状的导轨，上述导轨具有一个包括有支承面的单个结构，上述导轨以上述导轨支承面与上述滑块支承面面对面接触的方式容纳在上述凹槽中；上述滑块和导轨至少一个主要由聚合物材料制成，上述聚合物材料限定了与上述另一滑块和上述导轨接触的上述支承面；上述滑块和导轨每个均具有与另外一个部分相配合的部分来将上述滑块保持在上述导轨上，允许滑块相对于导轨纵向地运动。
2．按照权利要求1所述的直线导轨装置，其特征在于上述滑块和导轨至少一个是大致整体地由上述聚合物材料制成。
3．按照权利要求1所述的直线导轨装置，其特征在于上述导轨由上述聚合物材料制成。
4．按照权利要求1所述的直线导轨装置，其特征在于上述滑块由上述聚合物材料制成。
5．按照权利要求3所述的直线导轨装置，其特征在于上述滑块包含非聚合物材料，该非聚合物材料至少在形成上述支承面的区域上涂有增效涂料。
6．按照权利要求4所述的直线导轨装置，其特征在于上述导轨包含非聚合物材料，该非聚合物材料至少在形成上述支承面的区域上涂有增效涂料。
7．按照权利要求1所述的直线导轨装置，其特征在于上述聚合物材料由包含以下物质的组群中选出环氧树脂，烯丙基酯，氨基聚合物，酚醛，聚脂，聚酰胺，聚酰胺-酰亚胺(polyamide-imides)，尼龙，氰基丙烯酸酯(cyanoacrylates)，聚氨基甲酸酯，硅氧烷以及它们的混合物；聚苯乙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二酯(polyetheleneterapthalate)，以及它们的混合物；聚四氟乙烯和填充(filled)聚四氟乙烯。
8．按照权利要求1所述的直线导轨装置，其特征在于进一步包括一安装在上述滑体的自动定位装置，该装置包括一定位销，该定位销被偏置而与上述导轨接触。
9．按照权利要求8所述的直线导轨装置，其特征在于上述滑块包括数个沿滑块轴向和等距离地分布的自动定位装置。
10．按照权利要求1所述的直线导轨装置，其特征在于上述聚合物材料是第一聚合物材料，上述滑块和导轨的另一个由第二聚合物材料制成，第二聚合物材料不同于上述第一聚合物材料。
11．一种直线导轨装置，包括一具有顶部、底部、相对侧边和相对端的滑块，上述滑块的部分限定了一个在上述端面间纵向伸展通过滑块长度的凹槽，上述滑块具有一个在上述凹槽中包括有支承面的单个结构；一具有相对端和与上述凹槽横截面形状一致的横截面形状的导轨，以使该导轨可以容纳在上述凹槽中；上述滑块部分限定了大致沿导轨长度伸展的纵向槽；聚合物嵌入物可移动地定位在上述纵向槽内并形成支承面，该嵌入物轴向和横向地与上述导轨相夹持，保持在上述槽内。
12．按照权利要求11所述的直线导轨装置，其特征在于上述嵌入物沿轴向容纳在上述槽内。
13．按照权利要求11所述的直线导轨装置，其特征在于进一步包括安装在上述导轨端面的端盖，该端盖协助将上述嵌入物保持在上述导轨中。
14．按照权利要求13所述的直线导轨装置，其特征在于上述嵌入物包括与限定上述槽的部分相啮合和配合的部分，防止上述嵌入物侧向移出上述导轨。
15．按照权利要求14所述的直线导轨装置，其特征在于上述嵌入物包括从以下材料的组群中选出的一种环氧树脂，烯丙基酯，氨基聚合物，酚醛，聚脂，聚酰胺，聚酰胺-酰亚胺(polyamide-imides)，尼龙，氰基丙烯酸酯(cyanoacrylates)，聚氨基甲酸酯，硅氧烷以及它们的混合物；聚苯乙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二酯(polyetheleneterapthalate)，以及它们的混合物；聚四氟乙烯和填充(filled)聚四氟乙烯。
16．一种直线导轨装置，包括一具有顶部、底部、相对侧边和相对端的滑块，上述滑块的部分限定了一个在上述端面间纵向伸展通过滑块长度的凹槽，上述滑块具有一个在上述凹槽中包括支承面的单个结构；一具有一顶部、相对面和相对端以及与上述凹槽横截面形状一致的横截面形状的导轨，该导轨容纳在上述凹槽中，具有一个单个结构和形成支承面的部分，该支承面以面对面的方式与上述滑块的支承面接触；数个安装在滑块上的自动定位装置，每一个均包括一聚合物定位销和一个偏置部件，上述偏置部件偏置上述定位销与上述导轨接触，上述定位装置安装在滑块上，这样上述装置中至少一个被定位在上述滑块轴向半部上，至少有两个被定位在滑块纵向半部上。
17．按照权利要求16所述的直线导轨装置，其特征在于上述装置安装在在滑体内形成的孔内，上述孔相对于上述凹槽横向地定向，这样上述定位销就与上述导轨的侧面相接触。
18．按照权利要求16所述的直线导轨装置，其特征在于上述定位销由聚合物材料制成。
19．按照权利要求16所示的直线导轨装置，其特征在于上述定位销在紧靠上述导轨最里部分与上述导轨啮合。
20．按照权利要求16所述的直线导轨装置，其特征在于上述装置中的其中一个定位在紧靠上述滑块的每一端面。
全文摘要
一个直线导轨装置(10),包括一个由导轨(12)支承的可移动的滑块(14)。
文档编号F16C29/02GK1298476SQ99805557
公开日2001年6月6日 申请日期1999年3月18日 优先权日1998年3月18日
发明者戴蒙·L·马克, 克里斯·G·塞茨, 戴维·L·博克海德 申请人:机械系统有限公司