◆ 前言
線性滑軌開始商品化已經20餘年，由於不斷的改善與創新，而今已發展了許多不同種類的線性滑軌。從內部滾動的元件而言，可以分為滾柱式、滾珠式兩大領域，就如同軸承一樣也有滾珠軸承、滾柱軸承。本文將先就滾珠式線性滑軌作一個簡單的介紹與分析 – 滾珠式線性滑軌是以鋼珠作為滑軌與滑塊之間的傳動介面，進行無行程限制的滾動循環之運動，同時藉著鋼珠在滑塊、滑軌間的適當尺寸搭配而將滑塊拘束在滑軌上，使得負載平台能夠沿著滑軌以高速度、高精度作直線運動。
◆ 基本結構
一般而言，滾珠式線性滑軌除了上述的滑塊、滑軌以及鋼珠三大主體之外，有下列幾個重要的組件，其名稱及功能分述如下（參圖一）：
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| 圖1 線型永磁直流無刷馬達之原理 |
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● 端蓋（END CAP）–
通常藉由兩片組合件來組成一個鋼珠迴流道（簡單來說就是讓鋼珠轉彎的管路），一組線性滑軌，有兩個端蓋組件分別搭接在滑塊兩端而成為一道封閉的鋼珠循環管路。
● 鋼珠保持器（RETAINER）–在滑塊未套上滑軌前，用來支撐著鋼珠不至於掉離滑塊。
● 刮油片（END SEAL）– 在滑塊兩側最外端達到密封的功能，防止粉塵及切屑侵入鋼珠的循環路徑。
● 底部防塵片（BOTTOM SEAL or SIDE SEAL）–在滑塊底部達到密封的功能，防止粉塵及切屑侵入鋼珠的循環路徑。
從全球市場上的線性滑軌產品來看，現今滾珠式線性滑軌已發展成為幾種不同構型，而各自表現的特性以及功能性皆有差異，彼此間差異最大有下列四種型式：
| 滑 軌 簡 圖 |
特性、功能性 |
代表性製造廠 |
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‧二列式鋼珠。
‧歌德式四點45°- 45°接觸。
‧鋼珠與牙型接觸點能保持不變，剛性穩定性高。
‧二列設計便能四方向等負荷。 |
HIWIN（台灣）
IKO（日本）
INA（德國） |
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‧四列式鋼珠。
‧圓弧式兩點45° - 45°接觸（DB組合結構）。
‧四列的排列結構，具四方向等負荷、高剛性。
‧自動調心能力，可吸收安裝誤差。
‧低摩擦阻力，運行順暢度佳。 |
HIWIN（台灣）
THK（日本）
NB（日本）
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‧四列式鋼珠
‧圓弧式兩點45° - 45°接觸（DF組合結構）
‧四列的排列結構，具四方向等負荷、高剛性。
‧低摩擦阻力，運行順暢度佳。 |
STAR（德國）
SCHNEEBERGER（瑞士）
INA（德國）
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‧四列式鋼珠
‧歌德式兩點（四點）45° - 45°接觸；輕預壓 - 兩
點接觸，重預壓 - 四點接觸。
‧相較於傳統DB型式的結構，抵抗力矩的剛性更佳。 |
NSK（日本） |
以上可說是普遍且差異較大的幾種不同結構；各家製造廠從中仍有發展不同的產品，而所強調的特性、功能皆不一樣，也比較細微化，所以隨著這些不一樣構型所適用的設備也都不盡相同。但是總體來說，在機械加工中心、重切削的機器設備通常有重負荷的外力、振動以及衝擊力，便適用剛性好、耐衝擊、四方向等負荷型的線性滑軌，除此之外隨著這些機器設備所需要的加工精度，對線軌的精度要求也較高。而隨著近幾年半導體設備的需求量大增，這些設備所適用線性滑軌也已經成為不可缺少的市場需求，此類線性滑軌通常需要高順暢性、高速度、體積小以及良好的行走精度。有時候為因應設備所處的環境要求，線性滑軌也必須提供抗腐蝕的材質，如不鏽鋼；或者是將線性滑軌經過適當的表面處理，例如無電解鎳或冷電鍍處理(RAYDENT)。
◆ 線性滑軌的設計構型考量
就如前文整理的種類中可以看出，對於線性滑軌來說，決定開發的構型便可以決定這項產品的特性表現。一般來說，決定了構型之後，與線軌整體負荷表現、剛性表現最有關係的，便是鋼珠大小的選定、以及跟鋼珠接觸圓弧的大小；通常各家製造廠對於線性滑軌的鋼珠尺寸的選用都大同小異，也就是說同樣的規格大小，各家所使用的鋼珠幾乎差異不大；但是為了訴求剛性的不同表現，便會在接觸圓弧的尺寸設計不同的半徑，在設計者的角度上習慣以牙型係數（f）來描述鋼珠與接觸圓弧的關係：
鋼珠與圓弧在接觸的剛性表現為一非線性的曲線，圖二為就設定一正向力施加在鋼珠上，以CAE軟體分析牙型係數與剛性表現的關係圖。
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| 圖二 |
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◆ 選用線性滑軌時常見的問題
線性滑軌製造廠通常都會在型錄上建議線軌選用方法，以供機台設計者來選用適當規格的線軌，以下流程為摘自HIWIN HG線性滑軌技術手冊之選用準則。
但對於機台設計者來說，最常利用的卻是經驗法則，使用過規格的再繼續沿用，這樣一來往往忽略了其他不同的環境因素也是會影響到線性滑軌規格的適用性，有可能選用過度的規格、也有可能選用不足。列舉幾項常見的問題如下：
● 選用過大規格–工程師往往顧慮到線性滑軌的壽命要是不幸比機器設備壽命還要低，這樣一來更換線軌的工作將非常麻煩；因此為要保證線性滑軌絕不會是機器設備裡最先損壞的零件，在空間允許的前提之下，工程師寧願提高線軌規格來選用，而無形中成為多餘的成本（總體來說約增加50％左右）。
● 選用過高精度–這個問題在一般工具機設計上較不會發生，因為他們選用的線軌會考慮機台的精度，而在其他的設備機台設計者，有些會選用2～3倍的設備需用精度，認為這樣可以省去安裝校正的時間與成本。
根據以上的情況，即使將選用的線軌規格加大、精度提高，卻施加粗略的安裝方式與介面，導致鋼珠不正常變形或是偏離珠道，反而使得線軌會因為鋼珠的不正常運動而壽命大幅降低。因此，選用適當的規格以節省成本，並且配合正確的安裝方式，讓線軌可以正常的達到額定壽命才是最經濟的選用方式。 |
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| 此流程-摘自HIWIN HG線性滑軌技術手冊之選用準則 |
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◆線性滑軌發展的趨勢
近年來線性滑軌的應用趨向多元化，所以新性能的線性滑軌為勢在必行的發展。概括而言，主要發展分為兩個方面，一為高速低噪音的形式、另一為微小化的形式。高速低噪音型式的線軌，主要發展背景為電子產業的蓬勃發展，線性滑軌應用於電子產業需求量越來越大，但電子產業的使用乃要求高速、低噪音。然而一般傳統的線性滑軌經測試發現，所能適用的最大工作速度約為每分鐘150米，且使用壽命會明顯的下降，其原因為鋼珠之間摩擦與碰撞產生了熱、噪音，且增加鋼珠滑動的機率，最後導致潤滑油膜消失，鋼珠疲勞破壞。為了改善線性滑軌之性能，HIWIN特別開發加裝球保持器的線性滑軌，具有低噪音、高速度及壽命長的三大優點，如圖三所示。 |
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| 圖三 : HIWIN加裝球保持器的線性滑軌 |
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| 至於微小化的線軌，乃由於微機電產業的興起，一些世界級的工具機廠商積極的開發微型加工機，然而現有的線性滑軌要能夠應用於其上，必須有效降低啟動摩擦力，減少運轉時之震動與阻力變化幅度，才能在不影響微型加工機的剛性下提高加工精度。同樣的情形也發生在醫療產業，然而為了使線性滑軌達到上述的性能，就必須縮小線性滑軌內滾動體的尺寸，有效減少滾動體轉動慣量降低滾動所需的能量，因此比現有規格更小且具高運行平順度的微型線性滑軌也是未來的趨勢之一。為因應此發展趨勢，線性傳動元件製造廠HIWIN也在積極開發具球保持器與微小型的線性滑軌，以期能藉由提高線性滑軌之性能與適用性，開發新領域市場(如圖四所示)。 |
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| 圖四 : HIWIN微小型線性滑軌 |
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