廖雯俊，楊家軍，涂 鼎，曹鵬杰，趙美玲

（1華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2廣東高新凱特精密機(jī)械有限公司，廣東 江門529100）

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副因其動(dòng)靜摩擦系數(shù)小、定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人及各種精密裝置中，形成了一個(gè)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)［1］。近年來(lái)對(duì)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的研究也越來(lái)越多，出現(xiàn)了很多測(cè)試導(dǎo)軌副性能的試驗(yàn)臺(tái)。大多數(shù)試驗(yàn)臺(tái)只能研究導(dǎo)軌副的單個(gè)性能，綜合性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)比較少，特別是對(duì)加載系統(tǒng)進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，往往只考慮了加載力和成本等少數(shù)因素。對(duì)于綜合性能的測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)既要完成導(dǎo)軌副的疲勞壽命，又要檢測(cè)振動(dòng)、噪聲、動(dòng)摩擦力等測(cè)試項(xiàng)目［2］，故加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文對(duì)現(xiàn)有的幾種加載方式進(jìn)行對(duì)比分析，選出最適合的方案，再通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌試驗(yàn)臺(tái)加載提供了一種有效的方法。

1 綜合試驗(yàn)臺(tái)加載方案的優(yōu)選

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的加載方案一般有4種（圖1）。

方案1采用加載器背對(duì)背安裝，通過(guò)杠桿原理對(duì)測(cè)試導(dǎo)軌進(jìn)行加載，可以使得輔助導(dǎo)軌不受加載力的作用反力，但中間環(huán)節(jié)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案2的加載器對(duì)稱安裝，加載器直接對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行法向加載；方案3采用雙作用式加載器，同時(shí)對(duì)兩側(cè)測(cè)試導(dǎo)軌進(jìn)行法向加載；方案4直接將加載器放置在測(cè)試導(dǎo)軌上方進(jìn)行加載［3］。4種方案的比較見(jiàn)表1。

圖1 加載方案示意圖

前三個(gè)方案的重點(diǎn)在于減小輔助導(dǎo)軌受力，故都采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)抵消相互作用力，這樣載荷量可以盡可能地大，且不會(huì)影響導(dǎo)軌的往復(fù)運(yùn)行。方案4則考慮到精度檢測(cè)要求及底座加工問(wèn)題，采取減小載荷量和加快運(yùn)行速度來(lái)達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求（如疲勞壽命試驗(yàn)，精度檢測(cè)、噪聲、振動(dòng)、動(dòng)摩擦等），綜合分析比較，確定加載方式為方案4，下面對(duì)方案4進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期得到最優(yōu)解。

2 加載器設(shè)計(jì)

綜合試驗(yàn)臺(tái)用來(lái)測(cè)試直線導(dǎo)軌副的綜合性能，其綜合性能包括導(dǎo)軌副的疲勞壽命、直線精度、振動(dòng)與噪聲、動(dòng)摩擦力等，驅(qū)動(dòng)裝置采用新型直線電機(jī)加載裝置，要求加載力大且加載力維持時(shí)間長(zhǎng)、體積小、重量輕，能完成直線導(dǎo)軌副的垂直加載，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的空載起動(dòng)，并可動(dòng)態(tài)加載。綜合考慮以上因素，故采用電液式加載系統(tǒng)，將液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在活塞桿上加上測(cè)力傳感器，直接測(cè)出加載力，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)加載力的控制。

表1 加載方案比較分析結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)要求加載力為0～50kN，根據(jù)液壓缸直徑計(jì)算公式，設(shè)置液壓缸油壓為中級(jí)，取P＝8 MPa，計(jì)算得到液壓缸內(nèi)徑為88.89mm，故選取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的內(nèi)徑為90mm。其他液壓系統(tǒng)零件按照給定壓力進(jìn)行計(jì)算選取。

3 加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

選擇可以滿足試驗(yàn)臺(tái)加載需求的液壓元件后，分析加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)為龍門架和輔助導(dǎo)軌，以龍門架和輔助導(dǎo)軌受力為優(yōu)化對(duì)象，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析優(yōu)化。

3.1 輔助導(dǎo)軌的優(yōu)選和滑塊布置

輔助導(dǎo)軌選用承載能力較大的LGR型滾柱導(dǎo)軌，采用每根導(dǎo)軌三個(gè)滑塊間隔布置，這樣每個(gè)滑塊處受力為測(cè)試導(dǎo)軌副受力的1／6，保證在壽命測(cè)試過(guò)程中輔助導(dǎo)軌不會(huì)失效。

3.2 龍門架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)用到的龍門架跨度方向長(zhǎng)760mm，沿導(dǎo)軌方向?qū)?00mm，總高300mm。頂面用來(lái)安裝液壓缸，龍門架底部安裝板設(shè)有螺紋安裝孔，用來(lái)與輔助導(dǎo)軌的滑塊連接，其三維模型見(jiàn)圖2。

圖2 龍門架三維模型

對(duì)龍門架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉工藝孔和半徑小于10mm的倒圓角，去掉對(duì)龍門架受力影響不大的螺紋孔和凸臺(tái)，采用ANSYS的smart mesh網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。龍門架采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，設(shè)置密度7 850kg／m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.269。在頂板安裝液壓缸的螺紋處加載50kN的力，對(duì)底部螺紋處設(shè)置約束以模擬龍門架的受力情況。對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，得到其應(yīng)力和變形如圖3所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖3可以看出，龍門架應(yīng)力集中于液壓缸安裝螺紋孔處，最大變形量達(dá)到0.045mm，現(xiàn)以龍門架強(qiáng)度和剛度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1 優(yōu)化筋板高度和壁厚 按上面所述的設(shè)置，改變筋板的高度來(lái)進(jìn)行有限元分析（原筋板高度為130mm），結(jié)果分析見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化筋板高度結(jié)果分析

表3 優(yōu)化筋板壁厚結(jié)果分析

從表2中可以看出，增加筋板高度可以提高龍門架的剛度，但同時(shí)也會(huì)增加其質(zhì)量，提高制造成本。當(dāng)筋板高度小于132mm時(shí)，增加筋板高度對(duì)龍門架剛度和強(qiáng)度的提升較為明顯（筋板厚度從130mm增加到132mm，龍門架質(zhì)量提高0.5%，應(yīng)力減小1.6% ，變形量減小2.7% ）；當(dāng)筋板高度達(dá)到132mm時(shí)，再增加筋板高度，龍門架的強(qiáng)度反而降低，剛度提升也不明顯（筋板高度從132mm增加到134mm，龍門架質(zhì)量提高0.5%，變形量減小1.4% ）。因此筋板高度132mm最為合適。

接下來(lái)在筋板高度為132mm的條件下優(yōu)化筋板壁厚，不同壁厚的結(jié)果分析見(jiàn)表3（原型壁厚為20 mm）。

筋板厚度和筋板高度對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響相似，增加筋板厚度可以提高結(jié)構(gòu)剛度，但是質(zhì)量增加，且強(qiáng)度提高也不明顯（筋板厚度從22mm增加到24mm時(shí)，龍門架強(qiáng)度反而減小，可能是由于增加筋板厚度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉，產(chǎn)生應(yīng)力集中 ）。故筋板壁厚22mm為最佳。

3.1.2 優(yōu)化側(cè)支撐板厚度 支撐板對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度起著重要的作用，故選擇增加支撐板厚度來(lái)減小最大變形量（原型厚度為25mm），支撐板增加5mm，得到結(jié)果分析見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，支撐板增加到30mm，應(yīng)力基本不變，雖說(shuō)質(zhì)量有所提高，但剛度得到很大提升，變形量減小7.5%，故支撐板厚度選擇30mm較合適。

3.1.3 優(yōu)化龍門架底板厚度 底板處應(yīng)力集中較小，故可以將底板厚度降低5mm（原底板厚度為25 mm），結(jié)果分析見(jiàn)表5。底板厚度減小，龍門架質(zhì)量降低4.4%，變形量和強(qiáng)度基本不變，故選擇厚度為20mm。

表5 優(yōu)化底板厚度結(jié)果分析

3.1.4 優(yōu)化頂板厚度 增加頂板厚度5mm（原頂板厚度為25mm），按上面所述的設(shè)置來(lái)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果分析見(jiàn)表6。增加頂板厚度，質(zhì)量有所增加，但龍門架的強(qiáng)度和剛度都有所改善，應(yīng)力減小15.8%，變形減小3.0%，故優(yōu)化頂板厚度為30 mm。

表6 優(yōu)化頂板厚度

3.1.5 綜合優(yōu)化 綜合四種優(yōu)化方案得到的分析結(jié)果見(jiàn)表7。從表中可以看出，最終優(yōu)化的模型在質(zhì)量基本保持不變的情況下，相比于原模型，其剛度得到了提升，最大變形量減小16.8%；強(qiáng)度也得到改善，最大應(yīng)力減小16.1%。總的來(lái)說(shuō)，龍門架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到了改善。

表7 綜合優(yōu)化龍門架結(jié)果

通過(guò)以上對(duì)輔助導(dǎo)軌進(jìn)行優(yōu)選，滑塊布置優(yōu)化，對(duì)龍門架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此加載系統(tǒng)能夠加載的最大載荷達(dá)到50kN，加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大變形量為0.037 131mm，滿足試驗(yàn)臺(tái)對(duì)加載系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的加載系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)綜合測(cè)試各個(gè)項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求與加載裝置需要滿足的條件，根據(jù)這些條件對(duì)四種加載方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇方案4液壓缸垂直加載；隨后對(duì)方案4的薄弱環(huán)節(jié)輔助導(dǎo)軌和龍門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，兩條輔助導(dǎo)軌每邊3個(gè)滑塊間隔布置產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小；通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)龍門架進(jìn)行了靜力分析，對(duì)龍門架筋板高度和壁厚、頂板厚度及支撐板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，使得其應(yīng)力應(yīng)變減小。

［1］ 李 薇.一種滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度自動(dòng)化檢測(cè)方法［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010（03）：34－37.

［2］ 曹鵬杰，伍金順.直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線導(dǎo)軌副綜合測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.金屬加工（冷加工），2013（01）：49－51.

［3］ 方 健.滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副性能分析及靜剛度試驗(yàn)機(jī)研制［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.