廖雯俊，楊家軍，涂 鼎，曹鵬杰，趙美玲

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

滾動直線導(dǎo)軌副因其動靜摩擦系數(shù)小、定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用到高檔數(shù)控機床、機器人及各種精密裝置中，形成了一個新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)［1］。近年來對于滾動直線導(dǎo)軌副的研究也越來越多，出現(xiàn)了很多測試導(dǎo)軌副性能的試驗臺。大多數(shù)試驗臺只能研究導(dǎo)軌副的單個性能，綜合性能測試試驗臺比較少，特別是對加載系統(tǒng)進行選擇和設(shè)計時，往往只考慮了加載力和成本等少數(shù)因素。對于綜合性能的測試，試驗臺既要完成導(dǎo)軌副的疲勞壽命，又要檢測振動、噪聲、動摩擦力等測試項目［2］，故加載系統(tǒng)的設(shè)計顯得尤為重要。本文對現(xiàn)有的幾種加載方式進行對比分析，選出最適合的方案，再通過優(yōu)化設(shè)計找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為滾動直線導(dǎo)軌試驗臺加載提供了一種有效的方法。

1 綜合試驗臺加載方案的優(yōu)選

滾動直線導(dǎo)軌副性能測試試驗臺的加載方案一般有4種（圖1）。

方案1采用加載器背對背安裝，通過杠桿原理對測試導(dǎo)軌進行加載，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的加載器對稱安裝，加載器直接對導(dǎo)軌進行法向加載；方案3采用雙作用式加載器，同時對兩側(cè)測試導(dǎo)軌進行法向加載；方案4直接將加載器放置在測試導(dǎo)軌上方進行加載［3］。4種方案的比較見表1。

圖1 加載方案示意圖

前三個方案的重點在于減小輔助導(dǎo)軌受力，故都采用了對稱結(jié)構(gòu)來抵消相互作用力，這樣載荷量可以盡可能地大，且不會影響導(dǎo)軌的往復(fù)運行。方案4則考慮到精度檢測要求及底座加工問題，采取減小載荷量和加快運行速度來達到試驗臺各項性能指標的要求（如疲勞壽命試驗，精度檢測、噪聲、振動、動摩擦等），綜合分析比較，確定加載方式為方案4，下面對方案4進行具體設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期得到最優(yōu)解。

2 加載器設(shè)計

綜合試驗臺用來測試直線導(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、振動與噪聲、動摩擦力等，驅(qū)動裝置采用新型直線電機加載裝置，要求加載力大且加載力維持時間長、體積小、重量輕，能完成直線導(dǎo)軌副的垂直加載，可以實現(xiàn)電機的空載起動，并可動態(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)行機構(gòu)，在活塞桿上加上測力傳感器，直接測出加載力，通過計算機控制比例閥來實現(xiàn)加載力的控制。

表1 加載方案比較分析結(jié)果

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

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

選擇可以滿足試驗臺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)化對象，采用ANSYS有限元分析軟件對其進行分析優(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)軌三個滑塊間隔布置，這樣每個滑塊處受力為測試導(dǎo)軌副受力的1／6，保證在壽命測試過程中輔助導(dǎo)軌不會失效。

3.2 龍門架的優(yōu)化設(shè)計

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

圖2 龍門架三維模型

對龍門架模型進行簡化，去掉工藝孔和半徑小于10mm的倒圓角，去掉對龍門架受力影響不大的螺紋孔和凸臺，采用ANSYS的smart mesh網(wǎng)格劃分方式對模型進行網(wǎng)格劃分。龍門架采用45號鋼，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，對底部螺紋處設(shè)置約束以模擬龍門架的受力情況。對模型進行仿真分析，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，最大變形量達到0.045mm，現(xiàn)以龍門架強度和剛度為優(yōu)化目標進行優(yōu)化。

3.1.1 優(yōu)化筋板高度和壁厚 按上面所述的設(shè)置，改變筋板的高度來進行有限元分析（原筋板高度為130mm），結(jié)果分析見表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，但同時也會增加其質(zhì)量，提高制造成本。當筋板高度小于132mm時，增加筋板高度對龍門架剛度和強度的提升較為明顯（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% ）；當筋板高度達到132mm時，再增加筋板高度，龍門架的強度反而降低，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)果分析見表3（原型壁厚為20 mm）。

筋板厚度和筋板高度對結(jié)構(gòu)力學性能的影響相似，增加筋板厚度可以提高結(jié)構(gòu)剛度，但是質(zhì)量增加，且強度提高也不明顯（筋板厚度從22mm增加到24mm時，龍門架強度反而減小，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)果分析見表5。底板厚度減小，龍門架質(zhì)量降低4.4%，變形量和強度基本不變，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)置來進行有限元分析，結(jié)果分析見表6。增加頂板厚度，質(zhì)量有所增加，但龍門架的強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%；強度也得到改善，最大應(yīng)力減小16.1%?？偟膩碚f，龍門架結(jié)構(gòu)的力學性能得到了改善。

表7 綜合優(yōu)化龍門架結(jié)果

通過以上對輔助導(dǎo)軌進行優(yōu)選，滑塊布置優(yōu)化，對龍門架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，此加載系統(tǒng)能夠加載的最大載荷達到50kN，加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大變形量為0.037 131mm，滿足試驗臺對加載系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

對滾動直線導(dǎo)軌副綜合測試試驗臺的加載系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，針對綜合測試各個項目對試驗臺的要求與加載裝置需要滿足的條件，根據(jù)這些條件對四種加載方案進行對比分析，選擇方案4液壓缸垂直加載；隨后對方案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，得出在一定長度范圍內(nèi)，兩條輔助導(dǎo)軌每邊3個滑塊間隔布置產(chǎn)生的應(yīng)力集中最??；通過ANSYS有限元分析軟件對龍門架進行了靜力分析，對龍門架筋板高度和壁厚、頂板厚度及支撐板厚度進行了優(yōu)化，使得其應(yīng)力應(yīng)變減小。

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

［2］ 曹鵬杰，伍金順.直線電動機驅(qū)動的直線導(dǎo)軌副綜合測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.金屬加工（冷加工），2013（01）：49－51.

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