第１期 ２０１４年１月 组合机床与自动化加工技术 Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１４ 文章编号：１００１—２２６５（２０１４）０１—０１４２—０４ ＤＯＩ：１０．１３４６２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｍｔａｍｔ．２０１４．０１．０４０ 滚动直线导轨寿命试验台床身结构优化设计术 徐弘博，冯虎田，欧屹 （南京理工大学机械工程学院，南京２１００９４） 摘要：为了提高滚动直线导轨寿命试验台床身的动态性能，首先设计了三种不同筋板布局方式的试 验台床身，用ＡＮＳＹＳ软件对它们进行模态分析，根据分析结果优选出最佳的床身设计方案。然后以 床身刚度和固有频率为优化目标，提出了三种优化方案，通过各个方案的分析比较确定出床身最优 结构。优化后的床身与原型相比，质量基本不变，刚度和固有频率均有所提高，实现了床身的动态优 化。为同类试验台床身的设计和优化提供了依据。 关键词：滚动直线导轨寿命试验台；床身；模态分析；优化设计 中图分类号：ＴＨ１３２ 文献标识码：Ａ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｒｏｌｌｅｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｇｌｌｉｄｅ Ｌｉｆｅ Ｔｅｓｔ Ｒｉｇ ＸＵ Ｈｏｎｇ－ｂｏ，ＦＥＮＧ Ｈｕ—ｔｉａｎ，ＯＵ Ｙｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｌｌｅｒ ｌｉｎｅａｒ ｇｕｉｄｅ ｌｉｆｅ ｔｅｓｔ ｒｉｇ ｂｅｄ，ｔｈｒｅｅ ｒｉｇ ｂｅｄｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｉｂ ｐｌａｔｅ ｌａｙｏｕｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｅｄｓ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ＡＮ— ＳＹＳ．Ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｂｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｎ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｔａｒｇｅｔｓ，ｔｈｒｅｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｌａｎｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｏｐｔｉｍａｌ ｂｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｓａｍｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｂｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉ— ｍｉｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｒｉｇ ｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｅｒ ｌｉｎｅａｒ ｇｕｉｄｅ ｌｉｆｅ ｔｅｓｔ ｒｉｇ；ｂｅｄ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ０ 引言 随着现代制造技术的不断发展，滚动直线导轨副 构的设计尺寸和布局形式决定了动、静刚度和结构模 态等特征 ，进而直接影响试验台的试验精度及精 度的稳定性。通过有限元法对床身的刚度和模态特性 进行分析，可以得到较为优秀的结构设计方案 “ ，为 滚动直线导轨寿命试验台实体床身的设计提供指导。 以其独有的特性，逐渐取代了传统的滑动直线导轨，在 工业生产中得到了广泛的应用。疲劳寿命是滚动直线 导轨副的重要性能指标，对滚动直线导轨副进行疲劳 寿命试验，得出额定动载荷和寿命指标参数，可以考察 滚动直线导轨副的寿命理论分析的正确程度，并为实 际产品提供性能依据和选用参考。针对目前国内没有 满足要求的试验设备的现状，非常有必要开发研制一 种滚动直线导轨疲劳寿命试验台，进行寿命试验，确定 结构参数，制造工艺与质量对寿命的影响，研究提高寿 命的途径，为国内高质量滚动直线导轨的研发提供参 考。 滚动直线导轨寿命试验台作为精密部件的试验设 备，对精度要求很高。床身是试验台的基础结构件，起 １试验台床身设计方案的优选 本文研究分析的滚动直线导轨寿命试验台床身为 铸造件，长度为４４００ｒａｍ，最大宽度为１７７０ｍｍ，高度为 ６８８ｍｍ。床身上表面设有两个相互平行的导轨安装 面，用于安装支撑导轨；床身下方设有１１个地脚螺栓 安装孔，起到支撑固定整个试验台的功能。床身三维 模型如图１所示。由于床身的静态、动态特性与其结 构尺寸、形状和筋板布局有着密切关系 ｊ，对于本床 身，在不改变外形尺寸的前提下，设计了不同筋板布置 着支撑试验台面、龙门等关键零部件的作用。床身结 收稿日期：２０１３—０４—２８ 方式的床身结构，并对其固有频率进行分析计算，根据 计算结果进行比较，优选出最为合理的筋板布局方案。 基金项目：国家科技重大专项（２０１２ＺＸ０４００２０２１） 作者简介：徐弘博（１９８９一），男，南京人，南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为滚动功能部件试验技术、精密机电测控技术，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｘｈｂｊｓ． ｄ￣００７＠１６３．ｃｏｍ；通讯作者：冯虎田（１９６５一），男，辽宁义县人，南京理工大学教授，博士，主要研究方向为机器人技术、精密机电测控 技术，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｆｅｎｇｈｔ＠ｍａｉｌ．ｎｊｕｓｔ．ｅｄｕ．ｅｎ。 ・１４４・ 组合机床与自动化Ｊｊａ－ｒ技术 第１期 由图４可以看出：床身振型多为床身上部的摆动 和扭摆，说明位于床身上表面的导轨安装面刚度不足， 是设计的薄弱环节，这将直接影响支撑导轨的安装稳 定性和导向精度，同时影响安装在支撑导轨上的试验 台面的进给精度和运行时的平稳度，对滚动直线导轨 寿命试验的可靠性和试验效率产生影响。因此有必要 对床身进行结构优化，提高床身的刚度和固有频率，可 以考虑通过改变床身的筋板厚度和壁厚等手段来改善 和优化 。 ２．２床身结构的优化方案 为了提高滚动直线导轨寿命试验台床身刚度与固 有频率，同时尽量减小床身重量，可以通过改变床身的 局部结构，使床身弯曲，低阶振型频率尽可能提高，质 量尽可能降低 。在优化时提出以下三种优化方案 并依次进行优化。 方案一：优化筋板厚度与壁厚。 按照之前的材料属性设置、网格划分和边界条件 设置，对不同筋板厚度和壁厚的床身设计方案进行模 态分析计算，通过对比分析即可得到最优的床身筋板 厚度与壁厚。 首先对床身筋板厚度进行优化，不同筋板厚度的 床身模态分析结果如表１所示（原型筋板厚度为 ２０ｍｍ） 表１ 优化床身筋板厚度分析结果 筋板厚度 质量／固有频率／Ｈｚ 最大变形量 ｔ ／ｍｍ １阶 ２阶 ３阶 １６ ５．７１ ３０８．７９ ３２６．９６ ３７６．０２ ０．０２４０９３ ｌ８ ５．８３ ３ｌ１．８３ ３３０．５９ ３７５．７９ ０．０２３７５５ ２０ ５．９５ ３２４．６５ ３４８．７８ ３７９．６０ ０．０２２６５５ ２２ ６．０７ ３２４．６６ ３４８．８１ ３７８．８１ ０．０２２１４９ ２４ ６．１８ ３２５．５６ ３５０．４７ ３７６．７７ ０．０２２０８６ 表２优化床身壁厚分析结果 固有频＇￣－／ｌ－Ｉｚ 最大变形量 壁厚／ｍｍ 质量／ｔ １阶 ２阶 ３阶 ２６ ５．８０ ３１８．３６ ３４１．５２ ３７３．１９ ０．０２２７９５ ２８ ５．８６ ３２２．６６ ３４６．５３ ３７９．６２ ０．０２２５４５ ３０ ５．９５ ３２４．６５ ３４８．７８ ３７９．６０ ０．０２２６５５ ３２ ６．０３ ３２６．４２ ３４９．１ｌ ３８３．８６ ０．０２２９０３ ３４ ６．１３ ３２８．８６ ３５１．４６ ３８７．０６ ０．０２２６１３ 由表１结果可以看出：增加筋板可以提高床身的 固有频率，但同时也会增加床身质量，提高制造成本。 当筋板厚度小于２０ｍｍ时，增加筋板厚度对床身刚度 和固有频率的提升较为明显（筋板厚度从１８ｍｍ增加 到２０ｍｍ，床身质量提高２．０６％，固有频率提高 ４．１１％，变形量减小４．６３％）；当筋板厚度达到２０ｒａｍ 时，再增加筋板厚度对床身刚度和固有频率的提高非 常有限（筋板厚度从２０ｒａｍ增加到２４ｍｍ，床身质量提 高３．８７％，固有频率提高０．３４％，变形量减小 ２．５１％）。因此可以认为筋板厚度为２０ｍｍ最为合适。 接下来在筋板厚度为２０ｍｍ的条件下优化床身壁 厚，不同壁厚的床身模态分析结果如表２所示（原型壁 厚为３０ｒａｍ）。 由表２结果可以看出：增加壁厚对床身固有频率 的影响与增加筋板厚度相似，但对床身刚度影响很小， 因此刚度变化忽略不计。当壁厚小于２８ｒａｍ时，增加 壁厚可以提高固有频率（壁厚从２６ｍｍ增加到２８ｍｍ， 床身质量提高１．０３％，固有频率提高１．３５％）；当壁厚 达到２８ｍｍ时，再增加壁厚对床身刚度和固有频率的 提升非常有限（壁厚从２８ｍｍ增加到３０ｍｍ，床身质量 提高１．５１％，固有频率提高０．６１％）。因此可以认为 壁厚为２８ｍｍ最为合适。 方案二：优化顶板厚度。 为了减小床身质量，考虑减小床身顶板的厚度。 在方案一的优化基础上，按照之前的材料属性设置、网 格划分和边界条件设置，对不同顶板厚度的床身设计 方案进行模态分析计算，分析结果如表３所示（原型顶 板厚度为５０ｒａｍ）。 表３优化床身顶板厚度分析结果 顶板厚度 固有频率／Ｈｚ 最大变形量 质量／ｔ １阶 ２阶 ３阶 ３５ ５．５７ ３３４．６２ ３５８．３７ ３７８．５５ Ｏ．０２４４４９ ４０ ５．６７ ３３０．１０ ３５４．３７ ３７８．３０ ０．０２３３２５ ４５ ５．７６ ３２５．２８ ３４９．３２ ３７６．７３ ０．０２３０７６ ５０ ５．８６ ３２２．６６ ３４６．５３ ３７６．６２ ０．０２２５４５ 由表３结果可以看出：减小顶板厚度在减小床身 质量的同时，能够适当增加床身的固有频率，但是较薄 的顶板厚度会导致床身上表面变形量的增大，这将直 接影响床身上表面导轨的安装稳定性，降低导轨的导 向精度，对寿命试验产生干扰。因此，在对导轨安装面 刚度不产生严重影响的条件下可以适当减小顶板厚 度，在此选择４０ｍｍ作为最优的顶板厚度。 方案三：优化地脚螺栓处筋板。 由于地脚螺栓起着约束床身移动的作用，为提高 床身的抗弯、抗扭刚度，对地脚螺栓处的纵向筋板向内 侧加厚２０ｍｍ，加厚后的床身筋板模型如图５所示。按 照之前的材料属性设置、网格划分和边界条件设置，模 态分析结果如表４所示。 由表４结果可以看出：增加地脚螺栓处的筋板厚度 对提高床身刚度和固有频率有着明显的作用，优化床身地 脚螺栓处筋板虽然导致了床身质量的增加，但也大幅提高 了床身的低阶固有频率，减小了床身的变形量。 图５优化地脚螺栓处筋板结构图 ２０１４年１月 徐弘博，等：滚动直线导轨寿命试验台床身结构优化设计 ．１４５． 表４优化床身地脚螺栓处筋板结构分析结果 质量／ｔ 板厚度、壁厚、顶板厚度和地脚螺栓处的筋板结构进行 分析优化。优化后的床身质量基本保持不变，床身刚度 和固有频率得到了提高，床身动态性能得到了改善。 本文侧重于仿真优化，对主要优化参数进行分析 对比。该方法对缩短设计周期，降低成本，提高经济效 益具有重大意义。为同类试验台床身的设计和优化提 供了依据。 ［参考文献］ 固有频－￣／Ｈｚ １阶 ２阶 ３阶 最大变形量 ／ｍｍ ０．０２３３２５ ０．０２２１９８ 改进前 改进后 ５．６７ ５．９６ ３３０．１０ ３５４．３７ ３７８．３Ｏ ３４４．３７ ３７２．７７ ３８１．７８ ２．３床身结构的综合优化设计 对以上三种优化方案进行汇总，总结出最终的优 化改进方案：床身壁厚由原来的３０ｍｍ减小为２８ｍｍ； 床身顶板厚度由原来的５０ｍｍ减小为４０ｒａｍ；床身地脚 ［１］郭俊康，方荣，洪军，等．基于有限元分析的拉刀磨床床身 结构优化设计［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１１ 螺栓处的筋板向内侧增加２０ｒａｍ。优化前后床身模态 （１）：９—１２． 分析结果如表５所示。 ［２］汪宇，王东方．基于Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的立式加工中心床 身有限元分析和优化设计［Ｊ］．制造业自动化，２００９，３１ 表５综合优化床身分析结果 （９）：１２９—１３１． 质量／ｔ 固有频率／Ｈｚ 最大变形量 ［３］杨明亚，杨涛，阴红．有限元分析软件在机床床身模态分 １阶 ２阶 ３阶 ／ｍｍ 析中的应用［Ｊ］．机电工程技术，２００７，３６（１）：２５—２７． 原方案 ５．９５ ３２４．６５ ３４８．７８ ３７９．６０ ０．０２２６５５ ［４］骆念武，申远，竺长安，等．基于有限元分析的液压机上横 优化方案 ５．９６ ３４４．３７ ３７２．７７ ３８１．７８ ０．０２２１９８ 梁结构改进设计［Ｊ］．锻压技术，２００９，３４（１）：１１９—１２１． ［５］陈永亮，耿文轩，满佳，等．基于结构配置与性能改进综合 和原结构相比，优化后的床身质量基本保持不变， 评价的机床结构适应性设计［Ｊ］．中国机械工程，２００９，２０ 第一至第三阶的固有频率分别较原床身结构提高了 （９）：１０２９—１０３２． ６．０７％，６．８８％，０．５７％；最大变形量减小了２．０２％。 ［６］王艳辉，伍建国，缪建成．精密机床床身结构参数的优化 床身的动态性能得到了改善。 设计［Ｊ］．机械设计与研究，２００３，１９（６）：５３—５４． ３ 结束语 ［７］高耀东．ＡＮＳＹＳ机械工程应用精华５０例［Ｍ］．电子工业 出版社，２０１１． 为了得到较优的滚动直线导轨寿命试验台床身，对 ［８］吴晓枫，王禹林，冯虎田．大型数控螺纹磨床床身的模态分 三种不同筋板布局方式的床身进行了模态分析，通过对 析与优化［Ｊ］．机械设计与研究，２０１０，２６（６），１１４—１１７． 分析结果的对比发现，“井”型筋板布局方案比“米”型 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实现其压装过程的智能化控制，以易于实现压装生产 ［９］颜嘉男．伺服电机应用技术［Ｍ］．北京：科学出版社， 过程的柔性化，提高压装的精度和产品的质量，并为此 ２０１０． （编辑李秀敏） 类压装装置的进一步研发提供了技术支持。
