滚动直线导轨副综合试验台加载系统优化设计

廖雯俊，杨家军，涂 鼎，曹鹏杰，赵美玲

（1华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉430074；2广东高新凯特精密机械有限公司，广东 江门529100）

滚动直线导轨副因其动静摩擦系数小、定位精度高、结构紧凑等优点被广泛应用到高档数控机床、机器人及各种精密装置中，形成了一个新兴的高技术产业［1］。近年来对于滚动直线导轨副的研究也越来越多，出现了很多测试导轨副性能的试验台。大多数试验台只能研究导轨副的单个性能，综合性能测试试验台比较少，特别是对加载系统进行选择和设计时，往往只考虑了加载力和成本等少数因素。对于综合性能的测试，试验台既要完成导轨副的疲劳寿命，又要检测振动、噪声、动摩擦力等测试项目［2］，故加载系统的设计显得尤为重要。本文对现有的几种加载方式进行对比分析，选出最适合的方案，再通过优化设计找到最优的结构设计，为滚动直线导轨试验台加载提供了一种有效的方法。

1 综合试验台加载方案的优选

滚动直线导轨副性能测试试验台的加载方案一般有4种（图1）。

方案1采用加载器背对背安装，通过杠杆原理对测试导轨进行加载，可以使得辅助导轨不受加载力的作用反力，但中间环节较多，结构复杂；方案2的加载器对称安装，加载器直接对导轨进行法向加载；方案3采用双作用式加载器，同时对两侧测试导轨进行法向加载；方案4直接将加载器放置在测试导轨上方进行加载［3］。4种方案的比较见表1。

图1 加载方案示意图

前三个方案的重点在于减小辅助导轨受力，故都采用了对称结构来抵消相互作用力，这样载荷量可以尽可能地大，且不会影响导轨的往复运行。方案4则考虑到精度检测要求及底座加工问题，采取减小载荷量和加快运行速度来达到试验台各项性能指标的要求（如疲劳寿命试验，精度检测、噪声、振动、动摩擦等），综合分析比较，确定加载方式为方案4，下面对方案4进行具体设计和结构优化，以期得到最优解。

2 加载器设计

综合试验台用来测试直线导轨副的综合性能，其综合性能包括导轨副的疲劳寿命、直线精度、振动与噪声、动摩擦力等，驱动装置采用新型直线电机加载装置，要求加载力大且加载力维持时间长、体积小、重量轻，能完成直线导轨副的垂直加载，可以实现电机的空载起动，并可动态加载。综合考虑以上因素，故采用电液式加载系统，将液压缸作为执行机构，在活塞杆上加上测力传感器，直接测出加载力，通过计算机控制比例阀来实现加载力的控制。

表1 加载方案比较分析结果

试验台要求加载力为0～50kN，根据液压缸直径计算公式，设置液压缸油压为中级，取P＝8 MPa，计算得到液压缸内径为88.89mm，故选取标准液压缸的内径为90mm。其他液压系统零件按照给定压力进行计算选取。

3 加载系统的结构优化设计

选择可以满足试验台加载需求的液压元件后，分析加载系统结构的薄弱环节为龙门架和辅助导轨，以龙门架和辅助导轨受力为优化对象，采用ANSYS有限元分析软件对其进行分析优化。

3.1 辅助导轨的优选和滑块布置

辅助导轨选用承载能力较大的LGR型滚柱导轨，采用每根导轨三个滑块间隔布置，这样每个滑块处受力为测试导轨副受力的1／6，保证在寿命测试过程中辅助导轨不会失效。

3.2 龙门架的优化设计

本试验台用到的龙门架跨度方向长760mm，沿导轨方向宽800mm，总高300mm。顶面用来安装液压缸，龙门架底部安装板设有螺纹安装孔，用来与辅助导轨的滑块连接，其三维模型见图2。

图2 龙门架三维模型

对龙门架模型进行简化，去掉工艺孔和半径小于10mm的倒圆角，去掉对龙门架受力影响不大的螺纹孔和凸台，采用ANSYS的smart mesh网格划分方式对模型进行网格划分。龙门架采用45号钢，调质处理，设置密度7 850kg／m3，弹性模量210 GPa，泊松比0.269。在顶板安装液压缸的螺纹处加载50kN的力，对底部螺纹处设置约束以模拟龙门架的受力情况。对模型进行仿真分析，得到其应力和变形如图3所示。

图3 应力应变图

由图3可以看出，龙门架应力集中于液压缸安装螺纹孔处，最大变形量达到0.045mm，现以龙门架强度和刚度为优化目标进行优化。

3.1.1 优化筋板高度和壁厚 按上面所述的设置，改变筋板的高度来进行有限元分析（原筋板高度为130mm），结果分析见表2。

表2 优化筋板高度结果分析

表3 优化筋板壁厚结果分析

从表2中可以看出，增加筋板高度可以提高龙门架的刚度，但同时也会增加其质量，提高制造成本。当筋板高度小于132mm时，增加筋板高度对龙门架刚度和强度的提升较为明显（筋板厚度从130mm增加到132mm，龙门架质量提高0.5%，应力减小1.6% ，变形量减小2.7% ）；当筋板高度达到132mm时，再增加筋板高度，龙门架的强度反而降低，刚度提升也不明显（筋板高度从132mm增加到134mm，龙门架质量提高0.5%，变形量减小1.4% ）。因此筋板高度132mm最为合适。

接下来在筋板高度为132mm的条件下优化筋板壁厚，不同壁厚的结果分析见表3（原型壁厚为20 mm）。

筋板厚度和筋板高度对结构力学性能的影响相似，增加筋板厚度可以提高结构刚度，但是质量增加，且强度提高也不明显（筋板厚度从22mm增加到24mm时，龙门架强度反而减小，可能是由于增加筋板厚度，导致结构产生干涉，产生应力集中 ）。故筋板壁厚22mm为最佳。

3.1.2 优化侧支撑板厚度 支撑板对结构的刚度起着重要的作用，故选择增加支撑板厚度来减小最大变形量（原型厚度为25mm），支撑板增加5mm，得到结果分析见表4。

从表4中可以看出，支撑板增加到30mm，应力基本不变，虽说质量有所提高，但刚度得到很大提升，变形量减小7.5%，故支撑板厚度选择30mm较合适。

3.1.3 优化龙门架底板厚度 底板处应力集中较小，故可以将底板厚度降低5mm（原底板厚度为25 mm），结果分析见表5。底板厚度减小，龙门架质量降低4.4%，变形量和强度基本不变，故选择厚度为20mm。

表5 优化底板厚度结果分析

3.1.4 优化顶板厚度 增加顶板厚度5mm（原顶板厚度为25mm），按上面所述的设置来进行有限元分析，结果分析见表6。增加顶板厚度，质量有所增加，但龙门架的强度和刚度都有所改善，应力减小15.8%，变形减小3.0%，故优化顶板厚度为30 mm。

表6 优化顶板厚度

3.1.5 综合优化 综合四种优化方案得到的分析结果见表7。从表中可以看出，最终优化的模型在质量基本保持不变的情况下，相比于原模型，其刚度得到了提升，最大变形量减小16.8%；强度也得到改善，最大应力减小16.1%。总的来说，龙门架结构的力学性能得到了改善。

表7 综合优化龙门架结果

通过以上对辅助导轨进行优选，滑块布置优化，对龙门架的结构参数进行优化设计，此加载系统能够加载的最大载荷达到50kN，加载系统结构最大变形量为0.037 131mm，满足试验台对加载系统的要求。

4 结论

对滚动直线导轨副综合测试试验台的加载系统进行了优化设计，针对综合测试各个项目对试验台的要求与加载装置需要满足的条件，根据这些条件对四种加载方案进行对比分析，选择方案4液压缸垂直加载；随后对方案4的薄弱环节辅助导轨和龙门架结构优化设计，得出在一定长度范围内，两条辅助导轨每边3个滑块间隔布置产生的应力集中最小；通过ANSYS有限元分析软件对龙门架进行了静力分析，对龙门架筋板高度和壁厚、顶板厚度及支撑板厚度进行了优化，使得其应力应变减小。

［1］ 李 薇.一种滚动直线导轨副精度自动化检测方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2010（03）：34－37.

［2］ 曹鹏杰，伍金顺.直线电动机驱动的直线导轨副综合测试平台的设计与实现［J］.金属加工（冷加工），2013（01）：49－51.

［3］ 方 健.滚动直线导轨副性能分析及静刚度试验机研制［D］.武汉：华中科技大学，2006.