滚动直线导轨寿命试验台床身结构优化设计*

徐弘博， 冯虎田， 欧屹

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)



滚动直线导轨寿命试验台床身结构优化设计*

徐弘博， 冯虎田， 欧屹

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

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。

滚动直线导轨寿命试验台；床身；模态分析；优化设计

0 引言

随着现代制造技术的不断发展，滚动直线导轨副以其独有的特性，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，起着支撑试验台面、龙门等关键零部件的作用。床身结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[1-2]，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[3-4]，为滚动直线导轨寿命试验台实体床身的设计提供指导。

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4400mm，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[5-6]，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。

图1 滚动直线导轨寿命试验台床身模型

在保证试验台床身质量基本不变的前提下，本文提出了三种不同筋板布局方案。方案1为“井”型床身筋板布局方案，方案2为“米”型床身筋板布局方案，方案3为“W”型床身筋板布局方案。三种床身的外形尺寸、壁厚和筋板厚度均相同，并且质量也基本相同。将三种床身在Pro/E软件中进行三维建模，床身的筋板布局模型如图2所示。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

对床身模型进行简化，去掉半径小于20mm的圆角和螺栓安装孔以便于划分网格。将简化后模型保存为Parasolid格式，并导入ANSYS软件进行有限元预处理[7]，设置床身材料为HT250，弹性模量为1.2x1011Pa，泊松比为0.27，密度为7200kg/m3。采用Solid45三维实体单元对床身结构进行网格划分，并对床身地脚螺栓处施加固定约束以模拟床身边界条件。再对床身模型进行模态仿真分析，得出每种床身的动态特性参数。以阶数为横坐标，频率为纵坐标绘制出各方案床身前六阶模态折线图，模态分析结果如图3所示。

图3 不同筋板布局时床身前六阶模态比较

通过模态分析结果可以看出：在床身质量相近的前提下，方案1的前六阶固有频率比方案2和方案3大，说明“井”型床身筋板布局的动态性能比“米”型和“W”型要好，可以有效避免试验时产生共振现象。这是由于该试验台床身长宽比较大，主要发生左右摆动，“井”型筋板相对于“米”型筋板和“W”型筋板在抵抗整体摆动的能力较强。同时，“井”型筋板结构纵向贯穿整个床身，连接床身两侧的地脚螺栓安装面并对该处的床身结构起到加固作用，有效降低了床身整体变形量，提高了床身刚度。因此，在三种床身筋板布局方案中选择方案1为最优方案。

2 床身结构的模态分析与优化

2.1 床身结构的模态分析

由于高阶模态阻尼值较高，在振型中的作用相对较小，一般模态分析主要集中在对振型影响相对较大的低阶模态上[8]。因此对床身的前三阶模态进行分析，模态分析结果如图4所示。

(a) 床身一阶模态振型(324.65Hz)

(b) 床身二阶模态振型(348.78Hz)

(c) 床身三阶模态振型(379.60Hz)

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[9]。

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[10]。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

表2 优化床身壁厚分析结果

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20mm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20mm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30mm)。

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28mm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50mm)。

表3 优化床身顶板厚度分析结果

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

质量/t固有频率/Hz1阶2阶3阶最大变形量/mm改进前5．67330．10354．37378．300．023325改进后5．96344．37372．77381．780．022198

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40mm；床身地脚螺栓处的筋板向内侧增加20mm。优化前后床身模态分析结果如表5所示。

表5 综合优化床身分析结果

和原结构相比，优化后的床身质量基本保持不变，第一至第三阶的固有频率分别较原床身结构提高了6.07%，6.88%，0.57%；最大变形量减小了2.02%。床身的动态性能得到了改善。

3 结束语

为了得到较优的滚动直线导轨寿命试验台床身，对三种不同筋板布局方式的床身进行了模态分析，通过对分析结果的对比发现，“井”型筋板布局方案比“米”型和“W”型的动态性能要好，可以有效避免试验时产生共振现象，因此选择“井”型筋板布局的床身方案。对于该方案的床身，以提高刚度和固有频率为目标，对床身筋板厚度、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。

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(编辑 李秀敏)

Optimization Design for the Bed Structure of Roller Linear Guide Life Test Rig

XU Hong-bo, FENG Hu-tian, OU Yi

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

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 ANSYS. 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 optimization was realized. This study provides basis for the design and optimization of the similar rig bed.

roller linear guide life test rig; bed; modal analysis; optimization design

1001-2265(2014)01-0142-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.040

2013-04-28

国家科技重大专项(2012ZX04002021)

徐弘博(1989—)，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)xhbjsdx2007@163.com；通讯作者：冯虎田(1965—)，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.cn。

TH132

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