闭式静压导轨结构静动态性能分析

条件和载荷，如图 4、图5 所示。
0.018121 Max 0.013107 0.014004 0.012081 0.010067 0.0080537 0.0060403 0.0040259 0.0020134 0 Min
Max
Y X
0.00
200.00
400.00（mm）
Z
100.00
300.00
高精密车床采用闭式液体静压导轨支承。静压导轨要求零 件本身有足够的刚度，以免在压力油的作用下由于零件的变形而 影响静压效果。在精密加工中，对导轨零件的刚度和导轨的动态 性能要求较高。针对静压导轨部分进行分析研究，导轨主要包含 滑动滑板、固定滑板和底座部分。
2 静态性能分析
HTC3250μn 精密数控车床和车削中心的 Z 轴导轨材料采 用 40Cr，在 Workbench 中设置材料属性参数如下。
Y X Z
图 7 滑板的中间位置静态受力总变形图 Fig.7 The Static Deformation Map in the Middle
3 模态分析
滑动滑板的 4 阶固有频率及相应的振型分析，如表 1 所示。
导轨的各阶模态振型，如图 8 所示（省略 3 阶和 4 阶模态振型）。
机床加工最大转速 8000r/min。滑动滑板的一阶、二阶固有频率都
由图 2 可知最大变形位置在靠近导轨边缘的主油腔处，由 于靠近边缘，又同时受到三个方向的载荷，最大的变形量为 0.00041746mm，不会影响导轨的正常运行，满足设计要求。
0.00
100.00
200.00（mm）
50.00
150.00
X
Y
Z
图 1 滑动滑板几何模型的网格划分 Fig.1 Mesh of Slider
弹性模量 E=206000MPa，泊松比 μ=0.28，密度 ρ=7820kg/m3。 结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值，许用应力［σ］= σs［/ S］=785/2.2=356.8MPa。
选择 Hex Dominant 单元，即采用四面体与六面体结合的方 式进行网格划分，单元平均尺寸 Element size 设定为 5mm，网格 划分结果，如图 1 所示。生成 59403 个单元和 225934 个结点。
0.00
50.00
100.00（mm）
25.00
75.00
（a）第一阶模态振型
Z Y
X
12
17.605 Max 15.649 13.693 11.737 9.7805 7.8244 5.8683 3.9122 1.9561 0 Min
机械设计与制造
4.529 Max 4.0257 3.5225 3.0193 2.5161 2.0129 1.5097 1.0064 0.50322 0 Min
2.1736e-005 Max Z
Y X
图 3 滑动滑板静态受力应力分布云图 Fig.3 Stress Distribution Map of Slider
Ｆｉｘｅｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ２：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ３：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ４：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ５：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ６：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ７：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ８：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ９：７５３３８．Ｎ
M
T
E
L
D
S
K
R
C
A
B
O
I
C
H
O
G
X
F
A
Y X
0.00
200.00
400.00（mm）
Z
100.00
300.00
图 5 中间位置约束条件和载荷 Fig.5 Constraint Conditions and Loads in the Middle
0.00
200.00
400.00（mm）
100.00
300.00
阶次 固有频率［Hz］
振型描述
1
4911.3
导轨上有油腔的工作部分绕着 Z 轴摆动
2
5046.8 以导轨中间位置为中心，导轨两侧绕 Z 轴逆向扭摆
3
5397.0
导轨中间位置相对于两侧同时绕 Z 轴扭摆
4
6125.0
整个导轨工作部分绕 Z 轴大幅度扭摆
17.605 Max 15.649 13.693 11.737 9.7805 7.8244 5.8683 3.9122 1.9561 0 Min
机械设计与制造
第 10 期
10
Machinery Design ＆ Manufacture
2013 年 10 月
闭式静压导轨结构静动态性能分析
李 松，宋锦春，任广安，蔡 衍
（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）
摘 要：闭式液体静压导轨是高精密车床的重要元件，用 Solidworks 建立精密机床导轨的关键零部件的实体模型，并 且利用 Workbench 对其进行了有限元分析，其中包括静态性能分析和模态分析。静态性能分析得到导轨零件在工作状 态下的受力变形云图和应力分布云图，获得零件的最大变形量和最大应力值；模态分析得到了导轨零件各阶的固有频 率和振型，分析结果显示各个导轨零件的各阶固有频率均远远大于机床工作的固有频率，能有效避免“共振”现象的发 生，能有效满足机床的使用要求。 关键词：闭式静压导轨；Workbench；静态分析；模态分析 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2013）10-0010-03
Abstract：The closed hydrostatic guideway is an important component for high-precision lathe. The models of its key parts are established by using Solidworks software，and the finite element analysis，including static analysis and modal analysis are obtained by using Workbench. In addition，maximum deformation and stress value are got from deformation map and stress distribution map under working condition during static analysis，and natural frequency and vibration mode are obtained during modal analysis. What is more，natural frequency of these key parts is significantly larger than the one during lathe working， and therefore resonance will not happen and they satisfy the demands for lathe. Key Words：Closed Hydrostatic Guideway；Workbench；Static Analysis；Modal
远远大于机床工作频率 133Hz，所以能满足机床工作需要。固定
滑板和底座部件的六阶固有频率及相应的振型分析，如表 2 所示。
各阶模态振型，如图 9 所示（省略 5 阶和 6 阶模态振型）。固定滑
板和底座部件的前两阶固有频率都远远大于机床工作频率，能有
效避开共振点，能满足机床工作需要。
表 １ 滑动滑板的模态分析结果 Ｔａｂ．１ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｎ Ｓｌｉｄｅｒ
6.4839e-003
2.5592e-5 Max 2.2748e-5 1.9905e-5 1.7062e-5 1.4215e-5 1.1375e-5 8.5311r-6 5.6877e-6 2.8442e-6 7.5329e-10 Min
0.00
100.00
200.00（mm）
50.00
150.00
Performance Analysis on Closed Hydrostatic Guideway
LI Song，SONG Jin-chun，REN Guang-an，CAI Yan
（School of Mechanical Engineering & Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 110819，China）
最大应力值为 5.1184MPa，远小于导轨的许用应力值，符合设计
要求。由于滑板是运动的，所以作用在导轨固定滑板和底座上的载
荷位置是随着导轨的运动而发生变化的。取两个具有代表性的位置
分别进行仿真分析：（1）导轨处于滑板的外边缘位置；（2）导轨处于
滑板的中间位置。上述两种情况对导轨滑板和底座部件施加约束
200.00（mm）
50.00
150.00
Z
Y X
图 2 滑动滑板静态受力总变形图 Fig.2 The Static Deformation Map of Slider
如图 3 所示，从导轨中间部分向两端的应力值逐渐增大，并
且主要分布在回油槽附近，最大应力位置在靠近导轨边缘的回油
槽处。另外，矩形油腔的四个直角处应力值较周围大。回油槽处的
李 松等：闭式静压导轨结构静动态性能分析
11
如图 6、图 7 所示，导轨处于滑板的外边缘位置和中间位置 时，最大变形均发生在滑板的上边缘处。而对导轨精度影响比较 大的是与油膜接触的受力面上的变形，从图中可以看出运行过程 中受力面上的最大变形为 0.0064839mm，能够满足设计要求。
0.00
ຫໍສະໝຸດ Baidu
100.00
图 6 滑板外边缘位置静态受力总变形图 Fig.6 The Static Deformation Map on External Rim
Max
0.011204 Max 0.0099588 0.0087139 0.0074691 0.0062242 0.0049794 0.0037345 0.0024897 0.0012448 0 Min
No.10 Ｏｃｔ．２０１３
0.00
50.00
100.00（mm）
25.00
75.00
（b）第二阶模态振型
图 8 导轨的各阶模态振型 Fig.8 Modal Shape of Guideway
T
M E
L
D
C H
S
K
R
CA
B
A G
F
0.00
200.00
400.00（mm）
100.00
300.00
Y X Z
图 4 外边缘位置的约束条件和载荷 Fig.4 Constraint Conditions and Loads on External Rim
Ｆｉｘｅｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ２：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ３：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ４：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ５：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ６：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ７：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ８：８８２０．Ｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｆｏｒｃｅ ９：７５３３８．Ｎ
来稿日期：2012-12-01 基金项目：国家十一五机床重大专项（20092X04001-053） 作者简介：李 松，（1987-），男，江苏徐州，在读博士研究生，主要研究方向：机电液一体化；
宋锦春，（1957-），男，辽宁沈阳人，博士，教授，主要研究方向：机电液一体化
第 10 期
0.00041746 Max 0.00037108 0.00032469 0.00027831Max 0.00028192 0.00018554 0.00018915 9.2769e-5 4.6384e-5 0Min
1 引言
“HTC3250μn 精密数控车床和车削中心”是国家“高档数控 机床与基础制造装备”科技重大专项课题之一，目标是设计制造 出具有国际领先水平的系列高档精密数控车床和车削中心。精密 数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，它具有广泛的加 工工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有 直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中 发挥了良好的经济效果。除可以进行一般车削外，还可以进行径 向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向 孔的钻削等加工。