玻璃基板检测仪器机身导轨组合体结构设计

刘春柱 陈梅仙 张勇

摘 要：大型玻璃基板光学自动检测仪器对导轨直线度精度要求很高。根据设计要求，建立了机身导轨座组合体的数学模型，并设计了两种机身导轨座结构模型。通过对机身导轨座结构在重力及集中力作用下的弯曲变形分析，利用有限元软件ANSYS对两种机身导轨座结构方案进行了静力学仿真分析，得到其在集中力和重力作用下的变形情况。在满足直线度0.01mm的条件下，选择最优方案。

关键词：机身导轨座；弯曲变形；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.003

0 引言

导轨在受到自重、载荷等因素的作用下，必然会发生弯曲形变，使运行精度降低。胡敏[1]等采用反变形原理，用以抵消重力变形对横梁导轨几何精度的影响，彭志[2]等在考虑横梁自身质量的同时，提供横梁导轨面加工时补偿用曲线图，高梯云[3]分析了模拟型航测仪器解析化改造中精密导轨因负载增大而产生弯曲变形的问题，提出来采用卸载技术克服导轨变形的方法，王刚[4]分析了截面不同材料组成的叠梁及相同材料同截面组合的加楔块梁的承载能力，得出双层连续组合梁的弹塑性承载力较单层连续组合梁有较大幅度的提升，苗林[5]等将双层组合梁的接触面模拟成 G oo dman 弹性夹层 ，并用有限元软件分析验证，肖承鹏[6] 采用弱式微分求积元法求组合梁挠度等问题，并进行了验证。

1 理论分析

为满足导轨运行的单向性，大型玻璃基板光学自动检测仪器机身及导轨座均设计为柱状类形状，其横截面的形状基本相同。由力學知识可知，集中力作用下的机身导轨座组合体取得最大挠度值，即：

重力作用下的机身导轨组合体最大变形为：

2 组合导轨结构设计

机身与导轨座组合体下面由底座框架支撑，组合体质量越大导致底座框架变形越大，影响玻璃基板检测仪器的测量精度。根据组合体机身与底座框架的位置关系，依据设计要求，选择厚度为，宽度为的无缝方管作为机身。根据直线电机定子的高度与宽度设计导轨座中，，，导轨座总的高度为。根据光栅的高度与宽度设计，为满足零件安装及运行要求，设计机身导轨组合体的长度为。

3 有限元分析

3.1 定义材料属性

机身和导轨座通过螺钉固联在一起，导轨座的材料是304不锈钢，密度为，弹性模量为193000Mpa，泊松比为0.31，屈服强度为207MPa，机身的材料是16Mn，密度为，弹性模量为200000Mpa，泊松比为0.3，屈服强度为250MPa。

3.2 网格划分

通过三维软件建立组合导轨的模型，导入到仿真软件Ansys workbench中进行网格划分。在划分网格时，不同的分析类型需要不同的网格划分要求，考虑到分析的目的以及有限元模型相对简单，设置有限元模型的网格单元为10mm，采用Ansys workbench中的自动生成网格，如图2所示（方案二网格划分相同）。

3.3 边界条件及载荷

方案一，机身和导轨座通过18个M12内六角螺钉固联，固定处限制所有自由度。机身导轨座组合体两端采用固定约束，在重力和集中力的作用下进行仿真分析。方案二，两端也采用固定约束。

3.4 机身导轨座组合体仿真结果及分析

导轨是光学自动检测仪器的重要组成部分，其变形量的大小直接决定了检测的精度。机身导轨座组合体的变形主要来自于集中力和重力的作用，因此，本文分别对集中力和重力作用下组合体的变形进行了探讨。

（1）重力作用下的有限元结果分析。图3为重力作用下的变形云图。从图中可以看出组合体在重力的作用下发生变形，最大变相量为2.92?m。组合体从中间到两边的变形量逐渐减小，最大变形量在中间处，主要原因与组合体两边的约束条件有关。

（2）集中力作用下的有限元结果分析。机身导轨座组合体在集中力作用下的变形云图如图4所示，从图中可以看出组合体的变形呈对称分布，从中间到两边的的变形量逐渐减小，最大变形量出现在加载集中力的组合体中间位置，为2.2?m。

4 结论

本文基于导轨运行精度的基本要求，对机身导轨座结构的尺寸进行了设计，并通过有限元仿真分析加以验证。首先对机身导轨座组合体单元体进行力学分析，建立数学模型；其次，建立机身导轨座结构的有限元模型，并进行仿真计算。通过结果分析，得到最优设计方案，最后得出以下结论：

（1）通过有限元仿真分析中，组合体最大变形量出现在中间位置，为5.12?m。满足精度要求。

（2）机身导轨组合体的变形呈对称分布，从中间到两边变形量逐渐减小。集中力作用下的组合体变形比重力作用下的变形影响更大。

参考文献：

[1]胡敏，马军旭，金涛，赵万华.可抵消重力变形的横梁导轨面曲面设计[J].组合机床与自动化加工技术，2016（05）：51-54.

[2]彭志，王立鹏，王欣彦.数控机床导轨面变形预补偿的有限元分析[J].机床与液压，2011（12）：26-27.

[3]高梯云.卸载技术克服航测仪器精密导轨变形的应用[J].武汉测绘科技大学学报，1992（04）：75-78.

[4]苗林，陈德伟.考虑层间滑移效应的组合梁解析计算[J].同济大学学报，2011，39（08）：1113-1119.

[5]王刚.双层连续组合梁承载力及内力重分布的研究[D].浙江大学，2005.

[6]肖承鹏.基于弱式微分求积法的Timoshenko组合梁动静力分析[D].浙江海洋大学，2017.

[7]王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算[M].科学出版社，2005.