玻璃基板檢測儀器機身導軌組合體結構設計

劉春柱 陳梅仙 張勇

摘 要：大型玻璃基板光學自動檢測儀器對導軌直線度精度要求很高。根據設計要求，建立了機身導軌座組合體的數學模型，并設計了兩種機身導軌座結構模型。通過對機身導軌座結構在重力及集中力作用下的彎曲變形分析，利用有限元軟件ANSYS對兩種機身導軌座結構方案進行了靜力學仿真分析，得到其在集中力和重力作用下的變形情況。在滿足直線度0.01mm的條件下，選擇最優方案。

關鍵詞：機身導軌座；彎曲變形；有限元分析

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

0 引言

導軌在受到自重、載荷等因素的作用下，必然會發生彎曲形變，使運行精度降低。胡敏[1]等采用反變形原理，用以抵消重力變形對橫梁導軌幾何精度的影響，彭志[2]等在考慮橫梁自身質量的同時，提供橫梁導軌面加工時補償用曲線圖，高梯云[3]分析了模擬型航測儀器解析化改造中精密導軌因負載增大而產生彎曲變形的問題，提出來采用卸載技術克服導軌變形的方法，王剛[4]分析了截面不同材料組成的疊梁及相同材料同截面組合的加楔塊梁的承載能力，得出雙層連續組合梁的彈塑性承載力較單層連續組合梁有較大幅度的提升，苗林[5]等將雙層組合梁的接觸面模擬成 G oo dman 彈性夾層 ，并用有限元軟件分析驗證，肖承鵬[6] 采用弱式微分求積元法求組合梁撓度等問題，并進行了驗證。

1 理論分析

為滿足導軌運行的單向性，大型玻璃基板光學自動檢測儀器機身及導軌座均設計為柱狀類形狀，其橫截面的形狀基本相同。由力學知識可知，集中力作用下的機身導軌座組合體取得最大撓度值，即：

重力作用下的機身導軌組合體最大變形為：

2 組合導軌結構設計

機身與導軌座組合體下面由底座框架支撐，組合體質量越大導致底座框架變形越大，影響玻璃基板檢測儀器的測量精度。根據組合體機身與底座框架的位置關系，依據設計要求，選擇厚度為，寬度為的無縫方管作為機身。根據直線電機定子的高度與寬度設計導軌座中，，，導軌座總的高度為。根據光柵的高度與寬度設計，為滿足零件安裝及運行要求，設計機身導軌組合體的長度為。

3 有限元分析

3.1 定義材料屬性

機身和導軌座通過螺釘固聯在一起，導軌座的材料是304不銹鋼，密度為，彈性模量為193000Mpa，泊松比為0.31，屈服強度為207MPa，機身的材料是16Mn，密度為，彈性模量為200000Mpa，泊松比為0.3，屈服強度為250MPa。

3.2 網格劃分

通過三維軟件建立組合導軌的模型，導入到仿真軟件Ansys workbench中進行網格劃分。在劃分網格時，不同的分析類型需要不同的網格劃分要求，考慮到分析的目的以及有限元模型相對簡單，設置有限元模型的網格單元為10mm，采用Ansys workbench中的自動生成網格，如圖2所示（方案二網格劃分相同）。

3.3 邊界條件及載荷

方案一，機身和導軌座通過18個M12內六角螺釘固聯，固定處限制所有自由度。機身導軌座組合體兩端采用固定約束，在重力和集中力的作用下進行仿真分析。方案二，兩端也采用固定約束。

3.4 機身導軌座組合體仿真結果及分析

導軌是光學自動檢測儀器的重要組成部分，其變形量的大小直接決定了檢測的精度。機身導軌座組合體的變形主要來自于集中力和重力的作用，因此，本文分別對集中力和重力作用下組合體的變形進行了探討。

（1）重力作用下的有限元結果分析。圖3為重力作用下的變形云圖。從圖中可以看出組合體在重力的作用下發生變形，最大變相量為2.92?m。組合體從中間到兩邊的變形量逐漸減小，最大變形量在中間處，主要原因與組合體兩邊的約束條件有關。

（2）集中力作用下的有限元結果分析。機身導軌座組合體在集中力作用下的變形云圖如圖4所示，從圖中可以看出組合體的變形呈對稱分布，從中間到兩邊的的變形量逐漸減小，最大變形量出現在加載集中力的組合體中間位置，為2.2?m。

4 結論

本文基于導軌運行精度的基本要求，對機身導軌座結構的尺寸進行了設計，并通過有限元仿真分析加以驗證。首先對機身導軌座組合體單元體進行力學分析，建立數學模型；其次，建立機身導軌座結構的有限元模型，并進行仿真計算。通過結果分析，得到最優設計方案，最后得出以下結論：

（1）通過有限元仿真分析中，組合體最大變形量出現在中間位置，為5.12?m。滿足精度要求。

（2）機身導軌組合體的變形呈對稱分布，從中間到兩邊變形量逐漸減小。集中力作用下的組合體變形比重力作用下的變形影響更大。

參考文獻：

[1]胡敏，馬軍旭，金濤，趙萬華.可抵消重力變形的橫梁導軌面曲面設計[J].組合機床與自動化加工技術，2016（05）：51-54.

[2]彭志，王立鵬，王欣彥.數控機床導軌面變形預補償的有限元分析[J].機床與液壓，2011（12）：26-27.

[3]高梯云.卸載技術克服航測儀器精密導軌變形的應用[J].武漢測繪科技大學學報，1992（04）：75-78.

[4]苗林，陳德偉.考慮層間滑移效應的組合梁解析計算[J].同濟大學學報，2011，39（08）：1113-1119.

[5]王剛.雙層連續組合梁承載力及內力重分布的研究[D].浙江大學，2005.

[6]肖承鵬.基于弱式微分求積法的Timoshenko組合梁動靜力分析[D].浙江海洋大學，2017.

[7]王連廣.鋼與混凝土組合結構理論與計算[M].科學出版社，2005.