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1、 第卷 第期厦门理工学院学报 年月 收稿日期： 修回日期： 基金项目：福建省创新方法推广应用体系建设项目（）作者简介：马林（ ），男，讲师，硕士，研究方向为创新方法学， ： 。引文格式：马林，林晓辉基于理论的磨床闭式静压导轨优化厦门理工学院学报，（）： ， ， ， （）： （）： 基于理论的磨床闭式静压导轨优化马 林，林晓辉（厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门）摘 要针对高精度磨床静压导轨制造难度大以和刚度不足的问题，在分析静压导轨结构和受力分析的基础上，利用理论中的根本原因分析工具得出导轨刚度不足的根本原因。根据矛盾矩阵中两组参数，应用分割原理和增加不对称性原理，将静压导轨结构优化为拼
2、块式结构和不等面积对置形式的两轴油腔结构。研究表明，优化后的静压导轨结构参数符合设计要求，提高了静压导轨的刚度，供油压力从 降低到 。关键词闭式静压导轨； 理论；矛盾矩阵；不等对置；优化设计中图分类号 文献标志码 文章编号 （） 导轨是磨床的关键部件，导轨精度很大程度上决定了磨床的精度水平。静压导轨由于其运动部件不直接接触，摩擦因数低，精度高，在高精度磨床上应用广泛，其中又以承载能力大的闭式静压导轨最为常见。由于闭式静压导轨的刚度要求高，制造难度大，因此闭式静压导轨的制造难度是亟待解决的问题。通过优化结构设计弥补导轨刚度不足的问题，可以有效降低导轨制造难度。目前，广大学者对闭式静压导轨的研究主
3、要集中在静压导轨的动静态特性、流体数值模拟、结构设计及优化等方面 。创新方法广泛应用于工程领域，在加工装备持续改善方面尤为适用，而利用理论对闭式静压导轨优化设计的研究较少。本文以磨床为例，基于理论对闭式静压导轨结构进行优化设计，并提出优化解决方案。 静压导轨存在的问题及原因分析 制造问题高精度磨床的整体结构形式采用“”形结构，根据理论中的九屏幕法，列出技术系统的组件，分别是：床身工作台、立柱、导轨、底座、磨头、电气及数控系统以及辅助系统等等。导轨是高精度磨床上保证实现精密微量进给的重要要素之一，为满足摩擦和磨损小，运动均匀，低速不爬行等精度要求以及承载能力，多采用闭式静压导轨结构。众所周知，闭
4、式静压导轨相比开式静压导轨精度更高，承载能力更大且能承受反向载荷，弊端是其制造难度大，且对各个工作面精度要求很高。另外由于其结构的复杂，在精度不够的情况下，装配过程中对其的反复刮研显得十分困难。因此闭式静压导轨的制造难度是亟待解决的问题。厦门理工学院学报年 刚度问题1 2 3 42345678 2.0 MPa1.4 MPaUNI52a0UNI5de5UNI6b21UNI6570UNI70e7UNI4f24 UNI6b63UNI5e38UNI7802UNI8f6eUNI8868UNI9762平面度/m图 1 加工结果对比Fig. 1 Comparison of machining results
5、加工次数/次2.0 MPa1.4 MPa根本原因分析是从技术问题发生点出发逐步寻找引起技术问题的根本原因的一种工具，也是在创新方法理论中分析问题时常用的一种工具。闭式静压导轨油压处于临界范围或负载较大时，如导轨刚度不足，会产生波动，影响砂轮进给量，对磨削的平面度影响很大。在磨床上对 的铁件磨削加工，通过水平仪测量获得的平面度对比结果对比如图所示。由图可知，供油压力为 时平面度大幅提高，同时还可以看出油压不足导致砂轮表面烧伤的对比。根据实际情况可能导致砂轮烧伤因素有个：一是控制系统程序错误；二是砂轮与工件之间存在干涉。利用理论中的根本原因分析工具，从个可能导致砂轮烧伤因素入手，寻找出了导致砂轮烧
6、伤的个根本原因： （）控制系统程序错误； （）缺乏砂轮修整器补偿砂轮轮廓外形变形；（）静压导轨油压不足和导油腔面积不足引起的导轨刚度不足。根据上述分析绘制出砂轮烧伤的原因轴，如图所示。综合考虑工程经验和实际情况可知，闭式静压导轨刚度不足是磨削平面下降最主要原因。不足静压导轨支撑力不足刚度静压导轨有害 过度进给量磨头下垂 砂轮不足 缺乏 不足 存在油压静压导轨不足面积导轨油腔砂轮修整器轮廓面形砂轮有害 有害程序错误 砂轮烧伤砂轮与工作严重干涉图 2 原因轴分析Fig. 2 Reason analysis采用等面积对置油腔的垂向静压导轨结构，实际应用中油压很关键，油压过低会导致整个磨头下垂。这是由
7、于磨头处于悬臂状态，且质量很大，导轨受力不均。假如静压导轨端产生微小位移，由于砂轮处于悬臂状态，导致在砂轮端误差被放大成。误差放大分析如图所示，根据图所示的几何关系，可以推断出放大误差： ( )( ) ( ) ( )。 （）式（）中： 为箱体长度； 为导轨长度； 为砂轮直径。图为与关系曲线。由图可以看出，在 范围内，两者近似线性关系，经过拟合可近似得到 的关系，即误差在砂轮端大约被放大了 倍。过大的放大误差对于精磨阶段是不允许的，因为细砂轮对于进给量很敏感，放大误差必将导致砂轮烧伤。可见，静压导轨刚度不够对加工的影响很大，根据磨床结构和受力情况解决刚度问题十分必要。第期马林，等：基于理论的磨床
8、闭式静压导轨优化h1DLUNI7802UNI8f6eUNI7bb1UNI4f53UNI9759UNI538bUNI5bfcUNI8f68D1h21图 3 误差放大分析Fig. 3 Analysis of magnified errors1/mm0.0250.0150.0050.0200.01000/10-3mm21 3 4 5 6 7 8 9 10图 4 与 1的关系Fig. 4 Relationship of and 1 利用矛盾矩阵对静压导轨进行优化 理论和技术矛盾简介理论由六大部分构成，包括： 的术语、创新的思维方法、创新方法分析问题工具、创新方法解决问题工具、创新的规律、发明问题算法。
9、 理论在大量发明专利基础之上通过总结抽取出来的发明问题解决理论，经过多年的应用发展，如今在各个领域得到了广泛的应用 。技术矛盾是理论中解决问题的工具。 先生在对海量专利进行分析时，发现当改善了技术系统中的某一个参数，经常伴随着技术系统中的另一个参数恶化，这样的矛盾叫做技术矛盾。同时还发现在不同的领域的相同的技术矛盾的解决方案大量采用了某几个原理。通过分析整理确定了力、形状、稳定性等个通用技术参数和分割、变害为利、机械振动原理等个创新原理，同时统计出使用频次最高的几个原理，建立了矛盾矩阵表。遇到技术矛盾可以通过定义通用技术参数，查找矛盾矩阵表的方式寻找可能使用的创新原理，根据创新原理的提示找到问
10、题的解决方案。 静压导轨优化方案利用技术矛盾工具分析可得到相应的改善参数和恶化参数。改善参数为力（ ），恶化参数为可制造性（ ）。查找矛盾矩阵表得到个可以使用的创新原理，它们分别是：动态特性原理（ ）、热膨胀原理（ ）、机械振动（ ）和分割原理（ ）。分割原理的使用方法为： 把一个物体分成相互独立的部分； 将物体分成容易组装和拆卸的部分； 提高物体的可分性。利用分割原理将静压导轨各部分导轨从一整块分割为几块，即拼块式静压导轨。如图所示，拼块式静压导轨由工作台导轨、下导轨、调整垫、导轨压板组成，各部分均为平板形式，形成拼块式结构。下导轨固定于床身之上，工作台导轨安装在导轨压板和下导轨之间，且工作
11、台导轨与调整垫配研，厚度略小于调整垫约（ ） ，以便工作台导轨的上、下油腔中注入液压油后，在工作台导轨和导轨压板、工作台导轨和下导轨之间能充满液压油。 水平静压导轨油腔优化针对根本原因中的静压导轨刚度不够导致不稳定的问题，在不提高供油压力的情况下，一般可以通过加大静压导轨的油腔面积进行改进。但是加大油腔面积受制于静压导轨尺寸和形状，分析得出改善参数和恶化参数。改善参数为稳定性（ ），恶化参数为形状（ ）。查找矛盾矩阵表得到个可以使用的创新原理，它们分别为：变害为利原理（ ）、分割原理（ ）、机械振动原理（ ）和增加不对称性原理（ ）。厦门理工学院学报年增加不对称原理使用方法为： 将对称物体为非
12、对称； 已经是非对称的物体，增强其不对称的程度。根据不对称原理，利用不等面积对置油腔的静压支承，可以把支承较大的油腔面积加大，而把对置的承载较小的油腔面积减小，则能在不增支承尺寸及油压的情况下，提高导轨刚度。无论是水平静压导轨还是垂向静压导轨，目前采用的都是等面积对置油腔，每个导轨每一面开有个矩形油腔，油路布置于导轨内部。静压导轨设计以刚度无穷大为目标，系统采用双面薄膜节流器，因此要满足：（ ）（ ） （ ） 。 （）式（）中： 为节流比； 为薄膜控制系数； 为无量纲承载系数。由此确定薄膜控制系数，计算得出此时需要的供油压力为 。 （）式（）中： 为每对油腔设计状态载荷； 和分别为上下两面导轨
13、的有效承载面积。根据理论计算得到的参数结果，由于装配以及零件精度的原因，往往很难保证与实际参数的一致，因此实际工作的静压导轨刚度可能达不到预期的数值，不过理论计算为实际的加工和装配提供了有力的依据。优化后的每个导轨的每一面布置仍为个油腔，只是朝下的油腔较朝上的油腔面积大，朝下的油腔面积仍为原设计尺寸，下油腔与上油腔的面积之比为 。根据不等对置油腔设计思路，算出朝上的油腔面积以及对应的供油压力、薄膜厚度等参数。优化后的参数如表所示。表 水平静压导轨优化后的相关参数 参数初始值优化后节流比 油膜厚度 大小油腔有效承载面积比 节流器间隙 薄膜控制系数 供油压力 薄膜厚度 由表可以看出，在刚度无穷大的
14、设计目标下，优化后静压导轨供油压力从 降低到 ，不仅稳定性得到保证，而且成本也下降了。 垂向静压导轨油腔优化根据垂向静压导轨的布置形式，简化后受力分析如图所示。磨头位置类似悬臂，重力在各个油腔位置产生不均布的压力 ，在磨床导轨上由油腔压力形成了反作用力 ，因此，导轨上的压力不仅大小是变化的，而且方向也不同。因此，利用不对称原理，理论上采用不等对置油腔设计，即面与面的油腔面积是不等的，具体尺寸布置如图所示。为了简化计算，根据受力分析将施加在静压导轨的力分布线性化处理。静压导轨的油腔在面和面都设计成个相等的大油腔（与初始油腔尺寸一致）和依次减小的个小油腔，保证同一位置的油腔是不等对置的。由于优化后
15、的水平静压导轨油压为 ，为方便起见同时节约成本，设定其也为垂向静压导轨的油压值。根据图所示的几何关系及受力分析，可得到各个油腔的受力： ( ) （ ） 。 （）式（）中： 是磨头重力； 为磨头长度； 为砂轮法向力； 为各个油腔到导轨中心距离。第期马林，等：基于理论的磨床闭式静压导轨优化在保持原有轴油膜厚度和刚度的前提下，根据公式（）和实际磨床的其他参数，进而计算出各个油腔的尺寸，计算得到的油腔尺寸如表所示。GF1UNI78e8UNI5934UNI5bfcUNI8f68AUNI9762BUNI9762FnLF2F3F11F22F33d1d2d3F4F5F6F44F55F66AUNI9762BUN
16、I9762blb1b2b3l1l2l3图 6 垂向导轨受力分析图Fig. 6 Force diagram of vertical hydrostatic guideway图 7 不等对置油腔布置Fig. 7 Unequal oil pockets layout表 油腔尺寸 序号面面 结论针对磨床整体式静压导轨制造难度大以及刚度要求高、结构复杂等问题，利用理论分析问题的工具根本原因分析，找到问题产生的根本原因，并利用技术矛盾求解工具，在矛盾矩阵表中找到了解决问题的创新原理。采用分割原理将整体式静压导轨变换成拼块式以解决制造难度大的问题；应用增加不对称原理，通过对高精度磨床的水平及垂向静压导轨的磨
17、削过程的受力分析，将油腔改为不等対置的布置方式并计算两轴的静压导轨的油腔尺寸。该油腔布置方案提高了静压导轨的刚度，并降低了油压，提高了经济效益。参考文献董鹏程超精密液体静压导轨静动态特性分析及控制技术研究哈尔滨：哈尔滨工业大学， ： 苏文涛，喻鹏，洪寿福机床静压导轨结构设计制造技术与机床， （）： 李松，宋锦春，任广安，等闭式静压导轨结构静动态性能分析机械设计与制造， （）： 柯晓龙，黄海滨，林晓辉，等拼块式液体静压导轨设计与数值分析厦门理工学院学报， ， （）：孙学赟，罗松保液体静压导轨对置油垫承载能力及刚度的优化设计航空精密制造技术， ， （）：彭开元，叶际隆，方春平，等 理论在自行小车优化设计中的应用机械制造， ，（）：厦门理工学院学报年刘大立，宋敏， 理论在提高磨机衬板耐磨性上的应用有色设备， （）： ， ， ， ， （）： ， ， ， （）： ， ， ， ， ， （）： 张欣，郑永康基于功能裁减法的自平衡担架设计研究包装工程， ， （）： 杨雪荣，孟欢，姚丽娟，等基于理论的轨检小车机械结构创新设计包装工程， ， （）：梁宏力，王海燕技术矛盾物理矛盾的分析与确定：基于消云图工业技术经济，（）：丁振乾流体静压支承设计上海：上海科学技术出版社， ： （责任编辑 李 宁）