第３期 ２０１４年３月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ １５
大型机床导轨防护罩参数优化设计 刘江，刘漫贤，宋光义 （北京科技大学机械工程学院，北京１０００８３）
摘要：提出了基于Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ和Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ相结合的参数优化设计方法的设计理念。通过对导轨防护罩建模及载 荷定义，结构参数拟定，参数优化设计，得到了导轨防护罩的最优结构参数，从而实现了导轨防护罩的短周期、低成本、高 质量开发。研究表明，与传统设计相比，参数优化设计不但可以确保产品的机械性能指标，有效地提高了刚性及排屑性 能，而且大大地减少了产品重量及机床的占用空间，降低了制造成本，并缩短了研发周期，为大型机床导轨防护罩的设计 提供了理论依据和指导作用。 关键词：导轨防护罩；Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ；Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ；参数优化设计 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ５０２．３９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１４）０３—００１５—０４
Ｔｈｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ ＬＩＵ Ｊｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｍａｎ—ｘｉａｎ，ＳＯＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｙｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｒｉｎｇ １ ０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ＷＯ￥ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏ／ Ｍｅｃｈａｎｉｃ＆Ｂｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｇｕｉｄｅｗａｙ ｇｕａｒｄ．ｄｅｆｉｎｉｎｇ ｉｔｓ ｆ０础．ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｉｔ ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｇｕｉｄｅｗａｙ ｇｕａｒｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｓｈｏｎ ｃｙｃｌｅ，ｚｏ叫—ｃ∞￡，ａｎｄ 一 ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｇｕｉｄｅｗａｙｇｕａｒｄ Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｎｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅａｃｈｔｈｅ ｔａｒｇｅｔｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔ，ｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙａｎｄ ｃ蜘，ｒｅｍｏｖａｌ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｓｔｓ，ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｙｃｌｅｓ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｏｆｇｕｉｄｅｗａｙｇｕａｒｄｏｆｌａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ；Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ；Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
１引言 数控机床是一种高速、高精度的现代自动化生产设备。数控 机床上的导轨防护罩用于防护加工时所产生的切屑掉人机械内 部和加工所用之切削液喷溅或渗入机械内部，而造成导轨、电机、 光栅尺、感应器、丝杠等精密组件的损坏 。传统抽拉式导轨防护 罩是依据机床所需行程及位置大小而设计出的多片组合方式，并 借着一片推动一片来产生位移的［３１。 匝 麴窭 至
， 一 医 圃、、、／／ 图１参数优化设计过程 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
目前生产机床配件的中小企业对大型导轨防护罩的设计普 遍带有盲目性，一般是靠设计人员实际经验或参照市场上已有产
品进行仿造，制造出来的产品可能出现机械性能（如刚度等）较差 或过高、材料使用量过多、制造成本过高等问题。以ＬＭＣ３３０８大 型龙门加工中心 轴抽拉式导轨防护罩为研究对象，采用Ｐｒｏ／ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ参数化设计和Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ优化设计相结合的参数优 化设计方法，对大型机床导轨防护罩的设计进行了深入的研究， 设计过程，如图１所示。 ２防护罩建模及载荷定义
根据ＬＭＣ３３０８龙门加工中心的技术要求，先由设计经验和 理论计算相结合的传统设汁方法初步拟定防护罩的技术参数 ， 如图２所示。其参数为：拉伸后长度为１０８００ｍｍ，压缩后长度为 １８５０ｍｍ，行程为８９５０ｍｍ，厚度为６ｍｍ，长度为１８００ｍｍ，高度为 ４１７ｍｍ，宽度为２４２３ｍｍ，节数为６，角度１７６。，材料为１Ｃｒｌ３，单 侧防护罩总质量为１６７１ｋｇ。然后进行三维建模，选取中间一节罩 板作为分析模型。 为便于分析，对罩板上的辅助零件（如滚轮，刮屑板等）进 行了简化，简化后罩板，如图３所示。罩板的参数初始值，如表１ 所示。
来稿日期：２０１３—０９—１５ 基金项目：广东省教育部产学研结合项目资金资助（２Ｏ１１Ａ０９０２００００７） 作者简介：刘江，（１９６９一），男，北京市人，副教授，博士，主要研究方向：数控机床设计研发； 刘漫贤，（１９８６一），男，广东潮州人，硕士，主要研究方向：数控机床设计研发 １６ 刘 江等：大型机床导轨防护罩参数优化设计 第３期 图２抽拉式防护罩三维模型 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｐｕｌｌ Ｔｙｐｅ Ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ
图３防护罩罩板简化模型 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅＧｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ Ｐｌａｔｅ 表１罩板几何参数初始值 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｉｎｉｔｉａｌ Ｖａｌｕｅ ｏｆ Ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ Ｐｌａｔｅ 考虑防护罩受力变形最大的情况，假设防护罩全部伸开，承 受一个成年人的体重（大约１００ｋｇ），并且重力全部集中在单个罩 板的一侧，受力面积大约（３００ｘ２００）ｍｍ，阴影部分，如图４所示。 通过添加参数“关系”使得受力位置始终保持在左侧罩板中间而 不随罩板参数的变化发生变化。在罩板零件下进入Ｐｒｏ／Ｍ界面， 编辑“曲面区域”，进入草绘后添加参数 。及 ，并定义关系 ｓｄ８＝Ｌｌ，ｓｄ９＝Ｌ２ 再进入罩板的钣金件界面下，定义关系：Ｌ，＝ｄ４／４，Ｌｚ＝Ｌ／２ 式中：ｓｄ８、ｓｄ９、ｄ厂参数 、￡ 、 在Ｐｒｏ／Ｅ中的默认参数。 图４罩板受力位置图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｍａｐ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ Ｐｌａｔｅ ３罩板结构参数拟定 ３．１确定分析参数及局部灵敏度分析 根据实际情况分析模型，可知罩板结构参数日、 由机床的 结构参数确定，故只需分析防护罩受参数三、ａ，８的影响情况。 图５罩板的有限元分析定义 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｇｕａｒｄ Ｐｌａｔｅ 在Ｐｒｏ／Ｍ中设置材料属性，将材料ｌＣｒｌ３分配给罩板和筋 板，并添加约束、重力及载荷，定义静态分析，如图５所示。再分别 对参数Ｌ、ａ，６进行局部灵敏度分析，分析结果，如图６所示。 由图６可知参数。、 对罩板最大位移量的影响很大，而参 数 对罩板最大位移量的影响并不明显。故先对局部灵敏度较大 的参数。、６进行全局灵敏度分析，再通过理论计算及全局灵敏度 分析确定 的参数值。 ｍａｘｄｉｓｐｍａｇ （ｉｎｍ） Ｄｅｓｉｇｎ Ｖａｒ Ｌｏａｄｓｅｔ：Ｓｕｍｍｅｄ Ｌｏａｄ Ｓｅｔ ３９．２５ 鲁Ｊ ３９Ｏ０ 口 葛 昌
３８．７５ １７８０ Ｕ０ １７９０．０Ｕ ｌ ８ｌＭ】．ＵＵ ｌ８１０．０Ｕ ｌ ８２０．０Ｕ ￡
（ａ）
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Ｄｅｓｉｇｎ Ｖａｒ
４３ ４１
ｌｌ３７ ３６ １７４．０Ｏ １７５．０Ｏ ｌ７６．ＯＯ １７７．Ｏ０ ｌ７８．Ｏ０
（ｂ） ｍ（ｍａｘ
ｍ＿）
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（ｃ） 图６参数 、ａ，６局部灵敏度分析 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ Ｌｏｃａｌ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｌ、ａ，６ ３＿２参数ａ全局灵敏度分析
基于美观和便于排屑的考虑，初步拟定参数ａ取值范围： １５０ｏ≤ｏ≤１８０ｏ。由于该防护罩由罩板和筋板组成，为使组件参数 。在全局灵敏度分析时罩板及筋板的角度也同步变动，在组件 中添加参数ａｎｇｌｅ，并添加关系：ＡＮＧＬＥ—Ａ：０＝ａｎｇｌｅ，ＡＮＧＬＥ—Ｂ： ２＝ａｎｇｌｅ 同时在罩板和筋板中分别添加参数ＡＮＧＬＥ—Ａ和ＡＮＧＬＥ—Ｂ， 并添加关系：ａ＝ＡＮＧＬＥ＿Ａ，ｄ１９＝ＡＮＧＬＥ—Ｂ 关系式中，参数ＡＮＧＬＥ—Ａ：０、ＡＮＧＬＥ—Ｂ：２、０及ｄ１９分别是组