基于TRIZ理论的数控十字滑台结构创新设计与性能分析.pdf

摘要：针对现有数控十字滑台存在的问题，运用 TRIZ 理论对数控十字滑台进行创新设计.通过分析十字滑台的托板-滑块部件和工作台部件存在的技术冲突，分别建立了各部件的 TRIZ 问题模型与矛盾矩阵，并利用TRIZ 发明原理对托板-滑块部件和工作台部件进行了创新设计.通过验证，最终得到了性能优良的创新设计结构.关键词：十字滑台；TRIZ 理论；模态分析；静力学分析中图分类号：TG659文献标志码：A文章编号：2095-719X（2023）04-0268-06Structural Innovation Design and Performance Analysis of CNC CrossSlide Platform Based on TRIZ TheoryWANG Zhiwei,WANG Wenjin,YU Ming,LI Minsheng（School of Control and Mechanical Engineering,TCU,Tianjin 300384,China）Abstract：Aiming at the existing problems,the CNC cross slide table is designed innovatively by using TRIZ theory.Byanalyzing the technical conflict between the pallet slider part and the worktable part of the cross slide table,the TRIZ problemmodel and contradiction matrix of each part are established respectively,while the pallet slider part and worktable part areinnovatively designed by using TRIZ invention principles.The innovative design structure with excellent performance isfinally verified by experiments.Key words：cross slide table;TRIZ theory;modal analysis;statics analysisDOI：10.19479/j.2095-719x.2304268天津城建大学学报允燥怎则灶葬造 o枣 栽蚤葬灶躁蚤灶 Chengjian 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠第 29 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.29No.4Aug.2023基于 TRIZ 理论的数控十字滑台结构创新设计与性能分析王志伟，汪文津，于明，李民生（天津城建大学 控制与机械工程学院，天津 300384）收稿日期：2021-11-22；修订日期：2021-12-09基金项目：天津市自然科学基金（重点）项目（16JCZDJC38600）；天津市企业科技特派员项目（20YDTPJC00610）作者简介：王志伟（1994），男，河北承德人，天津城建大学硕士生.通讯作者：汪文津（1971），男，副教授，博士，从事机械传动技术、数字化设计与制造研究.E-mail：数控十字滑台是数控机床的关键零部件，而托板-滑块和工作台作为十字滑台的主要运动部件，其运动速度和稳定性会直接影响到数控机床的加工精度1.现代数控机床正在向着高速、高精、高效的方向快速发展，随着系统速度、加速度、精度的不断提高，对设备性能的要求越来越严苛.因此，有必要对十字滑台的托板-滑块部件与工作台部件加以改进，以适应当下对数控机床高速、高精的发展需求.目前，已有不少学者对各种十字滑台结构做了分析.杨春旺等2对用于车身焊接的一种多工位十字滑台进行了改进设计，提高了汽车车身的焊接效率；潘石群等3对立式加工中心十字滑台整体结构进行了仿真，明确了十字滑台的薄弱环节；洪学武等4基于 ANSYS对数控十字滑台进行了模态分析，通过模态振型图，找出了十字滑台结构的薄弱环节.但是，现有的研究大多只找出了十字滑台的薄弱环节，缺少对十字滑台的结构创新设计.相较于传统机械结构设计方法，发明问题解决理论（theory of inventive problem resolving，简称 TRIZ）是产品创新设计的有力工具，可大大加快人们创造发明的进程且能得到高质量的创新，尤其在机械设计领域应用广泛5.高志鹏等6运用 TRIZ 理论对堆垛装置的结构进行创新设计，成功得到堆垛装置的创新优化方案；李金凤等7运用 TRIZ 冲突矩阵，解决了割晒系统中涉及的矛盾冲突，完成了豌豆割晒系统中割晒装置、防缠绕拨禾装置、输送铺放装置等关键设计方案求解.因此，本文运用 TRIZ 理论，通过深入分析数控十2023 年 8 月字滑台的托板-滑块部件和工作台部件存在的冲突，建立矛盾矩阵，并利用 40 个发明原理对托板-滑块部件和工作台部件结构进行创新设计.1数控十字滑台 TRIZ 问题模型利用 TRIZ 理论解决工程问题，首先要将工程中遇到的具体问题，通过 39 个工程参数转化为 TRIZ 问题模型8.由于数控十字滑台主要包括托板-滑块部件和工作台部件，因此分别对二者建立 TRIZ 问题模型.1.1托板-滑块部件 TRIZ 问题模型常用数控十字滑台的托板-滑块部件，大多是将上下两层垂直摆放的滑块固定在托板上，利用滑块侧边的凸起与滑轨的凹槽相互配合，依靠电机带动丝杠旋转，进而带动滑轨上的托板移动9，如图 1 所示.托板-滑块部件存在的工程问题为：为了提高零件的加工速度，需要增加托板-滑块的移动速度，但托板-滑块移动速度的增加，会导致十字滑台运动不平稳，进而影响到数控机床的加工精度.在托板-滑块系统中，速度与稳定性是两个不同且相互制约的参数.因此，托板-滑块系统的冲突为技术冲突.参照 39 个工程参数10，将托板-滑块系统的工程问题转化成 TRIZ 问题模型，托板-滑块改善参数可以用 No.09 速度来描述，恶化参数可以用 No.13 结构的稳定性来描述.1.2工作台部件 TRIZ 问题模型常用数控十字滑台的工作台部件，普遍采用实心板结构，板上开有 T 型槽以方便零件装夹固定，底部安装有 y 轴方向滑轨，滑轨与托板的上层滑块相配合，如图 2 所示.这种结构虽然刚度较大不易变形，但会导致工作台质量增加.工作台部件存在的工程问题为：为了提高十字滑台的移动速度，需要减小工作台的质量，但是工作台质量的减小，会导致工作台刚度的降低.在工作台系统中，工作台质量和工作台刚度也是两个不同且相互制约的参数，因此，这组冲突同上述托板-滑块系统一样，也属于技术冲突.参照 39 个工程参数，将工作台系统的工程问题转化成 TRIZ 问题模型，工作台改善参数可以用 No.01运动件的重量来描述，恶化参数可以用 No.14 强度来描述.2托板-滑块部件创新设计方法根据 TRIZ 原理，技术冲突可运用 TRIZ 矛盾矩阵予以解决.矛盾矩阵是专为解决技术冲突而设置的，旨在借助 39 个标准参数和 40 条发明原理，根据矛盾矩阵所给出的原理提示，对结构进行创新设计，从而解决实际问题11.2.1托板-滑块部件矛盾矩阵的建立根据托板-滑块部件的 TRIZ 问题模型，以 No.13为列参数，以 No.09 为行参数，查阅阿奇舒勒矛盾矩阵10，截取适用于本问题的子矩阵，得到 4 条 TRIZ 建议的解决问题原理解，如表 1 所示.根据表 1，由矛盾矩阵得到的发明原理为：No.28机械系统的替代、No.33 同质性、No.01 分割、No.18 振动.2.2托板-滑块部件结构的创新设计结合托板-滑块部件的具体结构，分别利用 4 个发明原理，对托板-滑块部件进行创新设计.2.2.1基于机械系统替代原理的创新设计依据机械系统的替代原理，可以用电场、磁场等完成物体的相互作用.与机械场相比，电磁场无须接触即可完成受力，摩擦小，磨损小.因此，可以将滑块设计为磁浮滑块，滑块工作时悬浮在滑轨上方，不与滑轨直接接触，即可减小滑块与滑轨之间的摩擦，提高滑块的移动速度.然而，当下磁浮技术开发难度较大，实际应用到图 1某 CNC 十字滑台整体结构示意X 轴驱动电机滑轨工作台Y 轴驱动电机托板-滑块图 2数控十字滑台工作台表 1TRIZ 冲突矩阵（部分）改善参数与恶化参数13 结构的稳定性09 速度28，33，01，18王志伟等：基于 TRIZ 理论的数控十字滑台结构创新设计与性能分析269天津城建大学学报第 29 卷第 4 期数控机床中成本较高.因此，基于机械系统替代原理的创新设计不是最优方案.2.2.2基于同质性原理的创新设计依据同质性原理，与主物体相互作用的物体，应该由主物体的同种材料（或者具有相似性属性的材料）制成.使用同种或者相似的材料，可以减少备用材料的种类，便于系统的后期维护.因此，利用同质性原理，可以将滑块与托板设置为同种材料.在实际生产中，为了保证滑块的高额定载荷和更长的寿命，滑块主体材料一般选用轴承钢.而托板主要作为滑块和丝杠座的载体，不直接参与滑轨配合，所以托板材料一般选用成本更低的普通结构钢.如果将托板材料更换为与滑块相同的轴承钢，对十字滑台的性能不会产生明显改善，但会额外增加十字滑台的生产成本.因此，基于同质性原理的创新设计也不是最优方案.2.2.3基于分割原理的创新设计数控十字滑台常用的托板-滑块结构如图 3 所示，十字滑台一个托板上面有两个呈对称分布的滑块，随着十字滑台移动速度的增加，两个滑块难以支撑 Y 轴滑台的高速平稳移动.依据分割原理，可以把一个物体分成相互独立的几个部分.因此，将一个滑块分割成两个串联在一起的滑块替代，这样滑块与滑轨的接触面积增加，滑块的受力会更加均衡，能有效提高十字滑台的托板-滑块部件在运动时的稳定性.创新设计后的托板-双滑块结构如图 4 所示.整个托板-双滑块部件由八个滑块和三个滚珠丝杠支撑座组成.其中，八个滑块分为两组，托板底面四个单滑块为一组，分列在托板四个角处.托板上面四个双滑块为一组，与底面滑块呈垂直摆放.底层一个滚珠丝杠支撑座作为 Y 轴方向丝杠的从动件，同时作为顶层 X 轴部件的主动件，带动十字滑台在 Y 轴方向移动.顶层两个滚珠丝杠支撑座，作为 X 轴方向丝杠的从动件，同时作为工作台面的主动件，带动实现十字滑台在 X 轴方向高平稳移动.2.2.4基于振动原理的创新设计依据振动原理，可以利用共振现象或共振频率来改进结构.模态作为机械结构的固有振动特性，每一阶模态具有特定的阻尼比和模态振型.因此，可以利用 ANSYS 对托板-滑块部件进行模态分析，确定托板-滑块的固有频率和振型，对托板-滑块结构进行创新设计，改进薄弱环节.将托 板-滑 块 部 件 的 CAD 实 体 模 型 导 入 到ANSYS Workbench 中，为了减少计算量，对十字滑台结构中螺栓等细小结构进行简化，这不会对原始结构造成实质性影响.托板材料选择结构钢，弹性模量 E=2 伊 1011Pa，泊松比 滋=0.3，密度 籽=7 850 kg/m3.滑块材料选择轴承钢，弹性模量 E=2.1 伊 1011Pa，泊松比 滋=0.3，密度 籽=7 900 kg/m3，各向同性、介质均匀.选用Solid186 单元进行自由网格划分，网格尺寸为 5mm，如图 5 所示，共得到 78 859 个单元，160 666 个节点.由于高阶模态对结构影响较小，实际使用中结构在低阶频率下的表现尤为重要.剔除刚体移动模态和虚拟模态后，提取前 4 阶模态，模态振型如图 6 所示.其中，f 表示托板-滑块在不同阶次下对应的固有频率.不同阶次下托板-滑块的最大相对变形情况如表 2 所示.由托板-滑块部件前 4 阶振型图及分析动画可知：第 1 阶振型，托板-滑块绕一条对角线上下弯曲，相对最大变形发生在托板四角处；第 2 阶振型，托板-滑块绕 Y 轴上下弯曲，相对最大变形发生在托板与 Y轴平行的两条边线处；第 3 阶振型，托板-滑块绕 X 轴图 3数控十字滑台常用的托板-滑块结构图 4创新设计后的托板-双滑块结构丝杠座下层滑块上层滑块托板固定螺栓丝杠座下层滑块上层双滑块托板固定螺栓图 5托板-滑块部件网格划分2702023 年 8 月图 6托板-滑块部件前 4 阶振型（a）f=1 751.6 Hz（b）f=1 900.9 Hz（c）f=2 472.1 Hz（d）f=3 747.5 Hz表 2托板-滑块部件前 4 阶模态频率及最大相对变形阶次频率/Hz最大相对变形/mm1 阶1 751.60.2352 阶1 900.90.3563 阶2 472.10.3854 阶3 747.50.387上下弯曲，相对最大变形发生在托板与 X 轴平行的两条边线和丝杠座上边线处；第 4 阶振型，托板-滑块绕两条对角线上下弯曲，相对最大变形发生在托板四角处.对托板-滑块部件而言，托板的四角处对十字滑台加工精度影响较小，为非重要区域，应该着重关注第三阶振型中丝杠座的相对变形，即丝杠座为托板-滑块的薄弱环节.为了增加丝杠座处的结构强度，可以在图 4 创新设计的基础上，将丝杠座所在托板处进行加厚处理，以减少托板-滑块部件的振动.创新设计后的加厚托板-双滑块结构如图 7 所示.将创新设计后的加厚托板-双滑块按照与原始结构相同的操作，再进行模态分析，提取前 4 阶模态，模态振型如图 8 所示.创新设计前后结构的固有频率和最大相对变形对比如表 3 所示.由加厚托板-双滑块前 4 阶振型图及分析动画可知，创新设计后的加厚托板-双滑块相比原结构，每一阶振型所对应的最大相对变形都避开了丝杠座所在位置，位于托板四角处，且最大相对变形减少了 18%左右，托板-滑块结构稳定性得到了提升.3工作台部件创新设计方法3.1工作台部件矛盾矩阵的建立根据工作台部件的 TRIZ 问题模型，以 No.13 为列参数，以 No.09 为行参数，查阅阿奇舒勒矛盾矩阵，截取适用于本问题的子矩阵，得到 2 条 TRIZ 建议的解决问题原理解，如表 4 所示.根据表 4，由矛盾矩阵得到的发明原理为：No.35材料转化、No.31 多孔材料.3.2工作台部件结构的创新设计结合工作台部件的具体结构，本文利用得到的 2图 7创新设计后的加厚托板-双滑块结构丝杠座下层滑块加厚板托板固定螺栓上层双滑块图 8加厚托板-双滑块前 4 阶振型（a）f=1 406.1 Hz（b）f=2 870.9 Hz（c）f=3 019.4 Hz（d）f=4 996.1 Hz表 3创新设计前后结构前 4 阶模态结果对比阶次原结构最大相对变形/mm加厚托板-双滑块最大相对变形/mm最大相对变形减小比例/%1 阶0.2350.18820.02 阶0.3560.29218.03 阶0.3850.32316.14 阶0.3870.31718.1表 4TRIZ 冲突矩阵（部分）改善参数与恶化参数14 强度01 运动件的重量35，31王志伟等：基于 TRIZ 理论的数控十字滑台结构创新设计与性能分析271天津城建大学学报第 29 卷第 4 期个发明原理，对工作台部件进行创新设计.3.2.1基于材料转化原理的创新设计常用的工作台部件材料一般为 HT300，其密度 籽=7 300 kg/m3.依据材料转化原理，可以改变材料的密度以使其满足要求.因此，将 HT300 更换为密度更小的1060 合金，其密度 籽=2 700 kg/m3，同体积下，可以减轻 64%的质量.然而，工作台部件作为十字滑台的承载部件，在数控机床工作时需要承受很大载荷，必须要保证工作台材料具有较大的强度.与 HT300 相比，1060 合金虽然密度减小，但是强度不够，在承载力比较大时易发生变形.因此，基于材料转化原理的创新设计不是最优方案.3.2.2基于多孔材料原理的创新设计依据多孔材料原理，可以让物体变成多孔结构.一般机械系统通常都是由没有渗透性的固体材料制成的，无渗透性的材料虽然刚度强度较大，但通常质量也较大.而具有渗透性的（多孔的）材料，只要结构设计合理，也可以达到渗透性材料的力学要求.根据多孔原理，将工作台部件中央进行镂空处理.为了减小镂空设计带来的刚度损失，在镂空处添加加强筋.其中镂空处为大小不同的六个直角三角形，呈中心对称分布.为了保证 T 型槽处的刚度，将 T 型槽开在两加强筋相交处，以最大限度减少镂空设计带来的刚度损失.处理后的多孔化工作台部件截面如图 9所示.利用 SolidWorks 评估插件对多孔化工作台结构进行质量评估.优化前工作台质量为 3 130 g，优化后结构的质量为 2 260 g，相比优化前减轻了 28%，符合轻量化设计目标.工作台作为十字滑台的承载部件，为了明确创新设计后的工作台刚度是否有明显降低，还需要对创新设计前后的结构进行静力学分析，判断优化方案的可靠性.将 CAD 软件中的工作台部件三维实体模型导入ANSYS Workbench 中，结构材料选择 HT300，弹性模量 E=8.9 伊 1010Pa，泊松比 滋=0.26，密度 籽=7 300 kg/m3，各向同性、介质均匀.选用 Solid 186 六面体单元进行自由网格划分，网格尺寸为3 mm.工作台网格结构如图 10 所示，原始结构得到 3 432 个单元，18 455 个节点，多孔化结构得到 6 864 个单元，38 387 个节点.在工作台底面上施加固定约束与标准地球重力约束、工作台顶面施加斜坡压力 100 MPa，求解结果为等效应变与等效应力.求解时，综合考虑计算机性能和模型复杂度，最大加密循环设置为 1，加密深度设置为 2.求解后的等效应力分析云图如图 11 所示，等效应变分析云图如图 12 所示.改进前后的静力学性能对比如表 5 所示.从应力和应变分布云图对比可见，多孔化后的工作台结构，最大等效应变和最大等效应力出现在 T 型槽底部，与原始工作台相同.同时，多孔化结构相比于原始结构，最大应力与最大应变基本保持不变，刚度没有明显下降.图 9多孔化工作台结构断面示意图 11工作台应力分布云图（a）原始结构（b）多孔化结构图 12工作台应变分布云图（a）原始结构（b）多孔化结构表 5改进前后的静力学性能对比结构最大等效应力/MPa最大等效应变/mm原始结构2.2360.045多孔化结构2.2540.048图 10工作台网格结构（a）原始结构（b）多孔化结构2722023 年 8 月4结论本文运用 TRIZ 创新理论，对数控十字滑台的托板-滑块部件和工作台部件分别进行分析和创新设计，得出以下结论.（1）通过分析托板-滑块部件和工作台部件的技术冲突，建立矛盾矩阵，依据 40 个发明原理，成功得到了符合设计要求的十字滑台创新设计方案，提高了十字滑台在高速运动时的稳定性.（2）基于分割原理和振动原理创新设计的加厚托板-双滑块结构，相比原始结构，最大相对变形避开了丝杠座处薄弱位置；且前四阶每一阶振型的最大相对变形减少 20%左右，十字滑台的构稳定性得到了提升.（3）基于多孔化原理创新设计的工作台结构，相比于原始结构，在保证最大等效应力与最大等效应变基本不变，且刚度没有明显下降的情况下，工作台质量减轻了 28%，成功实现了工作台部件的轻量化创新设计.参考文献：1段广游.论机床十字滑台加工要点J.商品与质量，2018（49）：181-182.2杨春旺，韩有泉，闫哓阳，等.一种多工位十字滑台的设计与分析J.机械工程师，2014（8）：66-67.3潘石群，陈攀，茅亮亮.立式加工中心十字滑台仿真分析与优化J.中国机械，2015（1）：173-176.4洪学武，赵坚，高志鹏，等.基于 ANSYS 的数控十字滑台装配体的模态分析J.机械工程师，2016（8）：51-53.5夏文涵，王凯，李彦，等.基于 TRIZ 的管道机器人自适应检测模块创新设计J.机械工程学报，2016，52（5）：58-67.6高志鹏，赵坚，洪学武，等.基于 TRIZ 理论的立体仓库堆垛装置结构优化J.天津城建大学学报，2018，24（2）：122-124.7李金凤，赵继云，侯秀宁，等.采用 TRIZ 理论的豌豆割晒机械装备设计与试验J.农业工程学报，2020，36（8）：11-20.8祝志芳，袁斯宾，张志杰，等.基于 TRIZ 理论的自行车停车装置创新设计与试制J.机械设计与制造，2021（6）：258-261.9张命令，罗宏.基于 PLC 的三轴十字滑台带钢表面缺陷检测系统设计J.自动化与仪表，2018，33（2）：39-44.10 沈萌红.TRIZ 理论及机械创新实践M.北京：机械工业出版社，2012.11 SHEU D D，HOU C T.TRIZ-based trimming for process-machine improvements：slit-valve innovative redesignJ.Co-mputers&Industrial Engineering，2013，66（3）：555-566.王志伟等：基于 TRIZ 理论的数控十字滑台结构创新设计与性能分析273