CN102117357A - Pcb数控钻铣机零件减重优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，包括以下步骤：a.零件结构形状和外观尺寸分析；b.确定拓扑优化方案；c.机床零件有限元建模；d.建立拓扑优化任务；e.拓扑优化分析；f.根据优化结果改善设计零件；g.有限元仿真分析验证；h.如果性能指标满足设计要求，则采用该设计方案，设计完成；如果不满意则重新根据拓扑优化结果改善设计，再分析验证，直到满意为止。能够缩短设计周期和减小设计盲目性，提高设计质量。

Description

PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法

技术领域

本发明涉及PCB数控钻铣机的设计方法，尤其涉及PCB数控钻铣机零件的设计方法。

背景技术

随着电子产品的便携式、小型化及电器产品的加速升级换代，各种PCB(印刷电路板)制造新技术向着多层、高密度和高纵横比方向发展，例如：高纵横比达到1/26，对PCB板加工设备的要求也更高，要求其向高速高精度智能化方向发展，高速高精产品对机械结构最基本的要求是其具有高刚度、较小的变形和良好的动态性能。

机床的机械结构部分通常可以分为运动部分和不运动的部分，运动部分的质量与不运动部分的质量的相对数值通常被称为动静质量比，该比值是影响高速精密机床动态性能的主要因素之一。对于运动件，要求在满足静态精度和动态性能的条件下，其质量尽可能的小，从而在同样的运动参数条件下，机床消耗的能量可以减小，引起的动态误差也会减小，而驱动能量的减小决定了振动幅值的减小，从而机床的动态性能够得到改善。因此，减轻运动部分质量，合理配置不运动部分的质量成为机床设计的一个重要目标。

一般来说，机械产品的零部件主要是凭直觉和经验进行设计，采用这种方法设计出来的零部件往往不能全面满足高速高精产品的要求，尤其是难以保证动态性能方面的要求，而要同时达到减重则是难上加难。随着有限元软件的商业化及计算机运算能力的不断提高，零部件的设计过程中逐步开始应用有限元软件进行分析验证，如果性能达不到要求就循环往复地进行设计改进和分析验证过程，直到性能达到要求为止。零部件的这种设计方法，既可能要经过多次改进才能达到工程要求，也可能最终也无法达到工程要求而不得不做出妥协降低设计要求。

可见，现有的零部件的设计方法存在着设计周期较长、设计盲目性较大以及设计质量仍受设计者的经验的限制等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，而提出一种能够缩短设计周期、减少设计盲目性、极大提高设计质量的零件减重优化设计方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，提出一种PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，包括以下步骤：a.零件结构形状和外观尺寸分析；b.确定拓扑优化方案；c.机床零件有限元建模；d.建立拓扑优化任务；e.拓扑优化分析；f.根据优化结果改善设计零件；g.有限元仿真分析验证；h.如果性能指标满足设计要求，则采用该设计方案，设计完成；如果不满意则重新根据拓扑优化结果改善设计，再分析验证，直到满意为止。

所述步骤a具体包括：根据零件所实现的功能确定零件外观形状、尺寸和材料；根据零件在设备中与相邻零件的装配关系确定约束面和载荷面。

所述步骤b具体包括：根据零件的工作条件、工作环境及工程要求，明确产品的设计意图和要求，确定拓扑优化的目标和约束条件。

所述步骤c具体包括：在CAD建模环境中或在有限元环境下，根据确定的零件外观形状和尺寸，建立零件几何模型；利用该几何模型在有限元环境下，定义材料，划分网格；定义分析类型和单元组；根据工作状况定义边界条件与约束；生成可供拓扑优化分析调用的数据文件。

所述步骤d具体包括：根据确定的拓扑优化方案在结构拓扑优化的环境下建立拓扑优化任务，定义拓扑优化的变量域；定义拓扑优化目标；定义自变量约束；定义设计响应约束。

所述的定义自变量约束具体包括：定义几何约束和冻结区约束。

所述的定义设计响应约束具体包括：定义体积约束和模态频率值约束。

所述步骤e具体包括：提交建立完成的拓扑优化任务，进行拓扑优化分析调试，结果得到最佳材料分布方案

所述步骤f具体包括：如果对拓扑优化得到的最佳材料分布方案比较满意，根据该材料分布方案和加工制造工艺的一般要求，设计零件结构，绘制零件的三维模型；如果对拓扑优化得到的最佳材料分布方案不太满意，则改变拓扑优化方案或调整拓扑优化参数再进行拓扑优化分析，直到对得到的材料分布方案满意为止。

所述步骤g具体包括：对原有零件和根据拓扑优化结果的改善设计进行工况条件下的静力学和模态分析对比。

同现有技术相比，本发明的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，能够缩短设计周期，减少设计盲目性，大大提高设计质量。

附图说明

图1为本发明的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法实施例的流程图。

图2为本发明方法所针对的一种多轴数控钻机的结构图。

图3为图2所示多轴数控钻机中的工作台底架的现有结构图。

图4为图3所示工作台底架采用本发明方法改善设计的流程及有关设计的结构图。

图5为图3所示工作台底架的现有设计与采用本发明方法改善设计后的静变形对比。

图6为图3所示工作台底架的现有设计与采用本发明方法改善设计后的模态频率对比。

具体实施方式

以下结合各附图所示之最佳实施例作进一步详述。

本发明提出的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法的思路包括：在概念设计阶段，联合应用结构有限元软件和结构拓扑优化软件，对零件进行拓扑优化分析，得到材料的最佳分布方案，根据该材料分布方案，进行零件结构设计，最后进行有限元分析验证。

本发明提出的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，参见图1和图4给出的流程，具体可以包括以下步骤：

a.零件结构形状和外观尺寸分析：根据零件所实现的功能确定零件外观形状、尺寸和材料；根据零件在设备中与相邻零件的装配关系确定约束面和载荷面。

b.确定拓扑优化方案：根据零件的工作条件、工作环境及工程要求，明确产品的设计意图和要求，确定拓扑优化的目标、约束条件等。

c.机床零件有限元建模：在CAD建模环境中或在有限元环境下，根据确定的零件外观形状、和尺寸，建立零件几何模型；利用该几何模型在有限元环境下，定义材料，划分网格，定义分析类型和单元组等，根据工作状况定义边界条件与载荷，生成可供拓扑优化分析调用的数据文件。

d.建立拓扑优化任务：根据确定的拓扑优化方案在结构拓扑优化的环境下建立拓扑优化任务，定义拓扑优化的变量域、拓扑优化目标、设计响应约束、几何约束、尺寸约束、工艺制造约束、拓扑优化的冻结区约束等。

e.拓扑优化分析：提交建立完成的拓扑优化任务，进行拓扑优化分析调试，结果得到最佳材料分布方案。

f.根据优化结果改善设计零件：如果对拓扑优化得到的最佳材料分布方案比较满意，根据该材料分布方案和加工制造工艺的一般要求，设计零件结构，绘制零件的三维模型；如果对拓扑优化得到的最佳材料分布方案不太满意，则改变拓扑优化方案或调整拓扑优化参数再进行拓扑优化分析，直到对得到的材料分布方案满意为止。

g.有限元仿真分析验证：对原有零件和根据拓扑优化结果的改善设计进行工况条件下的静力学和模态分析对比。

h.如果性能指标满足设计要求，则采用该设计方案，设计完成；如果不满意则重新根据拓扑优化结果改善设计，再分析验证，直到满意为止。

以下，结合多轴PCB数控钻机中的工作台底架的设计，对本发明方法予以详细说明。

图2为本发明方法所针对的一种多轴数控钻机的结构图。该多轴数控钻机主要包括床身1、横梁2、z轴底板3、主轴夹4和工作台底架5等结构件，工作台底架5上安装有气夹6和面板7。

其中，该工作台底架5是多轴PCB数控钻机的主要运动件之一。该工作台底架5由直线电机驱动，实现工作台及线路板的y向，也就是前后向的运动，以达到钻不同位置小孔的目的。该工作台底架5的静态精度和动态性能对于保证钻机的加工精度和稳定性非常重要，其质量的减小对于y向运动的最大加速度、速度的提高，即工作效率的提高、动态性能的改善以及降低成本至关重要。

a、零件结构外观及约束面的确定

图3为图2所示多轴数控钻机中的工作台底架的现有结构图。该工作台底架的外观长3220mm、宽688mm、高111mm，重127.8Kg。其中间下面有两排滑块安装位置，两侧下面各设有4个气脚安装位置，其中内侧的气脚安装位置与滑块安装位太近并且同侧气脚的安装距离相对较远，这不利于刚度的提高，所以建立有限元几何模型时将内侧的气脚安装位向外移至距中心0.738m的位置。工作台底架的上面需安装面板和气夹以方便装卸线路版，其前方要安装刀库。

b、确定工作台底架的拓扑优化方案

由于工作台底架对于保证整机工作精度、工作稳定性和效率的重要性，在设计时不仅要求其静态变形小，也就是结构刚度大，而且还要求其动态性能要好，同时要求质量能尽量减小。所以考虑选择最大化最低阶模态频率作为目标函数，体积约束、几何对称约束和刚度约束体为拓扑优化的约束条件。

c、工作台底架的有限元建模

由于工作台底架的模型尺寸大，为了提高分析效率，将其简化为两维薄板。在有限元环境下，建立长3220mm、宽688mm的两维薄板，划分为四边形网格，定义包括滑块安装区、气脚安装区和前后边框的拓扑优化冻结组。然后定义材料、模态分析步和静力学分析步，并根据测试数据在气脚支撑位置添加1.6E7N/m的弹簧刚度约束，模态分析步在中间两排滑块安装区定义前后向自由、其它方向固定的边界条件；静力学分析步在中间两排滑块安装区施加固定的边界条件，整个平面施加2000N向下的压力、1500N向后的摩擦力，中间两排滑块安装区施加600N向前的推力。建立完成后的有限元模型，在图4中示出。最后生成可供拓扑优化分析软件调用的数据文件。

d、建立拓扑优化任务

根据确定的拓扑优化方案在拓扑优化的环境下建立拓扑优化任务，定义最大化最低阶模态频率的拓扑优化目标、定义体积约束为36％、最小尺寸约束为15mm、对称约束、拓扑优化的冻结区约束等。

e、拓扑优化分析

提交建立完成的拓扑优化任务，进行拓扑优化分析调试，结果得到最佳材料分布方案在图4中示出。为了得到最佳材料分布规律，更好的指导设计，改变体积约束为34％，其它条件不变，再进行拓扑优化分析。得到的最佳材料分布方案经圆滑处理后如图4中所示。

由拓扑优化结果模型可直观看出，以最大化最低阶模态频率为优化目标时，两种体积约条件下的拓扑优化结果模型的主要特征一致，只是局部的一些小的特征有差别，说明该优化方案所得的最佳材料分布规律性明显，所得到的结果为全局最优解。因此，可以依据以上两种拓扑优化结果模型来改善工作台底架，然后再与现有设计分析比较。

f、根据优化结果改善设计零件

根据前面的拓扑优化结果和工作台底架与相邻零件的相对位置安装关系对现有设计进行了改善，改善设计在图4中示出，其外观尺寸与现用设计一样，长3220mm、宽688mm、高111mm。

g、工作台底架改善设计的分析验证

对工作台底架现有设计和根据拓扑优化结果的改善设计进行静力学和模态分析对比。

一、静力学分析验证的工况是假设工作台底架向前运动时的受力状况，所施加的边界条件和载荷有：在中部滑块安装区施加固定的边界条件；在气脚支撑位置添加1.6E7N/m的上下向刚度约束；上面施加2000N向下的压力、1500N向后的摩擦力，中间两排滑块安装区施加600N向前的推力，添加重力。现有设计和改善设计的静变形分析结果对比如图5所示。

二、分别对现有设计和根据拓扑优化结果所作的改善设计进行了工况模态分析验证，分析所加的边界条件和约束有：在中部滑块安装区施加前后向自由、其它方向固定的边界条件；气脚支撑位置添加1.6E7N/m的上下刚度约束。由于反映结构动态性能的主要是前几阶模态频率，所以图6仅列出前后两种设计方案的前5阶模态频率性能。

由图5、6所示出的工作台底架现有设计和改善设计的静态变形和模态频率可知，两种设计的静态精度几乎一样，改善设计的模态性能稍好于现用设计，质量比现有设计减轻了29.1Kg，减轻了约22.8％，改善效果相当可观。

这为多轴PCB数控钻机前后向速度的提高、工作效率的提高、动态性能的改善和降低成本，做好了设计的准备。

h、对改善设计满意，采用该设计，设计完成。

与现有技术相比，本发明的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，在较大减轻零件质量的同时，能够保证零件的静态精度和动态性能，从而可有效解决零件设计质量受设计者经验限制的现状，克服设计的盲目性，大大提高设计质量，并缩短产品研发周期，降低成本。

本发明之实施，并不限于以上最佳实施例所公开的方式，凡基于上述设计思路，进行简单推演与替换，得到的具体的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，都属于本发明的实施。

Claims (10)

1.一种PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，包括以下步骤：

a.零件结构形状和外观尺寸分析；b.确定拓扑优化方案；c.机床零件有限元建模；d.建立拓扑优化任务；e.拓扑优化分析；f.根据优化结果改善设计零件；g.有限元仿真分析验证；h.如果性能指标满足设计要求，则采用该设计方案，设计完成；如果不满意则重新根据拓扑优化结果改善设计，再分析验证，直到满意为止。

2.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤a具体包括：根据零件所实现的功能确定零件外观形状、尺寸和材料；根据零件在设备中与相邻零件的装配关系确定约束面和载荷面。

3.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：根据零件的工作条件、工作环境及工程要求，明确产品的设计意图和要求，确定拓扑优化的目标和约束条件。

4.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：在CAD建模环境中或在有限元环境下，根据确定的零件外观形状和尺寸，建立零件几何模型；利用该几何模型在有限元环境下，定义材料，划分网格；定义分析类型和单元组；根据工作状况定义边界条件与约束；生成可供拓扑优化分析调用的数据文件。

5.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤d具体包括：根据确定的拓扑优化方案在结构拓扑优化的环境下建立拓扑优化任务，定义拓扑优化的变量域；定义拓扑优化目标；定义自变量约束；定义设计响应约束。

6.如权利要求5所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述的定义自变量约束具体包括：定义几何约束和冻结区约束。

7.如权利要求5所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述的定义设计响应约束具体包括：定义体积约束和模态频率值约束。

8.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤e具体包括：提交建立完成的拓扑优化任务，进行拓扑优化分析调试，结果得到最佳材料分布方案。

9.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤f具体包括：如果对拓扑优化得到的最佳材料分布方案比较满意，根据该材料分布方案和加工制造工艺的一般要求，设计零件结构，绘制零件的三维模型；如果对拓扑优化得到的最佳材料分布方案不太满意，则改变拓扑优化方案或调整拓扑优化参数再进行拓扑优化分析，直到对得到的材料分布方案满意为止。

10.如权利要求1所述的PCB数控钻铣机零件减重优化设计方法，其特征在于，所述步骤g具体包括：对原有零件和根据拓扑优化结果的改善设计进行工况条件下的静力学和模态分析对比。

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