CN103336868A - 一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法，应用于立式加工中心机床箱体类零件设计领域，其特征是针对支承件材料进行合理分布，在保证静、动态性能的前提下减轻支承件重量。包括以下3个步骤：建立立式加工中心机床箱体类支承件物理模型；构造立式加工中心机床箱体类支承件概念；立式加工中心机床箱体类支承件结构方案设计。本发明方法充分利用三维造型、有限元分析、拓扑优化以及支承件“概念-单元”设计知识库，完成支承件的结构优化设计。与传统设计方法相比，在保证支承件性能的前提下节省加工原材料，降低制造成本，达到轻量化设计的目的。

Description

一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法

技术领域

本发明涉及一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法，应用于机床零件结构设计领域，其特征是在保证支承件静、动态性能的前提下，对支承件材料进行合理分布，实现支承件结构的数字化设计。

背景技术

机床是由各个基本支承件组合而成，如床身、立柱、十字滑台等。其中，任意一个支承件的受力变形都会通过支承件间的连接传递至刀具端，产生加工误差。因此，每个支承件的静、动态性能都会影响到机床的加工能力，一套合理的机床支承件结构设计方法显得尤为重要。

现有机床支承件大多靠经验设计，不仅支承件性能达不到最优，而且还造成材料浪费，使得支承件结构笨重。也有依靠仿真软件对支承件进行模拟分析，不断改变其结构尺寸以寻求最优，此种设计方法工作量大，且准方案未必就是最佳方案。本发明支承件设计方法借助有限元分析软件及拓扑优化软件，寻求支承件在常用工况下受载时的传力路径，通过合理分布材料，使支承件材料布置在最有需要的位置，不仅能确保支承件静、动性能满足要求，还能达到节省制造材料、减重优化的目的。

发明内容

本发明涉及一种立式加工中心机床箱体类支承件结构优化设计方法，其本质是对支承件材料进行合理分布，在保证静、动态性能的前提下减轻支承件重量的结构设计方法。该方法提出了依据支承件的最佳传力路径建立支承件桁架式概念模型，在概念模型指导下进行支承件的主体结构、局部单元结构设计的一种新的支承件数字化设计方法。

本发明的技术方案如下：

第一步，建立立式加工中心机床箱体类支承件物理模型

（1）建立支承件几何实体结构。根据现有支承件二维图纸，建立适于进行支承件拓扑优化的三维几何模型，此模型应尽可能保证规则，去除边界倒角及次要的定位孔洞结构，去除高度小于20mm的凸台。

（2）求解与等效支承件载荷约束。综合考虑支承件实际工作情况，调用相应的切削力求解公式，求解出此工况下切削力FX,FY,FZ大小。将切削力FX,FY,FZ、切削位置X_F,Y_F,Z_F、支承零件质量m_i、重心参数X_Gi,Y_Gi,Z_Gi带入力学平衡方程，求出支承件所受到的合力：

$F_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\left(k\right),$ $M_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\left(k\right),$ i为x，y，z，

其中F_i为等效到结合面中心处的某单向力，M_i为等效到结合面中心处的某单向转矩，F_i(k)为结合面作用点处对应方向力，n为作用点数目，x，y，z为机床坐标系下三个方向。

调用受力平衡方程计算支承件的有限元分析载荷；依据支承件结合面的连接形式求解出不同结合面下的刚度参数，建立面向数控机床支承件的导轨、螺栓、丝杠等结合面的弹性约束模型。

（3）建立支承件物理模型。将支承件三维模型进入有限元分析，定义材料属性，依据支承件特征尺寸合理进行有限元网格划分；将上述步骤求解的支承件载荷结果与约束等效形式按照有限元模型里的建模方法与步骤，加载至有限元模型，形成支承件的物理模型。

第二步，构造立式加工中心机床箱体类支承件概念模型

（1）确定支承最佳传力路线。对物理模型进行拓扑优化，设定优化变量及优化区域，优化区域为非功能部件的支承件基体结构。定义各个工况下得载荷步，设计优化目标响应函数、优化约束及优化变量，目标响应函数是指静态应变能、静态加权应变能、静动组合应变能等，优化约束是指质量、体积、体积分数等；在体积约束下，以结构多工况的静态加权应变能最小为优化目标的结构优化数学模型表述如下：

$\left\{\begin{array}{c}\min C_W\left(X\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\Σ}{w}_i{u}_i{\left(X\right)}^T{\mathrm{Ku}}_i\left(X\right)\\ \mathrm{subjectto}\left\{\begin{array}{c}{V}_i\left(X\right)/V_0\≤\mathrm{\Δ}\\ 0\≤x_k\≤1,k=\mathrm{1,2},...,N\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中：X为设计变量，表示单元密度，u(X)为节点位移矢量，K为结构总体刚度矩阵；C_w(X)为静态应变能，w_i为每个载荷工况各自的加权系数，取值范围在0.0～1.0之间。V_i(X)为优化后设计域有效体积，V₀为优化前初始设计域体积，Δ为体积约束分数，处于0～1之间。

完成上述优化参数设置后调用优化求解器，迭代求解出支承件最佳材料分布路径。

（2）支承件概念模型产生。根据拓扑优化结果建立概念模型，概念模型为表达支承件最佳传力路径的桁架式骨架结构，用于完成支承件的主体结构设计。

首先对传力路径进行关键点提取。传力路径关键点即为支承件拓扑优化结果高材料密度上若干截面的外轮廓点集，是用来拟合传力路径的必需点。提取并记录这些点的空间坐标位置。

其次，拟合高密度材料的曲线、曲面。根据上述关键点拟合出高材料密度上若干截面的外轮廓曲线，并用各个截面上的外轮廓点拟合出传力路径曲线，通过扫掠或其它一些处理方式利用这些曲线得到高材料密度的拟合曲面，进而形成传力路径的实体模型结构。

最后对矢量化输出结果进行规整化。考虑到支承件外观特征，材料应规则的布置，如弧形面可规整为平面等，通过人机交互方式建立起桁架式的支承件概念构型。

三、建立立式加工中心机床箱体类支承件结构方案

（1）支承件主体构型与尺度。主体结构包括主壁板和主筋板两部分。主壁板建立是结合拓扑优化结果，综合考虑支承件的装配、连接、制造工艺，根据支承件不同的工作状况和受载形式，确定支承件的主壁板构型。计算不同壁板尺度下支承件的性能，确定支承件主壁板厚度尺度。主筋板是支承件受载时的主传力路径，依据支承件概念模型，在主壁板上或壁板之间，增加筋板结构。计算不同筋板尺度下支承件的性能，确定经济、实用的主筋板尺度。

（2）支承件结构单元构型与尺度。单元是用于改变支承件局部性能或者用于提高支承件制造工艺性的结构。单元有多种形式，如米字型、井字形、太阳型等，依据主筋板构型确定结构单元的填充区域。

通过建立的结构单元型谱，选择不同载荷形式的结构单元，并进行单元结构的组合，形成支承件单元构型方案；调用支承件结构单元尺度与性能关系图表与曲线，确定支承件单元尺度，初步形成支承件结构方案。不同结构单元类型的性能如表1所示：

表1：不同结构单元类型性能对比表

（3）设计支承件工艺造型。在支承件初步结构方案基础之上，结合支承件的铸造、加工、吊装运输工况，设计适合不同工序阶段的工艺结构。如铸造工艺下的出砂孔、圆角、拔模斜度等，加工工况下的局部加强筋，吊装运输工工况下的吊耳、吊装孔等。

本发明建立的支承件物理模型，通过拓扑优化得到该支承件常用工况下的传力路径，进而建立支承件概念模型。利用有限元分析壁板、筋板的尺度与性能的关系，综合结构单元性能图表完成最终支承件结构的建立。与传统设计方法相比，在保证支承件性能的前提下节省加工原材料，降低制造成本，达到轻量化设计的目的。

附图说明

图1a是本发明的立柱概念构型左前视图。

图1b是本发明的立柱概念构型右前视图。

图1c是本发明的立柱概念构型左后视图。

图2a是本发明的立柱完成结构右视剖面图。

图2b是本发明的立柱完成结构前视剖面图。

图3是本发明的立柱主壁板厚度——刚质比性能曲线图。

图4是本发明的立柱主筋板厚度——刚质比性能曲线图。

图5是本发明的立柱主筋板宽度——刚质比性能曲线图。

具体实施方式

以立式加工中心VDL600E立柱为例，说明具体设计过程。

1.建立立式加工中心机床箱体类支承件物理模型

1）建立支承件几何实体结构。根据现有立式加工中心VDL600E立柱二维图纸在PROE软件中建立立柱三维几何模型，去除边界倒角及次要的定位孔洞结构，去除高度小于20mm的凸台，将原为中空的立柱结构填实。

2）求解与等效支承件载荷约束。考虑如下常用铣削工况如表2所示：

表2：常用铣削工况

参数	主轴最大功率Pmax	主轴最大扭矩Tmax	铣刀直径D
				参数值	11KW	70N·m	20mm

调用机床切削力计算公式，计算机床整机切削力

主切削力F_C：

$F_C=\frac{{1000P}_{\max }}{V}=\frac{{1000P}_{\max }}{\frac{\mathrm{\π}\·D\·n}{60000}}=\frac{{1000P}_{\max }}{\frac{\mathrm{\π}\·D}{60000}\·\frac{{9550P}_{\max }}{T_{\max }}}=\frac{{6\×10}^7\·T_{\max }}{9550\mathrm{\π}\·D}=\frac{6\×{10}^7\×70}{9550\mathrm{\π}\×20}7000N$ 轴向力F_Z＝-F_o＝-(0.35～0.40)F_C＝-0.375×7000＝-2625N

进给力F_X＝F_f＝(1.00～1.20)F_C＝1.10×7000＝7700N

背刀力F_Y＝F_fN＝(0.20～0.30)F_C＝0.25×7000＝1750N

将下表3的立柱有限元分析载荷求解所需参数代入力平衡方程：

得到立柱的有限元分析载荷如表4所示，并建立面向数控机床支承件的导轨、螺栓、丝杠等结合面的弹性约束模型。

表4：立柱的有限元分析载荷

3）建立支承件物理模型。将立柱三维模型导入有限元分析软件中，定义材料属性为铸铁，依据支承件特征尺寸合理进行有限元网格划分，网格大小为15；而后将上述步骤求解的支承件载荷结果与约束等效形式按照有限元模型里的建模方法与步骤，加载至有限元模型，形成立柱的物理模型。

2.立式加工中心机床箱体类支承件概念模型构造

1）支承最佳传力路线确定。将物理模型导入Hyperworks软件中，设定优化变量及优化区域为非功能部件的支承件基体结构。定义上、中、下三个工况载荷步，设计优化目标响应函数（静态应变能、静态加权应变能、静动组合应变能、体积分数等）、优化约束及优化目标如表5：

表5：立柱优化目标

输入项	体积分数函数
		约束值	优化体积分≤0.2
优化目标	min compliance index

完成上述优化参数设置后调用优化求解器，迭代求解出支承件最佳材料分布路径。

2）支承件概念模型产生

首先对传力路径进行关键点提取。传力路径关键点即为支承件拓扑优化结果高材料密度上若干截面的外轮廓点集，是用来拟合传力路径的必需点。提取并记录这些点的空间坐标位置。

接下来拟合高密度材料的曲线、曲面。根据上述关键点拟合出高材料密度上若干截面的外轮廓曲线，并用各个截面上的外轮廓点拟合出传力路径曲线，通过扫掠或其它一些处理方式利用这些曲线得到高材料密度的拟合曲面，进而形成传力路径的实体模型结构。

最后对矢量化输出结果进行规整化。考虑到支承件外观特征，材料应规则的布置，如弧形面可规整为平面等，通过人机交互方式建立起桁架式的支承件概念构型，如图1所示。

3.立式加工中心机床箱体类支承件结构方案设计

1）支承件主体构型与尺度设计。结合立柱拓扑优化结果，导轨外侧的材料对结构性能的贡献值很小，在结构设计中应该去除这部分材料。同时在立柱与床身结合面处也应当去除部分材料。综合考虑其装配、连接、制造工艺，确定立柱的主壁板构型为去除上述无用部分材料的概念模型包络结构。计算15—45mm壁板尺寸的立柱物理模型受力变形静刚度，绘制不同尺寸下的刚质比曲线，得到如图3所示；取使刚质比最大壁板厚度30mm为设计尺寸。

主筋板是支承件受载时的主传力路径，依据支承件概念模型，在主壁板上或壁板之间，增加筋板结构，增强支承件刚度。计算20—40mm主筋板宽度、厚度的立柱物理模型受力变形静刚度，绘制不同尺寸下的刚质比曲线，得到下图4和图5。取使刚质比最大的筋板厚度20mm、宽度25mm为设计尺寸。

2）支承件单元构型与尺度设计。最后在筋板间填充结构单元，考虑到立式加工中心VDL600E立柱与整机连接形式及工作状态，承受垂直弯力、扭转力比较大，结合单元类型性能图表1，综合考虑，决定筋板之间填充井字形单元，单元宽度、厚度与筋板宽度、厚度对应相同即可。

3）支承件工艺造型设计。在支承件初步结构方案基础之上，结合支承件的铸造、加工、吊装运输工况，设计适合不同工序阶段的工艺结构。如铸造工艺下的出砂孔、圆角、拔模斜度等，加工工况下的局部加强筋，吊装运输工工况下的吊耳、吊装孔等。

完成的结构方案设计结果如图2a和图2b所示。

Claims (1)

1.一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法，是一种“概念-单元”的立式加工中心机床箱体类支承件结构建立方法，其特征在于以下步骤，

第一步，建立立式加工中心机床箱体类支承件物理模型

（1）建立支承件几何实体结构：根据现有支承件二维图纸，建立适于进行支承件拓扑优化的三维几何模型，去除边界倒角及次要的定位孔洞结构，去除高度小于20mm的凸台；

（2）求解与等效支承件载荷约束：调用相应的切削力求解公式，求解出此工况下切削力FX,FY,FZ大小；将切削力FX,FY,FZ、切削位置X_F,Y_F,Z_F、支承零件质量m_i、重心参数X_Gi,Y_Gi,Z_Gi带入力学平衡方程，求出支承件所受到的合力：

$F_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\left(k\right),$ $M_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\left(k\right),$ i为x，y，z，

其中F_i为等效到结合面中心处的某单向力，M_i为等效到结合面中心处的某单向转矩，F_i(k)为结合面作用点处对应方向力，n为作用点数目，x，y，z为机床坐标系下三个方向；

调用受力平衡方程计算支承件的有限元分析载荷；依据支承件结合面的连接形式求解出不同结合面下的刚度参数，建立面向数控机床支承件的导轨、螺栓、丝杠等结合面的弹性约束模型；

（3）建立支承件物理模型：将支承件三维模型进入有限元分析，定义材料属性，依据支承件特征尺寸合理进行有限元网格划分；将上述步骤求解的支承件载荷结果与约束等效形式按照有限元模型里的建模方法与步骤，加载至有限元模型，形成支承件的物理模型；

第二步，构造立式加工中心机床箱体类支承件概念模型

（1）确定支承最佳传力路线：在体积约束下，以结构多工况的加权静态应变能最小为优化目标的结构优化数学模型表述如下：

$\left\{\begin{array}{c}\min C_W\left(X\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\Σ}{w}_i{u}_i{\left(X\right)}^T{\mathrm{Ku}}_i\left(X\right)\\ \mathrm{subjectto}\left\{\begin{array}{c}{V}_i\left(X\right)/V_0\≤\mathrm{\Δ}\\ 0\≤x_k\≤1,k=\mathrm{1,2},...,N\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中：X为设计变量，表示单元密度，u(X)为节点位移矢量，K为结构总体刚度矩阵；C_w(X)为静态应变能，w_i为每个载荷工况各自的加权系数，取值范围在0.0～1.0之间；V_i(X)为优化后设计域有效体积，V₀为优化前初始设计域体积，Δ为体积约束分数，处于0～1之间；完成上述优化参数设置后调用优化求解器，迭代求解出支承件最佳材料分布路径；

（2）产生支承件概念模型：

首先，对传力路径进行关键点提取；传力路径关键点即为支承件拓扑优化结果高材料密度上若干截面的外轮廓点集，是用来拟合传力路径的必需点，提取并记录这些点的空间坐标位置；

其次，拟合高密度材料的曲线、曲面：根据上述关键点拟合出高材料密度上若干截面的外轮廓曲线，并用各个截面上的外轮廓点拟合出传力路径曲线，通过扫掠或其它一些处理方式利用这些曲线得到高材料密度的拟合曲面，进而形成传力路径的实体模型结构；

最后，对矢量化输出结果进行规整化：考虑到支承件外观特征，材料应规则的布置，通过人机交互方式建立起桁架式的支承件概念构型；

第三步，建立立式加工中心机床箱体类支承件结构

（1）支承件主体构型与尺度：主体结构包括主壁板和主筋板两部分，主壁板建立是结合拓扑优化结果，综合考虑支承件的装配、连接、制造工艺，根据支承件不同的工作状况和受载形式，确定支承件的主壁板构型；计算不同壁板尺度下支承件的性能，确定支承件主壁板厚度尺度；主筋板是支承件受载时的主传力路径，依据支承件概念模型，在主壁板上或壁板之间，增加筋板结构；计算不同筋板尺度下支承件的性能，确定经济、实用的主筋板尺度；

（2）支承件结构单元构型与尺度：单元是用于改变支承件局部性能或者用于提高支承件制造工艺性的结构，单元有多种形式，如米字型、井字形、太阳型等，依据主筋板构型确定结构单元的填充区域；

通过建立的结构单元型谱，选择不同载荷形式的结构单元，并进行单元结构的组合，形成支承件单元构型方案；调用支承件结构单元尺度与性能关系图表与曲线，确定支承件单元尺度，初步形成支承件结构方案；不同结构单元类型的性能如表1所示：

表1：不同结构单元类型性能对比表

（3）设计支承件工艺造型：在支承件初步结构方案基础之上，结合支承件的铸造、加工、吊装运输工况，设计适合不同工序阶段的工艺结构。

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