CN111062094B - 一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于主轴箱设计技术领域，公开了一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，对主轴箱原始模型进行静刚度的分析，得到主轴箱原始模型的静刚度；利用拓扑优化方法改变模型中材料分布的位置；利用得到的原始模型的变形量为约束条件，作为拓扑优化设计中的约束函数，保留主轴箱原始模型质量的70％为目标设立拓扑优化过程的目标函数，进行拓扑优化设计；根据拓扑优化设计的结果，在三维软件中进行模型的重新建立。本发明避免了传统设计过程中在样机制作完成后再修改纠正设计错误，缩短了研发周期，节约设计成本，减少时间、金钱及人力成本的浪费；本发明提高了机床整机的刚性，增加机床的使用寿命。

Description

一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法

技术领域

本发明属于主轴箱设计技术领域，尤其涉及一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

三轴立式加工中心，其主要结构支撑部件包括主轴箱、滑板、立柱、工作台与床身。为保证整机运行过程中的位置精度与工件加工精度及机床寿命，对移动部件(主轴箱与滑板)提出很高的要求，结合机床结构设计中对于运动稳定性的考虑，要求移动部件的质量要尽可能的小，降低移动部件的惯性力及重量对于机床支撑件与整机刚性的影响。

结构优化指的是让被设计对象在满足给定的几何约束、材料约束以及响应约束的所有可能设计方案中，找出符合给定目标的最优设计，拓扑优化打破了尺寸优化和几何优化的过程中结构连接方式也就是拓扑不变型的限制，是一种具有最大设计自由的优化手段，在结构的概念设计阶段更具有优势性。

现有技术存在的问题是：

(1)现有技术存在针对横梁进行拓扑优化或者针对立柱进行拓扑优化中涉及的主轴箱体积大、质量大，造成成本过高。

(2)现有技术设计过程中在样机制作完成后再修改纠正设计错误，研发周期长。

(3)现有技术不能减轻对立柱、床身等支撑部件的“压力”，造成机床整机的刚性差，机床的使用寿命缩短，加工精度偏低。

解决上述技术问题的意义：

现有技术公布的横梁拓扑优化中，其以体积分数响应为约束函数，以静态应变能响应为目标函数。而本发明以质量分数响应为约束函数，以刚度最大为优化目标。

现有技术公布的立柱拓扑优化过程，其以一阶固有频率，刀头处x、y、z三个方向变形量以及筋板的壁厚为约束条件，与本发明所设条件不同。

基于上述的不同点，本发明对模型进行静力与模态分析，找出概念设计阶段的不足之处，为设计人员的方案修改指明方向；将静力分析结果导入拓扑分析流程，以静力分析的变形量(也就是刚度)为约束条件，对整个模型进行拓扑优化，核心思想是在整体刚度不变甚至提高的前提下，减少模型的质量。本发明拓扑优化后的模型根据实际情况的需要进行修改，在满足使用要求与加工工艺的情况下完成模型的修复，并对修复以后的模型进行静力分析，得出其最大变形量。最终本发明设计的主轴箱在相关领域具有广泛的应用意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法。

本发明是这样实现的，一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，包括：

第一步，对主轴箱原始模型进行静刚度的分析，通过分析在静力作用下的变形情况，得到主轴箱原始模型的静刚度；

第二步，结构轻量化设计，利用拓扑优化方法改变模型中材料分布的位置；利用第一步中得到的原始模型的变形量为约束条件，作为拓扑优化设计中的约束函数，保留主轴箱原始模型质量的70％为目标设立拓扑优化过程的目标函数，进行拓扑优化设计；

第三步，根据拓扑优化设计的结果，在三维软件中进行模型的重新建立。

进一步，第一步得到主轴箱原始模型的静刚度的方法具体包括：

1)模型选择材料的弹性模量为1.43E+11(N/m²)，泊松比为0.27，密度为7300kg/m³，将上述参数添加到仿真模型中；

2)网格划分：在仿真模型中对整个模型采用默认网格划分方式，设置最小网格尺寸值并对滑动导轨面进行网格细化；

3)根据具体工作时的实际状况，添加边界条件；

4)获取静力仿真结果。

进一步，步骤3)根据具体工作时的实际状况，添加边界条件的方法包括：

受力面有电主轴的安装孔、第一硬轨、第二硬轨以及主轴箱的丝母座；主要约束条件为在相关导轨面限制所述安装孔、第一硬轨、第二硬轨以及主轴箱的丝母座相应方向的移动，施加DISPLACEMENT位移约束；

在丝母座施加DISPLACEMENT位移约束，限制Z向的自由度；在主轴箱端部下方，刀具的中心处施加载荷，并于丝母座处施加Z向向上的力，模拟电机的牵引力；然后进行求解分析，得出当前丝母座的总体变形量与三个方向的变形量；边界条件中A为所施加重力加速度，B为施加的切削力，C为施加于丝母座上模仿Z向电机的牵引力，D、E、F为施加的位移约束。

进一步，步骤4)获取静力仿真结果中，由步骤1)～步骤3)静力分析结果，最大变形发生在主轴箱下端。

进一步，第二步拓扑优化的方法包括：

i)首先建立静力分析与拓扑分析的数据传递，将ANSYS中的拓扑优化模块拖至静力分析模块的solution项，使得第一步静力分析的数据共享给拓扑优化模块；

ii)定义拓扑优化过程的约束函数与目标函数:

定义约束函数，以主轴箱原始模型静力分析所得出的变形量作为拓扑优化设计的约束函数；

定义优化目标，对于静力学的拓扑优化选择质量或体积作为优化目标；

iii)结果分析，经过软件计算以后，得到优化结果。

进一步，步骤ii)定义约束函数中，拓扑优化过程中的约束函数柔度最小，所述柔度最小为变形量小于原始模型的变形量；

定义优化目标中，保留70％的质量为条件，进行拓扑优化。

进一步，第三步具体包括：去除电主轴安装孔上方主轴箱两侧壁的材料，将厚度减少，将主轴箱两侧滑轨中间横板的厚度减少及将电主轴安装孔与连接板的相接区域的材料进行部分的去除；将修复后的模型进行静力仿分析，得到总变形量。

本发明的另一目的在于提供一种加工中心主轴箱，设置有第一硬轨、第二硬轨；

第一硬轨、第二硬轨分别浇铸在主轴箱上Z轴的丝母座不同两侧；

主轴箱开有电主轴的安装孔；

电主轴的安装孔上方浇铸有左侧壁、右侧壁；

左侧壁、右侧壁通过连接壁连接。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明通过对主轴箱模型的静力、模态分析，为设计人员在概念设计阶段纠正方案设计误区指明方向，避免像传统设计过程中在样机制作完成后再修改纠正设计错误，缩短了研发周期，节约设计成本，减少时间、金钱及人力成本的浪费。通过拓扑优化完成主轴箱的轻量化设计，减轻了移动部件的质量，减轻对立柱、床身等支撑部件的“压力”，对于提高机床整机的刚性，增加机床的使用寿命，实现更高的加工精度等都有很大的益处。

仿真实验表明，本发明在三维软件CREO中进行模型的处理，削减模型相应位置的材料，最终得到修复后的模型，如附图8所示。去除了电主轴安装孔上方主轴箱两侧壁(图2中的5和6)的材料，将其厚度减少，将主轴箱两侧滑轨中间横板的厚度(图2中的7)减少及将电主轴安装孔与连接板的相接区域的材料进行部分的去除。将修复后的模型进行静力仿分析，得到总变形量为4.1μm。最终可以看出在经过拓扑优化之后，变形量由4.3μm降低至4.1μm，减少了4.7％，模型质量由226.49kg减少至176.04kg，减少22.28％。明显减轻了移动部件主轴箱的质量，主轴箱的变形量下降，静刚度得到提升。

附图说明

图1是本发明实施例提供的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的加工中心主轴箱模型示意图。

图中：a、两条硬轨连接示意图；b、丝母座连接俯视图；c、两侧壁连接示意图；其中1、第一硬轨；2、第二硬轨；3、丝母座；4、安装孔；5、左侧壁；6、、右侧壁；7、连接壁。

图3是本发明实施例提供的采用默认网格划分方式获得的加工中心主轴箱模型示意图。

图中：a、采用默认网格划分方式获得的加工中心主轴箱模型；b、采用默认网格划分方式划分效果分析图。

图4是本发明实施例提供的搭建的静力模块(左)与拓扑优化模块(右)之间的连接关系图。

图5是本发明实施例提供的在拓扑优化模块中对模型优化区域与非优化区域的选择结果图。

图6是本发明实施例提供的为拓扑优化后的结果显示云图一。

图7是本发明实施例提供的为拓扑优化后的结果显示云图二。

图中：a、加工中心主轴箱模型拓扑优化后的结果显示云图1；b、加工中心主轴箱模型拓扑优化后的结果显示云图2。

图8是本发明实施例提供的在三维设计软件中按照图6中优化结果结合具体实际情况进行的修复后的模型图。

图中：a、修复后的模型前视图；b、修复后的模型立体图；c、修复后的模型侧视图。

图9是本发明实施例提供的主轴箱在静力分析中的边界条件施加情况图。

图10是本发明实施例提供的主轴箱的静力仿真结果云图。

图11是本发明实施例提供的拓扑优化中约束函数的设置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术一针对横梁进行拓扑优化、现有技术二针对立柱进行拓扑优化中涉及的主轴箱体积大、质量大，造成成本过高。现有技术设计过程中在样机制作完成后再修改纠正设计错误，研发周期长。现有技术不能减轻对立柱、床身等支撑部件的“压力”，造成机床整机的刚性差，机床的使用寿命缩短，加工精度偏低。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法中，为了改善传统设计方式中机床结构大件的重量冗余造成的设计成本、人力成本、金钱成本的提高以及移动部件质量过大造成的机床支撑件负载过大、机床精度与寿命下降等情况。本发明提供一种针对立式加工中心主轴箱的拓扑优化设计技术，包括拓扑优化前的静力分析、拓扑优化分析以及根据拓扑优化结果所做的模型的重建处理。依据所做的静力仿真分析可知，主轴箱中电主轴安装孔上方两侧的材料有去除的空间，故本发明拓扑优化侧重于对电主轴安装孔上方箱体材料的去除及主轴箱箱体结构及尺寸的合理化改进。

具体包括:

S101，对主轴箱原始模型(见图2)进行静刚度的分析，通过分析在静力作用下的变形情况，来得到主轴箱原始模型的静刚度，也可称之为静态性能。

S102，结构轻量化设计，利用拓扑优化方法改变模型中材料分布的位置。本发明中用S101步中得到的原始模型的变形量为约束条件，作为拓扑优化设计中的约束函数，以保留主轴箱原始模型质量的70％为目标设立拓扑优化过程的目标函数，进行拓扑优化设计。

S103,根据拓扑优化设计的结果，在三维软件中进行模型的重新建立。

在本发明实施例中，通过静力分析找出设计阶段的不足之处与设计的过于保守的地方，指导设计人员在概念设计阶段提高工作质量与效率。避免传统设计模式中在样机试制之后再发现问题进行纠正所造成的人力、物力与财力的浪费。提高设计质量与效率。

在本发明实施例中，以静力分析的结果为约束条件，对主轴箱进行拓扑优化设计，以减少主轴箱的质量为设计目标。同时要保证主轴箱的变形与刚度要不劣于拓扑优化之前的模型。

在本发明实施例中，以静力分析结果作为约束条件，就是用静力分析结果来对拓扑优化设计过程进行约束，以主轴箱原始模型静力分析所得出的变形量作为拓扑优化设计的约束函数，也就是说在拓扑优化设计的过程中，要保证优化后模型的静刚度要优于原始模型的静刚度，所以在这里设置拓扑优化过程中的约束函数为柔度最小(也就是变形量小于原始模型的变形量)。只需要在软件中设置相应的函数条件即可，见附图11。

在本发明实施例中，如图2所示，本发明实施例提供的加工中心主轴箱，其中第一硬轨1、第二硬轨2为主轴箱上的两条硬轨，3为主轴箱上Z轴的丝母座，4为电主轴的安装孔，左侧壁5、右侧壁6为电主轴安装孔上方的两侧壁，7为两条硬轨之间的连接壁。

第一硬轨1、第二硬轨2分别浇铸在主轴箱上Z轴的丝母座3不同两侧，

主轴箱开有电主轴的安装孔4。

电主轴的安装孔上方浇铸有左侧壁5、右侧壁6。

左侧壁、右侧壁通过连接壁7连接。

下面结合仿真实验及附图对本发明作进一步描述。

本发明以三轴立式加工中心机的主轴箱为对象，进行优化分析设计，三维模型的创建与重建在Creo软件中进行，结构的拓扑优化设计在ANSYS中的拓扑优化模块中进行。本发明主要包括模型的静力分析、模型的拓扑优化、优化后模型的修复及修复后模型的静力仿真结果对比。

1)模型静力分析

1.1)添加材料

模型选择材料为HT300，其具体参数有：弹性模量为1.43E+11(N/m²)，泊松比为0.27，密度为7300(kg/m³)，将这些参数添加到仿真模型中，为下一步的仿真做准备。

1.2)网格划分

在ANSYS Workbench中对整个模型采用默认网格划分方式，设置最小网格尺寸值并对重要的面如滑动导轨面进行网格细化。最终划分完毕后查看网格质量，大部分都在80％左右，证明网格划分的质量较好，见图3。

1.3)添加边界条件

主轴箱静力分析中边界条件的施加要考虑具体工作时的实际状况，主轴箱在工作时，受力面有电主轴的安装孔(图2中的4)，两条硬轨(图2中的1、2)以及主轴箱的丝母座(图2中的3)。所以主要约束条件为在相关导轨面限制其相应方向的移动，施加DISPLACEMENT位移约束。在丝母座施加位移约束，限制其Z向的自由度。对于载荷来说，在主轴箱端部下方，刀具的中心处施加，大小由计算所得。并于丝母座处施加Z向向上的力，模拟电机的牵引力。然后进行求解分析，得出当前方案的总体变形量与三个方向的变形量。边界条件见图9。其中A为所施加重力加速度，B为施加的切削力，C为施加于丝母座上模仿Z向电机的牵引力，D、E、F为施加的位移约束。

1.4)静力仿真结果

由静力分析结果可知，最大变形发生在主轴箱下端，如图10所示，总变形量最大值为4.3μm，其余部位变形较小。这是由于切削力是通过刀具传递至电主轴在传递至主轴箱，故而主轴箱与电主轴接触部分会发生较大变形。由静力仿真的结果云图可知存在着优化的可能性。

2)、拓扑优化

2.1)首先建立静力分析与拓扑分析的数据传递，将ANSYS中的拓扑优化模块拖至静力分析模块的“solution”项，使得前述静力分析的数据共享给拓扑优化模块，见附图4。

在本发明中，在拓扑优化模块中对模型优化区域与非优化区域进行选择，选择结果如图5。其中，将后侧两硬轨处(图1中的1、2)与二者中间的丝母座(图1中的3)设定为非优化区域，其余部位设为非优化区域。

2.2)定义拓扑优化过程的约束函数(如图11)与目标函数

定义约束函数，以主轴箱原始模型静力分析所得出的变形量作为拓扑优化设计的约束函数，也就是说在拓扑优化设计的过程中，要保证优化后模型的静刚度要优于原始模型的静刚度，所以在这里设置拓扑优化过程中的约束函数为柔度最小(也就是变形量小于原始模型的变形量)。

定义优化目标，对于静力学的拓扑优化可选择质量或体积作为优化目标，考虑到本方案变形量较小且整体尺寸已经确定，故本发明采用质量为目标，着重减少移动部件的质量，以便提高整机的性能，这里以保留70％的质量为条件，进行拓扑优化，详情见附图6。图6中浅色区域为去除材料部位，深色区域为保留材料部位。

2.3)结果分析，经过软件计算以后，得到优化结果见图7，优化之前模型重量为226.49kg，优化后的模型质量为176.04kg，减少22.28％。图7中间的模型图展示的是去除材料以后的主轴箱模型，图6最右侧图片展示的是经过拓扑优化后所需要去除的材料。最终的模型修复便是在图6所示模型的指导下进行的。图6中的浅色区域为优化软件中显示的可用去除的材料区域。被去除的材料具体分布及形状见图7的最右侧图。如果按照图7所示结果去进行模型的修复，那么将会把图2中的横版7进行掏空处理，这样加工铸造的工艺难度将大大提高。另一方面，由于主轴箱中要安装电主轴，电主轴安装在主轴箱的主轴孔中(图2中的4)，在机床工作过程中，电主轴的转速可达上万转每分钟，为保证电主轴安装后可靠性与运行过程中电主轴回转精度的稳定性及保证主轴箱与电主轴的刚度，这就要求主轴箱电主轴安装孔的材料不能被除去。由此可知在模型重构的时候并不能完全按照图7中拓扑优化的结果去进行模型的修改，例如主轴箱丝母座与主轴箱本体连接的区域一旦按照优化结果来去除材料，那将会造成丝母座处发生较大的变形，丝母座与Z轴丝杠直接连接，若丝母座发生变形，则会导致Z轴传动系统精度严重下降，进而影响整个机床的精度。

本发明在三维软件CREO中进行模型的处理，削减模型相应位置的材料，最终得到修复后的模型，如附图8所示。去除了电主轴安装孔上方主轴箱两侧壁(图2中的5和6)的材料，将其厚度减少，将主轴箱两侧滑轨中间横板的厚度(图2中的7)减少及将电主轴安装孔与连接板的相接区域的材料进行部分的去除。将修复后的模型进行静力仿分析，得到总变形量为4.1μm。最终可以看出在经过拓扑优化之后，变形量由4.3μm降低至4.1μm，减少了4.7％，模型质量由226.49kg减少至176.04kg，减少22.28％。明显减轻了移动部件主轴箱的质量，主轴箱的变形量下降，静刚度得到提升。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法包括：

第一步，对主轴箱原始模型进行静刚度的分析，通过分析在静力作用下的变形情况，得到主轴箱原始模型的静刚度；

第二步，结构轻量化设计，利用拓扑优化方法改变模型中材料分布的位置；利用第一步中得到的原始模型的变形量为约束条件，作为拓扑优化设计中的约束函数，保留主轴箱原始模型质量的70％为目标设立拓扑优化过程的目标函数，进行拓扑优化设计；第二步拓扑优化的方法包括：i)首先建立静力分析与拓扑分析的数据传递，将ANSYS中的拓扑优化模块拖至静力分析模块的solution项，使得第一步静力分析的数据共享给拓扑优化模块；ii)定义拓扑优化过程的约束函数与目标函数:定义约束函数，以主轴箱原始模型静力分析所得出的变形量作为拓扑优化设计的约束函数；定义优化目标，对于静力学的拓扑优化选择质量或体积作为优化目标；iii)结果分析，经过软件计算以后，得到优化结果；步骤ii)定义约束函数中，拓扑优化过程中的约束函数柔度最小，所述柔度最小为变形量小于原始模型的变形量；定义优化目标中，保留70％的质量为条件，进行拓扑优化；

第三步，根据拓扑优化设计的结果，在三维软件中进行模型的重新建立。

2.如权利要求1所述的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，其特征在于，第一步得到主轴箱原始模型的静刚度的方法具体包括：

1)模型选择材料的弹性模量为1.43E+11(N/m²)，泊松比为0.27，密度为7300kg/m³，将上述参数添加到仿真模型中；

2)网格划分：在仿真模型中对整个模型采用默认网格划分方式，设置最小网格尺寸值并对滑动导轨面进行网格细化；

3)根据具体工作时的实际状况，添加边界条件；

4)获取静力仿真结果。

3.如权利要求2所述的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤3)根据具体工作时的实际状况，添加边界条件的方法包括：

受力面有电主轴的安装孔、第一硬轨、第二硬轨以及主轴箱的丝母座；主要约束条件为在相关导轨面限制所述安装孔、第一硬轨、第二硬轨以及主轴箱的丝母座相应方向的移动，施加DISPLACEMENT位移约束；

在丝母座施加DISPLACEMENT位移约束，限制Z向的自由度；在主轴箱端部下方，刀具的中心处施加载荷，并于丝母座处施加Z向向上的力，模拟电机的牵引力；然后进行求解分析，得出当前丝母座的总体变形量与三个方向的变形量；边界条件中A为所施加重力加速度，B为施加的切削力，C为施加于丝母座上模仿Z向电机的牵引力，D、E、F为施加的位移约束。

4.如权利要求2所述的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤4)获取静力仿真结果中，由步骤1)～步骤3)静力分析结果，最大变形发生在主轴箱下端。

5.如权利要求1所述的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法，其特征在于，

第三步具体包括：去除电主轴安装孔上方主轴箱两侧壁的材料，将厚度减少，将主轴箱两侧滑轨中间横板的厚度减少及将电主轴安装孔与连接板的相接区域的材料进行部分的去除；将修复后的模型进行静力仿分析，得到总变形量。

6.一种如权利要求1所述加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法设计的加工中心主轴箱，其特征在于，所述加工中心主轴箱设置有第一硬轨、第二硬轨；

第一硬轨、第二硬轨分别浇铸在主轴箱上Z轴的丝母座不同两侧；

主轴箱开有电主轴的安装孔；

电主轴的安装孔上方浇铸有左侧壁、右侧壁；

左侧壁、右侧壁通过连接壁连接。

7.一种实现权利要求1～5任意一项所述加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法的信息数据处理终端。

8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的加工中心主轴箱的拓扑优化设计方法。

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