CN115688522B - 一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统，其中系统包括：基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型；对所述有限元模型进行静力分析，获取所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；根据仿真数值判断所述在竖直方向的静变形是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。本发明可用于减小悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形，提高其加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及悬伸式主轴机床技术领域，尤其涉及一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统。
背景技术
刘啸等针对大跨距数控龙门机床横梁(参见《大跨距数控龙门机床横梁优化设计》)，首先采用形貌优化方法，确定了横梁的最优结构为异形结构，然后通过灵敏度分析，最终确定了横梁的准确模型。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，横梁静变形如表1所示。由表1可知，优化后横梁静变形降低约8.492％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
表1刘啸等结构优化前后静变形对比
| 变形量(mm) | |
| 优化前 | 0.1790 |
| 优化后 | 0.1638 |
| 变化(％) | 8.492 |
邱文瀛等针对大型轧辊磨床(参见《基于多目标的机床结构优化设计研究》)，首先采用拓扑优化方法，确定了机床床身的拓扑结构，并通过动静态分析，确定床身最优筋板布局为W型筋板，最后基于元结构的多目标优化方法，确定了床身的准确模型。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，整机静变形如表2所示。由表2可知，优化后整机在X方向静变形降低约0.472％，在Y方向静变形降低约2.210％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
表2邱文瀛等结构优化前后静变形对比
何成浩等针对某型数控机床床身(参见《基于有限元分析的机床床身结构优化设计》)，首先采用结构选型优化方法，确定了床身最优筋板布局为米字型筋板，然后基于灵敏度分析，最终确定了改进后床身的准确模型。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，床身静变形如表3所示。由表3可知，优化后床身静变形降低约16.67％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
表3何成浩等结构优化前后静变形对比
| 最大变形(mm) | |
| 优化前 | 0.0120 |
| 优化后 | 0.0100 |
| 变化(％) | 16.67 |
刘得时等针对某型龙门加工中心横梁(参见《龙门加工中心横梁静态分析及优化设计》)，根据正交试验数据及静力分析位移云图，对横梁进行结构优化。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，横梁静变形如表4所示。由表4可知，优化后横梁静变形降低约15.02％，其中在X方向静变形降低约-17.72％，在Y方向静变形降低约-95.38％，在Z方向静变形降低约6.250％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
表4刘得时等结构优化前后静变形对比
上述优化方法所针对的目标，仅为某一复杂系统(机床)中的单一零部件，如刘啸等针对大跨距数控龙门机床横梁(参见《大跨距数控龙门机床横梁优化设计》)；刘得时等针对某型龙门加工中心横梁(参见《龙门加工中心横梁静态分析及优化设计》)，单一零部件的优化虽然能够在一定程度上使整个系统的性能得到提升，但由于其优化范围的局限性(仅针对单一零部件进行优化)，注定整个系统的性能提升是不明显的。
同时上述传统优化方法，如刘啸等针对大跨距数控龙门机床横梁(参见《大跨距数控龙门机床横梁优化设计》)所采用的形貌优化方法；何成浩等针对某型数控机床床身(参见《基于有限元分析的机床床身结构优化设计》)所采用的结构选型优化方法，传统优化方法针对单一零部件的结构优化，其优化效果较为显著，但针对一复杂系统(如机床)，传统优化方法将会不再适用，无法满足复杂系统的优化需求。
对于一个复杂系统(如悬伸式主轴机床)，对其所有零部件进行优化显然是不可行的，不仅费时费力，而且毫无针对性，优化结果很有可能不理想。
随着结构优化问题日益复杂，包含拓扑、形貌、尺寸多种类型优化变量的综合优化问题越来越受到人们的重视。结构综合优化问题通常存在变量类型复杂、变量数目多、变量耦合、约束限制多等特点，对其进行结构优化的难度较大。
悬伸式主轴机床，例如悬伸式主轴五轴数控刀具磨床，主要用于制造精度微小刀具，因其加工速度快、加工精度高等特点，在精密制造、航空航天以及电子装备等领域应用广泛。然而随着高精度微小刀具制造精度的不断提高，对刀具磨床的加工精度也提出了更高的要求。
因此，如何对悬伸式主轴机床的结构进行优化，减小其在竖直方向的静变形，提高加工精度，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统。
本发明采用如下技术方案：
一种悬伸式主轴机床结构优化方法，包括基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型，对有限元模型进行静力分析，获得在竖直方向的静变形的仿真数值，判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进有限元模型的结构，直至有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。通过对悬伸式主轴机床的结构进行优化，减小了悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形，提高了悬伸式主轴机床的加工精度。
还包括一种悬伸式主轴机床结构优化系统，包括构建模块，用于基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型。获取模块，用于对所述有限元模型进行静力分析，获得所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值。优化模块，用于判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。
本发明的有益效果。
本发明针对悬伸式主轴机床这一复杂系统，对其存在的薄弱环节(立柱、X溜板以及Z溜板)，进行综合结构优化，由于是大范围多零部件优化，相较于常见单一零部件优化，不仅能提升零部件本身的性能，对于整个系统性能的提升会有明显的作用。
本发明针对当今结构优化问题日益复杂的情况，结合拓扑优化、形貌优化及尺寸优化方法，对悬伸式主轴机床这一复杂系统提出了一种综合结构优化方法，相较于传统优化方法针对复杂系统存在求解精度低、容易陷入局部最优解、求解复杂等问题，该综合结构优化方法能够将结构的拓扑、形貌及尺寸这三类优化变量进行整体考虑，充分发挥不同层次优化方法的优势，求解更加有效且可靠。
附图说明
图1为一个实施例中悬伸式主轴机床结构优化方法的流程示意图；
图2为一个实施例中悬伸式主轴机床的结构示意图；
图3(a)-图3(f)为另一个实施例中悬伸式主轴机床的结构示意图；
图4为一个实施例中判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标的流程示意图；
图5为一个实施例中悬伸式主轴机床的有限元模型示意图；
图6为一个实施例中悬伸式主轴机床，结构优化前在竖直方向的静变形云图；
图7为一个实施例中悬伸式主轴机床，结构优化后在竖直方向的静变形云图。
图中：1-床身、2-Y溜板、3-立柱、4-X溜板、5-Z溜板、6-主轴头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，悬伸式主轴机床，主体为支脚固定式床身1，Y溜板2通过丝杠螺母、导轨滑块与床身1连接，并且位于床身1上右侧，立柱3通过螺栓与床身1连接，并且位于床身1上左侧，X溜板4通过丝杠螺母、导轨滑块与立柱3连接，并且位于立柱3中部，Z溜板5通过丝杠螺母、导轨滑块与X溜板4连接，主轴头6通过螺栓与Z溜板5连接，并且位于Z溜板5的下侧。
ANSYS是一款大型的商用有限元分析软件，尤其擅长静力分析方面，使用ANSYS软件基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型，为保证计算精度，床身1、Y溜板2、立柱3、X溜板4、Z溜板5以及主轴头6采用四面体网格，立柱3、X溜板4以及Z溜板5为主要计算区域，因此网格需局部加密，而对于受力较小且不关心区域，为提高计算效率可适当简化。
如图1所示，提供一种悬伸式主轴机床结构的优化方法，包括以下步骤：
步骤101.基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型。
进一步的，所述有限元模型包括床身、立柱、X溜板、Y溜板、Z溜板以及主轴头，所述改进有限元模型的结构包括：降低所述有限元模型中立柱、X溜板以及Z溜板的质量，减小所述有限元模型在竖直方向的静变形，提高了悬伸式主轴机床的加工精度。
步骤102.对所述有限元模型进行静力分析，获得有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值，在竖直方向的静变形的仿真数值的获取包括：确定有限元模型的固定边界约束及载荷约束，根据固定边界约束及载荷约束确定在竖直方向的静变形云图，根据在竖直方向的静变形云图确定在竖直方向的静变形的仿真数值。
①.确定有限元模型的固定边界约束及载荷约束，设置所述有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置所述有限元模型的自身重力为载荷约束。
②确定在竖直方向的静变形云图，根据所述固定边界约束及载荷约束条件，对所述有限元模型进行ANSYS Staic Structure静力分析，能够确定所述有限元模型在竖直方向的静变形云图。
③确定在竖直方向的静变形的仿真数值，根据所述在竖直方向的静变形云图中的最大值，能够确定所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值。
进一步，有限元模型在竖直方向的静变形云图的获得方式为：
设置有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束，基于ANSYS Static Structural静力分析模块，仿真计算获得有限元模型在竖直方向的静变形云图。
进一步的，有限元模型在竖直方向的静变形通过取在竖直方向的静变形云图中的最大值获得，在竖直方向的静变形的获得方式如下：
SDV＝max SDCV
其中SDV为在竖直方向的静变形，SDCV为在竖直方向的静变形云图。
取在竖直方向的静变形云图中的最大值作为在竖直方向的静变形的仿真数值。
基于ANSYS Static Structural静力分析模块，仿真计算获得有限元模型在竖直方向的静变形云图；取所述在竖直方向的静变形云图中的最大值作为在竖直方向的静变形的仿真数值，有利于悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形的减小，提高了悬伸式主轴机床的加工精度。
步骤103.判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。
具体地，如图4所示，所述判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，包括如下步骤：
步骤401.将所述在竖直方向的静变形的仿真数值与预设的静变形阈值进行对比，若所述在竖直方向的静变形的仿真数值小于所述静变形阈值，则所述在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。
步骤402.若所述在竖直方向的静变形的仿真数值大于或等于所述静变形阈值，则所述在竖直方向的静变形的仿真数值不满足预期优化目标。通过将竖直方向的静变形的仿真数值与预设的静变形阈值进行对比，判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，实现了对竖直方向的静变形的优化，减小了悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形，提高了悬伸式主轴机床的加工精度。
进一步的，所述判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标之前，基于所述的竖直方向的静变形的仿真数值和实测数值，判断所述在竖直方向的静变形的仿真误差是否符合预设标准，若不符合，对所述有限元模型重新分析直至所述在竖直方向的静变形的仿真误差符合预设标准。
具体地，根据在竖直方向的静变形的仿真数值和实测数值，判断在竖直方向的静变形的仿真误差是否符合预设标准，其中预设标准由仿真人员按照设计标准自行定义。例如，设置有限元模型的床身支架为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束，基于ANSYS Static Structural静力分析模块，仿真计算获得有限元模型在竖直方向的静变形云图，并取在竖直方向的静变形云图中的最大值作为在竖直方向的静变形的仿真数值，此时在竖直方向的静变形的仿真数值为0.023mm。为了验证仿真分析结果的准确性，对悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形进行了实际测量，在竖直方向的静变形的实测数值为0.025mm。由于仿真计算所采用的均为理想数据，因此仿真数值与实测数值是有区别的，若预设标准为偏差0.005mm，则在竖直方向的静变形的仿真误差0.002mm符合预设标准，能够用于对悬伸式主轴机床的机构优化；若在竖直方向的静变形的仿真数值和实测数值之间的仿真误差超过0.005mm，则不符合预设标准，对有限元模型重新分析直至在竖直方向的静变形的仿真误差符合预设标准。
本发明实施例还提供一种悬伸式主轴机床结构优化系统。该系统所提供的解决问题的实现方案与上述方法所记载的实现方案类似，故下面所提供的一个悬伸式主轴机床结构优化系统实施例中的具体限定可以参见上文中对悬伸式主轴机床结构优化方法的限定，重复内容下文不再赘述。
一种悬伸式主轴机床结构优化系统，包括构建模块，用于基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型，获取模块，用于对所述有限元模型进行静力分析，获得所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；优化模块，用于判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。
进一步，优化模块还包括基于所述在竖直方向的静变形的仿真数值和实测数值，判断所述在竖直方向的静变形的仿真误差是否符合预设标准，若不符合，对所述有限元模型重新分析直至所述在竖直方向的静变形的仿真误差符合预设标准。
优化模块还包括将所述在竖直方向的静变形的仿真数值与预设的静变形阈值进行对比，若所述在竖直方向的静变形的仿真数值小于所述静变形阈值，则所述在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；若所述在竖直方向的静变形的仿真数值大于或等于所述静变形阈值，则所述在竖直方向的静变形的仿真数值不满足预期优化目标。
优化模块还包括设置所述有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置所述有限元模型的自身重力为载荷约束，仿真计算获得所述有限元模型在竖直方向的静变形云图。
实施例
如图3(a)-图3(f)，优选一个悬伸式主轴机床，其预设几何参数如表1所示：
表1
基于上述预设几何参数，建立该悬伸式主轴机床的有限元模型，如图5所示。
对上述有限元模型进行静力分析，得到其在竖直方向的静变形云图，如图6所示，并通过该静变形云图，确定在竖直方向的静变形的仿真数值为0.0325mm。
通过上述静力分析，发现原结构机床在竖直方向的静变形为0.0325mm，远远没有达到预期优化目标(竖直方向静变形小于0.02mm)，基于上述静变形云图，识别了对整机在竖直方向静变形影响最大的环节(薄弱环节)包括：立柱、X溜板以及Z溜板，并对其进行综合结构优化。
对优化后的结构进行静力分析，分析结果如图7所示。对比优化前后的分析结果，整机静变形如表2所示。由表2可知，优化后整机静变形降低约52.78％，其中在Y方向(竖直方向)静变形降低约42.77％，在Z方向静变形降低约55.33％。说明机床静态特性得到明显提升，加工精度有了极提高。
表2
由上述分析结果可知，优化后的悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形为0.0186mm，满足预期优化目标(竖直方向静变形小于0.02mm)。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101.基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型；
所述有限元模型包括床身、立柱、X溜板、Y溜板、Z溜板以及主轴头，改进有限元模型的结构包括：降低所述有限元模型中立柱、X溜板以及Z溜板的质量，减小有限元模型在竖直方向的静变形；
步骤102.对所述有限元模型进行静力分析，获得有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；
在竖直方向的静变形的仿真数值的获取步骤包括：
步骤(1).确定有限元模型的固定边界约束及载荷约束，设置有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束；
步骤(2).确定在竖直方向的静变形云图，根据固定边界约束及载荷约束条件，对有限元模型进行ANSYS Staic Structure静力分析，确定有限元模型在竖直方向的静变形云图；
步骤(3).确定在竖直方向的静变形的仿真数值，根据在竖直方向的静变形云图中的最大值，确定有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；
步骤103.判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；
判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标具体操作为：
步骤401.将在竖直方向的静变形的仿真数值与预设的静变形阈值进行对比，若在竖直方向的静变形的仿真数值小于静变形阈值，则在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；
步骤402.若在竖直方向的静变形的仿真数值大于或等于静变形阈值，则在竖直方向的静变形的仿真数值不满足预期优化目标。
2.根据权利要求1所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，步骤(2)，有限元模型在竖直方向的静变形云图的获得方式为：设置有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束，基于ANSYS Static Structural静力分析模块，仿真计算获得有限元模型在竖直方向的静变形云图。
3.根据权利要求1所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，步骤(3)，在竖直方向的静变形的获得方式如下：
SDV＝maxSDCV
其中SDV为在竖直方向的静变形，SDCV为在竖直方向的静变形云图。
4.根据权利要求1所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，步骤103之前，基于所述的竖直方向的静变形的仿真数值和实测数值，判断在竖直方向的静变形的仿真误差是否符合预设标准，若不符合，对所述有限元模型重新分析直至所述在竖直方向的静变形的仿真误差符合预设标准。
5.根据权利要求4所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，其中预设标准由仿真人员按照设计标准自行定义。
6.一种悬伸式主轴机床结构优化系统，其特征在于，包括构建模块，用于基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型；
获取模块，用于对所述有限元模型进行静力分析，获得所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；
优化模块，用于判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；
判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标具体操作为：将在竖直方向的静变形的仿真数值与预设的静变形阈值进行对比，若所述在竖直方向的静变形的仿真数值小于所述静变形阈值，则所述在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；若所述在竖直方向的静变形的仿真数值大于或等于所述静变形阈值，则所述在竖直方向的静变形的仿真数值不满足预期优化目标。
7.根据权利要求6所述的悬伸式主轴机床结构优化系统，其特征在于，优化模块还包括基于在竖直方向的静变形的仿真数值和实测数值，判断在竖直方向的静变形的仿真误差是否符合预设标准，若不符合，对有限元模型重新分析直至在竖直方向的静变形的仿真误差符合预设标准。
8.根据权利要求6所述的悬伸式主轴机床结构优化系统，其特征在于，优化模块还包括设置有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束，仿真计算获得有限元模型在竖直方向的静变形云图。
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