基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化_牛文铁
第49卷 第2期 2016年2月
天津大学学报(自然科学与工程技术版)
Journal of Tianjin University (Science and Technology )
V ol.49 No.2Feb. 2016
收稿日期：2015-07-25；修回日期：2015-09-16.
基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项资助项目(2013ZX04005-013).
作者简介：牛文铁（1971— ），男，博士，副教授. 通讯作者：牛文铁，niuwentie@https://www.360docs.net/doc/2c15076902.html,.
网络出版时间：2015-09-22. 网络出版地址：https://www.360docs.net/doc/2c15076902.html,/kcms/detail/12.1127.N.20150922.1507.002.html.
DOI:10.11784/tdxbz201507076
基于iSIGHT 的机床整机结构方案设计与集成优化
牛文铁，田建伟，王俊强
(天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室，天津 300072)
摘 要：机床整机结构方案设计是机床设计的关键环节．在早期设计阶段，实现整机及基础大件性能优化可显著减少后续详细设计的重复率，提高设计效率．基于多学科优化设计软件iSIGHT ，搭建了机床整机结构方案设计及集成优化系统框架，有效集成参数化建模知识、仿真分析知识；综合利用实验设计、响应面拟合及多目标优化算法，形成了以结构件关键设计参数为变量、静动态特性及质量为目标的优化技术流程．以某框中框结构卧式加工中心为例，优化后整机质量下降6.38%，整机最大变形降低3.24%，工件-刀具相对变形降低5.68%，首阶固有频率提高1.15%．优化结果验证了所提出方法的可行性． 关键词：机床整机结构；方案设计；结构优化；iSIGHT
中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2016)02-0120-08
Schematic Design and Integrated Optimization of Machine
Tool Based on iSIGHT
Niu Wentie ，Tian Jianwei ，Wang Junqiang
(Tianjin Key Laboratory of Equipment Design and Manufacturing Technology ，Tianjin University ，
Tianjin 300072，China )
Abstract ：Schematic design of structure plays a key role in machine tool design ．To realize the performance optimiza-
tion of whole machine and structural components in the early design stage can avoid repetition rate in subsequent de-tailed design and structural modification ，and therefore improve design efficiency ．Based on multidisciplinary opti-mization software iSIGHT ，the framework of schematic design and integrated optimization system for machine tool was constructed ，through which the knowledge of parametric modeling and simulation was effectively inte-grated ．Experimental design ，response surface methodology (RSM )and multi-objective optimization algorithm were applied synthetically to optimize the whole machine structure and structural components ．An optimizing technical process with static & dynamic characteristics and mass as the goal was formed which took the key structure design parameters as variables ．Schematic design and optimization of a horizontal machining center with a box-in-box archi-tecture were conducted to verify the proposed method ．The results show that the maximum deformation of machine tool is reduced by 3.24%，the relative deformation between the workpiece and the cutter is reduced by 5.68%and the first natural frequency is increased by 1.15% while the overall mass of machine tool is reduced by 6.38%.
Keywords ：structure of machine tool ；schematic design ；structural optimization ；iSIGHT
机床结构设计主要涉及外形结构设计和内部筋板设计，不同结构对机床静动态性能的影响显著．在早期方案设计阶段，通过设计优化手段获得较好的机床结构，可有效减少后期详细结构设计阶段的反复，提高设计效率．然而，目前优化方法主要应用于详细结构设计阶段的尺寸优化，很少被用于机床结构方案
设计阶段[1]，因此机床结构方案设计和优化方法的研究有较高的工程价值．随着计算机技术的发展，结构设计、分析和优化集成已经被应用于产品方案设计阶段以提高产品设计效率，减少设计的重复性[2]．Park
2016年2月牛文铁等：基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化 ·121·
等[3]提出了一种基于知识的机床集成设计系统，实现了机床结构快速设计及自动化有限元分析，但是该系统未考虑机床结构优化问题．卢健钊等[4]研究了基于iSIGHT的机床结构CAD/CAE集成优化方法，并对机床滑座几何尺寸参数进行了优化．张巍等[5]基于iSIGHT和ANSYS对机床主轴结构尺寸进行优化.但上述两项工作是在已有的详细结构模型基础上完成的，且未考虑结构方案设计阶段的优化问题．本文提出了基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化方法．在多学科优化设计软件iSIGHT环境中，集成Pro/E参数化建模功能和ANSYS有限元分析功能，搭建面向机床结构方案设计的集成优化设计系统框架；在机床整机定型设计完成后，通过调用整机拓扑结构模型、标准件模型及结构件参数化模型，快速生成整机结构设计方案；基于Pro/E Trail及ANSYS APDL技术，实现CAD/CAE 集成，并基于此开展整机静动态性能快速预估；综合利用实验设计、响应面法及NSGA-Ⅱ优化算法，以静动态性能为指标，实现结构件参数优化．以框中框结构机床为例，验证了所提出方法的有效性及可行性．在机床整机结构初始设计阶段应用该方法，可得到静动态性能近优的整机结构设计方案，并有效提高设计效率，缩短设计周期．
1 整机结构方案设计与集成优化框架
iSIGHT是一个通过软件协同驱动产品设计优化的软件，它的功能可以概括为集成设计优化过程自动化[6]．实现优化过程自动化的关键是通过批处理模式实现CAD模型参数化驱动重建和有限元分析[7]．笔者结合数控机床整机与基础大件结构优化的技术需求，搭建了基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化系统框架，如图1所示．首先，基于构建的知识库/数据库完成机床结构方案设计；其次，在iSIGHT集成环境下，构建集成所需要的CAD参数化模型模板、CAE有限元分析模板和运行CAD、CAE软件的批处理文件，以实现系统框架自动建模分析．
图1机床结构方案设计与集成优化系统框架
Fig.1Framework of machine tool schematic structure design and integrated optimization system
1.1 整机结构方案设计模块
构建支撑设计的知识库/数据库，包括机床拓扑结构、标准件及结构件参数化模型库．基于上述知识库/数据库，通过交互式操作，完成拓扑结构、标准件
·122·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第49卷 第2期
选型，初步确定整机及支撑结构件参数，输出整机结构设计方案．
1.2 基于iSIGHT的集成优化系统框架
1.2.1Pro/E参数化模型模板
首先，基于Pro/Program的参数化造型功能，建立典型拓扑结构机床及其结构件参数化模型；基于Pro/E提供的Trail文件，建立整机及结构件参数化模型模板．该模板可有效集成建模知识，同时利用该模板，可有效实现Pro/E与iSIGHT集成．
1.2.2基于APDL的有限元建模与分析模板
基于ANSYS参数化设计语言APDL，建立有限元分析模板．基于上述模板，集成仿真分析知识，同时自动实现整机/结构件的几何模型导入、材料属性添加、网格划分、接合面处理、载荷约束施加、动静态性能分析、分析结果提取等一系列操作．
1.2.3基于iSIGHT的CAD/CAE集成
通过iSIGHT运行Pro/E批处理文件(Pro/E．bat)并读取Trail文件，实现iSIGHT与Pro/E之间的参数传递、Pro/E模型参数化驱动及重建．通过iSIGHT运行ANSYS批处理文件(ANSYS．bat)，ANSYS运行APDL命令流文件，实现iSIGHT与ANSYS分析结果数据传递．
2 基于iSIGHT的集成优化方法
本文在多学科优化设计软件iSIGHT环境下，综合应用Pro/E参数化建模和ANSYS有限元分析功能，实现了CAD/CAE的集成和自动建模分析．优化设计方法采用了实验设计、响应面拟合及响应值多目标遗传算法优化等步骤．2.1 实验设计及响应面建模
最优拉丁超立方法设计改进了随机拉丁超立方法设计的均匀性，使因素和响应的拟合更加精确真实，从而保证构建的近似模型在整个设计空间的近似精度[8]．响应面法能够很好地解决在多个设计变量同时作用下目标的优化问题[9]，二阶响应面模型为
2
1112
k k k k
i i ii i ij i j
i i i j
Y a a x a x a x xε
====
=++++
∑∑∑∑(1)式中：Y为目标函数；a0为响应函数中的常数模型；x i 为设计变量；a i为线性部分系数；a ii为平方部分系数；a ij为线性相互影响部分系数；k为设计变量数目；ε为构建响应面模型中的统计学误差．
本文利用最优拉丁超立方法和二阶响应面模型模拟机床静动态性能响应变化问题．用复相关系数R2来检验响应面模型是否满足精度要求[10]．R2是介于[0，1]之间的值，R2值越接近1，表明模型的拟合精度越高，可信度越大．
2.2 优化设计流程
图2为机床结构方案优化设计流程．首先建立整机结构参数化CAD模型，确定优化设计目标、设计变量及其设计空间；其次利用最优拉丁超立方法进行实验设计，得到实验样本点集；然后基于iSIGHT集成优化系统框架计算各目标响应值；通过分析设计变量和系统响应之间的函数关系建立设计目标的二阶响应面模型；最后，利用多目标优化算法进行求解.多目标优化算法分为间接法和直接法．间接法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，如归一化加权方法，但难以处理Pareto前沿凹部的缺点[11]．直接法则利用优化算法直接求出非劣解，如NSGA-Ⅱ算法[12]是目前最有效的多目标演化方法之一．综上，本文采用NSGA-Ⅱ算法对设计目标进行寻优求解．
图2机床结构方案优化设计流程
Fig.2Optimization of schematic structure design process of machine tool
2016年2月 牛文铁等：基于iSIGHT 的机床整机结构方案设计与集成优化 ·123·
3 整机结构设计与优化实例
3.1 整机结构方案设计
图3为应用所构建的机床整机结构设计及集成优化系统完成的某框中框结构卧式加工中心方案设计．其中，滑台由z 方向导轨丝杠与床身连接实现z 方向进给；溜板由x 方向导轨丝杠
与立柱连接
实现x 方向进给；主轴箱由y 方向导轨丝杠连接溜板实现y 方向进给．以图3所示的卧式加工中心结构方案为例，首先分别优化各基础大件，再将
优化后的结构装
配为整机进行分析，验证所提出方法的可行性．
以下
以床身结构优化为具体实例，阐述主要优化流
程．
图3 框中框卧式加工中心
Fig.3 Horizontal machining center with a box -in -box
architecture
3.2 床身结构优化
3.2.1 设计变量与设计目标的确定
图4(a )为床身结构设计方案，主要参数包括：床 身长L 1、L 2，宽W 1、W 2，床身高H ，床身壁厚T ．内部筋板采用十字筋布置，如图4(b )和图4(c )所示．为
方便叙述，将横向筋板划分为床头及床尾2个区域，
纵筋划分为A 、B 、C 3个区域．筋板参数包括：床头横筋数量x 1、厚度y 1，床尾横筋数量x 2、厚度y 2；A 区纵筋数量x 3、厚度y 3，B 区纵筋数量x 4、厚度y 4，C 区纵筋数量x 5、厚度y 5．
外形尺寸W 1、
W 2、L 1、L 2由用户依据设计需求(工作行程、工件大小等)确定，因此不作为优化变量．考虑到床身承载及导轨变形等因素，床头轮廓筋板及导轨支撑筋板由设计经验给出，本文不将其作为优化变量．
床身是机床的重要基础件，要求其具有良好的静动态特性，以便保证机床的加工精度及稳定性，同时考虑轻量化需求，因此选取导轨安装面平均变形D 1、立柱安装面平均变形D 2、床身首阶固有频率f 1和质量m 为设计目标．
3.2.2 实验设计与2阶响应面拟合
考虑企业实际铸造能力及结构件筋板设计原则，一般壁厚为30～50mm ，筋板厚度不小于20mm ，且不大于壁厚，筋板间距不小于150mm ．依据上述原则，构建变量的设计空间如表1所示．
应用优化拉丁超立方法构造变量样本点空间，床身结构包含12个设计变量，对于完全2次多项式响应面模型，涉及到91个待定系数(p )．一般认为样本点个数在(2p ＋1)～(5p ＋1)时模型具有较好的回归特性[13]．综合考虑计算效率，设定实验样本点为200个，利用基于iSIGHT 的优化系统框架计算每组实验点响应值，结果如表2所示．
根据实验设计结果分别构造设计目标D 1、D 2、f 1和m 的2阶响应面模型，图5为各响应面模型拟合误差曲线，可知各目标响应面模型满足精度要求．
（a ）床身结构设计方案 （b ）内部筋板布局 （c ）内部筋板结构设计方案
图4 床身结构方案设计
Fig.4 Schematic design of bed structure
·124· 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第49卷 第2期
表1 变量的设计空间
Tab.1 Design space of variables
类 别
床身高H /mm
床身壁厚T /mm 床头横筋数量x 1/个 床头横筋厚度y 1/ mm 床尾横筋数量x 2/个床尾横筋厚度y 2/ mm A 区纵筋数量x 3/个A 区纵筋厚度y 3/ mm B 区纵筋数量x 4/个 B 区纵筋厚度y 4/ mm C 区纵筋
数量x 5/个
C 区纵筋
厚度y 5/
mm
初始值 800 30 5 20 10 20 3 20 1 20 1 20
设计空间 600～1,000 30～50 1～5 20～30 3～10 20～300～3 20～300～1 20～30 0～2 20～30
表2 实验设计结果
Tab.2
Results of experimental design
设计变量
设计目标 实验 号
H /mm T /mm x 1/个 y 1/mm x 2/个 y 2/mm x 3/个y 3/mm x 4/个y 4/mm x 5/个y 5/mm
D 1/ μm
D 2/μm
f 1/ Hz
m / kg 1 719 40 1 21 4 23 1 29 022 129 7.508,510.407,5 132.953,212,287.89
2 70
3 37 5 28 9 26 2 2
4 124 220 4.832,605.817,1 140.772,715,339.903 628 31 3 21 8 22 1 23 12
5 12
6 5.548,508.363,6 138.354,711,543.204 678 34 1 23 4 2
7 2 25 024 121 7.238,709.198,
8 135.804,610,938.765 745 37 5 21
9 26 2 24 021 129 5.329,306.686,9 139.249,014,
440.846
908 36
1 2
2 9 21 1 28 120 126 6.741,210.133,0 123.554,315,273.197 707 47 4 29
3 28 0 2
4 027 129 6.028,806.739,1 139.882,714,459.418 827 3
5 4 21 5 22 2 29 124 22
6 5.319,506.651,9 135.663,015,626.309 606 38 4 28 9 24 0 21 024 12
7 5.366,407.420,0 144.103,312,279.6510 787 33 5 2
8 6 30 1 25 022 128 5.450,306.664,5 137.651,114,086.1811 1,000 3
9 2 29 8 25 2 21 121 129 6.530,107.569,6 122.396,618,257.9312 779 39 3 28 4 25 2 28 030 021 9.171,606.823,5 135.333,913,334.5913 839 39 2 24 10 30 3 23 126 029 6.285,306.826,3 132.192,116,537.9614 912 38 4 24 4 25 0 26 027 028 9.755,507.566,2 129.010,114,166.1115 998 36 1 27 7 26 1 27 127 126 6.712,609.705,6 119.143,416,
617.0616 717 38 4 26 6 29 0 24 029 121 5.722,507.456,0 140.212,4
13,156.23
199 968 45 2 22 3 24 1 25 120 121 7.533,208.660,8 123.768,316,959.71200 795 35 1 27 8 24 0 22 0
21 2
22 7.009,9
12.110,2 133.163,6
12,906.47
（a ）导轨安装面平均变形D 1 （b ）立柱安装面平均变形D 2
（c ）床身首阶固有频率f 1
（d ）床身质量m
图5 响应面模型拟合误差曲线
Fig.5 Fitness error curve of response surface
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3.2.3 基于NSGA-Ⅱ的多目标优化
基于上述响应面模型，以床身12个结构尺寸为设计变量，床身多目标优化设计数学模型为
121min D D f m 、、-、
(2)
(L)(U)(L)(U)(L)(U)(L)(U)s.t.
1,2,,i i i i i i H H H T T T x x x y y y i k
= ≤≤≤≤≤≤≤≤
式中：(U)H 、(L)H 分别为床身高度上、下限约束值；
(U)T 、(L)T 分别为床身壁厚上、下限约束值；(U)i x 、(L)
i x 分别为筋板数量上、下限约束值；(U)i y 、(L)i y 分别为筋板厚度上、下限约束值．
在响应面模型基础上，选择NSGA-Ⅱ算法对床身结构进行优化．设定种群数为20个，遗传代数为12代，交叉变异率为0.9，最终所得的Pareto 最优解集如图6所示．4个目标函数之间存在相互制约关系，即床身轻量化是以频率降低和变形增大为代价，高频率和小变形是以床身质量增加为代价． 3.2.4 床身结构优化结果
结合图6所示的Pareto 最优解集，兼顾设计需求，结构件变形、首阶固有频率及质量之间相互制约关系，选择可行解．可行解的选择如表3所示，导轨安装面平均变形由5.536μm 降至5.148μm ，降幅7%；立柱安装面平均变形由6.493μm 降至6.167μm ，
降幅5.02%
；床身首阶固有频率由134.528Hz 增加
至145.233Hz ，增幅7.96%；床身质量由14284.18kg 降至12626.17kg ，降幅11.6%，优化效果明显．
（a ）D 1、f 1与m 的Pareto 最优解集
（b ）D 2、f 1与m 的Pareto 最优解集
图6 Pareto 最优解集
Fig.6 Pareto optimization solution set
3.3 其他结构件优化
其他结构件优化方法与床身类似，此处不再赘述，优化结果如表4所示．优化结果表明各结构件质量降低的同时，动静态性能均有所提高．
表3 床身优化结果
Tab.3 Optimization results of bed
结构参数
设计目标
类 别
H /mm T /mm x 1/个 y 1/mm x 2/个 y 2,mm x 3/个y 3/mm
x 4/个
y 4/mm
x 5/个
y 5/mm
D 1/μm D 2/μm
f 1/Hz
m /kg 优化前 800 30 5 20 10 20 3
20 1 20 1 20 5.536 6.493 134.52814,284.18优化后 620 35 4 28 9 26 324 0 28 1 26 5.148 6.167 145.233
12,626.17
差值/%,
-7
-5.02 7.96 -11.6
表4 机床其他结构件优化结果
Tab.4 Optimization results of other structural components
立柱
溜板 主轴箱 滑台
类 别 质量/kg
首阶固有 频率/Hz 最大变形/μm
质量/ kg
首阶固有频率/Hz
最大变形/μm
质量/kg
首阶固有频率/Hz 最大变 形/μm 质量/ kg
首阶固有频率/Hz 最大变形/μm
优化前 15,574.68 58.46 18.33 2,660.07 211.82 4.43 463.79
1,060.91 0.35 1,486.73 420.96
2.19优化后 15,14
3.76 58.82 18.02 2,626.44 217.74
4.33 461.631,079.57 0.34 1,392.87 432.39 2.05差值/%,
-2.77 0.62 -1.67 -1.26 2.79-2.26 -0.47 1.76
-2.00
-6.31 2.81
-6.35
4 整机优化结果分析
全部结构件优化完成后，以整机静动态性能进行
验证，仿真结果如图7和图8所示．整机优化结果如
表5所示，优化前后整机质量由36822.45kg 降至34473.09kg ，降幅6.38%；整机最大变形由46.3μm 降至44.8μm ，降幅3.24%；工件-刀具相对变形由
·126· 天津大学学报(自然科学与工程技术版)
第49卷 第2期
46.87μm 降至44.21μm ，降幅5.68%；首阶固有频
率由35.234Hz 增加至35.639
Hz ，增幅1.15%，振型均
为立柱前后摆动．
（a ）优化前整机变形
（b ）优化后整机变形
图
7
整机静力学分析结果
Fig.7
Static analysis results of machine tool
（a ）优化前整机首阶固有频率下的振型 （b ）优化后整机首阶固有频率下的振型
图8 整机模态分析结果
Fig.8 Modal analysis results of machine tool
表5 整机优化前后结果对比
Tab.5 Comparison of results between original and opti -mized design of machine tool
类 别
整机质量/
kg
整机最大变形/μm 工件-刀具相 对变形/μm 首阶固有频率/Hz
优化前 36,822.45 46.3 46.87 35.234 优化后 34,473.09 44.8 44.21 35.639 差值/%,
-6.38
-3.24
-5.68 1.15
5 结 语
本文在多学科优化设计软件iSIGHT 环境下集成Pro/E 和ANSYS ，搭建了机床整机结构方案设计及集成优化系统框架，实现了设计优化的自动化．综合利用实验设计、响应面拟合和NSGA-Ⅱ优化算法，提出了一种基于iSIGHT 的机床整机结构方案设计和集成优化方法．以某框中框结构卧式加工中心为例，优化后整机质量下降6.38%，整机最大变形降低3.24%，工件-刀具相对变形降低5.68%，首阶固有频率提高1.15%．实例结果验证了所提出方法的正确
性及可行性． 参考文献：
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(责任编辑：金顺爱)