基于Isight的机床结构CAD／CAE集成优化方法研究.pdf

第 2期 2 0 1 3年 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o dul a r M a c hi n e Too l Au t o m a t i c M a n uf ac t ur i ng Te c h ni q ue NO． 2 Fe b．2 01 3 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 3 0 20 0 2 20 3 基于 I s i g h t 的机床结构 C A D ／ C A E集成优化方法研究 卢健钊 ， 殷 国富 ， 王 玲 四J I I 大学 制造科学与工程学院， 成都 6 1 0 0 6 5 摘要 在 多学科优化集成软件 I s i g h t 环境 中， 综合应用 S o l i d E d g e 参数化建模功能和 A N S Y S有 限元分 析 功能 ， 建 立一种 面 向数 控机床 的 C A D ／ C A E 集成优 化设 计 框 架 。提 出 了采 用优 化 拉 丁超 立 方抽 样 试验 设 计 、 响应 面近 似模 型建模 以及 智 能优 化 方 法 ， 以 某卧式加 工 中心 Z 向进 给 系统 为研 究对 象 ， 进 行 了C A D ／ C A E集成优化应用验证 ， 并对滑座的几何尺寸参数进行 了优化 ， 结果表明提 出的集成优化 方法是 可行 的 。 关键词 机床 ； 结构优 化 ； C A D ／ C A E集成 ； I s i g h t ； Z向进 给 系统 中 图分 类 号 T H 1 6 ； T G 6 5 文 献标识 码 A Re s e a r c h o n t he CAD／CAE I nt e g r a t e d Op t i mi z a t i o n M e t ho d o f M a c hi ne To ol St r uc t ur e s Ba s e d o n Ls i g ht L U J i a n ． z h a o ，YI N Gu o ． f u，WANG L i n g S c h o o l o f M a n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a Abs t r a c tCo mb i n e d t h e pa r a me t r i c mo d e l i n g f u nc t i o n o f So l i d Ed g e wi t h t he f i n i t e e l e me nt a n a l y s i s f u n c t i o n of ANS YS，t h e f r a me wo r k o f CNC m a c h i n e t o o l o r i e n t e d CAD／CAE i n t e g r a t e d o pt i mi z a t i o n wa s b u l i t b a s e d o n I s i g h t mu l t i d i s c i p l i n a r y o p t i mi z a t i o n s o f t wa r e ．Th e Z d i r e c t i o n f e e d s y s t e m o f c e r t a i n h o r i - z o n t a l ma c h i n i n g c e n t e r wa s t a k e n a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， t h e v e r i f i c a t i o n o f C AD ／ C AE i n t e g r a t e d o p t i mi z a t i o n wa s c a r r i e d o u t by us i n g o p t i ma l La t i n h y pe r c u be s a mp l i n g，r e s p o n s e s u r f a c e mo d e l i n g a n d i n t e l l i g e n t op t i mi z a t i o n me t h o d． Th e g e o me t r i c d i me n s i on p a r a me t e r s o f s l i d e r we r e o pt i mi z e d．Th e r e s u l t s d e mo ns t r a t e t h e p r o p os e d o p t i mi z a t i o n me t h od i s f e a s i b l e ． Ke y wor d sm a c hi n e t o o l ；s t r u c t u r a l o p t i mi z a t i o n；CAD／ CAE i n t e g r a t i o n；I s i g h t ；Z d i r e c t i o n f e e d s y s t e rn 0 引言 随着 C A D ／ C A E理论 和计 算机 技术 的 高速 发展 ， 数值模 拟技 术 越 来 越 受 到 人 们 的关 注 。通 过 C A D、 C A E乃至 C A P P 、 C A M的集成， 构建面向现代产 品设计 的协 同工作 环境 ， 可节约花费在模型修改和 重建上的时间和精 力 ， 尤其有助于机床等大型复杂 机械 产 品的结构 优化 设计 。 针对大型机械结构性能优化 问题 ， 需要在计算 机上进行大量计算仿真分析 。考虑到直接利用优化 算法 ， 不 仅迭 代次 数较 多 而 且不 易 收敛 ， 为 了有效 避 免高强度仿真计算 ， 减少迭代时间 ， 有必要借助近似 方法建立优化模型 J 。首先基于试验设计等抽样技 术获得样本数据 ， 进而驱动 C A D修改结构模型， 结合 C A E提取一系列 的结构分析 响应值 ， 利用 回归、 拟 合 、 插值等方法创建仿真程序的近似模 型， 最后选用 优化算法对近似模 型进行求解。 本文 引入 由达索 系统 S I MU L I A公 司 推 出的 多学 科优化集成软件 I s i g h t 进行 数控机床结构性能集成 优化设计 的研究工作 。基于 I s i g h t 强 大的多学科 流程 集成 能 力 和 全 面 的 设 计 优 化算 法 库 ， 综 合 应 用 S o l i d E d g e 参数 化 建 模 功 能 和 A N S Y S有 限元 分 析 功 能 ， 对构建机床结构 C A D ／ C A E集成优化系统的方法 进行了研究 。以某 卧式 加工 中心 z向进给 系统 为 例， 基于 I s i g h t 进行了 C A D ／ C A E的集成开发 ， 将参数 化实体模型和有 限元分析集成在一起 ， 实现仿真流 程的自动化 ， 并在此集成环境下对滑座 的几何尺寸 参数进行了优化 。 1 C AD ／ C A E集成优化 方法 本文综合应用 C A D参数化建模功能和 C A E分 析功能 ， 实现 了 C A D ／ C A E的集成和 自动计算 ， 采用 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 8 ； 修 回日期 2 0 1 2一O 8 2 2 {基金项 目 国家科技 重大专项课题 S K 2 0 1 2 0 1 A 2 6一O 1 的资助 作者简介 卢健钊 1 9 8 7 一 ， 男 ， 四川 自贡人 ， 四川大学制 造科学 与lT程学院硕 士研究生 ， 研 究方 向为机械 设计及 理论 ， Em a i l l u j z 8 7 y a h o o ． c n。 2 0 1 3年 2月 卢健钊， 等基于 I s i g h t 的机床结构 C A D ／ C A E集成优化方法研究 2 3 试验设计 、 响应面近似模型 以及智能优化算法 ， 实现 了 C A D ／ C A E 的集成 优 化 。具 体 的集 成 优 化 流程 如 图 1所示 。 l S o l i d E d g e 参数化建模 f 定义输入变量 二I二二二二 ] [ 二二二二 _ - 1 优化拉丁超立方抽样 二二二】二二二二 J 利用A N S Y S 抽样点 l 进行有限元分析 二 二 ] 二 二二 I 构建输出变量与输入 l 变量之间的近似模型 _ 二二工二 l 验证近 似模型l T 一 N I使用近似模型 I 代替仿真程序 二二 工 二 I定义优化变量 针对设计变量 l 进行多目 标优化 ] 一 ＼ ． 主 获得最优方案 图 1 机 床 结 构 的 CAD／CAE集 成 优 化 流 程 图 1 ． 1 S o l i d E d g e集成 开 发 S o l i d E d g e采用标准的 A c t i v e X 自动化 和组 件对 象 模 型 C O M 技 术 ， 为 广 大 用 户 提 供 了多 种 二 次 开 发 的途 径 。 用 户 可 以根 据 自身 需 要 ， 方 便 地 扩 展 S o l i d E d g e的功能或集成 S o l i d E d g e功能到用户 的应 用程序 中。为了实现 C A D参数化建模功能， 本文通 过编写 v b s 文件对 S o l i d E d g e实体模型 的变量表进行 操作 ， 实现零 件的参数化建模 以及装配体 的 自动装 配 ， 并将更新后的装配体导出为 P a r a s o l i d格式文件。 1 ．2 AN S YS集 成 开发 A P D L A N S Y S参数化设 计语言 是建立参数化 有限元分析 的基础 ， 只有创 建 了参数化 的分析 流 程才能在 I s i g h t 平 台上实现 多 目标的最优化 。A P D L 命 令 流文 件 的流 程如 图 2所示 。 导入装配体实体模型l ● ’ 定义材料属性 l l 定义载荷与边界条件 ● ● 网格节点控制 l l 执行求解 ● ● 结合面处理 I l 提取分析结果 图 2 APDL 命 令 流 的 流 程 图 1 ． 3 t s i g h t 集成 平 台 I s i g h t 作 为 一 个 集 工 业 优 化 设 计 和 自动 化 分 析 计算于一体 的多学科优化软件 ， 可以智能支 持各 种 仿真代码 ， 并将各种设计优化算法进行有机组合 ， 实 现 整个 设计 流程 的 全 数 字 化 和全 自动 化 ， 能 有 效解 决 复杂 系统 的优 化设 计 问题 ， 可 缩 短 产 品设 计 周 期 ， 提 高产 品设 计 水 平 。基 于 I s i g h t 多 学 科 优 化 集 成 软 件环境 ， 结合 S o l i d E d g e和 A N S Y S ， 搭建 了 C A D ／ C A E 集成优化系统 ， 其系统框架如图 3所示 。 1 ． 3 ． 1 试 验设 计 在构造响应面近似模型之前需要选取一定 的样 本点 ， 响应 面的近似精度在很大程度 上取决于样本 点在设计空间中的位置分布 。为 了在保证建模精 度 的前提下 ， 减少试 验样本 数量 ， 有必要经济 、 合理 地选取样本点 ， 本文采用 I s i g h t 提供 的优化拉丁方法 O p t i m a l L a t i n Hy p e r c u b e 进 行抽 样 。优 化拉 丁 方 法 在拉丁超立方抽样 的基础上 做 了一定的改进 ， 优化 了试验设计矩 阵每列 中各个 水平出现的次序 ， 使得 矩 阵 中的 各 个 样 本 点 的 因子 水 平 分 布 尽 可 能 的均 匀 ， 从而保证构建 的近似模 型在整个设计空 间的近 似精 度 。 I s i g h t 成平台 试验设计 卜 建立近似模型 卜 优化设计变量 A NS Y S 有限元仿真 图 3 I s i g h t集成 框 架 图 1 ． 3 ． 2近似模 型 近似模 型 的构 造 方 法 主要 有 响 应 面 方 法 、 径 向 基函数方法和增广的径向基函数方法以及 K r i g i n g方 法 。实际中根据工程经验 ， 通常选用一 阶或二 阶响 应面模型 ， 本文选用 I s i g h t 提供的二阶响应 面方法 构建输出变量与输入变量 之间的近似模 型 ， 其 近似 函数可表 示 为 N ， 。 。 ∑6 。 ∑c 。 ∑ 。 1 式中 Ⅳ 模型输入参数 的数 目； 模 型输 入 参数 ； a b 。 、 c d i 多项式待定系数。 1 ． 3 ． 3 优化 算法 I s i g h t 提供 了较完备 的优 化算法 ， 包括三大类 数值优化、 全局探索法 、 启发式或基于知识工程 的优 化法 。 本文 选用 I s i g h t 提 供 的 A S A自适应 模 拟 退 火 算法作为优化算法 ， 在满足状态变量的限制下对近 似模型进行求解。 2 应用实例 2 ． 1 Z 向进 给 系统 以某卧式加工中心的 z向进 给系统为例， 说 明 C A D ／ C A E集 成优 化 系统 的建立 过程 。 该 z向进给系统结构示意图如图4所示 ， 主要 由 端齿 盘分 度 工 作 台 、 导 轨 滑 块 、 丝 杠 螺 母 、 轴 承 以及 伺服电机等组成。 由伺服电机驱动滚珠丝杠 ， 经螺母 带动工作台实现 z向的进给运动。 滑座作为z向进给系统的主要支撑件 ， 其外形尺 寸、 内部筋板 布局及尺寸与其 自身性能有着直接关 系 ， 并间接影响到 z向进给系统的动静态性能。 为此 ， 选取滑座 的6个结构 尺寸作为设计变量。 如 图 5所 示 ， a为内部网格筋板厚度 ； b 、 C为左侧肋板厚度 ； d 、 e 、 厂 为三个侧面壁厚。 2 4 组 合机床 与 自动化 加工技 术 第 2期 图 4 Z向进 给系统结构示意 图 图 5 设计 变量 不惫 图 2 ． 2 结 合部 处理 进给系统是由多个零部件通过不 同种类 的结合 部联接而成的。 由于结合部的特性表现为既有弹性 又有阻尼 ， 所 以要建立较为精确 的动力学模型就必 须引人结合部 。 z向进给系统的主要结合部包括导 轨结合部 、 滚珠丝杠结合部、 螺栓结合部、 轴承结合 部等。 本课题组采用理论分析与试验相结合 的方法 对各类结合部动力学参数进行 提取 ， 并选用若 干弹 簧和阻尼器构建结合部的等效模 型 。 其中， 滚珠丝 杠支撑用轴承和丝杠螺母 的结合部参数可通过查询 相应 的产 品样 本 获 取 ， 而 导轨 结 合 部 的 刚度 和 阻 尼 由试验 测定 。 在建 立 有 限元 模 型 时， 选 用 A N S Y S提 供 的 C o m b i n l 4单元 ， 通过连接结合部对应的 2个节点并赋 予相应的刚度阻尼属性来模拟结合部。 对于导轨结合 部， 每个滑块的法向和切向各布置4个， 分别模拟法向 及切向的刚度及阻尼 ； 轴承结合部和滚珠丝杠结合部 分别采用沿圆周均布的4 个径向和4 个轴向 C o m b i n 1 4 单元来模拟。 值得注意的是， 在进行网格划分时， 需要 人工控制网格节点的分布以正确生成 C o m b i n l 4 单元 。 为了实现集成优化系统的 自动化 ， 采用 A N S Y S的硬点 控制节点分布 ， 进而建立结合部等效模型。 2 ． 3 静动 态特 性分 析 根据该卧式加工中心实际情况 ， 按照表 1 设置实 体单元的类型、 实常数及材料属性。 表 1 单元类型 、 实常数及材料属性 静态 分析 时 ， 遵 循该 加工 中心 的“ 切 削试验 指 导 书” ， 依据经验公式计算出执行重 切削 时的切 削力 ， 得出圆周铣削力 F t 、 径向铣削力 F r 以及轴向力 F n ， 故 在有限元模型 中， 分别将切削力的上述 3个分量施 加在工件毛坯上 ，以模拟工作载荷。 模态分析时， 由 于未对丝杠的转动施加约束 ， 第 1阶表现为刚体模 态 ， 故取 第 2阶 固有 频率 作为 响应值 。 通过编写 A P D L 命令流， 建立 z向进给系统的有 限元模 型 ， 并 对 其 进 行 静 动态 特 性 分 析 以及 状 态 变 量 和 目标 函数提取 。 2 ． 4 集成 优化 基于 I s i g h t 集成优化平 台， 利用优化拉丁方法在 设 计空 间进 行 随 机 均 匀 抽 样 ， 获 得 设 计 变 量 的 样 本 数据 ， 进而驱 动 S o l i d E d g e自动修改 滑座 的几 何模 型 ， 并完成 z向进给系统的 自动装配 ， 同时将装配体 信息以 P a r a s o l i d格式导出； 在 A N S YS的批处理环境 下利用 A P D L 命令流完成实体模型的 自动导入、 材料 定义、 网格划分 、 结合面处理、 载荷施加、 求解 以及静 动态 特性 的提 取 ； 利 用 二 阶 响应 面 方 法 建 立 响应 值 和设计变量之 间的近 似模 型； 使用近 似模 型代替仿 真程序 ， 选用 A S A优化算法对近似模型进行多 目标优 化， 在满足约束条件的限制下， 实现工作台质量和工件 切削点静态变形量的最小化以及第 2阶固有频率的最 大化， 其多 目标优化问题的数学模型可描述为 ，X [ Ⅱ ， b ， c ， d ， e l 3 { m in ∑ 2 l l L s ．． ．t X ≤ X ≤X 1 ， ⋯， 6 式 中 ， 由 6个设 计变 量组 成 的列 向量 ； 权 重 系数 ； S F 比例 因子 ； ． 代表工作 台质量、 静态变形量和第 2阶固有频率的近似模型函数； 设计变量下限约束值 ； 设计变量上限约束值。 其中， 第 2阶固有频率的最大化将用值的相反数 来加权求和。 2 ． 5 优 化 结果 获得优 化 方 案 后 ， 对 优 化 后 的设 计 变 量 进 行 圆 整。分别将设计变量的初始值、 优化值代人仿 真程 序进行静动态特性分析 ， 并提取优化前后对应 的有 限元计算值。设计变量初始值、 变 动区间和优化结 果 如表 2所示 。 下 转第 2 9页 2 0 1 3年 2月 窦志 娟 ， 等 钢 丝绳 断丝检 测 系统虚 拟仪 器设 计 研 究 2 9 表 3检测 结果记录表 实际断丝 期望输 出 实际输出 0． 9 4 3 3 O ．1 O 1 1 0 ． 0 5 5 8 0． 0 2 9 1 l 0 0 0 1 O O O 0． 01 l 3 0 ． 0 9 5 0 ． O 1 5 4 0， 8 8 4 4 0 0 01 0 O 0 1 0． 9 3 31 0 ． 0 3 6 0 ． 0 4 7 2 0． 0 0 51 1 l 0 0 0 1 O 0 O 0 ． 9 4 2 3 0． 0 0 7 0 ． 1 0 0 4 0 ． 0 6 6 0 1 l 0 0 0 l O 0 0 0． 0 2 7 9 0． 1 2 2l 0 ． 8 42 0 ． O 6l 2 3 0 O1 0 0 0 1 0 4 结 论 本文介 绍 的基 于虚拟仪 器技术设计 的钢丝绳 断丝 检测 系统 ， 与传统 的检测 系统 比较 ， 最 大的优化在 于 1 虚拟仪器 的应用 借助 L a b V I E W 平台对信号进行采集处理 ， 软件 编程 简单 明 了 。通 过 操 作 界 面完 成 对 整个 系统 的控 制 以及检测数据处理 和分析 ， 显示 主界 面具 有较高 的可视性 ， 效果良好。 2 定量识别算法的应用 B P神经网络不 需要复杂 的建模过程 ， 适合钢丝 绳断丝的定量识别这类复杂且不方便建立模型 的问 题 ， 实验证 明钢丝绳断丝判断率明显提高。 经实 验测 试 证 明 ， 系 统 可 行 ， 效 果 良好 ， 为 钢 丝 绳 的智能 检 ’坝 0 提供 了新 思路 。 [ 参考 文献] [ 1 ]陈琳．电梯钢 丝绳无 损检 测技 术应 用研究 [ J ] ．机 电信 息 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 4 31 4 4 ． [ 2 ]谭 继文 ， 等 ．钢丝绳安全检 测原理 与技术 [ M] ．北 京 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]王 阳生 ， 师汉 民， 杨 叔子 ， 等 ．钢 丝绳 断丝定 量检测 的原 理 与实 现[ J ] ．中国科学 A辑 ， 1 9 8 9 9 9 9 31 0 0 0 ． [ 4 ]钟 小勇 ， 张 小 花．矿 用 钢 丝绳 探 伤 传 感器 的优 化设 计 [ J ] ．煤矿机械息 ， 2 0 1 2 ， 3 3 7 9 ． [ 5 ]乔瑞萍 ， 译．B I S H O P R H． L a b V I E W 7实用教程 [ M] ．北 京 电子工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ]李瑞 ， 周冰 ， 胡仁喜 ， 等．L a b V I E W 2 0 0 9中文 版虚拟仪 器 从入门到精通 [ M] ．北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 7 ]林克正 ， 李 殿璞．基 于小 波变换 的去噪方法 [ 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提出 了一种 机床结 构 C A D ／ C A E集成优 化方 法 。以某卧式加工 中心 z向进给系统为例 ， 实现 了 滑座的尺 寸优 化 ， 验证 了所提优 化 方法 的可行性 。 本文提出的 C A D ／ C A E集成系统的思想 ， 可推广到不 同 的 C A D和 C A E软件环 境 ， 可广 泛用 于多 目标 的工 程 优化 问题 。如何 在此 集 成 系 统 的基 础 上搭 建 其 他 分析工具， 做到最大限度地综合利用各个 分析工具 的优 势 以满 足 对 不 同性 能 的预 测 和 评 估 ， 在 后 续 工 作中有待进一步完善 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]魏巍 ， 张连 洪 ， 徐彦伟 ， 等．机床结构 C A D ／ C A E集成分析 与逐步 回归建模 方法 [ J ] ．农 业机 械学报 ， 2 0 1 0 ， 4 1 6 1 8 71 92． [ 2 ]戴磊 ， 关振 群 ， 单菊林 ， 等 ．机 床结 构三维 参数 化形状 优 化设计 [ J ] ．机械工程学报 ， 2 0 0 8 ， 4 4 5 1 5 21 5 9 ． [ 3 ]隋允康 ， 宇慧平 ．响应 面方法 的改进 及其对 工程 优化 问 题的应用 [ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ]卢健钊 ， 殷 国富 ， 米 良， 等 ．基于 i S I G H T的主轴动静 态性 能优化设计方法 [ J ] ．组合机床与 自动 化加工技 术 ， 2 0 1 2 5 3 63 8 ． [ 5 ]曾红 ， 张志 华 ， 陈静 ， 等．S o l i d E d g e高级应 用 教程 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ]博弈创作 室．A P D L参 数化有 限元分 析技术及 其应 用实 例 [ M] ．北京 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 7 ]孙光 永 ， 李光耀 ， 钟 志华 ， 等 ．基 于序列 响应 面法 的汽 车 结构 耐撞性 多 目标 粒子群优化设计 [ J ] ．机械工程学 报 ， 2 0 0 9 ， 4 5 2 2 2 4 2 3 0 ． [ 8 ]隋允康 ， 李善坡．结构优 化 中的建模 方法概述 [ J ] ．力学 进展 ， 2 0 0 8 ， 3 8 2 1 9 02 0 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