基于衍生式设计的机床主轴箱的结构优化

李 杨，曹贵崟，杨 林

(贵州装备制造职业学院，贵州 清镇 551400)

0 引言

家用台式车床是一种用于小型零件制造的教学型机床。家用型台式车床的尺寸相对于工业及车床来说已经微型化很多，质量相对来说也轻便很多。家用型台式车床自身的溜车板部件目前采用钢件铸造成型，满足了床身的强度、刚度等条件要求，但整个床身质量依然较大，在制作过程中对材料的耗损较高。李天箭[1]等介绍了机床轻量化设计中常用的现代设计方法，重点评述基于结构仿生的轻量化设计方法，从方法、实现手段、轻量化效果等方面进行分析，为一般机械结构的轻量化设计提供了参考。薛会民[2]等利用尺寸优化和拓扑优化设计方法，对机床床身进行结构优化设计，综合优化后床身质量降低了3.52%，有效降低了应力和变形量，对提升机床床身刚度提供了参考。

本文以SIEG SC6-550型家用台式车床为研究对象，采用一种全新轻量化的衍生式设计方法，基于欧特克公司的Fusion 360软件设计平台，支持使用安全、集成的概念到生产工具快速、轻松地探究设计理念，完成机床主轴箱轻量化设计，并将优化前后的箱体进行静力学分析，验证优化结果，有效减轻机床的质量，在满足强度、刚度等使用条件下获得质量更轻便的床身结构，并且使零部件在工业产品创新设计方面，获得较为美观合理的模型结构。

1 主轴箱静力学分析及优化目标确定

1.1 主轴箱结构

本次设计主要针对SIEG SC6-550型(图1)教学台式车床的主轴箱进行轻量化设计，主轴箱是一个复杂的传动部件，主要支承主轴并使其旋转，实现主轴启动、制动、变速和换向等功能。根据实际测量尺寸，运用三维设计软件建立主轴箱模型，如图1所示。

图1 SIEG SC6-550型台式车床及主轴箱模型

1.2 有限元分析

机床主轴箱位于车床左方床身上，由铸造的方式制造而成，材料为铸钢，支承主轴并使其旋转，实现主轴启动、制动、变速和换向的作用，另外在加工的过程中还能抵抗一定的冲击，所以主轴箱受力主要为主轴旋转产生的扭矩，扭矩的大小受切屑力的影响，通过计算车床的最大车削力，可以计算出该力的大小。对图2中主轴箱模型进行静应力分析，分析材料设置为铸钢，根据车削力的大小，载荷工况设置为：在两侧轴承座表面分别施加1500 N载荷，方向相反，主轴箱底面施加固定约束，经过网格划分、设计区域划分、加载等处理后得到主轴箱应力及位移分布，如图2所示。

图2 主轴箱模型静力分析结果

由图2可知，最大位移在主轴箱两侧轴承座边缘处，最大值为1.26×10-3mm，最大应力在箱体底部两侧，最大值为2.977 MPa，最小安全系数为15。

2 主轴箱零件衍生设计

2.1 衍生设计方法

衍生式设计属于轻量化设计优化方法的一种，但衍生式设计与传统的优化设计方法在优化算法上有着本质的区别。该方法是一种模仿自然进化的设计方法，区别于计算设计，一般我们认为：衍生式设计是人类和计算机之间的协作设计的过程。在此过程中，设计人员定义设计参数，计算机生成设计方案(备选方案)，根据设计人员设定的可量化目标对其进行评估，使用以前的结果和设计人员的反馈改进研究，并根据设计的原始目标对结果进行排名。这个过程中，涉及了很多的算法，例如遗传算法、机器学习、迭代优化等。

本文将采用衍生式设计方法，基于Autodesk公司的Fusion 360软件设计平台，完成机床主体结构轻量化设计。衍生设计是在设计过程中模仿自然进化的一种设计方法，它采用深度学习和遗传算法，由设计师或工程师将设计目标(可以是载荷、尺寸、安装孔的位置、运动干涉等条件)输入到设计软件中，用户先输入目标、约束条件和优先项(例如重量、安全系数、材料偏好、制造方法和成本限制)，然后开始与软件技术合作。软件在工作中将人工智能(AI)和云计算相结合，探索数以千计的选项，找出最佳的结果。它能够更快地解决复杂的问题，并能提供比人类更多潜在的解决方案，与生成式设计不同，该软件将探索解决方案的所有可能排列，快速生成设计备选方案。

图3 计算设计与衍生设计方法比较

图4 衍生设计步骤流程图

以下是衍生设计如何工作的逐步细分，流程图如图4所示。

2.2 主轴箱衍生设计

2.2.1 衍生设计预处理

根据上述分析，在衍生设计的过程中，载荷工况设置为：在两侧轴承座表面分别施加方向相反，大小为1500 N的载荷，主轴箱底平面施加固定约束，对于箱体的设计目标是在满足使用和功能要求的结构强度下，获得最小化质量为最优解，所以将设计目标设定为质量最优，最小安全系数默认2.0保持不变，Fusion360在制造中提供了多种加工方法，包括增材、切削、铸造等，不仅如此，Fusion360还提供了丰富的材料以供分析使用，为了后期便于制造本文选择增材的制造方式，在本次分析中不仅满足强度要求还要满足刚度要求，在此分析中依然选择铸钢材料。最后预检查满足分析所需的所有条件，即可通过云计算得到衍生式设计的结构模型。

2.2.2 衍生设计后处理

通过衍生式设计方法可以得到多个结构设计模型，如图5所示，四个结果中只有一个可行，因为不收敛或者溢出可能带来设计缺陷。所以需要对这些设计方案做进一步分析处理，分析不同设计模型的结构以及各项参数指标，对设计参数进行迭代修正。生成满足在衍生式分析中指定的设计要求的结果。在后处理界面的方案视图中选择合适的模型。

图5 衍生设计迭代模型

图6 衍生设计结果

通过比较不同模型的质量与最大等效应力、加工方式等，得到最优的模型，其质量为7.957 kg，最大等效应力为56.1 MPa，如图6所示，然后导出模型。

图7 衍生机构光固化模型

图6为运用遗传算法快速演变出适应需求的结构方案，该方案运用传统的基于多轴机床的加工方法较难实现，随着增材制造技术的发展，可以采用增材制造来实现复杂结构的加工。本文运用光固化3D打印技术，将衍生设计的箱体结构按数字模型与实际零件1∶1的比例制作出实物零件，如图7所示，以验证其配合精度。

2.2.3 衍生设计结果对比

图8为衍生设计前后模型应力分布对比，经过对比发现，在未进行衍生设计前床身箱体结构的最大应力明显集中在主轴箱支撑两侧，重量为15.246 kg；进行衍生设计后的箱体结构无明显应力集中部位，分布均匀，重量仅为7.957 kg。通过上述分析表明，经过衍生设计后的箱体模型满足原始模型的强度和刚度要求。

图8 计算设计模型与衍生设计模型应力分布对比

通过静力学结构仿真分析的结果，并测量其实际的力学特性，并在仿真中加以验证。然后在仿真中设计实际工况，并根据设计准则相等，指导验证仿真实验，考察结果显示衍生式设计得到的设计模型满足使用要求，且通过与传统设计理念设计出的模型参数对比可知，运用衍生式设计方法优化后的模型总体质量较原始模型轻量化了52.19%，优化效果十分明显。

3 结论

通过运用欧特克公司基于云计算的软件平台仿真分析模块对选定的设计模型进行静力学结构分析，然后对SIEG SC6-550型家用台式车床传动结构关键零件主轴箱进行衍生设计后，得到轻量化的箱体模型，其应力、位移等都满足设计要求，并得到轻量化设计的结果。其质量也大大的降低，从而达到节省材料成本的轻量化设计目的。