(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211190828.9 (22)申请日 2022.09.28 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西 路127号 (72)发明人 王冰旭　高彤　张卫红　蔚飞　 (74)专利代理 机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 专利代理师 张志梅 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种机床床身与地脚的协同优化设计方法 及相关产品 (57)摘要 本申请公开了一种机床床身与地脚的协同 优化设计方法及相关产品， 可应用于机床结构 优 化设计技术领域。 该方法包括： 得到机床的简化 几何建模模型； 获取机床 的第一有限元模型； 对 机床进行多工况动静力学分析， 得到机床的第一 关键参数 组； 确定机床的床身和地脚的优化结构 设计域； 利用协同拓扑优化数学模 型对简化几何 建模模型进行优化， 得到优化几何建模模型； 根 据优化几何建模模型获取机床的第二有 限元模 型； 根据第二有限元模型对机床进行多工况动静 力学分析， 得到机床的第二关键参数组； 当第二 关键参数 组优于第一关键参数 组时， 输出第二有 限元模型， 实现协同优化。 如此， 通过对机床床身 和地脚进行协同优化， 提高了机床的加工效率和 加工效果。 权利要求书3页 说明书14页 附图2页 CN 115270585 A 2022.11.01 CN 115270585 A 1.一种机床 床身与地脚的协同优化设计方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 对机床的各个结构部件进行简化处 理， 得到所述机床的简化几何建模 模型； 根据所述简化几何建模 模型获取 所述机床的第一有限元模型； 根据所述第 一有限元模型对所述机床进行多工况动静力学分析， 得到所述机床的第 一 关键参数组； 确定所述机床的床身和地脚的优化结构设计域； 结合所述优化结构设计域， 利用协同拓扑优化数学模型对所述机床的所述简化几何建 模模型进行优化， 得到优化几何建模 模型； 根据所述优化几何建模 模型获取 所述机床的第二有限元模型； 根据所述第 二有限元模型对所述机床进行多工况动静力学分析， 得到所述机床的第 二 关键参数组； 当所述第二关键参数组优于所述第一关键参数组时， 输出所述第二有限元模型， 实现 所述机床的所述床身和所述 地脚的协同优化。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述对机床的各个结构部件进行简化处 理， 得到所述机床的简化几何建模 模型， 包括： 获取机床的三维结构模型； 对所述三维结构模型进行拆分， 保留关键结构单元， 得到所述机床的简化几何建模模 型； 所述关键结构单元包括： 去除目标特征的床身、 地脚、 立柱、 横梁、 导轨滑块以及运动部 件； 所述目标 特征包括： 螺 栓孔、 倒角、 圆角以及凸台。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述根据所述简化几何建模模型获取所述 机床的第一有限元模型， 包括： 将所述简化几何建模 模型导入有限元 软件； 将所述简化几何建模模型中的所述关键结构单元的材料参数输入有限元软件， 得到所 述机床的第一有限元模型； 所述材料参数包括： 密度、 弹性模量以及 泊松比。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述根据所述第 一有限元模型对所述机床 进行多工况动静力学分析， 得到所述机床的第一关键参数组， 包括： 根据所述第 一有限元模型对所述机床进行多工况动力学分析， 得到所述机床的第 一动 力学关键参数； 所述多工况动力学分析包括： 整机结构模态分析以及用于模拟所述机床动态切削过程 的谐响应分析或频响分析中的一项或多 项； 所述第一动力学关键参数包括： 固有频率、 振型以及关键位移幅值中的一项或多 项； 根据所述第 一有限元模型对所述机床进行多工况静力学分析， 得到所述机床的第 一静 力学关键参数； 所述多工况静力学分析包括： 所述机床的所述各个结构部件处于不同位置和姿态时所 述机床的形变分析、 所述机床的所述各个结构 部件处于加减速状态下所述机床的形变分析 以及所述机床受到不同方向的切削力时所述机床的形变分析中的一项或多 项；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270585 A 2所述第一静力学关键参数包括： 变形量、 重心位移量、 主轴端面的位移量、 质量以及体 积中的一项或多 项。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述确定所述机床的床身和地脚的优化结 构设计域， 包括： 处理所述简化几何建模模型， 将所述简化几何建模模型中的床身填充为实体结构， 保 留所述床身的实际外形尺寸； 根据所述床身的所述实际外形尺寸， 为所述床身的底部 拓展一圈凸台； 将所述床身定义 为第一优化结构设计域； 将所述凸台定义 为第二优化结构设计域。 6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 所述结合所述优化结构设计域， 利用协同 拓扑优化数学模型对所述机床的所述简化几何建模模型进行优化， 得到优化几何建模模 型， 包括： 确定优化目标； 根据所述优化目标建立对应的协同拓扑优化数 学模型； 利用所述协同拓扑优化数学模型对所述简化几何建模模型中的所述第一优化结构设 计域和所述第二优化结构设计域进行优化设计， 得到优化几何建模 模型。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述方法还 包括： 当所述第一关键参数组优于所述第 二关键参数组时， 调整所述协同拓扑优化数学模型 重新对所述简化几何建模 模型进行优化， 得到二次优化几何建模 模型； 根据所述 二次优化几何建模 模型获取 所述机床的第三有限元模型； 根据所述第 三有限元模型对所述机床进行多工况动静力学分析， 得到所述机床的第 三 关键参数组； 当所述第三关键参数组优于所述第一关键参数组时， 输出所述第三有限元模型， 实现 所述机床的所述床身和所述 地脚的协同优化。 8.一种机床 床身与地脚的协同优化设计装置， 其特 征在于， 包括： 简化处理模块， 用于对机床的各个结构部件进行简化处理， 得到所述机床的简化几何 建模模型； 第一获取模块， 用于根据所述简化几何建模 模型获取 所述机床的第一有限元模型； 第一力学分析模块， 用于根据 所述第一有限元模型对所述机床进行多工况动静力学分 析， 得到所述机床的第一关键参数组； 确定模块， 用于确定所述机床的床身和地脚的优化结构设计域； 优化模块， 用于结合所述优化结构设计域， 利用协同拓扑优化数学模型对所述机床的 所述简化几何建模 模型进行优化， 得到优化几何建模 模型； 第二获取模块， 用于根据所述优化几何建模 模型获取 所述机床的第二有限元模型； 第二力学分析模块， 用于根据 所述第二有限元模型对所述机床进行多工况动静力学分 析， 得到所述机床的第二关键参数组； 输出模块， 用于当所述第二关键参数组优于所述第一关键参数组时， 输出所述第二有 限元模型， 实现所述机床的所述床身和所述 地脚的协同优化。 9.一种机床 床身与地脚的协同优化设计设备， 其特 征在于， 包括：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270585 A 3