什么是拓扑优化?

什么是拓扑优化?

拓扑优化是在给定的一组载荷、边界条件和约束条件下，对每个设计空间中的材料布局进行优化，使设计满足给定的条件(载荷、边界条件、约束)，从而获得优化性能的一种数学方法。拓扑优化与形状优化或尺寸优化的区别在于，设计可以在设计空间中获得任意形状。通常，拓扑优化将使用有限元方法来评估设计性能。

机床终端应用大致可分为去除率高的粗加工工艺和要求精度和表面精加工的精加工工艺。机器的本质是一个机电一体化系统，包括机器结构和伺服驱动控制模块。因此，利用CAE分析技术对机床的动态特性进行仿真，需要将机床结构与伺服驱动控制模块集成，构建完整的机电一体化多体动态数字化模型。保证了各子系统模型的正确性。这将影响整机动态仿真分析的结果。

近年来，虽然机床行业逐渐引入CAE计算机仿真分析技术进行机床开发，但这些技术大多仍以静刚度分析和模态分析为基础。分析结果还不足以直接匹配加工用户想要的切削效率和切削精度。切削精度或机床开发加工效率往往达不到客户的期望，或模具表面加工线条异常。在开发的初始阶段，机器和设备将具有与设计过程相关联的应用条件。要求越明确，设计越精确，就可以更快地集成拓扑优化技术来修改结构。

机电一体化结构拓扑优化设计技术

采用结构拓扑优化技术，结合机电一体化技术，将铸件的刚度定义为拓扑优化目标，以动态误差需求反转运动铸件重量为拓扑优化约束，可自动求解出最符合设计目标要求的刀具。机器结构设计既能满足轻量化要求，又能消除铸件设计中多次修改的需要。既能满足最终的精密切削要求，又能实现高效率的结构优化，有效地减少了人为主观因素的影响，大大提高了设计开发效率。

目前，大多数结构拓扑优化技术都是针对静刚度或模态频率进行优化的。更先进的方法也可以用来优化频响函数FRF振幅的结构，但这种优化结果只需要高切削去除率。终端应用可以预测加工要求下的切削深度。精加工表面纹理要求没有明确指标。这往往导致机床开发完成后模具表面加工线出现异常。机器的动态误差性能与机器的精度相当，这将反映在加工表面纹理的质量上。将结构拓扑优化技术与机电仿真技术相结合，实现了建筑机电、结构拓扑优化。用户定义在空跑机加速下所需的动态误差。通过拓扑优化可以推导出运动铸件重量与动态误差之间的数学关系。这种结构的优化直接关系到端切精度，可以大大提高开发效率。

机床可以设置不同的配置，以满足不同的工业应用场景。频响函数FRF是机器的一个非常重要的定量指标。对于粗加工工艺来说，加工效率是主要考虑的因素。将频响函数FRF集成到切削颤振稳态图的计算模型中，评价切削效率。对于精加工工艺，加工精度是主要考虑因素，而机床的动态误差性能关系到精加工表面纹理的质量。如果在设计中能够有效地减小机床结构空运行轨迹的动态误差，那么在实机精切时加工精度会更好。

机电一体化分析技术可以有效地预测机床的动态误差，而机床的动态误差性能与各轴运动铸件的惯性(质量)有关。用户定义空运转时机器加速度的动态误差，从而确定运动铸件的重量。将动态误差作为拓扑优化的极限条件，该结构的优化结果直接关系到最终的切削精度。

机电一体化结构拓扑优化设计技术SOP及优点

机电一体化结构拓扑优化设计技术的标准操作流程:用户定义所需机器在空载加速下的动态误差。该机床的机电一体化专用模块，可反转运动铸件动态误差与重量曲线之间的数学关系。将上述关系式作为拓扑优化的极限条件，该结构的优化结果可以直接满足设计者的动态误差要求。与传统的拓扑优化技术相比，在初始设计阶段不需要集成机电一体化技术来确定动态误差性能。通过在开发端修改铸件设计，可以确认机床和伺服控制后产生的路径误差是否符合客户的精度要求。电子控制的机床工艺也处于发展阶段。通过对不同伺服控制参数和结构的集成，可以将机构、电气控制和工艺快速集成到机床开发的初始阶段，以提高机床开发效率。设计技术的全面变革将导致一个质变的、高质量的机床设计过程。