一种基于三维拓扑优化的激光追踪测量系统机械结构减重优化方法

摘要

本发明公开了一种基于三维拓扑优化的激光追踪测量系统机械结构减重优化方法，通过对俯仰平台的减重优化，以弥补配重块体积和质量的矛盾问题。首先结合实际情况对激光追踪测量系统进行整体分析，提取出需要减重优化的部分；之后基于MATLAB利用三维拓扑优化代码对需要进行减重的部分进行分析并优化；接着依据优化结果对模型进行重构；然后基于Inventor中的应力分析模块对重构模型进行力学检验；最后重新计算配重，并与实际加工出的配重进行比较。这种方法可以在保持原系统设计不变的情况下，仅对部分机械零件进行打孔减重，从而使俯仰平台再次平衡，为激光追踪测量系统部分机械结构减重优化方面提供了可行方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光测量领域，特别涉及基于三维拓扑优化的激光追踪测量系统机械结构减重优化方法。

背景技术

目前，随着现代技术的快速发展，在大型工件检测、工件对齐、机床校准及机器人校准等领域对于其测量精度的要求越发严格，而激光跟踪测量技术作为公认最具有潜力的可进行大范围测量且精度较高的动态现场实时测量技术，近年来受到广泛关注。对于激光追踪系统机械结构而言，其俯仰部分的调节往往要采用类杠杆式结构，因此需要在激光头内部安装配重块以实现平衡，但是会存在配重块体积与质量的矛盾问题，导致俯仰平台前后平衡状态受影响，也会增加电机负担、降低相关零件使用寿命。本发明基于三维拓扑优化方法对自主研发的激光追踪测量系统的一部分机械部件进行减重优化，以提高其整体性能及使用精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提出实现一种基于三维拓扑优化的激光追踪测量系统部分机械部件减重优化方法。这种方法可以在保持原系统机械结构设计不变的情况下，仅对部分零件进行打孔减重，从而使俯仰平台再次平衡，为激光追踪测量系统机械结构减重优化方面提供了可行方法，并且优化后的重构模型可用于实际加工。

如图1所示的激光追踪测量系统，其整体结构主要由三部分组成：激光追踪系统激光头1，主要由光学元件及干涉光路构成；激光追踪系统俯仰平台2，由激光头、防尘盖、连接板、俯仰架、配重及俯仰电机组成；激光追踪系统回转平台3，主要由支撑座及旋转电机组成；激光追踪系统底座4，支撑整个系统。

根据图1可以看出，激光追踪测量系统俯仰平台中俯仰电机的轴向易受到两边机械结构质量的影响，若存在配重质量不足的情况，则俯仰电机轴向受力不平衡，会影响电机使用寿命和安全性，增加跟踪控制难度。故本发明主要针对激光追踪测量系统的俯仰平台进行减重优化。本发明分别对激光头俯仰架6及连接板5进行拓扑优化。其中，由于俯仰架6为环型，而三维拓扑优化代码现阶段只能对三维板状结构进行优化，故如图3所示将其分为三个板状结构，即前板9，与电机相连的侧板10和不与电机相连的侧板11分别进行拓扑优化，降低了运算的复杂程度。

如图2所示，该激光追踪测量系统的俯仰平台由激光头1、连接板5、俯仰架6、配重块7及俯仰电机8组成。俯仰架6一端通过连接板5与激光头1连接，另一端通过螺栓的方式与配重连接，中间部分通过螺钉与俯仰电机8固连。

本发明基于MATLAB编写三维拓扑优化代码，在Kai Liu教授代码的基础上对固定约束及载荷条件进行修改，使其更好的应用于本激光追踪测量系统。

如图4所示，对于俯仰架前板9，其主要受载荷来自于通过螺栓连接的连接板5及激光头1。故其上四个螺栓孔位置均受到向下的载荷。其固定约束为与两侧板连接的位置，即图4中剖面线的位置。

如图5、6所示，框范围内为拓扑优化的设计域。首先，侧板在整个俯仰平台平衡中，起到杠杆的作用，即以中间部分固定端为界限，前半段与激光头1、连接板5等部分算为一个整体，后半段与配重块7算为一个整体。为了使其在配重质量不足的情况下达到平衡，对前半段进行减重优化。选定侧板前半段进行拓扑优化，后半段保持原状。对于两个侧板所受载荷均来自于激光头1与连接板5，故均在与前板连接的面上受到面载荷，如图位置所示。对于固定端，因两侧板的螺栓孔位置不同而略有不同。其中带电机侧板10的固定约束为：俯仰架6与俯仰电机8固连的螺栓孔，如图5中所示；不带电机侧板11的固定约束为：俯仰架6与俯仰轴固连的三个螺栓孔，如图6中所示。

如图7、8所示，对于连接板5，其受到的载荷主要来自于与下方通过螺钉连接的激光头1所带来的重量，其固定约束来自于通过螺栓与俯仰架前板9串联的固定块夹紧的部分，如图8所示。

一种基于三维拓扑优化的激光追踪测量系统机械结构减重优化方法，本方法包括如下步骤：

步骤1：结合实际情况对激光追踪测量系统进行整体分析，提取出需要减重优化的机械结构部分，即激光追踪系统俯仰平台；

步骤2：基于MATLAB，利用三维拓扑优化代码对需要进行减重的激光追踪测量系统俯仰平台进行分析并优化，对激光追踪测量系统俯仰平台的连接板5及俯仰架6进行优化；

步骤2.1.将离散的激光追踪测量系统俯仰平台激光追踪系统俯仰平台模型(连接板5及俯仰架6)转化为连续体进行拓扑优化，建立目标函数，约束条件等，目标是让连接板5及俯仰架6质量最小化，写为：

subject to：

KU＝F

0＜x

其中U和F分别为整体位移和力矢量，K为整体stiffness矩阵(单元刚度矩阵，表示单元体的受力与变形关系)。每个元素e都有密度x

步骤2.2.利用最优性准则(OC)找到目标函数灵敏度：

其中m是正的移动极限，η(＝1/2)是数值阻尼系数，B

式中，λ是拉格朗日乘子，通过双分段算法找到。连接板5及俯仰架6设计域内质量的目标函数c的灵敏度为：

收敛性检查用如下方法：分别取两次邻近设计变量的最大分量，用两个分量的绝对差值式作为评判标准，

或者用两次邻近设计目标函数的绝对差值式作为评判标准,

步骤2.3.使用过滤器对灵敏度进行修改，进行卷积计算。网格独立滤波器通过如下修改元素灵敏度：

卷积算符(权重因子)

{f∈N|dist(e，f)≤γ

若结果收敛则得出连接板5及俯仰架6设计域内质量优化模型，结果不收敛则返回步骤2.2中继续进行优化，直到收敛为止。

步骤3：按照上述方法得到连接板5及俯仰架6的优化结果，根据优化结果及实际情况在Inventor中对连接板5及俯仰架6的模型进行重构建模；

步骤4：将连接板5及俯仰架6的重构模型导入Inventor中进行应力分析，基于Inventor中的应力分析模块，对重构模型进行仿真验证，检验其是否可以承受相应的载荷。在将重构模型分别导入应力分析模块，按照实际情况设置载荷及固定端约束，进行网格划分(默认网格类型即可)，进行应力分析，得到应力分析云图。在机械设计中，重要零件一般要求安全系数在3以上。如果模型可以承受相应的载荷，则安全系数应在3以上，则符合安全设计要求，可以进行进一步的配重计算(步骤5)；若不能够承受相应的载荷，则安全系数应在3以下，需要返回步骤2进行重新规划设计域，重新优化；

步骤5：对符合安全设计要求的连接板5及俯仰架6的重构模型，结合实际情况进行配重计算验证，如使用优化后连接板5及俯仰架6的模型计算出的配重满足小于已加工配重质量，则本优化方法能完成优化任务。

与现有技术相比较，本发明的减重优化方法可以在维持原定设计的前提下仅对部分零件进行拓扑优化，从而使得俯仰平台再次达到平衡状态，提高其整体性能。并且连接板5及俯仰架6的重构模型可直接用于工厂打孔加工，节省了成本，降低了设计难度。

附图说明

图1为一种激光跟踪测量系统整体示意图。

图2为一种激光跟踪测量系统俯仰平台示意图。

图3为一种激光跟踪测量系统俯仰架示意图。

图4为一种激光跟踪测量系统俯仰架前板受力情况示意图。

图5为一种激光跟踪测量系统俯仰架带电机侧板受力情况示意图。

图6为一种激光跟踪测量系统俯仰架不带电机侧板受力情况示意图。

图7为一种激光跟踪测量系统连接板示意图。

图8为一种激光跟踪测量系统连接板受力情况示意图。

图9为一种激光跟踪测量系统俯仰架前板拓扑优化示意图。

图10为一种激光跟踪测量系统俯仰架带电机侧板拓扑优化结果示意图。

图11为一种激光跟踪测量系统俯仰架不带电机侧板拓扑优化结果示意图。

图12为一种激光跟踪测量系统连接板拓扑优化结果示意图。

图13为一种激光跟踪测量系统俯仰架方形减重孔拓扑优化重构模型示意图。

图14为一种激光跟踪测量系统俯仰架圆形减重孔拓扑优化重构模型示意图。

图15为一种激光跟踪测量系统连接板拓扑优化重构模型示意图。

图16为一种激光跟踪测量系统方形减重孔拓扑优化重构模型应力分析图。

图17为一种激光跟踪测量系统圆形减重孔拓扑优化重构模型应力分析图。

图18为一种激光跟踪测量系统连接板拓扑优化重构模型应力分析图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

一种基于三维拓扑优化的激光追踪测量系统机械结构减重优化方法，本方法的具体实施过程如下：

步骤1：提取俯仰平台模型，提取相关参数

根据三维软件仿真数据，得到激光头1重约3.1kg，优化前连接板5重约2.2kg，优化前俯仰架6重约2.65kg。

俯仰架前板9长约为190mm，高约为54mm，厚度约为8mm。通光孔据左边83mm。由于拓扑优化须在MATLAB中进行，而MATLAB索引需是整数，且内存有限，故对原模型进行1/2缩放取，取长为90mm，高为25mm，厚度为4mm。

侧板需优化的前半段长为98mm，高为54mm，厚度为8mm。同理，对原模型进行1/2缩放，取长为50mm，高为27mm，厚度为4mm。

连接板5长为355mm，高为80mm，厚度为10mm。同理，对原模型进行1/4缩放，取即长为89mm，高为20mm，厚度为2mm。

步骤2：对模型进行拓扑优化，优化结果如图9、10、11、12所示；

目前三维优化代码仅可对板状三维零件进行拓扑优化。设置三维拓扑优化代码初始化参数，top(nelx,nely,volfrac,penal,rmin)

nelx、nely和nelz分别是零件水平长度、垂直高度和厚度方向上的元件数量，根据零件不同可自由改变，volfrac是体积分数，penal是惩罚功率，rmin是滤波器尺寸。通过阅读相关资料，并且为了更好贴合实际使用情况，设置体积分数0.3，惩罚功率3，滤波器尺寸1.5。

以零件左下角为零点，设零件上结构位置为(x,y,z)。在程序中设i

其中，对俯仰架前板9的优化结果如图9所示，按照模型结构设置参数长高宽(x,y,z)为90mm，25mm，5mm。其载荷来自与通过螺栓连接的连接板5及激光头1。在其上四个螺栓孔位置(5,8,z/2)、(5,18,z/2)、(78,8,z/2)、(78,18,z/2)分别设置向下的载荷；其固定约束为与两侧板连接的位置，即图4中剖面线的位置，在两个连接面范围内(10:15,0:y,0:z)、(85:90,0:y,0:z)分别设置固定约束；

对俯仰架带电机侧板10的优化结果如图10所示，对俯仰架不带电机侧板11的优化结果如图11所示，设置按照模型结构设置参数长高宽(x,y,z)为50mm，27mm，4mm。对于两个侧板所受载荷均来自于激光头1与连接板5，故均在与前板连接的面上受到面载荷，设左下角为原点，在(5:5,0:y,z/2:z/2)范围内设置方向向下的面载荷，如图绿线位置所示。对于固定端，因两侧板的螺栓孔位置不同而略有不同。其中带电机侧板10的固定约束为：俯仰架6与俯仰电机8固连的螺栓孔，在(44,4,z/2)、(44,14,z/2)、(39,23,z/2)设置固定约束，如图5中绿色部分所示；不带电机侧板11的固定约束为：俯仰架6与俯仰轴固连的三个螺栓孔，在(35,13,z/2)、(50,6,z/2)、(35,21,z/2)设置固定约束，如图6中绿色部分所示；

对连接板5的优化结果如图12所示，设置按照模型结构设置参数长高宽(x,y,z)为89mm，20mm，2mm。其受到的载荷主要来自于与下方通过螺钉连接的激光头1所带来的重量，在(7,0,z/2)、(26,0,z/2)、(44,0,z/2)、(63,0,z/2)、(81,0,z/2)五个螺栓孔的位置设置向下的力载荷。其固定约束来自于通过螺栓与俯仰架前板9串联的固定块夹紧的部分，在(16:26,5:15,0:z)、(54:64,5:15,0:z)范围内设置固定约束，如图8灰色部分所示。

其中图12连接板5的拓扑优化结果，因固定形式与其他零件略有不同，图中红框部分为夹紧块所产生的固定约束，而非可减重部分。

步骤3：根据优化结果及实际情况，在Inventor中对模型进行重构结果如图13、14、15所示；

图13、14所示为俯仰架6的重构模型，图13模型的三维软件仿真质量为1.71kg，图14模型的三维软件仿真质量为1.76kg。可以看出远远小于原设计的优化前俯仰架6重约2.65kg。其中图13采用方形减重孔，更为贴合优化结果；图14采用圆形减重孔，可以简化后期加工。

图15为连接板5重构模型，三维软件仿真质量为1.32kg，远远小于优化前连接板5重约2.2kg。

步骤4：对重构模型进行应力分析；

如图16、17所示，俯仰架6所受载荷为53N，利用inventor软件应力分析模块得到安全系数云图，从图中可知俯仰架圆形减重孔重构模型(图14)与方形减重孔重构模型(图13)的安全系数均大于15，即表示可以安全承受所加载荷，满足设计要求。

如图18所示，连接板5所受载荷为22N，利用inventor软件应力分析模块得到安全系数云图，其安全系数大于15，可以安全承受所加载荷，满足设计要求。

步骤5：对优化后的整体进行配重的重新计算；

原设计配重质量为7.77kg(材料：硬质合金，密度：15.50g/cm

对所公开实施案例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对本实施案例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施案例中体现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施案例，而是要求符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。