淺談鍛壓機床系統設計優化

趙興起

摘 要：隨著社會的發展和科技的進步，越來越多的工作是機器智能完成的，鍛壓機床作為一種基礎裝備，現已被廣泛應用于航天、汽車制造業、船只制造業、冶金化工等許多領域，并發揮著重要的作用。隨著電子技術和計算機技術的發展和應用，對鍛壓機床的技術要求越來越高。鍛壓機床是金屬和機械冷加工用的技術，它只改變金屬的外形狀，而不對金屬材料的性質產生影響的一種技術。鍛壓機床包括卷板機、剪板機沖床、壓力機、液壓機、油壓機和折彎機等。

關鍵詞：鍛壓機床；設計優化；方法

鍛壓機床作為各制造工業的基礎設備，在社會的發展中占據不可替代的作用，車床是機床最早的雛形，隨著電子技術的發展，機床在驅動方式、控制系統和結構功能等多方面都發生了顯著的變革，但是不免也存在一些不足之處，其系統優化設計就是一個主要的解決方案。鍛壓產品具有質量好、重量輕、成本低等特點，將鍛壓技術結合機床工業就得到了鍛壓機械，它在機床中所占的比重越來越大。

1 鍛壓機床系統設計優化的主要研究方面

機床結構優化設計可以從以下兩個方面入手：第一，對機床整體結構進行形狀或拓撲優化設計；第二，對構成機床結構的關鍵零部件進行尺寸優化，以提高床身的性能。隨著CAD/CAE技術的飛速發展，多種CAD/CAE軟件已被廣泛應用在鍛壓機床的優化設計中，并通過系統性分析計算進一步指導優化設計。為了提高鍛壓機床床身的綜合力學性能，首先設計了幾種不同筋板布置方式的機床床身，在CAD/CAE集成模擬設計平臺下對它們進行有限元分析，根據分析結果優選出最佳的機床床身設計。

經過這些優化設計改善了機床結構的動、靜態性能，提高了抗振性能，節省了材料。研究將上述優化方法有機結合，即在進行整個機械全局優化的同時進行關鍵零部件和結構的優化過程，設定包含機床質量、動靜態性能指標以及穩定性指標的目標函數，引入遺傳算法進行多目標協同優化，開展隨機搜索，最終獲取最優解即鍛壓機床的整體最優結構、關鍵部件及結構的最優拓撲結構與尺寸參數，達到既減小機床總質量的目的，又改善了機床結構的動靜態性能及機床整體穩定性。

2 鍛壓機床床身的有限元結構優化設計

床身是鍛壓機床時用于支撐各零部件的工件，床身結構的動態性直接影響到鍛壓機床的加工精度、精度穩定性和生產效率。床身結構設計現在采用的仍然是傳統材料力學簡化計算與經驗設計相結合的方法。為保證機床設計高速、高效、高精度和高強度的進行，床身需具有足夠的靜態剛度和良好的動態特性。通過有限元法對床身結構進行多目標優化設計來提高其剛度和抗振能力，減小變形量，同時減輕床身的質量。利用靜態有限元分析可以校核機身部件的強度和剛度，并根據分析結果進行結構改進設計，降低成本，提高效益。

有限元分析的過程是：定義模型及其載荷，求解和解釋結果。如果求解結果表明要修改設計，就需要改變模型的幾何形狀再按上述過程重新進行一次；當結構狀態改變時，命令后的參數可能也會有所改變，這時就要重新編寫程序。

首先是選擇合適的機床床身設計方案，床身的靜態、動態特性與它的結構尺寸、形狀及筋板的布局有很大關系。在不改變機床床身的尺寸大小的前提下，為保證整個機械的裝配效果，設計出了針對不同筋板布置方式的多種床身結構設計方案，并研究比較各種方案對床身應力、變形和固有頻率的影響，從中選出結果最好的方案。

進行優選程序后要對床身結構進行有限元分析，鍛壓機床在鍛壓零件時受力情況比較復雜，常受如沖壓速度、沖壓接觸面積、沖壓深度等很多因素影響，先要對床身進行靜力學分析，通過靜力學分析，選擇出既經濟又環保的材料，材料選擇好之后要對床身進行模態分析，此過程同樣可采用有限元模型進行分析。對機床床身的結構優化可以提高鍛壓機械的抗震性。

最后是對機床床身結構的優化設計，關鍵步驟是選擇合適的優化目標和設計變量，對鍛壓機床床身優化設計實質上是對床身質量進行優化設計，通過減小床身的總質量可以節省材料、降低生產成本，優化目標主要看質量值，而將期望值盡可能降低到最小。優化完成后要對結果進行驗證。

3 根據遺傳算法對鍛壓機床進行設計優化

優化前要進行變量設計，針對優化對象的不同確定不同的設計變量，經過分析判定合適的設計變量，判定好后就要確定目標函數，鍛壓機床設計的目標是提高機床的精度，并使鍛壓機床的總質量在材料允許的應用力范圍內降到最低。橫梁的縱向彎曲度和橫向彎曲度是評價機床好壞的重要參數，因此確定目標函數主要依據的是機床的精度和橫梁的橫、縱向彎曲度兩個參數。

在鍛壓機床的精度達標的情況下，適當的減小機床的總質量會提高機床的耐用性和穩定性，還可以降低材料成本，可以看出，，機床的總質量也是優化目標函數的一個關鍵因素。設置遺傳算子參數時，采用的是MATLAB工具箱缺省的適應度比例函數Rank來作為適應度比例參數，具體方法是用隨機均勻分布選擇函數作為選擇參數，并用遺傳算法工具箱的缺省再生參數、交叉參數。

通過對鍛壓機床的系統優化設計技術進行研究，構建出了一個集成優化設計平臺，為鍛壓機床的設計及性能的優化提供了良好的環境和空間，此平臺通過對管理系統的調整對參數化模型庫、分析計算系統和參數優化系統進行協調管理，這一過程實現了有限元分析和遺傳算法的參數優化設計，并以實例鍛壓機床為證，說明了此平臺應用上的正確性和可靠性。

4 優化鍛壓機床快速響應設計過程

快速響應設計的理念包括數字化設計、網絡化協同設計、模塊化設計、智能化設計等方面。現在應用較廣泛的是運用結合了模塊化設計、變型設計及涉及基礎知識的工程的技術措施。廣義上的模塊化設計是針對那些結構分級不明確的大型機械提出來的，目的是通過對這些機械的應用功能進行分析，把產品的結構劃分出一系列的功能模塊，進而搭建用變量化技術優化的參數化結構廣義模塊，把這些模塊存檔，今后可以根據用戶的不同需求選擇不同類型的廣義模塊，通過輸入用戶所需的參數來定位特定結構的產品，這樣就保證了設計速度和設計質量，還可以達到降低成本的作用，廣義模塊化設計的理念的提出，為一些大型機械產品的模塊化設計提供了設計依據和基礎。

快速響應的設計優化技術，對優化鍛壓機床技術有重要意義，為鍛壓機床系統優化提出了新方法，提高了生產效率，帶了了更多的經濟效益。

5 結束語

科學技術是第一生產力，要想提高生產效率，先進的生產技術是關鍵，鍛壓機床技術作為應用廣泛的一門技術，其先進性對生產生活有重要影響。文章對鍛壓機床設計優化的主要方面進行了探討，并提出了鍛壓機床有限元結構優化設計方法和遺傳算法對鍛壓機床設計進行優化，以及鍛壓機床的快速響應設計。文章分析了以上三種技術的具體優化方法步驟，以方便查閱和使用。對每種方法的優點及應用進行了分析和探討，這些設計優化方法為鍛壓機床技術提供了新的思路，降低了成本，提高了經濟效益。

參考文獻

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[2]鐘小強.2008.個性化產品快速響應設計方法研究[D].合肥：中國科學技術大學.