浅谈锻压机床系统设计优化

赵兴起

摘 要：随着社会的发展和科技的进步，越来越多的工作是机器智能完成的，锻压机床作为一种基础装备，现已被广泛应用于航天、汽车制造业、船只制造业、冶金化工等许多领域，并发挥着重要的作用。随着电子技术和计算机技术的发展和应用，对锻压机床的技术要求越来越高。锻压机床是金属和机械冷加工用的技术，它只改变金属的外形状，而不对金属材料的性质产生影响的一种技术。锻压机床包括卷板机、剪板机冲床、压力机、液压机、油压机和折弯机等。

关键词：锻压机床；设计优化；方法

锻压机床作为各制造工业的基础设备，在社会的发展中占据不可替代的作用，车床是机床最早的雏形，随着电子技术的发展，机床在驱动方式、控制系统和结构功能等多方面都发生了显著的变革，但是不免也存在一些不足之处，其系统优化设计就是一个主要的解决方案。锻压产品具有质量好、重量轻、成本低等特点，将锻压技术结合机床工业就得到了锻压机械，它在机床中所占的比重越来越大。

1 锻压机床系统设计优化的主要研究方面

机床结构优化设计可以从以下两个方面入手：第一，对机床整体结构进行形状或拓扑优化设计；第二，对构成机床结构的关键零部件进行尺寸优化，以提高床身的性能。随着CAD/CAE技术的飞速发展，多种CAD/CAE软件已被广泛应用在锻压机床的优化设计中，并通过系统性分析计算进一步指导优化设计。为了提高锻压机床床身的综合力学性能，首先设计了几种不同筋板布置方式的机床床身，在CAD/CAE集成模拟设计平台下对它们进行有限元分析，根据分析结果优选出最佳的机床床身设计。

经过这些优化设计改善了机床结构的动、静态性能，提高了抗振性能，节省了材料。研究将上述优化方法有机结合，即在进行整个机械全局优化的同时进行关键零部件和结构的优化过程，设定包含机床质量、动静态性能指标以及稳定性指标的目标函数，引入遗传算法进行多目标协同优化，开展随机搜索，最终获取最优解即锻压机床的整体最优结构、关键部件及结构的最优拓扑结构与尺寸参数，达到既减小机床总质量的目的，又改善了机床结构的动静态性能及机床整体稳定性。

2 锻压机床床身的有限元结构优化设计

床身是锻压机床时用于支撑各零部件的工件，床身结构的动态性直接影响到锻压机床的加工精度、精度稳定性和生产效率。床身结构设计现在采用的仍然是传统材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。为保证机床设计高速、高效、高精度和高强度的进行，床身需具有足够的静态刚度和良好的动态特性。通过有限元法对床身结构进行多目标优化设计来提高其刚度和抗振能力，减小变形量，同时减轻床身的质量。利用静态有限元分析可以校核机身部件的强度和刚度，并根据分析结果进行结构改进设计，降低成本，提高效益。

有限元分析的过程是：定义模型及其载荷，求解和解释结果。如果求解结果表明要修改设计，就需要改变模型的几何形状再按上述过程重新进行一次；当结构状态改变时，命令后的参数可能也会有所改变，这时就要重新编写程序。

首先是选择合适的机床床身设计方案，床身的静态、动态特性与它的结构尺寸、形状及筋板的布局有很大关系。在不改变机床床身的尺寸大小的前提下，为保证整个机械的装配效果，设计出了针对不同筋板布置方式的多种床身结构设计方案，并研究比较各种方案对床身应力、变形和固有频率的影响，从中选出结果最好的方案。

进行优选程序后要对床身结构进行有限元分析，锻压机床在锻压零件时受力情况比较复杂，常受如冲压速度、冲压接触面积、冲压深度等很多因素影响，先要对床身进行静力学分析，通过静力学分析，选择出既经济又环保的材料，材料选择好之后要对床身进行模态分析，此过程同样可采用有限元模型进行分析。对机床床身的结构优化可以提高锻压机械的抗震性。

最后是对机床床身结构的优化设计，关键步骤是选择合适的优化目标和设计变量，对锻压机床床身优化设计实质上是对床身质量进行优化设计，通过减小床身的总质量可以节省材料、降低生产成本，优化目标主要看质量值，而将期望值尽可能降低到最小。优化完成后要对结果进行验证。

3 根据遗传算法对锻压机床进行设计优化

优化前要进行变量设计，针对优化对象的不同确定不同的设计变量，经过分析判定合适的设计变量，判定好后就要确定目标函数，锻压机床设计的目标是提高机床的精度，并使锻压机床的总质量在材料允许的应用力范围内降到最低。横梁的纵向弯曲度和横向弯曲度是评价机床好坏的重要参数，因此确定目标函数主要依据的是机床的精度和横梁的横、纵向弯曲度两个参数。

在锻压机床的精度达标的情况下，适当的减小机床的总质量会提高机床的耐用性和稳定性，还可以降低材料成本，可以看出，，机床的总质量也是优化目标函数的一个关键因素。设置遗传算子参数时，采用的是MATLAB工具箱缺省的适应度比例函数Rank来作为适应度比例参数，具体方法是用随机均匀分布选择函数作为选择参数，并用遗传算法工具箱的缺省再生参数、交叉参数。

通过对锻压机床的系统优化设计技术进行研究，构建出了一个集成优化设计平台，为锻压机床的设计及性能的优化提供了良好的环境和空间，此平台通过对管理系统的调整对参数化模型库、分析计算系统和参数优化系统进行协调管理，这一过程实现了有限元分析和遗传算法的参数优化设计，并以实例锻压机床为证，说明了此平台应用上的正确性和可靠性。

4 优化锻压机床快速响应设计过程

快速响应设计的理念包括数字化设计、网络化协同设计、模块化设计、智能化设计等方面。现在应用较广泛的是运用结合了模块化设计、变型设计及涉及基础知识的工程的技术措施。广义上的模块化设计是针对那些结构分级不明确的大型机械提出来的，目的是通过对这些机械的应用功能进行分析，把产品的结构划分出一系列的功能模块，进而搭建用变量化技术优化的参数化结构广义模块，把这些模块存档，今后可以根据用户的不同需求选择不同类型的广义模块，通过输入用户所需的参数来定位特定结构的产品，这样就保证了设计速度和设计质量，还可以达到降低成本的作用，广义模块化设计的理念的提出，为一些大型机械产品的模块化设计提供了设计依据和基础。

快速响应的设计优化技术，对优化锻压机床技术有重要意义，为锻压机床系统优化提出了新方法，提高了生产效率，带了了更多的经济效益。

5 结束语

科学技术是第一生产力，要想提高生产效率，先进的生产技术是关键，锻压机床技术作为应用广泛的一门技术，其先进性对生产生活有重要影响。文章对锻压机床设计优化的主要方面进行了探讨，并提出了锻压机床有限元结构优化设计方法和遗传算法对锻压机床设计进行优化，以及锻压机床的快速响应设计。文章分析了以上三种技术的具体优化方法步骤，以方便查阅和使用。对每种方法的优点及应用进行了分析和探讨，这些设计优化方法为锻压机床技术提供了新的思路，降低了成本，提高了经济效益。

参考文献

[1]钟廷修.1999.快速响应工程和快速产品设计策略[J].机械设计与研究.

[2]钟小强.2008.个性化产品快速响应设计方法研究[D].合肥：中国科学技术大学.