淺談鍛壓機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

趙興起

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，越來越多的工作是機(jī)器智能完成的，鍛壓機(jī)床作為一種基礎(chǔ)裝備，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航天、汽車制造業(yè)、船只制造業(yè)、冶金化工等許多領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對鍛壓機(jī)床的技術(shù)要求越來越高。鍛壓機(jī)床是金屬和機(jī)械冷加工用的技術(shù)，它只改變金屬的外形狀，而不對金屬材料的性質(zhì)產(chǎn)生影響的一種技術(shù)。鍛壓機(jī)床包括卷板機(jī)、剪板機(jī)沖床、壓力機(jī)、液壓機(jī)、油壓機(jī)和折彎機(jī)等。

關(guān)鍵詞：鍛壓機(jī)床；設(shè)計(jì)優(yōu)化；方法

鍛壓機(jī)床作為各制造工業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，在社會(huì)的發(fā)展中占據(jù)不可替代的作用，車床是機(jī)床最早的雛形，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床在驅(qū)動(dòng)方式、控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)功能等多方面都發(fā)生了顯著的變革，但是不免也存在一些不足之處，其系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是一個(gè)主要的解決方案。鍛壓產(chǎn)品具有質(zhì)量好、重量輕、成本低等特點(diǎn)，將鍛壓技術(shù)結(jié)合機(jī)床工業(yè)就得到了鍛壓機(jī)械，它在機(jī)床中所占的比重越來越大。

1 鍛壓機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要研究方面

機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從以下兩個(gè)方面入手：第一，對機(jī)床整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀或拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；第二，對構(gòu)成機(jī)床結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以提高床身的性能。隨著CAD/CAE技術(shù)的飛速發(fā)展，多種CAD/CAE軟件已被廣泛應(yīng)用在鍛壓機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并通過系統(tǒng)性分析計(jì)算進(jìn)一步指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提高鍛壓機(jī)床床身的綜合力學(xué)性能，首先設(shè)計(jì)了幾種不同筋板布置方式的機(jī)床床身，在CAD/CAE集成模擬設(shè)計(jì)平臺(tái)下對它們進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)選出最佳的機(jī)床床身設(shè)計(jì)。

經(jīng)過這些優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)性能，提高了抗振性能，節(jié)省了材料。研究將上述優(yōu)化方法有機(jī)結(jié)合，即在進(jìn)行整個(gè)機(jī)械全局優(yōu)化的同時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵零部件和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程，設(shè)定包含機(jī)床質(zhì)量、動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)以及穩(wěn)定性指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，引入遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，開展隨機(jī)搜索，最終獲取最優(yōu)解即鍛壓機(jī)床的整體最優(yōu)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，達(dá)到既減小機(jī)床總質(zhì)量的目的，又改善了機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)性能及機(jī)床整體穩(wěn)定性。

2 鍛壓機(jī)床床身的有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

床身是鍛壓機(jī)床時(shí)用于支撐各零部件的工件，床身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性直接影響到鍛壓機(jī)床的加工精度、精度穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在采用的仍然是傳統(tǒng)材料力學(xué)簡化計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。為保證機(jī)床設(shè)計(jì)高速、高效、高精度和高強(qiáng)度的進(jìn)行，床身需具有足夠的靜態(tài)剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性。通過有限元法對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高其剛度和抗振能力，減小變形量，同時(shí)減輕床身的質(zhì)量。利用靜態(tài)有限元分析可以校核機(jī)身部件的強(qiáng)度和剛度，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(jié)果。如果求解結(jié)果表明要修改設(shè)計(jì)，就需要改變模型的幾何形狀再按上述過程重新進(jìn)行一次；當(dāng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變時(shí)，命令后的參數(shù)可能也會(huì)有所改變，這時(shí)就要重新編寫程序。

首先是選擇合適的機(jī)床床身設(shè)計(jì)方案，床身的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性與它的結(jié)構(gòu)尺寸、形狀及筋板的布局有很大關(guān)系。在不改變機(jī)床床身的尺寸大小的前提下，為保證整個(gè)機(jī)械的裝配效果，設(shè)計(jì)出了針對不同筋板布置方式的多種床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并研究比較各種方案對床身應(yīng)力、變形和固有頻率的影響，從中選出結(jié)果最好的方案。

進(jìn)行優(yōu)選程序后要對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，鍛壓機(jī)床在鍛壓零件時(shí)受力情況比較復(fù)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(jìn)行靜力學(xué)分析，通過靜力學(xué)分析，選擇出既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的材料，材料選擇好之后要對床身進(jìn)行模態(tài)分析，此過程同樣可采用有限元模型進(jìn)行分析。對機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以提高鍛壓機(jī)械的抗震性。

最后是對機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵步驟是選擇合適的優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量，對鍛壓機(jī)床床身優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是對床身質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過減小床身的總質(zhì)量可以節(jié)省材料、降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化目標(biāo)主要看質(zhì)量值，而將期望值盡可能降低到最小。優(yōu)化完成后要對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 根據(jù)遺傳算法對鍛壓機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

優(yōu)化前要進(jìn)行變量設(shè)計(jì)，針對優(yōu)化對象的不同確定不同的設(shè)計(jì)變量，經(jīng)過分析判定合適的設(shè)計(jì)變量，判定好后就要確定目標(biāo)函數(shù)，鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高機(jī)床的精度，并使鍛壓機(jī)床的總質(zhì)量在材料允許的應(yīng)用力范圍內(nèi)降到最低。橫梁的縱向彎曲度和橫向彎曲度是評(píng)價(jià)機(jī)床好壞的重要參數(shù)，因此確定目標(biāo)函數(shù)主要依據(jù)的是機(jī)床的精度和橫梁的橫、縱向彎曲度兩個(gè)參數(shù)。

在鍛壓機(jī)床的精度達(dá)標(biāo)的情況下，適當(dāng)?shù)臏p小機(jī)床的總質(zhì)量會(huì)提高機(jī)床的耐用性和穩(wěn)定性，還可以降低材料成本，可以看出，，機(jī)床的總質(zhì)量也是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素。設(shè)置遺傳算子參數(shù)時(shí)，采用的是MATLAB工具箱缺省的適應(yīng)度比例函數(shù)Rank來作為適應(yīng)度比例參數(shù)，具體方法是用隨機(jī)均勻分布選擇函數(shù)作為選擇參數(shù)，并用遺傳算法工具箱的缺省再生參數(shù)、交叉參數(shù)。

通過對鍛壓機(jī)床的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，構(gòu)建出了一個(gè)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，為鍛壓機(jī)床的設(shè)計(jì)及性能的優(yōu)化提供了良好的環(huán)境和空間，此平臺(tái)通過對管理系統(tǒng)的調(diào)整對參數(shù)化模型庫、分析計(jì)算系統(tǒng)和參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，這一過程實(shí)現(xiàn)了有限元分析和遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以實(shí)例鍛壓機(jī)床為證，說明了此平臺(tái)應(yīng)用上的正確性和可靠性。

4 優(yōu)化鍛壓機(jī)床快速響應(yīng)設(shè)計(jì)過程

快速響應(yīng)設(shè)計(jì)的理念包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)等方面。現(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的是運(yùn)用結(jié)合了模塊化設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)及涉及基礎(chǔ)知識(shí)的工程的技術(shù)措施。廣義上的模塊化設(shè)計(jì)是針對那些結(jié)構(gòu)分級(jí)不明確的大型機(jī)械提出來的，目的是通過對這些機(jī)械的應(yīng)用功能進(jìn)行分析，把產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)劃分出一系列的功能模塊，進(jìn)而搭建用變量化技術(shù)優(yōu)化的參數(shù)化結(jié)構(gòu)廣義模塊，把這些模塊存檔，今后可以根據(jù)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(shù)來定位特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，這樣就保證了設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可以達(dá)到降低成本的作用，廣義模塊化設(shè)計(jì)的理念的提出，為一些大型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和基礎(chǔ)。

快速響應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，對優(yōu)化鍛壓機(jī)床技術(shù)有重要意義，為鍛壓機(jī)床系統(tǒng)優(yōu)化提出了新方法，提高了生產(chǎn)效率，帶了了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，要想提高生產(chǎn)效率，先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)是關(guān)鍵，鍛壓機(jī)床技術(shù)作為應(yīng)用廣泛的一門技術(shù)，其先進(jìn)性對生產(chǎn)生活有重要影響。文章對鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要方面進(jìn)行了探討，并提出了鍛壓機(jī)床有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和遺傳算法對鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以及鍛壓機(jī)床的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)。文章分析了以上三種技術(shù)的具體優(yōu)化方法步驟，以方便查閱和使用。對每種方法的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，這些設(shè)計(jì)優(yōu)化方法為鍛壓機(jī)床技術(shù)提供了新的思路，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘廷修.1999.快速響應(yīng)工程和快速產(chǎn)品設(shè)計(jì)策略[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究.

[2]鐘小強(qiáng).2008.個(gè)性化產(chǎn)品快速響應(yīng)設(shè)計(jì)方法研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué).