夾具的優(yōu)化設計及經(jīng)濟性分析研究

1、<p>　　夾具的優(yōu)化設計及經(jīng)濟性分析研究</p><p><b>　　趙生虎</b></p><p>　　摘 要：通過對夾具設計中優(yōu)化設計和經(jīng)濟性評價問題的闡述，討論了夾具設計的原則和要點，特別在設計上提出了數(shù)學模型作為依據(jù)的最優(yōu)數(shù)法設計觀點，以及經(jīng)濟性評價概念。對企業(yè)豐富工裝設計、改進企業(yè)實施工藝裝備的通用化、系列化和標準化，提高企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)能力，降低

2、生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質量和指導生產(chǎn)實踐都具有十分重要的現(xiàn)實意義和技術效果。</p><p>　　關鍵詞：成組夾具；優(yōu)化設計；經(jīng)濟性；數(shù)學模型；應用</p><p><b>　　1、概述</b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)的一個顯著特點是：新產(chǎn)品發(fā)展快，質量要求高，品種規(guī)格多，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短。反映在機械工業(yè)上，多品種、小批量生產(chǎn)

3、在生產(chǎn)類型比例中，占了很大的比重。這樣，如果按照傳統(tǒng)方式進行生產(chǎn)技術準備工作，就不適應當前和發(fā)展的需要。煤礦機械制造及維修主要以盤類、軸類和殼體類零件為主，其產(chǎn)品上千種，為這些產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝中所配備的工裝夾具有幾百種。特別是，近年來隨著產(chǎn)品開發(fā)品種的急劇增加，要求每種產(chǎn)品的開發(fā)周期越來越短，而大量的新工裝設計工作卻跟不上，嚴重地制約了產(chǎn)品開發(fā)的速度，并使產(chǎn)品開發(fā)的質量難以保證，成本也大幅度增加。顯然，實施工藝裝備的標準化、系列化和通用化

4、是一個行之有效的改善措施。</p><p>　　現(xiàn)代夾具（如成組夾具、通用可調(diào)夾具、組合夾具）的結構共性，大都由通用基體和可調(diào)、可換元件兩部分組成。其通用基體部分是零件組中所有零件共用的主要部分；而可調(diào)、可換部分則是針對零件組中某種（或幾種）特定零件而專門設計的專用或準專用部分。</p><p>　　這些夾具在整個零件組中具有相近于通用夾具的適應性，而當針對某個零件、某道工序調(diào)整好之后，則

5、又具有相近于專用夾具的高效率、高精度、使用方便等優(yōu)點。就可調(diào)、可換元件而言，成組夾具往往偏重于可換件，而通用可調(diào)夾具中則往往偏重于可調(diào)件，這就是成組夾具與通用可調(diào)夾具的主要區(qū)別。而組合夾具中，可調(diào)、可換元件則以組合件的形式出現(xiàn)。盡管它們出現(xiàn)的形式各有特點，但從可調(diào)、可換元件的數(shù)量及其結構的復雜程度看，它們都在很大程度上影響夾具的經(jīng)濟性。可調(diào)、可換元件一般是隨夾具適用對象數(shù)的多少而變化的，因此，在現(xiàn)代夾具設計時，適用對象種數(shù)選擇得是否合理

6、，將直接關系到可調(diào)、可換元件的數(shù)量和夾具的整體經(jīng)濟性，亦就是說，夾具設計中存在一個優(yōu)化設計的問題。筆者就如何進行優(yōu)化設計？如何對設計進行經(jīng)濟性評價？以成組夾具為例進行探討和研究。</p><p><b>　　2、優(yōu)化設計分析</b></p><p>　　這種優(yōu)化設計的特點：</p><p>　　其一：可以正確確定適用對象種數(shù)。</p>

7、;<p>　　其二：根據(jù)優(yōu)化設計的結果，對可調(diào)、可換元件和通用基體的結構設計從成本比例的角度進行調(diào)整，從而使之滿足優(yōu)化設計，達到整體經(jīng)濟性的目的。</p><p>　　2.1 成組夾具的成本</p><p>　　成組夾具的成本通常由兩部分組成，即：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>

8、;　　式中：—成組夾具總成本[元]；</p><p>　　—成組夾具上通用基體的成本[元]；</p><p>　　P—成組夾具上可調(diào)、可換元件平均單件成本[元/種]；</p><p>　　N—成組夾具適用零件種數(shù)[種]</p><p>　　式（1）中， 對整套夾具來說是一常數(shù)；P*N則隨著N的增減而變化（其中P為常數(shù)）。</p>

9、<p>　　2.2 衡量成組夾具經(jīng)濟性的兩個基本概念</p><p>　　2.2.1 從成組夾具適用對象種數(shù)所分攤的夾具成本看，可以認為：適用對象在成組夾具滿負荷的范圍內(nèi)，對象種數(shù)愈多則夾具分攤到適用對象種數(shù)上的單位成本就愈低。</p><p>　　2.2.2 從夾具上的可調(diào)、可換元件看，隨著夾具適用對象種數(shù)的增加，則夾具上的可調(diào)、可換元件也隨著增加，這時，可調(diào)、可換元件的設計

10、、制造費用以及夾具的調(diào)整次數(shù)和調(diào)整、保管費用也隨之相應增加。</p><p>　　以上兩個不同內(nèi)容且有些矛盾的因素，從不同的角度影響著成組夾具的經(jīng)濟性。</p><p>　　從前者的角度出發(fā)，在一定范圍內(nèi)，夾具的適用對象種數(shù)應是愈多愈好。但從后者的角度考慮，則適用對象種數(shù)應是愈少愈好。</p><p>　　因此，欲使成組夾具獲得良好的經(jīng)濟性，必須通盤考慮這兩個不同內(nèi)

11、容且矛盾的因素，取其對成組夾具經(jīng)濟性最為有利的夾具適用對象種數(shù)綜合值，作為確定成組夾具適用對象的最優(yōu)值，并把它作為評價成組夾具優(yōu)化設計的標準。</p><p>　　這種優(yōu)化設計和評價方法，統(tǒng)稱為最優(yōu)數(shù)法，下面將通過建立數(shù)學模型，進一步闡明上述這兩個基本概念。</p><p>　　2.3 建立數(shù)學模型</p><p>　　2.3.1 從式（1）中得知，在1≤N≤N時，

12、成組夾具分攤到適用對象種數(shù)上的單位成本為P0</p><p>　　P0= [元/種] （2）</p><p>　　其中N為夾具在滿負荷時的適用對象種數(shù)。</p><p>　　2.3.2 整套夾具中可調(diào)、可換元件所需的費用為PTW：</p><p>　　PTW=P*N [元] （3）</p>

13、<p>　　2.3.3 建立數(shù)學模型F：</p><p>　　把式（2）和式（3）進行疊加，則得：</p><p>　　F= P0+ PTW</p><p>　　=+ P*N （4）</p><p>　　式（4）即為我們要建立的數(shù)學模型。</p><p>　　2.4 最優(yōu)數(shù)NK的求解<

14、/p><p><b>　　假設：=1000元</b></p><p><b>　　P=50元/種</b></p><p><b>　　N=100種</b></p><p>　　對式（4）F=+ P*N為數(shù)學模型的疊加特性曲線用微分法求極小值K，即求出NK值</p>&

15、lt;p>　　令： dF/dN=0</p><p>　　即 F′=（+ P*N）′</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　又令： F′=0</b></p><p><b>　　則； ；</b></p><p

16、><b>　　； （5）</b></p><p>　　式（5）中求出之N即為NK，且1≤NK≤N。</p><p>　　根據(jù)求解NK 所設之數(shù)據(jù)，將所設值、P值代入（5）式：</p><p>　　得：NK=種取整數(shù)，則=5種，該NK值，亦即為當=1000元，P=50元/種時，夾具適用對象種數(shù)的最優(yōu)數(shù)值。</p>&l

17、t;p>　　3、優(yōu)化設計的現(xiàn)實意義</p><p>　　用最優(yōu)數(shù)法作為成組夾具優(yōu)化設計或經(jīng)濟性評價的基本手段，在主要以提高經(jīng)濟效益為目的的成組技術研究應用中頗具現(xiàn)實意義。</p><p>　　3.1 當所設計之成組夾具，其適用對象零件種數(shù)等于或接近NK值時，可以認為這套成組夾具符合經(jīng)濟性的原則；反之，從經(jīng)濟的角度可以認為是不合理的。這時，應該從各方面采取調(diào)整措施，如修改通用基體或可調(diào)

18、、可換元件的結構設計，使之值與P值的比例關系得到調(diào)整，最終符合經(jīng)濟性的原則。</p><p>　　3.2 在成組夾具設計中，根據(jù)夾具的復雜程度，從已積累的統(tǒng)計資料中取得值與P值的當量值，以預定成組夾具適用對象零件種數(shù)，然后對實際的值與P值進行評價，這樣可以達到減少過程損失的目的。</p><p>　　3.3 為了使成組夾具達到優(yōu)化設計，必須對NK進行求解，但當已經(jīng)掌握了它們內(nèi)在的數(shù)學關系之

19、后，便沒有必要在每套成組夾具設計中都逐個進行求解，為了達到提高設計工效之目的，可以通過建立速查表的辦法來提高優(yōu)化設計和評價效率。這個速查表可以根據(jù)非常簡便的均方根關系來建立，詳見表1。</p><p>　　表1 速 查 表</p><p>　　有了這張速查表，便可借助表中所列的NK值，來確定優(yōu)化設計中的NK值，或者在設計之后用表中列的NK值來檢驗設計結論的經(jīng)濟性，如等于或接近表列的

20、NK值，那么，從經(jīng)濟的角度可裁定該設計已達到了優(yōu)化設計的目的。否則，則應相應修改設計方案，直至達到或接近NK值為止。</p><p>　　3.4 按照此方法進行通用化工裝設計，可大大降低工裝成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。由于通用夾具在產(chǎn)品開發(fā)中的大約占總體工裝的1/5~1/10，其制造可由本企業(yè)的機修單位來完成，工裝夾具的到貨周期由原來的幾個月縮短為幾天。</p><p>　　3.5 可以大大減

21、少夾具庫存量。以工裝庫存的最低儲備量來估算，庫存量約為現(xiàn)場用量的2~3倍，而通用工裝夾具會使原來現(xiàn)場使用的夾具由幾百種下降為幾十種，庫存量可降至1/2~1倍的生產(chǎn)用量。</p><p>　　3.6 大幅度提高單機設備的通過能力，提高產(chǎn)品質量?，F(xiàn)場同類設備由于工裝的差異影響了設備本身較寬的工藝通過能力，通用工裝使現(xiàn)場整體的設備通過能力得到提高，有利于均衡生產(chǎn)，提高了工藝質量和產(chǎn)品質量。</p><

22、;p>　　3.7提高現(xiàn)場應變能力和單一品種的加工能力，有利于物流順暢和均衡生產(chǎn)。</p><p>　　總之，研討現(xiàn)代夾具的優(yōu)化設計及經(jīng)濟性評價問題，無疑對豐富工裝設計、改進企業(yè)實施工藝裝備的通用化、系列化和標準化，提高企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)能力，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量和指導生產(chǎn)實踐都具有十分重要的現(xiàn)實意義。</p><p><b>　　參考文獻：</b>

23、</p><p>　　[1]蔡光輝. 機床夾具設計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1982.</p><p>　　[2]董 峨. 壓鑄模鍛模及其它模具[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1998. [3]龔定安，等. 機床夾具設計原理[M].西安:陜西科學技術出版社，1981. </p><p>　　[4]李慶壽. 機床夾具設計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1990