夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析研究

1、<p>　　夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析研究</p><p><b>　　趙生虎</b></p><p>　　摘 要：通過對夾具設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)問題的闡述，討論了夾具設(shè)計(jì)的原則和要點(diǎn)，特別在設(shè)計(jì)上提出了數(shù)學(xué)模型作為依據(jù)的最優(yōu)數(shù)法設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，以及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)概念。對企業(yè)豐富工裝設(shè)計(jì)、改進(jìn)企業(yè)實(shí)施工藝裝備的通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和技術(shù)效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：成組夾具；優(yōu)化設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)性；數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用</p><p><b>　　1、概述</b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：新產(chǎn)品發(fā)展快，質(zhì)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(jī)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(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作，就不適應(yīng)當(dāng)前和發(fā)展的需要。煤礦機(jī)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(shè)計(jì)工作卻跟不上，嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品開發(fā)的速度，并使產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量難以保證，成本也大幅度增加。顯然，實(shí)施工藝裝備的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化

4、是一個(gè)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的專用或準(zhǔn)專用部分。</p><p>　　這些夾具在整個(gè)零件組中具有相近于通用夾具的適應(yīng)性，而當(dāng)針對某個(gè)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(diǎn)。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(diǎn)，但從可調(diào)、可換元件的數(shù)量及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度看，它們都在很大程度上影響夾具的經(jīng)濟(jì)性?？烧{(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(shè)計(jì)時(shí)，適用對象種數(shù)選擇得是否合理

6、，將直接關(guān)系到可調(diào)、可換元件的數(shù)量和夾具的整體經(jīng)濟(jì)性，亦就是說，夾具設(shè)計(jì)中存在一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題。筆者就如何進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)？如何對設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)？以成組夾具為例進(jìn)行探討和研究。</p><p><b>　　2、優(yōu)化設(shè)計(jì)分析</b></p><p>　　這種優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：</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(shè)計(jì)的結(jié)果，對可調(diào)、可換元件和通用基體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從成本比例的角度進(jìn)行調(diào)整，從而使之滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到整體經(jīng)濟(jì)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(jì)性的兩個(gè)基本概念</p><p>　　2.2.1 從成組夾具適用對象種數(shù)所分?jǐn)偟膴A具成本看，可以認(rèn)為：適用對象在成組夾具滿負(fù)荷的范圍內(nèi)，對象種數(shù)愈多則夾具分?jǐn)偟竭m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(shí)，可調(diào)、可換元件的設(shè)計(jì)

10、、制造費(fèi)用以及夾具的調(diào)整次數(shù)和調(diào)整、保管費(fèi)用也隨之相應(yīng)增加。</p><p>　　以上兩個(gè)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(jì)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(yīng)是愈多愈好。但從后者的角度考慮，則適用對象種數(shù)應(yīng)是愈少愈好。</p><p>　　因此，欲使成組夾具獲得良好的經(jīng)濟(jì)性，必須通盤考慮這兩個(gè)不同內(nèi)

11、容且矛盾的因素，取其對成組夾具經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)成組夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　這種優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法，統(tǒng)稱為最優(yōu)數(shù)法，下面將通過建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步闡明上述這兩個(gè)基本概念。</p><p>　　2.3 建立數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.3.1 從式（1）中得知，在1≤N≤N時(shí)，

12、成組夾具分?jǐn)偟竭m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(fù)荷時(shí)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(fèi)用為PTW：</p><p>　　PTW=P*N [元] （3）</p>

13、<p>　　2.3.3 建立數(shù)學(xué)模型F：</p><p>　　把式（2）和式（3）進(jìn)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(xué)模型。</p><p>　　2.4 最優(yōu)數(shù)NK的求解<

14、/p><p><b>　　假設(shè)：=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(xué)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(shè)之?dāng)?shù)據(jù)，將所設(shè)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(dāng)=1000元，P=50元/種時(shí)，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(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義</p><p>　　用最優(yōu)數(shù)法作為成組夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)或經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的基本手段，在主要以提高經(jīng)濟(jì)效益為目的的成組技術(shù)研究應(yīng)用中頗具現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　3.1 當(dāng)所設(shè)計(jì)之成組夾具，其適用對象零件種數(shù)等于或接近NK值時(shí)，可以認(rèn)為這套成組夾具符合經(jīng)濟(jì)性的原則；反之，從經(jīng)濟(jì)的角度可以認(rèn)為是不合理的。這時(shí)，應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之值與P值的比例關(guān)系得到調(diào)整，最終符合經(jīng)濟(jì)性的原則。</p><p>　　3.2 在成組夾具設(shè)計(jì)中，根據(jù)夾具的復(fù)雜程度，從已積累的統(tǒng)計(jì)資料中取得值與P值的當(dāng)量值，以預(yù)定成組夾具適用對象零件種數(shù)，然后對實(shí)際的值與P值進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣可以達(dá)到減少過程損失的目的。</p><p>　　3.3 為了使成組夾具達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須對NK進(jìn)行求解，但當(dāng)已經(jīng)掌握了它們內(nèi)在的數(shù)學(xué)關(guān)系之

19、后，便沒有必要在每套成組夾具設(shè)計(jì)中都逐個(gè)進(jìn)行求解，為了達(dá)到提高設(shè)計(jì)工效之目的，可以通過建立速查表的辦法來提高優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)效率。這個(gè)速查表可以根據(jù)非常簡便的均方根關(guān)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(shè)計(jì)中的NK值，或者在設(shè)計(jì)之后用表中列的NK值來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)論的經(jīng)濟(jì)性，如等于或接近表列的

20、NK值，那么，從經(jīng)濟(jì)的角度可裁定該設(shè)計(jì)已達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。否則，則應(yīng)相應(yīng)修改設(shè)計(jì)方案，直至達(dá)到或接近NK值為止。</p><p>　　3.4 按照此方法進(jìn)行通用化工裝設(shè)計(jì)，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(jī)修單位來完成，工裝夾具的到貨周期由原來的幾個(gè)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(chǔ)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(huì)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(jī)設(shè)備的通過能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)場同類設(shè)備由于工裝的差異影響了設(shè)備本身較寬的工藝通過能力，通用工裝使現(xiàn)場整體的設(shè)備通過能力得到提高，有利于均衡生產(chǎn)，提高了工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。</p><

22、;p>　　3.7提高現(xiàn)場應(yīng)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(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)問題，無疑對豐富工裝設(shè)計(jì)、改進(jìn)企業(yè)實(shí)施工藝裝備的通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b>

23、</p><p>　　[1]蔡光輝. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，1998. [3]龔定安，等. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)原理[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1981. </p><p>　　[4]李慶壽. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990