夾具的優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟(jì)性分析研究

1、夾具的優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟(jì)性分析研究趙生虎摘 要：通過對夾具設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性評價問題的闡述，討論了夾具設(shè)計的原則和要點(diǎn)，特別在設(shè)計上提出了數(shù)學(xué)模型作為依據(jù)的最優(yōu)數(shù)法設(shè)計觀點(diǎn)，以及經(jīng)濟(jì)性評價概念。對企業(yè)豐富工裝設(shè)計、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。關(guān)鍵詞：成組夾具；優(yōu)化設(shè)計；經(jīng)濟(jì)性；數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用1、概述 作者簡介：趙生虎（1958-），男，內(nèi)蒙古烏盟人，呼倫貝爾學(xué)院工程分院，教授，1982年畢業(yè)于太原理工大學(xué)煤礦機(jī)械制造專業(yè)，主要從事煤礦機(jī)械教學(xué)與研究。發(fā)表數(shù)篇論文?，F(xiàn)

2、代工業(yè)的一個顯著特點(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)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、系列化和通用化是一個行之有效的改善措施。現(xiàn)代夾具（如成組

3、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)計的專用或準(zhǔn)專用部分。這些夾具在整個零件組中具有相近于通用夾具的適應(yīng)性，而當(dāng)針對某個零件、某道工序調(diào)整好之后，則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

4、程度看，它們都在很大程度上影響夾具的經(jīng)濟(jì)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(shè)計時，適用對象種數(shù)選擇得是否合理，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)計中存在一個優(yōu)化設(shè)計的問題。筆者就如何進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計？如何對設(shè)計進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價？以成組夾具為例進(jìn)行探討和研究。2、優(yōu)化設(shè)計分析這種優(yōu)化設(shè)計的特點(diǎn)：其一：可以正確確定適用對象種數(shù)。其二：根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的結(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，達(dá)到整體經(jīng)濟(jì)性的目的。2.1 成組夾具的成本成組夾具的成本通常由兩部分組成，即： （1）式中：成組

5、夾具總成本元； 成組夾具上通用基體的成本元； P成組夾具上可調(diào)、可換元件平均單件成本元/種； N成組夾具適用零件種數(shù)種式（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)）。2.2 衡量成組夾具經(jīng)濟(jì)性的兩個基本概念 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。 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(shè)計、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。以上兩個不同內(nèi)容且有些矛盾的因素，從

6、不同的角度影響著成組夾具的經(jīng)濟(jì)性。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。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不同內(nèi)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，并把它作為評價成組夾具優(yōu)化設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。這種優(yōu)化設(shè)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(xué)模型，進(jìn)一步闡明上述這兩個基本概念。2.3 建立數(shù)學(xué)模型 從式（1）中得知，在1NN時，成組夾具分?jǐn)偟竭m用對象種數(shù)上的單位成本為P0P0= 元/種 （2）其中N為夾具在滿負(fù)荷時的適用對象種數(shù)。

7、整套夾具中可調(diào)、可換元件所需的費(fèi)用為PTW：PTW=P*N 元 （3） 建立數(shù)學(xué)模型F：把式（2）和式（3）進(jìn)行疊加，則得：F= P0+ PTW =+ P*N （4）式（4）即為我們要建立的數(shù)學(xué)模型。2.4 最優(yōu)數(shù)NK的求解假設(shè)：=1000元 P=50元/種 N=100種對式（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值令： dF/dN=0即 F=（+ P*N） =又令： F=0則； ； ； （5）式（5）中求出之N即為NK，且1NKN。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：得：NK=種取整數(shù)，則=5種，該NK值，亦即為當(dāng)=1000元，P=50元/

8、種時，夾具適用對象種數(shù)的最優(yōu)數(shù)值。3、優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)實(shí)意義用最優(yōu)數(shù)法作為成組夾具優(yōu)化設(shè)計或經(jīng)濟(jì)性評價的基本手段，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。3.1 當(dāng)所設(shè)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(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，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)、可換元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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。3.2 在成組夾具設(shè)計中，根據(jù)夾具的復(fù)雜程度，從已積累的統(tǒng)計資料中取得值與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)行評價，這樣可以達(dá)

9、到減少過程損失的目的。3.3 為了使成組夾具達(dá)到優(yōu)化設(shè)計，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)系之后，便沒有必要在每套成組夾具設(shè)計中都逐個進(jìn)行求解，為了達(dá)到提高設(shè)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(shè)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(guān)系來建立，詳見表1。表1 速 查 表C通/PTW49162536496481100NK2345678910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)計中的NK值，或者在設(shè)計之后用表中列的NK值來檢驗(yàn)設(shè)計結(jié)論的經(jīng)濟(jì)性，如等于或接近表列的NK值，那么，從經(jīng)濟(jì)的角度可裁定該設(shè)計已達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計的目的。否則，則應(yīng)相應(yīng)修

10、改設(shè)計方案，直至達(dá)到或接近NK值為止。3.4 按照此方法進(jìn)行通用化工裝設(shè)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1/51/10，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月縮短為幾天。3.5 可以大大減少夾具庫存量。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23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1/21倍的生產(chǎn)用量。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。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)?？傊?，研討現(xiàn)代夾具的優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟(jì)性評價問題，無疑對豐富工裝設(shè)計、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