機(jī)床夾具非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD已廣泛應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。圖形庫(kù)的開(kāi)發(fā)是工裝CAD中的關(guān)鍵技術(shù)。

它的優(yōu)劣將直接關(guān)系到CAD系統(tǒng)工作效率的高低，而開(kāi)發(fā)圖形庫(kù)所遇到的一個(gè)難題就是非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)。

筆者根據(jù)機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，成功地對(duì)夾具非標(biāo)件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)。

一、模塊化設(shè)計(jì)的概念

1、模塊的劃分

所謂的模塊是指一組同一功能和結(jié)構(gòu)要素（連接部分形狀、尺寸配合等）且有不同用途（或性能）和結(jié)構(gòu)但不能互換的各個(gè)單元（零件、組件、部件）

為實(shí)現(xiàn)非標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化，必須采用組技術(shù)和相似性原理分析歸納它們，以實(shí)現(xiàn)組合化、典型化、規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化。劃分的方法有：

（1）按部件劃分

按部件劃分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的完整性。

（2）按所完成的功能劃分

按功能劃分強(qiáng)調(diào)了功能的獨(dú)立性，要盡量分解得細(xì)一些，模塊化盡可能獨(dú)立化，使按照功能劃分的模塊能夠組合成多種多樣的結(jié)構(gòu)。

（3）按級(jí)劃分

按級(jí)劃分則是把整機(jī)一級(jí)地劃分，每一級(jí)都是下面各級(jí)模塊的組合。按級(jí)可分為整機(jī)系統(tǒng)部件、組合部件、元件和分元件等，其中元件模塊很可能不是一個(gè)獨(dú)立的零件，而是幾何元素或幾何特征。

2、模塊化后的非標(biāo)件的特征

模塊化后的非標(biāo)件應(yīng)具有互換性，互換性是指具有相同功能的模塊之間，盡管外形不一樣，但裝入夾具時(shí)可以進(jìn)行互換，互換的結(jié)果不影響與總體夾具以及相關(guān)模塊之間的聯(lián)系。

相同功能模塊之間的互換性，是經(jīng)過(guò)規(guī)范化處化的結(jié)果，而規(guī)范化處理是指對(duì)構(gòu)成整機(jī)的各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的功能分析和概括，抽出模塊總體以及對(duì)其它模塊有影響的主要特征，并從具有相同功能的模塊之間歸納出相同的對(duì)外聯(lián)系參數(shù)。

3、模塊化的參數(shù)化

所謂模塊的參數(shù)化就是在功能分析的基礎(chǔ)上，把模塊設(shè)計(jì)成具有多種尺寸性能指標(biāo)。

按照一定的組合關(guān)系，利用這些不用尺寸的模塊就可以組成各種規(guī)格或用途的機(jī)構(gòu)，以滿足對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品的加工要求。因此，必須進(jìn)行模塊化的參數(shù)化、系列化設(shè)計(jì)。

一般來(lái)講，模塊化的參數(shù)化可按橫系列、縱系列和跨系列或組合系列進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）橫系列模塊系統(tǒng)

在一定主參數(shù)的基礎(chǔ)型產(chǎn)品基礎(chǔ)上，更換或添加模塊，以發(fā)展變型產(chǎn)品的系統(tǒng)。

（2）縱系列模塊設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的功能相同，結(jié)構(gòu)相似而參數(shù)不同。

（3）跨系列模塊設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是在基本相同的基礎(chǔ)上選用不同模塊構(gòu)成跨系列產(chǎn)品；另一種是基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)不同的跨系列產(chǎn)品中具有同一功能的零部件，選用相同的功能模塊。

二、機(jī)床夾具非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)所涉及到的零件大部分是國(guó)家變準(zhǔn)件或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)間，但仍有一部分沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的非標(biāo)件，這部分非標(biāo)件雖然數(shù)量不多，但工作量卻不小。

為了充分發(fā)揮CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，必須對(duì)這部分零件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于夾具的這些非標(biāo)件，按所完成的功能來(lái)進(jìn)行模塊劃分，參數(shù)化按縱系列模塊系統(tǒng)進(jìn)行。

1、基本模型的設(shè)計(jì)

如何確定系列模塊的基礎(chǔ)是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。非標(biāo)件的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是隨心所欲的，要從千萬(wàn)個(gè)設(shè)計(jì)圖中提煉出有代表性的基型，困難是比較大的，正確的選型這樣的：

（1）對(duì)夾具非標(biāo)件進(jìn)行廣泛細(xì)致的收集資料和調(diào)查，找出代表性強(qiáng)的基型資料。

獲取這些資料中獲得；用啟發(fā)性或提問(wèn)的形式，從夾具設(shè)計(jì)專家那里獲得；深入現(xiàn)場(chǎng)，聽(tīng)取使用人員的意見(jiàn)，從使用現(xiàn)場(chǎng)獲取。

（2）對(duì)大量雜亂無(wú)章的資料進(jìn)行分類整理是選型的關(guān)鍵，決定所選出的機(jī)型的覆蓋性。

（3）對(duì)所選的基礎(chǔ)要在實(shí)用過(guò)程中，不斷修改／補(bǔ)充和完善，這是非標(biāo)設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)。

資料（分析/歸納）→初定基型（修改/補(bǔ)充）→基型

如圖1示，夾具本體通過(guò)分析、歸納，可初步定為長(zhǎng)方體、圓形體、箱型體、T型體、氣缸體和回轉(zhuǎn)體（單臂和雙臂）七大類。

2、基本參數(shù)的確定

確定基型的基本參數(shù)，要抓住兩個(gè)方面：參數(shù)具有代表性和參數(shù)的完整性：

每一個(gè)零件的參數(shù)有許多，在參數(shù)化以前，要把所有的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，不能隨便的給予尺寸標(biāo)注，要用最簡(jiǎn)單的標(biāo)注方法反應(yīng)零件的尺寸的各方變化，但不可漏標(biāo)尺寸或者重復(fù)標(biāo)注如圖2所示。

3、確定基型的尺寸和級(jí)差

確定基型的尺寸也就是把參數(shù)系列化，確定極差也即把參數(shù)化的參數(shù)尺寸分檔變化，使這些尺寸與極差能夠盡可能地反映基型的變化。例如：確定本體的尺寸時(shí)。

本體的長(zhǎng)、寬等外形尺寸，要根據(jù)機(jī)床工作臺(tái)的外形來(lái)確定。連接槽的尺寸要根據(jù)機(jī)床的T型槽尺寸來(lái)確定，本體的高度（箱型體）要根據(jù)機(jī)床刀具主軸距工作臺(tái)的距離來(lái)確定，鑄造圓角要按照鑄造工藝要求來(lái)確定。

極差要根據(jù)所收集的資料來(lái)優(yōu)選，盡量使極差能夠代表基型的變化，極差變化要有一定的規(guī)律，如按等差數(shù)列等。使零件參數(shù)化、系統(tǒng)化和規(guī)范化。

4、確定非標(biāo)件的結(jié)構(gòu)

非標(biāo)件模塊化設(shè)計(jì)之后，就類似于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，以后要進(jìn)行批量生產(chǎn)。因此，要優(yōu)化這些非標(biāo)件的結(jié)構(gòu)，就要對(duì)這些非標(biāo)件中一些關(guān)鍵部位進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)和有限元分析。

解除后顧之憂。同時(shí)，還要考慮到工藝方面的各種需要，以便于加工和維修。最后，對(duì)尺寸進(jìn)行處理，使之符合圓整要求，符合標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的要求。

至此，非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)已全部完成，建立圖庫(kù)時(shí)，我們可以象建立標(biāo)準(zhǔn)件圖庫(kù)一樣建立非標(biāo)件庫(kù)，延伸CAD的實(shí)用領(lǐng)域，為更進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率，打下良好的基礎(chǔ)。

三、模塊化設(shè)計(jì)的要求

夾具的非標(biāo)件模塊化設(shè)計(jì)使一想比較復(fù)雜的工作，從資料收集到分析歸納，再到提煉總結(jié)，都要考慮所涉及的方方面面，既要考慮結(jié)構(gòu)，又要考慮工藝，既要考慮設(shè)計(jì)習(xí)慣，更要重視歸納后的結(jié)果，任何考慮欠缺都會(huì)影響模塊化的結(jié)果。

夾具非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)設(shè)計(jì)——修改——再設(shè)計(jì)的循環(huán)過(guò)程，一個(gè)理想的設(shè)計(jì)要經(jīng)過(guò)上述循環(huán)的多次反復(fù)，一次性模塊化成功的想法是不現(xiàn)實(shí)的。

夾具非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)實(shí)踐性比較強(qiáng)的工作。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要深入現(xiàn)場(chǎng)，傾聽(tīng)技術(shù)人員和操作人員的意見(jiàn)，從現(xiàn)場(chǎng)獲取資料和信息。

進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)，非標(biāo)件的數(shù)量雖然不太多，但設(shè)計(jì)員工作量卻不少。而且，若想利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成輔助繪圖，就必須做好這些非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)工作，模塊化的成功與否。

將直接影響CAD的工作效率。因此，非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)時(shí)CAD中的一項(xiàng)重要技術(shù)。

筆者根據(jù)自己從事工裝夾具設(shè)計(jì)和CAD的經(jīng)驗(yàn)，成功地完成了夾具非標(biāo)件的模塊化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出“機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)“，并已應(yīng)用于夾具圖形庫(kù)的建庫(kù)工作，在一拖公司的工裝設(shè)計(jì)應(yīng)用中取得令人滿意的效果。

各個(gè)模塊彼此獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)同時(shí)以數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)，進(jìn)行查詢，加工輸出。

四、結(jié)束語(yǔ)

組合機(jī)床報(bào)價(jià)示近幾年市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題，過(guò)去長(zhǎng)期企業(yè)沿用的成本核算已完全不能滿足企業(yè)的發(fā)展。

本文從理論上對(duì)報(bào)價(jià)所采用的計(jì)價(jià)方法進(jìn)行分析探討，并指出利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床報(bào)價(jià)的總體設(shè)想。

工裝夾具數(shù)控機(jī)床夾具的選擇和使用小知識(shí)

同樣一款機(jī)床，為何生產(chǎn)效率卻相差好幾倍？得出的結(jié)論是：數(shù)控機(jī)床選用的夾具不合適，從而使數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率大幅降低。

如何提高數(shù)控機(jī)床利用率？通過(guò)技術(shù)分析，夾具的使用有很大的關(guān)系。據(jù)金粉反應(yīng)，工作中經(jīng)常有數(shù)控機(jī)床由于夾具選擇不合理或應(yīng)用不當(dāng)，而出現(xiàn)了“窩工”現(xiàn)象；從另外一個(gè)角度來(lái)講，在數(shù)控機(jī)床夾具的選擇與應(yīng)用上大有文章可做，因?yàn)槠渲刑N(yùn)含可觀的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

正確選擇夾具類型是高效加工的基礎(chǔ)

目前，機(jī)械加工按生產(chǎn)批量可分為兩大類：一類是單件、多品種、小批量（簡(jiǎn)稱小批量生產(chǎn)）；另一類是少品種、大批量（簡(jiǎn)稱大批量生產(chǎn)）。其中前者大約占到機(jī)械加工總產(chǎn)值的70~80%，是機(jī)械加工的主體。

適宜小批量生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床夾具

小批量生產(chǎn)周期﹦生產(chǎn)（準(zhǔn)備/等待）時(shí)間+工件加工時(shí)間由于小批量生產(chǎn)“工件加工時(shí)間”很短，因此“生產(chǎn)（準(zhǔn)備/等待）時(shí)間”的長(zhǎng)短對(duì)于加工周期有枱至關(guān)重要的影響。要想提高生產(chǎn)效率，就必須想辦法縮短生產(chǎn)（準(zhǔn)備/等待）時(shí)間。

下面推薦三類小批量生產(chǎn)可優(yōu)先考慮的數(shù)控機(jī)床夾具：

組合夾具

組合夾具又稱為“積木式夾具”，它由一系列經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、功能各異、規(guī)格尺寸不同的機(jī)床夾具元件組成，客戶可以根據(jù)加工要求，象“搭積木”一樣，快速拼裝出各種類型的機(jī)床夾具。由于組合夾具省去了設(shè)計(jì)和制造專用夾具時(shí)間，極大地縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，因而有效地縮短了小批量生產(chǎn)周期，即提高了生產(chǎn)效率。另外，組合夾具還具有定位精度高、裝夾柔性大、循環(huán)重復(fù)使用、制造節(jié)能節(jié)材、使用成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。故小批量加工，特別是產(chǎn)品形狀較為復(fù)雜時(shí)可優(yōu)先考慮使用組合夾具。

精密組合平口鉗

精密組合平口鉗實(shí)際上屬于組合夾具中的“合件”，與其它組合夾具元件相比其通用性更強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度更高、使用更簡(jiǎn)便、裝夾更可靠，因此在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。精密組合平口鉗具有快速安裝（拆卸）、快速裝夾等優(yōu)點(diǎn)，因此可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高小批量生產(chǎn)效率。目前國(guó)際上常用的精密組合平口鉗裝夾范圍一般在1000mm以內(nèi)的，夾緊力一般在5000Kgf以內(nèi)。

需要注意的是，這里所說(shuō)的精密組合平口鉗并不是老式機(jī)加虎鉗，老式機(jī)加虎鉗功能單一、制造精度低、無(wú)法成組使用、使用壽命短，不適宜在數(shù)控機(jī)床、加工中心上使用。

這里所說(shuō)的精密組合平口鉗是起源于歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，專門針對(duì)數(shù)控機(jī)床、加工中心特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的一系列新型平口鉗，此類產(chǎn)品具有裝夾柔性大、定位精度高、夾緊快速、可成組使用等特點(diǎn)，特別適合數(shù)控機(jī)床、加工中心使用。

電永磁夾具

電永磁夾具是以釹鐵硼等新型永磁材料為磁力源，運(yùn)用現(xiàn)代磁路原理而設(shè)計(jì)出來(lái)的一種新型夾具。大量的機(jī)加工實(shí)踐表明，電永磁夾具可以大幅提高數(shù)控機(jī)床、加工中心的綜合加工效能。

電永磁夾具的夾緊與松開(kāi)過(guò)程只需1秒左右，因此大幅縮短了裝夾時(shí)間；常規(guī)機(jī)床夾具的定位元件和夾緊元件占用空間較大，而電永磁夾具沒(méi)有這些占用空間的元件，因此與常規(guī)機(jī)床夾具相比，電永磁夾具的裝夾范圍更大，這有利于充分利用數(shù)控機(jī)床的工作枱和加工行程，有利于提高數(shù)控機(jī)床的綜合加工效能。電永磁夾具的吸力一般在15~18Kgf/cm2，因此一定要保證吸力（夾緊力）足夠抵抗切削力，一般情況下，吸附面積不應(yīng)小于30cm2，即夾緊力不小于450Kgf。

適宜大批量加工的數(shù)控機(jī)床夾具

大批量加工周期＝加工等待時(shí)間＋工件加工時(shí)間＋生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間“加工等待時(shí)間”主要包括工件裝夾和更換刀具的時(shí)間。傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)床夾具“工件裝夾時(shí)間”可達(dá)到大批量加工周期的10~30%，這樣“工件裝夾”就成為了影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵性因素，也是機(jī)床夾具“挖潛”的重點(diǎn)對(duì)象。故此大批量加工宜采用快速定位、快速夾緊（松開(kāi)）的專用夾具，可優(yōu)先考慮以下三類機(jī)床夾具：

液壓/氣動(dòng)夾具

液壓/氣動(dòng)夾具是以油壓或氣壓作為動(dòng)力源，通過(guò)液壓元件或氣動(dòng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的定位、支承與壓緊的專用夾具。

液壓/氣動(dòng)夾具可以準(zhǔn)確快速地確定工件與機(jī)床、刀具之間的相互位置，工件的位置精度由夾具保證，加工精度高；定位及夾緊過(guò)程迅速，極大的節(jié)省了夾緊和釋放工件的時(shí)間；同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可多工位裝夾、可進(jìn)行高速重切削，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。

液壓/氣動(dòng)夾具的上述優(yōu)點(diǎn)，使之特別適宜在數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性生產(chǎn)線使用，特別適合大批量加工。

電永磁夾具

電永磁夾具所具有的快速夾緊、易實(shí)現(xiàn)多工位裝夾、一次裝夾可多面加工、裝夾平穩(wěn)可靠、節(jié)能環(huán)保、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)機(jī)床夾具相比，電永磁夾具可以大幅縮短裝夾時(shí)間，減少裝夾次數(shù)，提高裝夾效率，因此不僅適用于小批量生產(chǎn)，亦適用于大批量生產(chǎn)。

光面夾具基座

光面夾具基座在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還不是很多，但在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用很廣泛。它實(shí)際上就是經(jīng)過(guò)精加工的夾具基體精毛坯，元件與機(jī)床定位連接部分和零件在夾具上的定位面已經(jīng)精加工完畢。用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，自行加工制作專用夾具。

光面夾具基座可以有效縮短制造專用夾具的周期，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，因而可以從總體上縮短大批量生產(chǎn)的周期，提高生產(chǎn)效率；同時(shí)可以降低專用夾具的制造成本。因此光面夾具基座特別適合周期較緊的大批量生產(chǎn)。

合理使用夾具，挖掘設(shè)備潛能

經(jīng)驗(yàn)表明，為了提高數(shù)控機(jī)床加工效能，僅僅“選對(duì)”數(shù)控機(jī)床夾具還是不夠的，還必須在“用好”數(shù)控機(jī)床夾具上下功夫。

下面介紹三種常用的方法：

多工位法

多工位法的基本原理：通過(guò)一次裝夾多個(gè)工件，達(dá)到縮短單位裝夾時(shí)間，延長(zhǎng)刀具有效切削時(shí)間的目的。多工位夾具即擁有多個(gè)定位夾緊位置的夾具。

隨枱數(shù)控機(jī)床的發(fā)展和用戶提高生產(chǎn)效率的需要，現(xiàn)在多工位夾具的應(yīng)用越來(lái)越多。在液壓/氣動(dòng)夾具、組合夾具、電永磁夾具和精密組合平口鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多工位設(shè)計(jì)越來(lái)越普遍。

成組使用法

將相同的幾個(gè)夾具放在同一工作枱使用，同樣可以實(shí)現(xiàn)“多工位”裝夾的目的。這種方法所涉及的夾具一般應(yīng)經(jīng)過(guò)“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、高精度制造”，否則難以達(dá)到數(shù)控機(jī)床工序加工的要求。

成組使用法可以充分利用數(shù)控機(jī)床行程，利于機(jī)床傳動(dòng)部件的均衡磨損；同時(shí)相關(guān)夾具可獨(dú)立使用，實(shí)現(xiàn)多件裝夾，又可聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)大規(guī)格工件裝夾。

局部快換法

局部快換法是通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床夾具的局部（定位元件、夾緊元件、對(duì)刀元件和引導(dǎo)元件）進(jìn)行快速更換，達(dá)到迅速改變夾具功能或使用方式的目的。例如：快換組合平口鉗，可以通過(guò)快速更換鉗口實(shí)現(xiàn)裝夾功能的改變，比如由裝夾方料轉(zhuǎn)變成裝夾棒料；也可以通過(guò)快速更換夾緊元件實(shí)現(xiàn)夾緊方式的改變，比如由手動(dòng)夾緊轉(zhuǎn)變成液壓夾緊。局部快換法大幅縮短了更換及調(diào)整夾具的時(shí)間，在小批量生產(chǎn)中優(yōu)勢(shì)較為明顯。
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