機床夾具非標件的模塊化設(shè)計

計算機輔助設(shè)計CAD已廣泛應用在工程設(shè)計領(lǐng)域。圖形庫的開發(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，而開發(fā)圖形庫所遇到的一個難題就是非標件的模塊化設(shè)計。

筆者根據(jù)機床夾具設(shè)計的特點，成功地對夾具非標件進行了模塊化設(shè)計，開發(fā)出機床夾具CAD系統(tǒng)。

一、模塊化設(shè)計的概念

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)但不能互換的各個單元（零件、組件、部件）

為實現(xiàn)非標設(shè)計過程的自動化，必須采用組技術(shù)和相似性原理分析歸納它們，以實現(xiàn)組合化、典型化、規(guī)格化和標準化。劃分的方法有：

（1）按部件劃分

按部件劃分強調(diào)結(jié)構(gòu)的完整性。

（2）按所完成的功能劃分

按功能劃分強調(diào)了功能的獨立性，要盡量分解得細一些，模塊化盡可能獨立化，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）按級劃分

按級劃分則是把整機一級地劃分，每一級都是下面各級模塊的組合。按級可分為整機系統(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獨立的零件，而是幾何元素或幾何特征。

2、模塊化后的非標件的特征

模塊化后的非標件應具有互換性，互換性是指具有相同功能的模塊之間，盡管外形不一樣，但裝入夾具時可以進行互換，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)過規(guī)范化處化的結(jié)果，而規(guī)范化處理是指對構(gòu)成整機的各個模塊進行詳細的功能分析和概括，抽出模塊總體以及對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)計成具有多種尺寸性能指標。

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)格或用途的機構(gòu)，以滿足對不同規(guī)格產(chǎn)品的加工要求。因此，必須進行模塊化的參數(shù)化、系列化設(shè)計。

一般來講，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行設(shè)計。

（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

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

這種設(shè)計有兩種方式，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、機床夾具非標件的模塊化設(shè)計

夾具設(shè)計所涉及到的零件大部分是國家變準件或企業(yè)標準間，但仍有一部分沒有標準的非標件，這部分非標件雖然數(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，必須對這部分零件進行模塊化設(shè)計，對于夾具的這些非標件，按所完成的功能來進行模塊劃分，參數(shù)化按縱系列模塊系統(tǒng)進行。

1、基本模型的設(shè)計

如何確定系列模塊的基礎(chǔ)是模塊化設(shè)計的關(guān)鍵。非標件的設(shè)計的特點是隨心所欲的，要從千萬個設(shè)計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）對夾具非標件進行廣泛細致的收集資料和調(diào)查，找出代表性強的基型資料。

獲取這些資料中獲得；用啟發(fā)性或提問的形式，從夾具設(shè)計專家那里獲得；深入現(xiàn)場，聽取使用人員的意見，從使用現(xiàn)場獲取。

（2）對大量雜亂無章的資料進行分類整理是選型的關(guān)鍵，決定所選出的機型的覆蓋性。

（3）對所選的基礎(chǔ)要在實用過程中，不斷修改／補充和完善，這是非標設(shè)計的一大特點。

資料（分析/歸納）→初定基型（修改/補充）→基型

如圖1示，夾具本體通過分析、歸納，可初步定為長方體、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)，要抓住兩個方面：參數(shù)具有代表性和參數(shù)的完整性：

每一個零件的參數(shù)有許多，在參數(shù)化以前，要把所有的參數(shù)進行優(yōu)化，不能隨便的給予尺寸標注，要用最簡單的標注方法反應零件的尺寸的各方變化，但不可漏標尺寸或者重復標注如圖2所示。

3、確定基型的尺寸和級差

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。

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

極差要根據(jù)所收集的資料來優(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、確定非標件的結(jié)構(gòu)

非標件模塊化設(shè)計之后，就類似于一個標準件，以后要進行批量生產(chǎn)。因此，要優(yōu)化這些非標件的結(jié)構(gòu)，就要對這些非標件中一些關(guān)鍵部位進行可靠性設(shè)計和有限元分析。

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

至此，非標件的模塊化設(shè)計已全部完成，建立圖庫時，我們可以象建立標準件圖庫一樣建立非標件庫，延伸CAD的實用領(lǐng)域，為更進一步提高設(shè)計效率，打下良好的基礎(chǔ)。

三、模塊化設(shè)計的要求

夾具的非標件模塊化設(shè)計使一想比較復雜的工作，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)計習慣，更要重視歸納后的結(jié)果，任何考慮欠缺都會影響模塊化的結(jié)果。

夾具非標件的模塊化設(shè)計是一個設(shè)計——修改——再設(shè)計的循環(huán)過程，一個理想的設(shè)計要經(jīng)過上述循環(huán)的多次反復，一次性模塊化成功的想法是不現(xiàn)實的。

夾具非標件的模塊化設(shè)計是一項實踐性比較強的工作。因此，設(shè)計時要深入現(xiàn)場，傾聽技術(shù)人員和操作人員的意見，從現(xiàn)場獲取資料和信息。

進行夾具設(shè)計時，非標件的數(shù)量雖然不太多，但設(shè)計員工作量卻不少。而且，若想利用計算機來完成輔助繪圖，就必須做好這些非標件的模塊化設(shè)計工作，模塊化的成功與否。

將直接影響CAD的工作效率。因此，非標件的模塊化設(shè)計時CAD中的一項重要技術(shù)。

筆者根據(jù)自己從事工裝夾具設(shè)計和CAD的經(jīng)驗，成功地完成了夾具非標件的模塊化設(shè)計，開發(fā)出“機床夾具CAD系統(tǒng)“，并已應用于夾具圖形庫的建庫工作，在一拖公司的工裝設(shè)計應用中取得令人滿意的效果。

各個模塊彼此獨立實現(xiàn)各自的目標同時以數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)，進行查詢，加工輸出。

四、結(jié)束語

組合機床報價示近幾年市場經(jīng)濟發(fā)展迫切需要解決的問題，過去長期企業(yè)沿用的成本核算已完全不能滿足企業(yè)的發(fā)展。

本文從理論上對報價所采用的計價方法進行分析探討，并指出利用計算機實現(xiàn)組合機床報價的總體設(shè)想。

工裝夾具數(shù)控機床夾具的選擇和使用小知識

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

如何提高數(shù)控機床利用率？通過技術(shù)分析，夾具的使用有很大的關(guān)系。據(jù)金粉反應，工作中經(jīng)常有數(shù)控機床由于夾具選擇不合理或應用不當，而出現(xiàn)了“窩工”現(xiàn)象；從另外一個角度來講，在數(shù)控機床夾具的選擇與應用上大有文章可做，因為其中蘊含可觀的潛在經(jīng)濟效益。

正確選擇夾具類型是高效加工的基礎(chǔ)

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

適宜小批量生產(chǎn)的數(shù)控機床夾具

小批量生產(chǎn)周期﹦生產(chǎn)（準備/等待）時間+工件加工時間由于小批量生產(chǎn)“工件加工時間”很短，因此“生產(chǎn)（準備/等待）時間”的長短對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)（準備/等待）時間。

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

組合夾具

組合夾具又稱為“積木式夾具”，它由一系列經(jīng)過標準化設(shè)計、功能各異、規(guī)格尺寸不同的機床夾具元件組成，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床夾具。由于組合夾具省去了設(shè)計和制造專用夾具時間，極大地縮短了生產(chǎn)準備時間，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)重復使用、制造節(jié)能節(jié)材、使用成本低廉等優(yōu)點。故小批量加工，特別是產(chǎn)品形狀較為復雜時可優(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、標準化程度更高、使用更簡便、裝夾更可靠，因此在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應用。精密組合平口鉗具有快速安裝（拆卸）、快速裝夾等優(yōu)點，因此可以縮短生產(chǎn)準備時間，提高小批量生產(chǎn)效率。目前國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，這里所說的精密組合平口鉗并不是老式機加虎鉗，老式機加虎鉗功能單一、制造精度低、無法成組使用、使用壽命短，不適宜在數(shù)控機床、加工中心上使用。

這里所說的精密組合平口鉗是起源于歐美等工業(yè)發(fā)達國家，專門針對數(shù)控機床、加工中心特點所設(shè)計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，特別適合數(shù)控機床、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，運用現(xiàn)代磁路原理而設(shè)計出來的一種新型夾具。大量的機加工實踐表明，電永磁夾具可以大幅提高數(shù)控機床、加工中心的綜合加工效能。

電永磁夾具的夾緊與松開過程只需1秒左右，因此大幅縮短了裝夾時間；常規(guī)機床夾具的定位元件和夾緊元件占用空間較大，而電永磁夾具沒有這些占用空間的元件，因此與常規(guī)機床夾具相比，電永磁夾具的裝夾范圍更大，這有利于充分利用數(shù)控機床的工作枱和加工行程，有利于提高數(shù)控機床的綜合加工效能。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，吸附面積不應小于30cm，即夾緊力不小于450Kgf。

　適宜大批量加工的數(shù)控機床夾具

大批量加工周期＝加工等待時間＋工件加工時間＋生產(chǎn)準備時間“加工等待時間”主要包括工件裝夾和更換刀具的時間。傳統(tǒng)的手動機床夾具“工件裝夾時間”可達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，也是機床夾具“挖潛”的重點對象。故此大批量加工宜采用快速定位、快速夾緊（松開）的專用夾具，可優(yōu)先考慮以下三類機床夾具：

液壓/氣動夾具

液壓/氣動夾具是以油壓或氣壓作為動力源，通過液壓元件或氣動元件來實現(xiàn)對工件的定位、支承與壓緊的專用夾具。

液壓/氣動夾具可以準確快速地確定工件與機床、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；定位及夾緊過程迅速，極大的節(jié)省了夾緊和釋放工件的時間；同時具有結(jié)構(gòu)緊湊、可多工位裝夾、可進行高速重切削，可實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。

液壓/氣動夾具的上述優(yōu)點，使之特別適宜在數(shù)控機床、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、可實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。與常規(guī)機床夾具相比，電永磁夾具可以大幅縮短裝夾時間，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

光面夾具基座在國內(nèi)應用還不是很多，但在歐美等工業(yè)發(fā)達國家應用很廣泛。它實際上就是經(jīng)過精加工的夾具基體精毛坯，元件與機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)準備時間，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)驗表明，為了提高數(shù)控機床加工效能，僅僅“選對”數(shù)控機床夾具還是不夠的，還必須在“用好”數(shù)控機床夾具上下功夫。

下面介紹三種常用的方法：

多工位法

多工位法的基本原理：通過一次裝夾多個工件，達到縮短單位裝夾時間，延長刀具有效切削時間的目的。多工位夾具即擁有多個定位夾緊位置的夾具。

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

成組使用法

將相同的幾個夾具放在同一工作枱使用，同樣可以實現(xiàn)“多工位”裝夾的目的。這種方法所涉及的夾具一般應經(jīng)過“標準化設(shè)計、高精度制造”，否則難以達到數(shù)控機床工序加工的要求。

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

局部快換法

局部快換法是通過對數(shù)控機床夾具的局部（定位元件、夾緊元件、對刀元件和引導元件）進行快速更換，達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，可以通過快速更換鉗口實現(xiàn)裝夾功能的改變，比如由裝夾方料轉(zhuǎn)變成裝夾棒料；也可以通過快速更換夾緊元件實現(xiàn)夾緊方式的改變，比如由手動夾緊轉(zhuǎn)變成液壓夾緊。局部快換法大幅縮短了更換及調(diào)整夾具的時間，在小批量生產(chǎn)中優(yōu)勢較為明顯。