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文檔簡介
1、夾具的優(yōu)化設計及經濟性分析研究趙生虎摘 要:通過對夾具設計中優(yōu)化設計和經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)產品開發(fā)能力,降低生產成本,縮短生產周期,提高產品質量和指導生產實踐都具有十分重要的現(xiàn)實意義和技術效果。關鍵詞:成組夾具;優(yōu)化設計;經濟性;數(shù)學模型;應用1、概述 作者簡介:趙生虎(1958-),男,內蒙古烏盟人,呼倫貝爾學院工程分院,教授,1982年畢業(yè)于太原理工大學煤礦機械制造專業(yè),主要從事煤礦機械教學與研究。發(fā)表數(shù)篇論文。現(xiàn)
2、代工業(yè)的一個顯著特點是:新產品發(fā)展快,質量要求高,品種規(guī)格多,產品更新?lián)Q代周期短。反映在機械工業(yè)上,多品種、小批量生產在生產類型比例中,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,其產品上千種,為這些產品在生產工藝中所配備的工裝夾具有幾百種。特別是,近年來隨著產品開發(fā)品種的急劇增加,要求每種產品的開發(fā)周期越來越短,而大量的新工裝設計工作卻跟不上,嚴重地制約了產品開發(fā)的速度,并使產品開發(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、系列化和通用化是一個行之有效的改善措施?,F(xiàn)代夾具(如成組
3、夾具、通用可調夾具、組合夾具)的結構共性,大都由通用基體和可調、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、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。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。就可調、可換元件而言,成組夾具往往偏重于可換件,而通用可調夾具中則往往偏重于可調件,這就是成組夾具與通用可調夾具的主要區(qū)別。而組合夾具中,可調、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、可換元件的數(shù)量及其結構的復雜
4、程度看,它們都在很大程度上影響夾具的經濟性??烧{、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,將直接關系到可調、可換元件的數(shù)量和夾具的整體經濟性,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?如何對設計進行經濟性評價?以成組夾具為例進行探討和研究。2、優(yōu)化設計分析這種優(yōu)化設計的特點:其一:可以正確確定適用對象種數(shù)。其二:根據(jù)優(yōu)化設計的結果,對可調、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整,從而使之滿足優(yōu)化設計,達到整體經濟性的目的。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、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 衡量成組夾具經濟性的兩個基本概念 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,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。 從夾具上的可調、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、可換元件也隨著增加,這時,可調、可換元件的設計、制造費用以及夾具的調整次數(shù)和調整、保管費用也隨之相應增加。以上兩個不同內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濟性。從前者的角度出發(fā),在一定范圍內,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。因此,欲使成組夾具獲得良好的經濟性,必須通盤考慮這兩個不同內容且矛盾的因素,取其對成組夾具經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。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。2.3 建立數(shù)學模型 從式(1)中得知,在1NN時,成組夾具分攤到適用對象種數(shù)上的單位成本為P0P0= 元/種 (2)其中N為夾具在滿負荷時的適用對象種數(shù)。
7、整套夾具中可調、可換元件所需的費用為PTW:PTW=P*N 元 (3) 建立數(shù)學模型F:把式(2)和式(3)進行疊加,則得:F= P0+ PTW =+ P*N (4)式(4)即為我們要建立的數(shù)學模型。2.4 最優(yōu)數(shù)NK的求解假設:=1000元 P=50元/種 N=100種對式(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 所設之數(shù)據(jù),將所設值、P值代入(5)式:得:NK=種取整數(shù),則=5種,該NK值,亦即為當=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)化設計的現(xiàn)實意義用最優(yōu)數(shù)法作為成組夾具優(yōu)化設計或經濟性評價的基本手段,在主要以提高經濟效益為目的的成組技術研究應用中頗具現(xiàn)實意義。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濟性的原則;反之,從經濟的角度可以認為是不合理的。這時,應該從各方面采取調整措施,如修改通用基體或可調、可換元件的結構設計,使之值與P值的比例關系得到調整,最終符合經濟性的原則。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
9、到減少過程損失的目的。3.3 為了使成組夾具達到優(yōu)化設計,必須對NK進行求解,但當已經掌握了它們內在的數(shù)學關系之后,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。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濟性,如等于或接近表列的NK值,那么,從經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
10、改設計方案,直至達到或接近NK值為止。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,縮短產品開發(fā)周期。由于通用夾具在產品開發(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倍的生產用量。3.6 大幅度提高單機設備的通過能力,提高產品質量?,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,提高了工藝質量和產品質量。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??傊?,研討現(xiàn)代夾具的優(yōu)化設計及經濟性評價問題,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)產品開發(fā)能力,縮短生產周期,降低生產成本,提高
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