機床夾具非标件的模塊化設計

計算機輔助設計CAD已廣泛應用在工程設計領域。圖形庫的開發是工裝CAD中的關鍵技術。

它的優劣将直接關系到CAD系統工作效率的高低，而開發圖形庫所遇到的一個難題就是非标件的模塊化設計。

筆者根據機床夾具設計的特點，成功地對夾具非标件進行了模塊化設計，開發出機床夾具CAD系統。

一、模塊化設計的概念

1、模塊的劃分

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

為實現非标設計過程的自動化，必須采用組技術和相似性原理分析歸納它們，以實現組合化、典型化、規格化和标準化。劃分的方法有：

（1）按部件劃分

按部件劃分強調結構的完整性。

（2）按所完成的功能劃分

按功能劃分強調了功能的獨立性，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構。

（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、模塊化後的非标件的特征

模塊化後的非标件應具有互換性，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，互換的結果不影響與總體夾具以及相關模塊之間的聯系。

相同功能模塊之間的互換性，是經過規範化處化的結果，而規範化處理是指對構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系參數。

3、模塊化的參數化

所謂模塊的參數化就是在功能分析的基礎上，把模塊設計成具有多種尺寸性能指标。

按照一定的組合關系，利用這些不用尺寸的模塊就可以組成各種規格或用途的機構，以滿足對不同規格産品的加工要求。因此，必須進行模塊化的參數化、系列化設計。

一般來講，模塊化的參數化可按橫系列、縱系列和跨系列或組合系列進行設計。

（1）橫系列模塊系統

在一定主參數的基礎型産品基礎上，更換或添加模塊，以發展變型産品的系統。

（2）縱系列模塊設計

産品的功能相同，結構相似而參數不同。

（3）跨系列模塊設計

這種設計有兩種方式，一種是在基本相同的基礎上選用不同模塊構成跨系列産品；另一種是基礎件結構不同的跨系列産品中具有同一功能的零部件，選用相同的功能模塊。

二、機床夾具非标件的模塊化設計

夾具設計所涉及到的零件大部分是國家變準件或企業标準間，但仍有一部分沒有标準的非标件，這部分非标件雖然數量不多，但工作量卻不小。

為了充分發揮CAD技術的優勢，必須對這部分零件進行模塊化設計，對于夾具的這些非标件，按所完成的功能來進行模塊劃分，參數化按縱系列模塊系統進行。

1、基本模型的設計

如何确定系列模塊的基礎是模塊化設計的關鍵。非标件的設計的特點是随心所欲的，要從千萬個設計圖中提煉出有代表性的基型，困難是比較大的，正确的選型這樣的：

（1）對夾具非标件進行廣泛細緻的收集資料和調查，找出代表性強的基型資料。

獲取這些資料中獲得；用啟發性或提問的形式，從夾具設計專家那裡獲得；深入現場，聽取使用人員的意見，從使用現場獲取。

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

（3）對所選的基礎要在實用過程中，不斷修改／補充和完善，這是非标設計的一大特點。

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、氣缸體和回轉體（單臂和雙臂）七大類。

2、基本參數的确定

确定基型的基本參數，要抓住兩個方面：參數具有代表性和參數的完整性：

每一個零件的參數有許多，在參數化以前，要把所有的參數進行優化，不能随便的給予尺寸标注，要用最簡單的标注方法反應零件的尺寸的各方變化，但不可漏标尺寸或者重複标注如圖2所示。

3、确定基型的尺寸和級差

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

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

極差要根據所收集的資料來優選，盡量使極差能夠代表基型的變化，極差變化要有一定的規律，如按等差數列等。使零件參數化、系統化和規範化。

4、确定非标件的結構

非标件模塊化設計之後，就類似于一個标準件，以後要進行批量生産。因此，要優化這些非标件的結構，就要對這些非标件中一些關鍵部位進行可靠性設計和有限元分析。

解除後顧之憂。同時，還要考慮到工藝方面的各種需要，以便于加工和維修。最後，對尺寸進行處理，使之符合圓整要求，符合标準化、系統化的要求。

至此，非标件的模塊化設計已全部完成，建立圖庫時，我們可以象建立标準件圖庫一樣建立非标件庫，延伸CAD的實用領域，為更進一步提高設計效率，打下良好的基礎。

三、模塊化設計的要求

夾具的非标件模塊化設計使一想比較複雜的工作，從資料收集到分析歸納，再到提煉總結，都要考慮所涉及的方方面面，既要考慮結構，又要考慮工藝，既要考慮設計習慣，更要重視歸納後的結果，任何考慮欠缺都會影響模塊化的結果。

夾具非标件的模塊化設計是一個設計——修改——再設計的循環過程，一個理想的設計要經過上述循環的多次反複，一次性模塊化成功的想法是不現實的。

夾具非标件的模塊化設計是一項實踐性比較強的工作。因此，設計時要深入現場，傾聽技術人員和操作人員的意見，從現場獲取資料和信息。

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

将直接影響CAD的工作效率。因此，非标件的模塊化設計時CAD中的一項重要技術。

筆者根據自己從事工裝夾具設計和CAD的經驗，成功地完成了夾具非标件的模塊化設計，開發出“機床夾具CAD系統“，并已應用于夾具圖形庫的建庫工作，在一拖公司的工裝設計應用中取得令人滿意的效果。

各個模塊彼此獨立實現各自的目标同時以數據共享為基礎，進行查詢，加工輸出。

四、結束語

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

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

工裝夾具數控機床夾具的選擇和使用小知識

同樣一款機床，為何生産效率卻相差好幾倍？得出的結論是：數控機床選用的夾具不合适，從而使數控機床的生産效率大幅降低。

　　如何提高數控機床利用率？通過技術分析，夾具的使用有很大的關系。據金粉反應，工作中經常有數控機床由于夾具選擇不合理或應用不當，而出現了“窩工”現象；從另外一個角度來講，在數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濟效益。

　　正确選擇夾具類型是高效加工的基礎

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

　　适宜小批量生産的數控機床夾具

　　小批量生産周期﹦生産（準備/等待）時間 工件加工時間由于小批量生産“工件加工時間”很短，因此“生産（準備/等待）時間”的長短對于加工周期有枱至關重要的影響。要想提高生産效率，就必須想辦法縮短生産（準備/等待）時間。

　　下面推薦三類小批量生産可優先考慮的數控機床夾具：

　　組合夾具

　　組合夾具又稱為“積木式夾具”，它由一系列經過标準化設計、功能各異、規格尺寸不同的機床夾具元件組成，客戶可以根據加工要求，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計和制造專用夾具時間，極大地縮短了生産準備時間，因而有效地縮短了小批量生産周期，即提高了生産效率。另外，組合夾具還具有定位精度高、裝夾柔性大、循環重複使用、制造節能節材、使用成本低廉等優點。故小批量加工，特别是産品形狀較為複雜時可優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、标準化程度更高、使用更簡便、裝夾更可靠，因此在全球範圍内得到了廣泛的應用。精密組合平口鉗具有快速安裝（拆卸）、快速裝夾等優點，因此可以縮短生産準備時間，提高小批量生産效率。目前國際上常用的精密組合平口鉗裝夾範圍一般在1000mm以内的，夾緊力一般在5000Kgf以内。

　　需要注意的是，這裡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，不适宜在數控機床、加工中心上使用。

　　這裡所說的精密組合平口鉗是起源于歐美等工業發達國家，專門針對數控機床、加工中心特點所設計的一系列新型平口鉗，此類産品具有裝夾柔性大、定位精度高、夾緊快速、可成組使用等特點，特别适合數控機床、加工中心使用。

　　電永磁夾具

　　電永磁夾具是以钕鐵硼等新型永磁材料為磁力源，運用現代磁路原理而設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隻需1秒左右，因此大幅縮短了裝夾時間；常規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，因此與常規機床夾具相比，電永磁夾具的裝夾範圍更大，這有利于充分利用數控機床的工作枱和加工行程，有利于提高數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30cm²，即夾緊力不小于450Kgf。

　　适宜大批量加工的數控機床夾具

　　大批量加工周期＝加工等待時間＋工件加工時間＋生産準備時間“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”就成為了影響生産效率的關鍵性因素，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/氣動夾具可以準确快速地确定工件與機床、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，極大的節省了夾緊和釋放工件的時間；同時具有結構緊湊、可多工位裝夾、可進行高速重切削，可實現自動化控制等優點。

　　液壓/氣動夾具的上述優點，使之特别适宜在數控機床、加工中心、柔性生産線使用，特别适合大批量加工。

　　電永磁夾具

　　電永磁夾具所具有的快速夾緊、易實現多工位裝夾、一次裝夾可多面加工、裝夾平穩可靠、節能環保、可實現自動化控制等優點。與常規機床夾具相比，電永磁夾具可以大幅縮短裝夾時間，減少裝夾次數，提高裝夾效率，因此不僅适用于小批量生産，亦适用于大批量生産。

　　光面夾具基座

　　光面夾具基座在國内應用還不是很多，但在歐美等工業發達國家應用很廣泛。它實際上就是經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精加工完畢。用戶可以根據自己的實際需要，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，減少生産準備時間，因而可以從總體上縮短大批量生産的周期，提高生産效率；同時可以降低專用夾具的制造成本。因此光面夾具基座特别适合周期較緊的大批量生産。

　　合理使用夾具，挖掘設備潛能

　　經驗表明，為了提高數控機床加工效能，僅僅“選對”數控機床夾具還是不夠的，還必須在“用好”數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。

　　随枱數控機床的發展和用戶提高生産效率的需要，現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構設計中多工位設計越來越普遍。

　　成組使用法

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

　　成組使用法可以充分利用數控機床行程，利于機床傳動部件的均衡磨損；同時相關夾具可獨立使用，實現多件裝夾，又可聯合使用，實現大規格工件裝夾。

　　局部快換法

　　局部快換法是通過對數控機床夾具的局部（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裝夾功能的改變，比如由裝夾方料轉變成裝夾棒料；也可以通過快速更換夾緊元件實現夾緊方式的改變，比如由手動夾緊轉變成液壓夾緊。局部快換法大幅縮短了更換及調整夾具的時間，在小批量生産中優勢較為明顯。

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