现代夹具(如成组夹具、通用可调夹具、组合夹具)的结构共性,大都由通用基体和可调、可换元件两部分组成。其通用基体部分是零件组中所有零件共用的主要部分;而可调、可换部分则是针对零件组中某种(或几种)特定零件而专门设计的专用或准专用部分。可调、可换元件一般是随夹具适用对象数的多少而变化的,因此,在现代夹具设计时,适用对象种数选择得是否合理,将直接关系到可调、可换元件的数量和夹具的整体经济性,以成组夹具为例进行探讨和研究。
1.优化设计分析
这种优化设计的特点:
a. 可以正确确定适用对象种数。
b. 根据优化设计的结果,对可调、可换元件和通用基体的结构设计从成本比例的角度进行调整,从而使之满足优化设计,达到整体经济性的目的。
1) 成组夹具的成本
成组夹具的成本Cc=Ct+PN (1)
式中:Ct——成组夹具上通用基体的成本,元;
P——成组夹具上可调、可换元件平均单件成本,元/种;
N——成组夹具适用零件种数,种。
式(1)中,t对整套夹具来说是一常数;PN则随着N的增减而变化(其中P为常数)。
2) 衡量成组夹具经济性的2个基本概念
从成组夹具适用对象种数所分摊的夹具成本看,可以认为:适用对象在成组夹具满负荷的范围内,对象种数愈多则夹具分摊到适用对象种数上的单位成本就愈低。
从夹具上的可调、可换元件看,随着夹具适用对象种数的增加,则夹具上的可调、可换元件也随着增加,这时,可调、可换元件的设计、制造费用以及夹具的调整次数和调整、保管费用也随之相应增加。
以上2个不同内容有些矛盾的因素,从不同的角度影响着成组夹具的经济性。下面将通过建立数学模型,进一步阐明上述这2个基本概念。
3) 建立数学模型
a. 从式(1)中得知,在1≤N≤Nx时,其中Nx为夹具在满负荷时的适用对象种数,成组夹具分摊到适用对象种数上的单位成本
P0=(Ct+PN)/N
整套夹具中可调、可换元件所需的费用PTW=PN (3)
b. 建立数学模型F
把式(2)和式(3)进行叠加,则得
F=P0+Ptw=(Ct+PN)/N+PN
4) 最优数NK的求解
假设:Ct=1,000元,P=50元/种,Nx=100种对式(4)用微分法求极小值K,即求出NK值
令 dF/dN=0
即 F=-Ct/N2+P
又令 F=0
则有 N=(Ct/P)½ (5)
式(5)中求出的N 即为NK,且1≤NK≤Nx。得 NK=(1,000/50)½≈4.5种
取整数,则NK=5种,该NK值,亦即为当Ct=1,000元,P=50元/种时,夹具适用对象种数的最优数值。
2 .优化设计的现实意义
当所设计的成组夹具,其适用对象零件种数等于或接近NK值时,可以认为这套成组夹具符合经济性的原则;反之,从经济的角度可以认为是不合理的。这时,应该从各方面采取调整措施,如修改通用基体或可调、可换元件的结构设计,使之Ct值与P值的比例关系得到调整,最终符合经济性的原则。
在成组夹具设计中,根据夹具的复杂程度,从已积累的统计资料中取得Ct值与P值的当量值,以预定成组夹具适用对象零件种数,然后对实际的Ct值与P 值进行评价,这样可以达到减少过程损失的目的。
为了使成组夹具达到优化设计,必须对NK进行求解,但当已经掌握了它们内在的数学关系之后,便没有必要在每套成组夹具设计中都逐个进行求解,为了达到提高设计工效之目的,可以通过建立速查表的办法来提高优化设计和评价效率。
按照此方法进行通用化工装设计,可大大降低工装成本,缩短产品开发周期。由于通用夹具在产品开发中的占总体工装的1/5~1/10,其制造可由本企业的机修单位来完成,工装夹具的到货周期由原来的几个月缩短为几天。
可以大大减少夹具库存量。以工装库存的最低储备量来估算,库存量为现场用量的2~3 倍,而通用工装夹具会使原来现场使用的夹具由几百种下降为几十种,库存量可降至1/2~1 倍的生产用量。
大幅度提高单机设备的通过能力,提高产品质量。现场同类设备由于工装的差异影响了设备本身较宽的工艺通过能力,通用工装使现场整体的设备通过能力得到提高,有利于均衡生产,提高了工艺质量和产品质量。
提高现场应变能力和单一品种的加工能力,有利于物流顺畅和均衡生产。
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