机床夹具非标件的模块化设计

夹具非标准件CAD的模块化设计已广泛应用于工程设计领域。图形库的开发是工装CAD的关键技术。

其质量将直接影响CAD系统的工作效率，而开发图形库遇到的一个难题就是非标准件的模块化设计。

根据机床夹具设计的特点，作者成功地将夹具非标准零件模块化，开发了机床夹具CAD系统。

一，模块化设计的概念

1.模块划分

所谓模块，是指具有相同功能和结构要素(连接部件的形状和尺寸等)的一组单元(零件、总成、部件)。)并具有不同的用途(或性能)和结构但不能互换。

为了实现非标准设计过程的自动化，需要运用成组技术和相似原理对其进行分析和总结，实现组合化、典型化、规范化和标准化。划分的方法有：

(1)根据零件。

按照构件划分，强调结构整体性。

(2)根据已完成的功能。

功能划分强调功能的独立性，要尽可能细分，尽可能独立地模块化，使按功能划分的模块可以组合成各种结构。

(3)按级别。

按级别划分就是把整机按级别划分，每一级都是以下模块的组合。按层次可分为全系统组件、组合组件、组件和子组件等。其中，组件模块很可能不是一个独立的零件，而是一个几何元素或特征。

2.模块化非标准件的特点。

模块化的非标准件应该是可以互换的。互换性是指功能相同的模块在装入夹具时可以互换，尽管它们的形状不同。互换的结果不会影响与整体夹具和相关模块的连接。

相同功能模块之间的互换性是标准化的结果，标准化是指对构成整机的各个模块进行详细的功能分析和概括，提取整体模块和影响其他模块的主要特征，从功能相同的模块中总结出相同的外部接触参数。

3.模块化参数化。

所谓模块参数化，就是在功能分析的基础上，设计各种尺寸性能指标的模块。

这些不同尺寸的模块按照一定的组合关系，可以组成各种规格或用途的机构，以满足不同规格产品的加工要求。因此，有必要进行模块化参数化和系列化设计。

一般来说，模块化参数化可以按照水平系列、垂直系列、交叉系列或组合系列进行设计。

(1)水平系列模块系统

在具有一定主要参数的基础产品的基础上，替换或添加模块，开发变型产品的系统。

(2)纵向系列模块的设计

产品功能相同，结构相似，但参数不同。

(3)跨系列模块设计

这种设计有两种方式，一种是在基本相同的基础上选择不同的模块，形成跨系列产品；另一种是基本零件结构不同的跨系列产品中功能相同的部件，选用相同的功能模块。

二、机床夹具非标准件的模块化设计

夹具设计中涉及到的大部分零件都是国家标准零件或企业标准房，但仍有一些非标准零件。这些非标件虽然数量少，但工作量不小。

为了充分发挥CAD技术的优势，有必要对这些零件进行模块化设计。对于夹具的这些非标准件，按照完成的功能进行模块划分，按照纵向系列模块体系进行参数化。

1.基本模型设计

如何确定系列模块的基础是模块化设计的关键。非标准件设计的特点是任意性。很难从成千上万的设计图中提取出有代表性的基本类型。正确的选择如下：

(1)对夹具的非标准件进行广泛而详细的数据收集和调查，找出有代表性的基础数据。

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(2)分类整理大量混沌数据是选型的关键，决定了所选模型的覆盖范围。

(3)选定的基础要在实践过程中不断修改/补充和完善，这是非标准设计的一大特点。

数据(分析/归纳)初始原型(修改/补充)原型

如图1所示，夹具本体通过分析归纳可以初步分为长方体、圆体、箱体、T型体、圆柱体、回转体(单臂、双臂)七大类。

2.基本参数的确定

确定样机的基本参数，应把握两个方面：参数的代表性和参数的完整性：

每个部分都有很多参数。参数化之前，所有的参数都要优化，不能随便标注尺寸。应采用最简单的标注方法来反映零件尺寸的变化，但不应遗漏或重复标注尺寸，如图2所示。

3.确定基本图案的大小和等级差异。

确定基本模型的大小是将参数序列化，确定范围是分步改变参数化的参数大小，使这些大小和范围尽可能地反映基本模型的变化。比如在确定体型的时候。

机身的长、宽等尺寸应根据机床工作台的形状确定。连接槽的尺寸应根据机床的T型槽尺寸确定，机体(箱形机体)的高度应根据机床主轴距与工作台的距离确定，铸造圆角应根据铸造工艺要求确定。

根据收集的数据选择范围，使范围尽可能代表基本类型的变化，范围变化要有一定的规律，比如等差数列。参数化和系统化零件

4、确定非标件的结构

非标件模块化设计之后，就类似于一个标准件，以后要进行批量生产。因此，要优化这些非标件的结构，就要对这些非标件中一些关键部位进行可靠性设计和有限元分析。

解除后顾之忧。同时，还要考虑到工艺方面的各种需要，以便于加工和维修。最后，对尺寸进行处理，使之符合圆整要求，符合标准化、系统化的要求。

至此，非标件的模块化设计已全部完成，建立图库时，我们可以象建立标准件图库一样建立非标件库，延伸CAD的实用领域，为更进一步提高设计效率，打下良好的基础。

三、模块化设计的要求

夹具的非标件模块化设计使一想比较复杂的工作，从资料收集到分析归纳，再到提炼总结，都要考虑所涉及的方方面面，既要考虑结构，又要考虑工艺，既要考虑设计习惯，更要重视归纳后的结果，任何考虑欠缺都会影响模块化的结果。

夹具非标件的模块化设计是一个设计——修改——再设计的循环过程，一个理想的设计要经过上述循环的多次反复，一次性模块化成功的想法是不现实的。

夹具非标件的模块化设计是一项实践性比较强的工作。因此，设计时要深入现场，倾听技术人员和操作人员的意见，从现场获取资料和信息。

进行夹具设计时，非标件的数量虽然不太多，但设计员工作量却不少。而且，若想利用计算机来完成辅助绘图，就必须做好这些非标件的模块化设计工作，模块化的成功与否。

将直接影响CAD的工作效率。因此，非标件的模块化设计时CAD中的一项重要技术。

笔者根据自己从事工装夹具设计和CAD的经验，成功地完成了夹具非标件的模块化设计，开发出“机床夹具CAD系统“，并已应用于夹具图形库的建库工作，在一拖公司的工装设计应用中取得令人满意的效果。

各个模块彼此独立实现各自的目标同时以数据共享为基础，进行查询，加工输出。

四、结束语

组合机床报价示近几年市场经济发展迫切需要解决的问题，过去长期企业沿用的成本核算已完全不能满足企业的发展。

本文从理论上对报价所采用的计价方法进行分析探讨，并指出利用计算机实现组合机床报价的总体设想。

工装夹具数控机床夹具的选择和使用小知识

同样一款机床，为何生产效率却相差好几倍？得出的结论是：数控机床选用的夹具不合适，从而使数控机床的生产效率大幅降低。

如何提高数控机床利用率？通过技术分析，夹具的使用有很大的关系。据金粉反应，工作中经常有数控机床由于夹具选择不合理或应用不当，而出现了“窝工”现象；从另外一个角度来讲，在数控机床夹具的选择与应用上大有文章可做，因为其中蕴含可观的潜在经济效益。

正确选择夹具类型是高效加工的基础

目前，机械加工按生产批量可分为两大类：一类是单件、多品种、小批量（简称小批量生产）；另一类是少品种、大批量（简称大批量生产）。其中前者大约占到机械加工总产值的70~80%，是机械加工的主体。

适宜小批量生产的数控机床夹具

小批量生产周期﹦生产（准备/等待）时间+工件加工时间由于小批量生产“工件加工时间”很短，因此“生产（准备/等待）时间”的长短对于加工周期有枱至关重要的影响。要想提高生产效率，就必须想办法缩短生产（准备/等待）时间。

下面推荐三类小批量生产可优先考虑的数控机床夹具：

组合夹具

组合夹具又称为“积木式夹具”，它由一系列经过标准化设计、功能各异、规格尺寸不同的机床夹具元件组成，客户可以根据加工要求，象“搭积木”一样，快速拼装出各种类型的机床夹具。由于组合夹具省去了设计和制造专用夹具时间，极大地缩短了生产准备时间，因而有效地缩短了小批量生产周期，即提高了生产效率。另外，组合夹具还具有定位精度高、装夹柔性大、循环重复使用、制造节能节材、使用成本低廉等优点。故小批量加工，特别是产品形状较为复杂时可优先考虑使用组合夹具。

精密组合平口钳

精密组合平口钳实际上属于组合夹具中的“合件”，与其它组合夹具元件相比其通用性更强、标准化程度更高、使用更简便、装夹更可靠，因此在全球范围内得到了广泛的应用。精密组合平口钳具有快速安装（拆卸）、快速装夹等优点，因此可以缩短生产准备时间，提高小批量生产效率。目前国际上常用的精密组合平口钳装夹范围一般在1000mm以内的，夹紧力一般在5000Kgf以内。

需要注意的是，这里所说的精密组合平口钳并不是老式机加虎钳，老式机加虎钳功能单一、制造精度低、无法成组使用、使用寿命短，不适宜在数控机床、加工中心上使用。

这里所说的精密组合平口钳是起源于欧美等工业发达国家，专门针对数控机床、加工中心特点所设计的一系列新型平口钳，此类产品具有装夹柔性大、定位精度高、夹紧快速、可成组使用等特点，特别适合数控机床、加工中心使用。

电永磁夹具

电永磁夹具是以钕铁硼等新型永磁材料为磁力源，运用现代磁路原理而设计出来的一种新型夹具。大量的机加工实践表明，电永磁夹具可以大幅提高数控机床、加工中心的综合加工效能。

电永磁夹具的夹紧与松开过程只需1秒左右，因此大幅缩短了装夹时间；常规机床夹具的定位元件和夹紧元件占用空间较大，而电永磁夹具没有这些占用空间的元件，因此与常规机床夹具相比，电永磁夹具的装夹范围更大，这有利于充分利用数控机床的工作枱和加工行程，有利于提高数控机床的综合加工效能。电永磁夹具的吸力一般在15~18Kgf/cm2，因此一定要保证吸力（夹紧力）足够抵抗切削力，一般情况下，吸附面积不应小于30cm，即夹紧力不小于450Kgf。

　适宜大批量加工的数控机床夹具

大批量加工周期＝加工等待时间＋工件加工时间＋生产准备时间“加工等待时间”主要包括工件装夹和更换刀具的时间。传统的手动机床夹具“工件装夹时间”可达到大批量加工周期的10~30%，这样“工件装夹”就成为了影响生产效率的关键性因素，也是机床夹具“挖潜”的重点对象。故此大批量加工宜采用快速定位、快速夹紧（松开）的专用夹具，可优先考虑以下三类机床夹具：

液压/气动夹具

液压/气动夹具是以油压或气压作为动力源，通过液压元件或气动元件来实现对工件的定位、支承与压紧的专用夹具。

液压/气动夹具可以准确快速地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，加工精度高；定位及夹紧过程迅速，极大的节省了夹紧和释放工件的时间；同时具有结构紧凑、可多工位装夹、可进行高速重切削，可实现自动化控制等优点。

液压/气动夹具的上述优点，使之特别适宜在数控机床、加工中心、柔性生产线使用，特别适合大批量加工。

电永磁夹具

电永磁夹具所具有的快速夹紧、易实现多工位装夹、一次装夹可多面加工、装夹平稳可靠、节能环保、可实现自动化控制等优点。与常规机床夹具相比，电永磁夹具可以大幅缩短装夹时间，减少装夹次数，提高装夹效率，因此不仅适用于小批量生产，亦适用于大批量生产。

光面夹具基座

光面夹具基座在国内应用还不是很多，但在欧美等工业发达国家应用很广泛。它实际上就是经过精加工的夹具基体精毛坯，元件与机床定位连接部分和零件在夹具上的定位面已经精加工完毕。用户可以根据自己的实际需要，自行加工制作专用夹具。

光面夹具基座可以有效缩短制造专用夹具的周期，减少生产准备时间，因而可以从总体上缩短大批量生产的周期，提高生产效率；同时可以降低专用夹具的制造成本。因此光面夹具基座特别适合周期较紧的大批量生产。

合理使用夹具，挖掘设备潜能

经验表明，为了提高数控机床加工效能，仅仅“选对”数控机床夹具还是不够的，还必须在“用好”数控机床夹具上下功夫。

下面介绍三种常用的方法：

多工位法

多工位法的基本原理：通过一次装夹多个工件，达到缩短单位装夹时间，延长刀具有效切削时间的目的。多工位夹具即拥有多个定位夹紧位置的夹具。

随枱数控机床的发展和用户提高生产效率的需要，现在多工位夹具的应用越来越多。在液压/气动夹具、组合夹具、电永磁夹具和精密组合平口钳的结构设计中多工位设计越来越普遍。

成组使用法

将相同的几个夹具放在同一工作枱使用，同样可以实现“多工位”装夹的目的。这种方法所涉及的夹具一般应经过“标准化设计、高精度制造”，否则难以达到数控机床工序加工的要求。

成组使用法可以充分利用数控机床行程，利于机床传动部件的均衡磨损；同时相关夹具可独立使用，实现多件装夹，又可联合使用，实现大规格工件装夹。

局部快换法

局部快换法是通过对数控机床夹具的局部（定位元件、夹紧元件、对刀元件和引导元件）进行快速更换，达到迅速改变夹具功能或使用方式的目的。例如：快换组合平口钳，可以通过快速更换钳口实现装夹功能的改变，比如由装夹方料转变成装夹棒料；也可以通过快速更换夹紧元件实现夹紧方式的改变，比如由手动夹紧转变成液压夹紧。局部快换法大幅缩短了更换及调整夹具的时间，在小批量生产中优势较为明显。

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