撥叉撥桿畸形撥叉工藝和雙孔鉆模夾具設(shè)計(jì)

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可持續(xù)夾具及固定裝置的高精度安裝的方法論 J. Jamshidi，P.G. maropoulos 英國(guó)巴斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系 摘要 在夾具安裝階段，夾具組件的精確測(cè)量能力決定其精確性，尤其是對(duì)大尺寸的產(chǎn)品和應(yīng)用來(lái)說(shuō)。大量定制一些在設(shè)計(jì)上有多樣性的小批量產(chǎn)品和零部件是十分重要的。產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該與迅速轉(zhuǎn)換理念相互協(xié)調(diào)，對(duì)于敏感元器件及組件而言，以犧牲產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)提高速度是不明智的，例如在航空航天工業(yè)中所看到的那些零部件。提高精確性對(duì)于夾具的安裝是很有必要的，為了要盡量少用，這可取決于夾具和夾具定位變化的耐受性預(yù)算。在航空航天工業(yè)中，靈活和可重構(gòu)夾具的概念的發(fā)展及固定裝置是夾具的主要開(kāi)銷(xiāo)成本。吸引他們的是重構(gòu)夾具的可重用性，可持續(xù)使用是由于那些零部件也能夠被重新應(yīng)用到許多種產(chǎn)品和裝配中去。一直不佳的準(zhǔn)確性和可靠性為這類(lèi)夾具的缺點(diǎn)，這篇論文主要是研究可持續(xù)夾具主要零部件的精確定位，影響夾具性能的因素在安裝階段會(huì)得以審查。本文介紹了一種在靈活?yuàn)A具中為了最大限度地減少定位和夾緊的不確定性的方法。 關(guān)鍵詞:可持續(xù)性?shī)A具；夾具安裝；校準(zhǔn)不確定性；夾具的監(jiān)測(cè)；計(jì)量；可重復(fù)使用的夾具 1引言 質(zhì)量和可靠性等因素早已經(jīng)轉(zhuǎn)換為新零件固有的特征。在他們的產(chǎn)品和服務(wù)范圍內(nèi)，近期市場(chǎng)趨勢(shì)已經(jīng)迫使制造業(yè)走向大規(guī)模定制。其次增加新陳品的多樣化設(shè)計(jì)在部件和組件級(jí)別上遵循第二次高幅度的變化。有先進(jìn)制造系統(tǒng)和技術(shù)的國(guó)家提供了更多的靈活性，能使設(shè)計(jì)師更加自由的發(fā)揮想象。例如在過(guò)去幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新的大體積測(cè)量方法，就能測(cè)量及公丈的距離。用來(lái)檢測(cè)大尺寸零件的這些設(shè)備通常是由多個(gè)組裝部件所制造出來(lái)的。在重組和裝配期間，那些大尺寸產(chǎn)品的制造需要用到專(zhuān)用的夾具和固定裝置，以便于他們的零部件能夠被定位在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)上。對(duì)于大批量產(chǎn)品，在計(jì)算機(jī)輔助軟件上就能估算出其主要的花費(fèi)需求，否則，在某些情況下或以其他方式生產(chǎn)的產(chǎn)品成本可能會(huì)是非常高的。這個(gè)問(wèn)題與客戶不斷用錢(qián)來(lái)尋求具有更高價(jià)值的市場(chǎng)需求相互矛盾。用一種典型的變化產(chǎn)品可以創(chuàng)建一個(gè)更加具有持續(xù)性的商業(yè)，因?yàn)樗軌驖M足相對(duì)比較大地市場(chǎng)需求。由支持產(chǎn)品變化的不同形狀的產(chǎn)品而形成的靈活和可重構(gòu)夾具及固定裝置則是應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)關(guān)鍵的解決方案。靈活?yuàn)A具的概念已經(jīng)在研究領(lǐng)域存在了幾年[1]。然而，它們?cè)诤艽蟪潭壬蠜](méi)有充分利用真正的生產(chǎn)設(shè)施，尤其是大尺寸產(chǎn)品的制造，如航空航天設(shè)備。這是由于關(guān)于它們的初始安裝、校準(zhǔn)困難和可重復(fù)性等挑戰(zhàn)往往超出公差要求。這些夾具和高品質(zhì)關(guān)鍵部件裝置的制造以及大量的集成計(jì)量系統(tǒng)，都可以減少上述限制。本文包括了有關(guān)安裝的計(jì)量問(wèn)題和靈活的夾具校準(zhǔn)以及檢測(cè)服務(wù)。 2相關(guān)工作 2.1大型零件的制造和裝配 通常把要精密制造的機(jī)械零件移動(dòng)到機(jī)床工作臺(tái)是必需的，先進(jìn)行粗加工，然后精對(duì)準(zhǔn)和夾緊。在這個(gè)階段，一方面是準(zhǔn)備用于加工高精度的關(guān)鍵所在，然而，這對(duì)于一些大尺寸或重的零部件并不總是可以實(shí)現(xiàn)的。大型產(chǎn)品是指那些與一些不經(jīng)濟(jì)的可能需要處理或在工廠周?chē)苿?dòng)的的組件一起來(lái)達(dá)到制造和裝配的目的[2]。制造業(yè)和這些部件的裝配工藝包括所需機(jī)器和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)以及這些部件的位置和方向。這些零部件通常定位在大尺寸夾具及固定裝置上該定位的位置。如果這些部件以小批量生產(chǎn)，在航空航天工業(yè)、高開(kāi)銷(xiāo)的情況下，每個(gè)產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)。在設(shè)計(jì)和制造夾具上，已經(jīng)有了許多嘗試，以便于能夠持有許多種組件的變種。然而，這方法是不可行的，因?yàn)槊舾谢蜿P(guān)鍵的零部件完全是由它們的高精度要求所決定的。與固定的夾具相比較，可調(diào)、可重構(gòu)夾具會(huì)產(chǎn)生更低的重復(fù)性。固定夾具有固定的方式，可以通過(guò)焊接或鉚接的接頭固定在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些機(jī)械故障，例如夾具和固定裝置由于疲勞和塑料變形就是一個(gè)終止其服務(wù)的主要原因，發(fā)送它們?cè)龠M(jìn)行回收。小批量制造的需求是目前常見(jiàn)的淘汰不合格夾具，其使用壽命取決于產(chǎn)品的生命周期。換句話說(shuō)，在制造變種零件停止不久之后，與之有關(guān)聯(lián)的夾具和固定裝置將會(huì)變得多余。即使夾具有工作順序，但它們?nèi)匀挥袌?bào)廢并送往循環(huán)再造。這種方法會(huì)帶來(lái)高負(fù)擔(dān)回收的能耗。在大尺寸零件下的固定夾具和夾具的漂移以及夾具都能影響大尺寸零件組裝的精確性[5]。對(duì)于大尺寸的夾具已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾種分析夾具剛性的方法，可用來(lái)評(píng)估振動(dòng)的影響因素。在任何情況下更加可持續(xù)生產(chǎn)要通過(guò)選擇性方案才能得以實(shí)現(xiàn)。如圖2.1所示。 圖2.1 典型的大型夾具元件 用于制造所延誤的時(shí)間是固定夾具的又一重大缺點(diǎn)，這些夾具應(yīng)該在制造前就被訂購(gòu)，在生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品上市前還可以創(chuàng)建額外的復(fù)雜性。不管他們的類(lèi)型，大型夾具有一些共同的元素，包括一個(gè)主框架、內(nèi)在的框架，有可能有一個(gè)或數(shù)多個(gè)可移動(dòng)的機(jī)制或更小的組件，如鉗、套管、皮卡和可調(diào)螺絲[表1]。 2.2柔性?shī)A具 開(kāi)發(fā)的柔性?shī)A具的概念增加了其可持續(xù)性、快速轉(zhuǎn)換以及降低了成本。現(xiàn)在可以使用現(xiàn)成的模塊來(lái)設(shè)計(jì)和組裝夾具。根據(jù)規(guī)定，只有極少數(shù)夾具的專(zhuān)用零件需要設(shè)計(jì)和制造。以這種概念看，大多數(shù)散裝部件、附件關(guān)節(jié)都應(yīng)用的很具體。一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)變異完全制造出來(lái)，然后就可以拆卸上述組件和重組成一種新的元件來(lái)與未來(lái)的設(shè)計(jì)變異相匹配。因?yàn)榻M裝和組件范圍上的設(shè)計(jì)都相當(dāng)接近，所以這種方法是最能降低夾具成本的。 根據(jù)組件的變化水平和工作類(lèi)型的需求，每一個(gè)不同比例的柔性?shī)A具都需要被重新安排。為了增加使用這種類(lèi)型夾具的效益，這個(gè)問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段考慮是十分重要的。例如，在可能的情況下，皮卡車(chē)的位置和三維定位夾具上的組件的不同變種，甚至完全不同的部分應(yīng)該是在靠近增加兼容性和夾具子系統(tǒng)間變性。夾具關(guān)鍵部件的收集在短期內(nèi)能保證所需夾具的可用性。另外，這些夾具的存儲(chǔ)需要很少空間，因?yàn)椴鸪心K是可能的，通常以腳手架的形式并把它們彼此放在一起。目前在一些汽車(chē)公司應(yīng)用到柔性?shī)A具，因?yàn)樗鼈兊木鹊燃?jí)是足夠滿足的。大尺寸制造的夾具設(shè)施盡管沒(méi)有許多柔性?shī)A具那樣操作靈活，比如航空航天設(shè)備。準(zhǔn)確性和定位銷(xiāo)的不確定性、夾具的可重復(fù)性以及夾具結(jié)構(gòu)的漂移都出現(xiàn)這樣一個(gè)事實(shí)，這些夾具在發(fā)電和航空航天等工業(yè)不能滿足公差要求。一旦它們的精度問(wèn)題得以解決，這些夾具在上述的工業(yè)中將會(huì)有很高的利用價(jià)值。 圖2.2 夾具與汽車(chē)行業(yè)中的可重構(gòu)組件 大量的體積計(jì)量系統(tǒng)和技術(shù)一直有許多新的發(fā)展。依靠計(jì)量系統(tǒng)和技術(shù)的現(xiàn)代激光技術(shù)現(xiàn)在就能夠測(cè)量一些可接受精度的大尺寸產(chǎn)品甚至到幾公丈的產(chǎn)品。在安裝和初期安裝調(diào)試期間，這些系統(tǒng)能夠用來(lái)精確定位一些夾具的關(guān)鍵部件。 夾具的安裝通常開(kāi)始形成機(jī)架或主要框架，然后是那些大的部件和像皮卡和夾具那樣逐漸更小的零部件。計(jì)量系統(tǒng)能夠用于柔性?shī)A具的主要框架和其內(nèi)部框架的安裝，從而來(lái)保證每個(gè)零部件彼此之間的準(zhǔn)確定位。表1顯示了這些大規(guī)模的測(cè)量系統(tǒng)數(shù)。跟蹤系統(tǒng)能夠測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，它是實(shí)現(xiàn)這一目的的最合適的測(cè)量系統(tǒng)。一起跟蹤球式反射鏡在三維空間內(nèi)都可以認(rèn)準(zhǔn)所要記錄的位置。球式反射鏡可以直接練習(xí)目標(biāo)對(duì)象來(lái)提供幾何位置信息或可以在機(jī)械重復(fù)的球式反射鏡下應(yīng)用，從這個(gè)角度用激光來(lái)跟蹤目標(biāo)或短期目標(biāo)。像一些其他測(cè)量?jī)x器的激光跟蹤有時(shí)候不確定，在夾具的安裝過(guò)程中需要做以說(shuō)明。此外，激光跟蹤和目標(biāo)點(diǎn)之間的光線問(wèn)題還應(yīng)該考慮到。如果必要的話，多個(gè)跟蹤職位都可以使用，在實(shí)際測(cè)量活動(dòng)中，其結(jié)果必然是伴隨著一個(gè)不確定的說(shuō)明。經(jīng)過(guò)測(cè)量，這些給定的分散的特征值是合理的，這個(gè)問(wèn)題與一些夾具或夾具的安裝及以后的審核都是一樣的。這些知識(shí)闡明了一個(gè)給定的定位夾具的能力和裝配任務(wù)。換句話說(shuō)，它表示在其相關(guān)流程中一套夾具是否能夠滿足公差要求。 2.3夾具理論比較 為了用于多種生產(chǎn)裝置和組裝應(yīng)用，在不同的公司也有大量不同形狀和設(shè)計(jì)的夾具。這些夾具中的某一些的形式都是標(biāo)準(zhǔn)形式，然而另一些是經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和制造的特殊零部件。后者可以說(shuō)是建立在產(chǎn)品的復(fù)雜性和大規(guī)模的基礎(chǔ)上的，所以可能會(huì)是非常昂貴的[9]。 無(wú)論成本和目的如何，制造和組裝過(guò)程都可以完成，要么不使用夾具，要么用固定幀夾具或用可重構(gòu)或柔性?shī)A具。表2對(duì)它們的典型應(yīng)用的這些方法做出了比較。 固定框夾具通常用于重型應(yīng)用上，它們更適合于應(yīng)用在能夠減輕花費(fèi)開(kāi)銷(xiāo)的大量產(chǎn)品上。 對(duì)于制造業(yè)和大型組裝及復(fù)雜產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，柔性?shī)A具的應(yīng)用有很多好處。特別是在研究和發(fā)展工作中，以及低容量產(chǎn)品的情況下，制造柔性?shī)A具和夾具可能會(huì)是非常有益的。除了在時(shí)間和金錢(qián)上使利益均衡外，柔性?shī)A具還會(huì)有一個(gè)更加靈活的設(shè)計(jì)思路。由于在夾具的制造和裝配過(guò)程中，會(huì)直接和經(jīng)常改變夾具的拓?fù)涑杀尽Ｅc傳統(tǒng)夾具相比較，這種類(lèi)型的柔性?shī)A具的可重用性和可重構(gòu)性是一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樗诰G色制造方面符合行業(yè)的發(fā)展方向，通過(guò)回收使用系統(tǒng)的組成部件，為相關(guān)項(xiàng)目的工裝費(fèi)用降低了項(xiàng)目成本。 表2.1 用于驗(yàn)證夾具大量的例子、便攜式測(cè)量?jī)x器 儀器 輔助部件 測(cè)量類(lèi)型 接觸式 非接觸式 圖像 激光跟蹤儀 賽立信探頭 是 T型探頭 是 激光雷達(dá) 球形目標(biāo) 是 攝影 目標(biāo) 是 光投影 是 關(guān)節(jié)臂 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 基于激光掃描頭 是 接觸探頭 是 2.4 柔性?shī)A具的安裝 本節(jié)中描述的夾具在安裝過(guò)程中需要考慮一些問(wèn)題。夾具元件安裝在合適位置可以說(shuō)是一種挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)定位公差比較小時(shí)，柔性?shī)A具也應(yīng)當(dāng)被監(jiān)測(cè)以便于開(kāi)發(fā)和與傳統(tǒng)夾具相比較它們的剛性。 給出了一個(gè)通用的描述階段根據(jù)初步夾具安裝在仿真軟件環(huán)境和利用一些尺寸為5m×4m×3m的大尺寸夾具的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)測(cè)量指令階段。這是不論這個(gè)夾具是否是第一次安裝在夾具中還是對(duì)已經(jīng)存在的夾具只做外形上的更換，其都是為了定位不同的零部件。 根據(jù)其復(fù)雜性，一種典型的大尺寸夾具具有三至五個(gè)結(jié)構(gòu)。通常除了有一個(gè)主框架之外，在每一個(gè)級(jí)別的基本水平，也可以由一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)用來(lái)作為參考以便于作為夾具基準(zhǔn)來(lái)定位。在一個(gè)自動(dòng)化固定的平臺(tái)上，機(jī)器系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，比如定位、加工和進(jìn)行裝配。因此機(jī)器人的工作基準(zhǔn)與夾具的工作框架相聯(lián)系。仔細(xì)考慮夾具的綜合數(shù)據(jù)，會(huì)確保后續(xù)安裝達(dá)到預(yù)期的公差要求。 2.4.1 測(cè)試輔助柔性?shī)A具的安裝 柔性?shī)A具的安裝在第一次進(jìn)行模擬仿真時(shí)有幾個(gè)安裝階段。使用模擬演習(xí)，在這個(gè)工程中可以減少一些潛在的錯(cuò)誤和返工。測(cè)量輔助安裝過(guò)程是類(lèi)似的跟蹤對(duì)象位置的過(guò)程，是常見(jiàn)的大尺寸組件用到的。夾具的組件先用這種方法使其大致位置公差在1mm以內(nèi)，然后當(dāng)所有的夾具組件被放到所設(shè)計(jì)的位置時(shí)，在0.1mm至0.15mm公差內(nèi)，它們可以使用適當(dāng)?shù)呐ぞ厥站o。典型的計(jì)量協(xié)助柔性?shī)A具安裝階段如下： 在出廠時(shí)設(shè)置初試參考結(jié)構(gòu)； 測(cè)量初始參照系； 安裝基地或其位置的主框架； 安裝脫機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)； 安裝控股和定位； 在內(nèi)框和主框架位置安裝鉗、套管和皮卡。 底座上安裝內(nèi)框； 重點(diǎn)定位元件的精細(xì)調(diào)整和緊固； 核查參照系和夾具； 對(duì)于夾具關(guān)鍵位置的服務(wù)監(jiān)測(cè)。 這些階段是從無(wú)到有夾具的完整安裝。更不用說(shuō)，在設(shè)計(jì)變化略有變化的情況下，一些下面的操作將被忽略。 表2.2 不同夾具理念之間簡(jiǎn)明的比較 典型特征 固定框架 柔性?shī)A具 夾具 應(yīng)用 大批量產(chǎn)品 小批量產(chǎn)品 樣機(jī) 優(yōu)點(diǎn) 唯一性 可重復(fù)性 可重構(gòu)性 成本效益 耐用性 非常高 高 低 剛度 非常高 剛性不確定 低 缺點(diǎn) 重量 重 中 低 可移植性 不可移植 難以在每一個(gè)安裝中定位 難以進(jìn)行 成本 非常高 中等 低 生產(chǎn)時(shí)間 長(zhǎng) 中等 短 2.4.2 柔性?shī)A具的安裝 柔性?shī)A具安裝過(guò)程中采取了以下階段： 安裝夾具的主框架； 移動(dòng)單元和子系統(tǒng)組裝； 夾具內(nèi)框架在夾具裝配中的安裝； 皮卡和夾具的裝配。 主框架通常是夾具的骨干。因此，它一般不會(huì)改變外形，和內(nèi)框架及較小的元素如襯套、皮卡和夾具一樣具有規(guī)律性。慎重考慮制造過(guò)程可以減少夾具元件較大元素的重新排列，也會(huì)更進(jìn)一步節(jié)約時(shí)間和成本。圖3顯示了三組不同活動(dòng)小組對(duì)于柔性?shī)A具的安裝過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，假定夾具的標(biāo)準(zhǔn)件是從可供選擇的現(xiàn)成的部件和組件中選出來(lái)的，然后提前在大量的物理安裝測(cè)試和調(diào)試時(shí)以降低測(cè)量不確定度來(lái)進(jìn)行一次夾具安裝。一旦達(dá)到可接受水平的不確定性的物理安裝才能進(jìn)行。 圖2.3 柔性?shī)A具的測(cè)量輔助安裝程序 在夾具安裝過(guò)程中，它可能需要用到多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)或用到包括一套完整夾具安裝關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量系統(tǒng)。這應(yīng)該包括在夾具維修期間放在工廠的地板和墻壁上的穩(wěn)定性及漂移檢查的目標(biāo)參考點(diǎn)。 在夾具上定位的關(guān)鍵點(diǎn)、測(cè)量?jī)x器的不確定性應(yīng)該予以考慮。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，每個(gè)夾具關(guān)鍵位置的定位的準(zhǔn)確性應(yīng)該是在10倍，甚至比所需的耐受性更好。換句話說(shuō)，如果組件公差指定至0.1mm，則夾具定位精度至少應(yīng)為0.01mm。 柔性?shī)A具安裝的最佳做法如下： 一個(gè)工廠的墻壁和地板上的初始參考點(diǎn)的位置是首選，以減少測(cè)量的不確定性； 應(yīng)驗(yàn)證該儀器所在位置上經(jīng)常使用初始參考點(diǎn)的基地； 在每個(gè)夾具的大節(jié)上，為更好地具有跟蹤和可重復(fù)性，可以附加多個(gè)球式反射跟蹤系統(tǒng)； 夾具大型組件有關(guān)于彎曲或扭曲的測(cè)量應(yīng)集中在角梁的中央部分，以減少定位誤差； 內(nèi)框架參考點(diǎn)應(yīng)選擇盡可能遠(yuǎn)的創(chuàng)建框的坐標(biāo)系統(tǒng)。這可能會(huì)導(dǎo)致在內(nèi)框坐標(biāo)系時(shí)的較小的不確定性。 3.不確定性 由于評(píng)估的結(jié)果旨在對(duì)于所描述物體真正價(jià)值范圍內(nèi)的評(píng)估定位，則不確定性被定義為膠[8]。這里的不確定性來(lái)自兩方面的審查，首先是與測(cè)量過(guò)程中有關(guān)的，其次是與夾具定位的不確定性有關(guān)。測(cè)量不確定性的一些因素，如灰塵、重力、溫度、氣壓、濕度、測(cè)量?jī)x器和相關(guān)軟件中的系統(tǒng)誤差、操作人員的技能、接觸探針或球式反射跟蹤儀?；谀z[8]的定義，測(cè)量結(jié)果應(yīng)伴隨著它的不確定性說(shuō)明，這些錯(cuò)誤詳細(xì)來(lái)源的討論超出了本文的范圍。已經(jīng)有多項(xiàng)研究來(lái)建立真正的不確定性的一些測(cè)量?jī)x器[10、11]。 夾具關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該包括相關(guān)的置信水平。除了最初的不確定性上升的測(cè)量?jī)x器，夾具的不確定性還有其他方面的影響。夾具框架方面的應(yīng)用由于產(chǎn)品重量以及制造工藝過(guò)程在夾具框架中能創(chuàng)建一些彈性變形。夾具有了集成化、自動(dòng)化和移動(dòng)部分，是這個(gè)問(wèn)題變得更加復(fù)雜。 仔細(xì)考慮夾具設(shè)計(jì)階段不確定性的來(lái)源可以在一個(gè)給定的情況下減少過(guò)度使用公差預(yù)算的風(fēng)險(xiǎn)。夾具的精度和夾具的成本之間有著直接的關(guān)系。然而，整體的成本也應(yīng)該被考慮在內(nèi)。高數(shù)額的零部件有更長(zhǎng)的使用壽命。換句話說(shuō)，質(zhì)量特征接近平均值是，在使用過(guò)程中會(huì)很少失效。朝六個(gè)方向靠近在安裝時(shí)是很必要的，然后是在高精度夾具和敏感部位上的可重構(gòu)、柔性?shī)A具及夾具的監(jiān)測(cè)。 4.討論 柔性?shī)A具適用于組裝和在加工部分有不同的設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)。尤其是當(dāng)這些部件之間的設(shè)計(jì)變化小時(shí)，這種類(lèi)型的夾具被證明是具有成本效益和快速的解決方案，這是因?yàn)樗赡軙?huì)通過(guò)夾具重新配置到一個(gè)新的產(chǎn)品或組件的變種上。然而，當(dāng)所需的零件盒裝配的設(shè)計(jì)完全不同時(shí)，可能需要不同尺寸夾具組件的完整地重排，因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)新的零件和重組夾具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該考慮到要便于減少夾具的安裝和重新配置的時(shí)間以及成本，并最大限度的重用現(xiàn)在的組件在當(dāng)前的裝配中。 一個(gè)柔性?shī)A具有許多種裝配方式，是由于其靈活性。在正確的安裝順序下選擇合適的組件，可以最大限度的節(jié)約成本和時(shí)間。本次選擇的過(guò)程中應(yīng)該對(duì)未來(lái)產(chǎn)品的夾具的潛在的重用予以考慮。在產(chǎn)品不斷變化的情況下，計(jì)劃和設(shè)計(jì)夾具框架是很重要的。使用定制的夾具、緊固件、軸套和其他夾具元件都是降低成本的關(guān)鍵問(wèn)題。 仿真軟件和工具的廣泛使用，可以減少返工和浪費(fèi)夾具材料相關(guān)的成本。例如測(cè)量?jī)x器，其目標(biāo)點(diǎn)之間的視線檢查就會(huì)使用這些軟件來(lái)輔助。圖4顯示了柔性?shī)A具安裝在測(cè)量仿真軟件中的第一個(gè)階段。由于夾具正在興建的模擬的效益越 來(lái)越明顯，因此它可以突出儀器與目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)的水平視線的問(wèn)題和不確定性。 由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購(gòu)買(mǎi)夾具元件方面的財(cái)政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因?yàn)樗鼈兡芴崆胺治龀鰥A具的長(zhǎng)處和弱點(diǎn)，揭示其物理設(shè)置。 選擇合適的測(cè)量?jī)x器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計(jì)量。一個(gè)連貫的計(jì)量系統(tǒng)，其測(cè)量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個(gè)給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。 圖4.1 測(cè)量輔助夾具安裝的模擬過(guò)程 由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購(gòu)買(mǎi)夾具元件方面的財(cái)政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因?yàn)樗鼈兡芴崆胺治龀鰥A具的長(zhǎng)處和弱點(diǎn)，揭示其物理設(shè)置。 選擇合適的測(cè)量?jī)x器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計(jì)量。一個(gè)連貫的計(jì)量系統(tǒng)，其測(cè)量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個(gè)給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。 總結(jié) 零件和裝配體應(yīng)該以盡量減少夾具成本的方式來(lái)設(shè)計(jì)，以滿足使用標(biāo)準(zhǔn)組件。如果在夾具更新至下一產(chǎn)品時(shí)提前思考，則其速度和成本可能會(huì)增加。在夾具和固定裝置的設(shè)計(jì)上有強(qiáng)大的總成本、碳足跡及其可持續(xù)性。它往往要求生產(chǎn)出只有極少數(shù)的典型設(shè)計(jì)或產(chǎn)品，子系統(tǒng)或組件，以滿足產(chǎn)品的變化和客戶的需求。對(duì)于大型產(chǎn)品的幾何尺寸超出幾米夾具的可能會(huì)造成重大的開(kāi)銷(xiāo)。此外，一旦所需的零部件倍制造出來(lái)，這些夾具則會(huì)變得多余。常規(guī)回收多余夾具是不經(jīng)濟(jì)的。因此，找到增加夾具的靈活性才是所需求的方法。 柔性?shī)A具和夾具的概念已存于二十余年。然而它們的潛能還沒(méi)有真正發(fā)揮，是由于其精度可可重復(fù)性的不確定性。高精度計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)在能夠用來(lái)對(duì)夾具進(jìn)行初始安裝和服務(wù)。然后使用該系統(tǒng)有可能重新設(shè)定夾具元素使其精確到一個(gè)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于定位不同幾何位置的組件，允許幾次使用夾具。 本文提出了一種對(duì)于大規(guī)模柔性?shī)A具及夾具初始定位和安裝的通用的算法。計(jì)量輔助夾具安裝的新概念被證明對(duì)復(fù)雜的設(shè)置和夾具的安裝是有益的。當(dāng)完全裝配好時(shí)，夾具的穩(wěn)定性可以通過(guò)慎重考慮和選擇夾具幾何位置上的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)予以保證。這種方法將應(yīng)用于大尺寸元件和產(chǎn)品的制造以及裝配件，尤其是應(yīng)用于航空航天和發(fā)電工業(yè)中。 G. Seliger et al. (eds.), Advances in Sustainable Manufacturing: Proceedings of the 8th Global Conference 149 on Sustainable Manufacturing, DOI 10.1007/978-3-642-20183-7_22, ? Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Methodology for High Accuracy Installation of Sustainable Jigs and Fixtures J. Jamshidi, P.G. Maropoulos Department of Mechanical Engineering, University of Bath, UK Abstract The ability to accurately measure the components of jigs and fixtures during their installation determines the state of their precision, especially for large size products and applications. This matter is crucial in mass customisation where small batches of products and components with high variety in design are manufactured. Product quality should be in harmony with rapid changeover philosophy as compromising quality for speed is not forgivable for sensitive components and assemblies such as those seen in the aerospace industry. It is necessary for the installation of the jigs and fixtures to be highly accurate in order to minimise the use of tolerance budget due to variations in jigs and fixture positioning. Major overhead costs for jigs and fixtures particularly in the aerospace industry led to the development of the concept of flexible and reconfigurable jigs and fixtures. Reusability of reconfigurable jigs and fixtures makes them attractive for sustainable solutions as their components can be reused for several variant of a product or assembly. The main drawbacks of this type of jigs and fixtures have been their poor accuracy and reliability. In this paper accurate positioning of the key components of sustainable jigs and fixtures is investigated. The factors affecting the performance of the jigs and fixtures are reviewed from the installation stage. The paper introduces a methodology for minimising uncertainties in positioning of the holds and clamps for flexible jigs and fixtures. Keywords: Sustainable Jig, Jig installation, Calibration Uncertainty, Jig Monitoring, Metrology, Reusable Jig 1 INTRODUCTION Factors such as quality and reliability have long converted to implicit characteristics of the new products. Recent market trends have forced manufacturing industries to move towards mass customisation in their products and service range. Increased variation in the design of new products is followed by a second wave of variation with higher amplitude at subassemblies and component level. State of the art manufacturing systems and technologies have provided more flexibility, enabling designers to think more freely. For instance new large volume measurement systems, developed in the past few years, are capable of measuring several decametre distances. Such technologies facilitate the verification of large size components that used to be manufactured from several assembled components. The manufacturing of large size products requires specialist jigs and fixtures in order for their components to be held in the desired orientation during build and assembly. This requires major overhead cost that can only be justified by mass production in some cases or otherwise the cost of finished products can be very high. This issue contradicts with the market trends where customers are constantly looking for higher value for their money. In a typical product the variation in the product creates a more sustainable business as it can fulfil the needs of a relatively larger market. Flexible and reconfigurable jigs and fixture that can be formed in different shapes to support different variation of products is a key solution for the above challenges. The concept of flexible jig existed for several years in the research domain [1]. However, they are not fully utilised to a great extent in real production facilities especially for large size product manufacturers, such as aerospace. This is due to the challenges related to their initial installation, poor calibration, and repeatability that often exceed the tolerance requirement. The manufacturing of these jigs and fixtures from high quality key components as well as their integration with large volume metrology systems can reduce the above limitations. This paper covers metrology issues related to the installation and calibration of flexible jigs and fixtures as well as their monitoring during service. 2 RELATED WORK 2.1 Manufacturing and assembly of large scale parts Typically prior to precision manufacturing of mechanical parts it is essential to move the raw material to the machine bench, proceed with rough cutting then fine alignment and clamping. At this stage the part is ready for machining of its high precision key features. However, this is not always possible for large size and/or heavy components. Large scale products refer to those with components that are not economically possible to handle or move around in the factory for fabrication and assembly purposes [2]. The manufacturing and assembly processes of these parts encompass movement of the machines and systems to the desired location and orientation with respect to these parts. Such parts are normally held in their positions using large size jigs and fixtures. If these parts are produced in small batch sizes that is the case for aerospace industries, high overhead cost per product will occur. There have been many attempts to design and manufacture jigs and fixtures so that they can hold a number of variants of components [3, 4]. However, this approach is not feasible for parts with sensitive or key features due to their high accuracy requirements. 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第　1　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 30 粗銑上方端面 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 銑床 X52K 1 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 乳化液 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 粗銑上方端面 硬質(zhì)合金面銑刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝XJ001 370 73.2 0.18 3 1 0.26 0.5 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第　1　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 30 粗銑下方端面 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 銑床 X52K 1 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 乳化液 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 粗銑下方端面 硬質(zhì)合金面銑刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝XJ001 370 73.2 0.18 3 1 0.26 0.5 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第　2　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 40 精銑上方端面 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 銑床 X52K 1 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 乳化液 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 精銑上方端面 硬質(zhì)合金面銑刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝XJ001 460 91.2 0.15 1 1 0.33 0.4 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第　2　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 40 精銑下方端面 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 銑床 X52K 1 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 乳化液 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 精銑下方端面 硬質(zhì)合金面銑刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝XJ001 460 91.2 0.15 1 1 0.33 0.4 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第 3　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 50 鉆孔 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 鉆床 Z525 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 鉆￠10的孔 鉆頭﹑游標(biāo)卡尺、工裝 300 0.34 0.35 2 1 0.66 0.5 2 擴(kuò)￠10的孔 鉆頭﹑游標(biāo)卡尺、工裝 250 20.4 0.45 2 1 0.62 0.6 3 鉸孔10的孔 鉸刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝 300 0.35 0.35 0.8 1 0.96 0.5 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第 3　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 50 鉆孔 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 鉆床 Z525 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 鉆￠11的孔 鉆頭﹑游標(biāo)卡尺、工裝 300 0.34 0.35 2 1 0.66 0.5 2 擴(kuò)￠11.7的孔 鉆頭﹑游標(biāo)卡尺、工裝 250 20.4 0.45 2 1 0.62 0.6 3 鉸孔12的孔 鉸刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝 300 0.35 0.35 0.8 1 0.96 0.5 機(jī)械加工工序卡片 大學(xué)名 機(jī)械加工工序卡片 零件圖號(hào) 共　14　頁(yè) 零件名稱(chēng) 畸形撥叉 第 3　頁(yè) 車(chē)間 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 材料牌號(hào) 機(jī)加工 50 鉆孔 HT150 毛坯種類(lèi) 毛坯外形尺寸 每件毛坯可制件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄造 1 1 設(shè)備名稱(chēng) 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 鉆床 Z525 夾具編號(hào) 夾具名稱(chēng) 切削液 專(zhuān)用夾具 工位器具編號(hào) 工位器具名稱(chēng) 工序工時(shí) 準(zhǔn)終 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速 /（r／min） 切削速度 /（m／min） 進(jìn)給量/（mm／r） 背吃刀量/mm 走刀 次數(shù) 工時(shí)定額 基本 輔助 1 鉆￠20的孔 鉆頭﹑游標(biāo)卡尺、工裝 300 0.34 0.35 2 1 0.66 0.5 2 擴(kuò)￠24.7的孔 鉆頭﹑游標(biāo)卡尺、工裝 250 20.4 0.45 2 1 0.62 0.6 3 鉸孔25的孔 鉸刀﹑游標(biāo)卡尺、工裝 300 0.35 0.35 0.8 1 0.96 0.5