面向大規模定制的工業工程實驗室操作夾具優化設計

周 策， 蔣南云， 黃晨晨， 樊樹海(南京工業大學 工業工程系， 南京 210009)

0 引 言

大規模定制(Mass Customization，MC) 是指以大規模生產的成本和速度，為單個客戶或特殊需求的市場定制生產任意數量的產品[1]。MC生產的初衷是降低產品多樣化造成的成本浪費，減少企業庫存，獲取更大的利益空間，從而提高企業的競爭力[2]。隨著工業化社會的發展，人機工程學的應用越來越受到人們的重視。

夾具的引用會在裝配過程中減少單個工序操作時間，現代夾具設計手冊[4]對夾具的具體參數有了一個明確的標準。在發動機裝配夾具設計上，朱小琳等[5]在交接發動機的基本結構的基礎上對夾具設計，并且計算其安全校核，最后認為該夾具可以適應專用夾具，增加了適應性。在裝配夾具的以往設計上，王西來等[6]為批量生產設計了精準定位的杠桿夾具。在直放站的裝配夾具設計上，韋劌等[7]通過對總體的結構，框架結構、附件結構及其他對該裝配夾具進行設計。在轉軸襯套裝配夾具設計上，劉元雄[8]為了改變手工操作帶來的弊端，對夾具進行改進，實現了裝配的自動化。薛煥樟[9]在對自動扶梯導軌系統的裝配上，先找出了之前裝配過程中的不足，在夾具設計中考慮需求，考慮詳細的工藝要求，使得夾具有了良好的精度，加緊可靠。張在新[10]在焊接夾具的研究中把設計分為了法蘭面定位組焊夾具和定位工裝，設計的夾具簡單合理，定位準確可以有效地控制多支路定位裝配焊接的變形。而在郭巖[11]的理論中，他把人機工程學的許多思想融入到了現實的夾具設計中。蔣南云[12]對人機系統的優化，減少了人員無效動作，降低標準作業時間，系統理論產能可以大大提升，實現人機協調工作。Satish等[13]對于夾具布局優化，節點空間變化引起的輔機的粗暴對待和衰老提出了新的看法。Pasquale等[14]對于夾具設計優化進行3個步驟:① 基于物理模型的部分固定裝置；② 隨機多項式混沌計算夾具能力擴張；③ 夾具能力優化使用代理造型。Bing等[15]提出一個健壯的夾具布局設計模型開發了基于拉格朗日條件極值的方法。

本文運用直接觀察法，觀察操作人員在流水線裝配過程中的操作過程，發現其在徒手操作過程中存在的各類問題，運用人機工程學等相關領域的知識設計優化在一些操作過程中使用的夾具，然后利用計算機輔助軟件進行畫圖建模表達，最后運用現有的材料制作實物模型并運用于實際的實驗操作，得出優化結論，并把此方法與大規模定制相結合，把各個模塊間相似的工作建立標準化分析，簡化工作，以達到效率的提升。

1 車間現狀分析

1.1 加工對象及工序分析

實驗室現有的是一條如圖1所示U型流水線，總共分配了12個工位來對如圖2的小車進行裝配。小車的裝配零件主要有22個螺絲螺母和22件金屬片。工藝過程則主要是螺絲對孔，零件安裝，擰緊螺絲等步驟組成，工具采用常見的螺絲刀，實驗室優化前的裝配內容與工序如表1所示。

圖1 U型流水線(mm)圖2 小車模型

表1 玩具裝配組工序內容與順序

1.2 現存問題分析

在現有的裝配過程中，是采用徒手裝配的方法裝配，裝配簡單零件如圖3所示。由于徒手裝配使得抓取裝配的細小零件存在一定的困難，在裝配時，細小的零件很容易打滑，這就意味著不能夠進行精確對孔。同時，擰緊螺絲也是需要用手抵住螺母，這樣既不能保證完全擰緊，同時，對手指也有很大的損傷。

圖3 簡單操作步驟

2 夾具設計

人機工程學中要求人與機器環境和諧相處[2],因此，在針對現有操作過程中的手指磨損問題時，夾具的每一個螺母處留有與螺母尺寸相對應的設計，使得每一粒螺母可放置在裝配夾具中進行相應裝配，避免了擰緊過程中手部與螺母的直接接觸。

在針對各個細小零件容易打滑時，給每個零部件都設計出相應的位置，使其能夠充分固定，圖4～7為4個零件CAD圖。

圖4 小車座椅圖紙(mm)

圖5 一側CAD圖紙(mm)

圖6 車頂CAD圖紙(mm)

由于車身左側與右側完全相同，故只放置了一側的圖紙。從CAD圖中就可以清楚看到，在裝配過程中只需要把每一個相對應的零件按次序放入夾具掐口，然后用螺絲刀擰緊即可。在有了所有的圖紙之后，對CAD圖紙進行建模出圖，最后得到的5個夾具如圖8所示。

圖7 車翼CAD圖紙(mm)

圖8 夾具3D模型

在做完所有的畫圖建模工作以后，為了可以得到實際的測量數據，必須做出實際的模型，由于材料場地等硬性條件的限制，在綜合考慮之后，最終決定用陶土制作。由于陶土在較軟時有很好的可塑性，可以對夾具進行捏制。在收縮之后又有一定的硬度，可以用于實驗。圖9是5個所作的現實的陶土模型。

3 夾具使用

夾具設計完成之后，對夾具的使用使得之前的工位設置以及每個工位所要做的事也就發生了相應的改變，因此依據簡潔工序簡潔程度重新安排12道工序。表2為玩具裝配組工序內容與順序。

對工序安排完成后，按照現有工序進行試驗測量。

4 優化效果

在使用夾具后，按照現有工序對每一步工時進行測量，表3為使用夾具前后每道工序操作時間。

表2 玩具裝配組工序內容與順序

在使用夾具以后，有效避免了之前在沒運用夾具時出現的如裝配順序顛倒等問題，可以從表3中得出之前的每一步的操作時間大多在約40～50 s之間，但是在全面使用設計的夾具之后，操作時間大大減少，除了一步工序還出現了50 s以外，大部分的實驗數據都在約30 s。實現了效率的提升。

表3 使用夾具前(后)每一道工序操作時間 s

在現有的實物模型中，夾具模型上都有專門為螺絲螺母留下的尺寸，這樣在操作過程中只需握住夾具而不必需要手指抵住螺母擰緊，有效地提高了手指舒適度，保障人體健康。

5 結 語

本文對于裝配線夾具的設計，是在運用工業工程多種方法的前提下，根據實驗室現有的工序及其操作步驟，基于操作人員安全、舒適的條件下，設計出適合的裝配夾具。在用計算機輔助軟件直觀表達后制作實際模型并投入實驗。實驗結果表明，引入的夾具大大增加了裝配的效率，在應用于大規模定制生產中，把各個模塊間相似的工作建立標準化分析，簡化工作，使得效率得到了提升。

人機工程學在夾具設計中的應用使得在夾具的設計不僅僅是能提升整體的裝配效率，而且高度考慮了人在這一操作中的重要性，優先提升人在勞動過程中的舒適程度，得人機環境能夠緊密結合起來。

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