设计多组件组装过程的固定装置是一个战略工程学科,直接影响到制造吞吐量、维一致性和操作安全。 固定装置是定制或模块化的工具系统,旨在定位、支持和在组装操作中精确地将工作装置置于方向上。 随着产品日益复杂 — — 电子、机械部件和复合材料的融合 — — 对智能、适应性固定装置设计的需求从未像现在这样高。

固定装置在现代大会中的作用

固定式是任何装配站的物理基础。通过消除部分移动和保持严格的对齐,它们可以减少人为错误,提高重复性。 在几十个部件必须正确接口的多部件装配中,设计良好的固定式可以指废堆和流畅的无缺陷产品之间的区别。 现代固定式还可以通过缩短安装时间和使产品变体之间能够快速转换来支持精益制造原则。

固定在今天,除了简单的持有之外,还常常将传感器、引爆器和基准物融合到质量系统中。 这种向智能固定装置的转变与工业4.0目标一致,每个装配步骤都受到监测和优化。

固定设计的基本原则

每个固定设计项目都以这些核心目标为起点:

  • 精确度:[ 固定式必须把每个组件定位在组装容限内,常常在微米范围内进行精密组装.
  • 可重复性:[]每个单元必须实现相同的定位,即使是跨越数千个周期.
  • 可访问性: 装载,夹,卸应直观和人工,以尽量减少周期时间和操作员疲劳.
  • 力: 固定必须抵抗在夹力和装配负载下偏转,而不会伤害零件.
  • 灵活性:可调整或模块化特性允许相同的固定装置处理组件大小或设计修改的变异.

这些原则是相互依存的,例如,日益僵化往往会增加权重,可能影响无障碍,必须通过认真分析来评估权衡。

多部件组件的固定装置类型

固定式设计因产品几何、产量和组装方法而有很大差异。

专用固定装置

定制的单一产品或部分产品,其准确性和重复性最高,但修改成本高,最适合高产量、稳定的生产。

模块固定器

由标准化组件(t-slot plates,定位器,夹子)建造,可以快速为不同的组件进行重构,降低中量或高混合生产的工具成本. 模块固定系统[ 由Fresh Fixture Company等供应商提供,可以快速重构.

自动固定装置

装入机器人工作电池或自动装配线,可能包括气动或液压夹、视线对齐和强力后置传感器。 这些固定装置对于高速、无人操作至关重要。

索引和扶轮机

用于向操作员或机器人呈现多个工作面或位置,它们允许多面组装而无需人工重新定位,从而改进周期时间.

多组成部分大会的主要设计考虑

材料选择

固定材料必须平衡强度、重量、耐磨性、成本和热稳定性。

  • 铝:[]轻量级,强度对重量比率好,机能性极佳,适合低量至中量级固定装置.
  • 钢铁(如工具钢或硬铬):高磨阻力和刚度;用于大容量生产,在重复的夹击不会造成变形.
  • 复合材料(如碳纤维,环氧花岗岩): 极端高坝和低热膨胀. 光学或半导体装置等敏感部件的精密组装理想.
  • 3D打印的聚合物或金属: 启用复杂的内部冷却通道,轻量级的网纹结构,以及快速原型的固定几何美特. 添加固定装置制造[在低容量,高复杂度的应用中获得了牵引力.

集聚和配置战略

3-2-1定位原理是标准:三针制约主平面,二针制约一个次要平面,一针制约第三个方向。对于多组件组件组件,可能需要多个参考点和嵌入式定位方案。必须使用碰撞力而不扭曲工作程序。考虑使用浮动夹或手动可重复的扭矩工具以确保一致性。

工程学和操作安全

操作员应该能够卸载部件而无需采取尴尬的姿势或过度的力. 设计固定装置带有视觉提示(颜色编码,激光线)和触觉向导(chamfers,铅内),以加速训练,减少错误. 抗发酵垫和可调节高度表往往被整合到工作细胞中.

与组装自动化合并

如果固定装置是自动线路的一部分,它必须与机器人、传送系统和传感器接口。

  • 机器人注册(filducals,硬站)的Datum特性[].
  • 用于夹、传感器和视觉系统的气动或电动连接[。
  • 快速变换适配器板,用于交换机器人细胞内外的固定装置.
  • 符合安全标准[(例如,适用于机器人的ISO 10218).

设计过程:从概念到生产

1. 所需大会经费分析

首先要收集产品设计数据、组装序列、容积和所需吞吐量。确定临界维度和潜在干扰点。使用DFM(制造业设计)审查来简化部分方向,减少独特的固定元素的数量。

2. 概念设计和布局

创建固定的3D布局, 通常使用 SolidWorks 或 CATIA 等 CAD 软件。 模拟工作程序并定义定位点和夹住位置。 评估手动或自动工具的无障碍性。 生成多个概念, 并按成本、 周期时间和灵活性等标准来评分 。

3. 有限要素分析

模拟夹击和组装力,以确保固定装置不会偏移到可接受的限度之外. FEA还可以预测材料疲劳,并指明增加肋骨或改变厚度的地点. 这一步骤对于航空航天或医疗器械组装等高精度应用中使用的固定装置至关重要.

4. 原型和验证

建立原型固定装置——通常通过添加剂制造或CNC 机械制造——并用实际部件进行测试。使用CMM或激光跟踪仪测量位置精确度。根据测试结果设计。在高吸积环境中,多原型循环在投入生产工具之前很常见。

5. 生产实施和培训

记录固定装置的设计,包括材料单、装配指令和维护时间表。培训操作员并设置程序内核查检查。监测固定装置在生命周期中的性能并收集数据,以便不断改进。

高级主题:智能固定和适应性工具

感官融合

嵌入式传感器(如近距离、强度、温度)可以监测夹力、部分存在和磨损。这些数据输入质量控制系统,并能够进行预测性维护。 例如,一种检测逐渐的强衰变的固定装置可以在导致错位之前提醒操作人员。

适应和自适应固定装置

重构工具的研究包括适应不同部分形状的摩托化针阵列、带有形状-模态合金的固定装置以及视觉引导机器人重组。 尽管这些技术仍在出现,但有可能将高混合环境的转换时间缩短至秒。

关于智能固定的极佳参考是Woll等人(2021年)关于装配的适应性固定装置的工作,该工作审查自我配置系统。

常见的陷阱和如何避免它们

  • 超限操作器: 避免使用比必要的多的定位器;它可能造成部分变形或组装压力. 坚持3-2-1规则,除非有其他限制的理由.
  • 忽略热效应:金属固定装置和工作装置在不同温度下可能会不同程度地膨胀. 在精密组装中,考虑使用恒温室或补偿材料.
  • 隐匿操作员人机学:[ 快速但要求体力的固定装置会导致伤害和质量漂移,总是让操作员参与设计审查.
  • 理解磨损:[] 高用途固定装置需要硬化的接触点和可替换磨损插入. 计划从一开始就进行维修.
  • 力求标准化: 使用供应商特有的组件组合,使零部件和培训复杂化,尽可能对模块化工具包进行标准化。

案例研究:汽车门装配装置重新设计

一个第一级供应商在装配汽车门模块(包括窗口调节器、线圈和隔热)时面临干扰问题。它们现有的固定装置导致调节器与门框的错配,导致8 % 的重工。重新设计引入了一个模块化铝挤压基,为不同的汽车模型安装了快速换位器。肺切换夹子取代了手动螺钉,将周期时间缩短了30%。 FEA用于优化支持桥的布置,将固定装置重量削减40%,而不会失去刚性。 结果:缺陷率下降到0.5%以下,模型之间的转换从15分钟降至2分钟。

结论

设计多部件组装过程的固定装置是一项艰巨但值得回报的工程任务。 成功的固定装置在尊重成本和时间限制的同时平衡精确性、可重复性、可获取性和灵活性。 通过采用模块设计、先进材料和智能传感器集成,制造商可以实现十年前无法想象的组装性能。 随着产品复杂性的不断提高,固定装置设计师的作用将只会在战略重要性方面有所增强。 如今,投资于稳固固定装置开发在质量、吞吐量和竞争优势方面将在未来几年中产生红利。

关于固定装置设计原则和最佳做法的进一步解读,请访问关于固定装置设计基本原理的 SME文章[,并探讨大会杂志固定装置设计指南。