谐波减速器零件成组工艺过程与成组夹具.doc

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1、摘 要 谐波传动减速器（简称谐波减速器）是一种新型减速器，由于其具有减速比大、重量轻、传动效率高、噪声小等特点，已在机器人、机床、仪器仪表、医疗器械等领域得到应用。H 公司是一家设计、研发和生产谐波减速器的企业，技术力量较强，但由于产品多为单件和小批量，制约了生产效率的提高。为改变这种状况，公司决定全面实施成组技术，本课题即在此背景下展开。 论文主要完成以下工作： 1. 对成组技术的发展现状及成组技术实施的主要问题进行总结和综述，为公司制定实施成组技术总体规划提供参考。 2. 设计谐波减速器零件成组编码系统，为企业全面实施成组技术提供统一标识。 3. 制定谐波减速器零件机械 加工成组工艺规程，

2、规范和 统一现有加工工艺，为划分成组生产单元和组织成组生产奠定基础。 4. 针对企业加工中主要依靠划线找正方法的现状，设计谐波减速器零件加工成组夹具，为提高生产效率和保证加工质量提供技术支持。 以上工作已在企业生产中部分实施，取得良好效果。 关键词：谐波减速器；成组技术；成组编码；成组工艺过程；成组夹具I ABSTRACT Harmonic drive reducer is a new type reducer, which possesses advantages of large reduction ratio, light weight, high efficiendy, low noi

3、se etc, widely used in man y cases, shuch as robot, machine tool, instrument and apparatus, medical appliance, and so on. H Company is an enterprise being engaged in design and product Harmonic drive reducers, has strong tech nical power, but due to the small-lot in production, restricting the incre

4、ase of production efficiency. In order to change this status, Company determines to full scale operation Group Technology. The topic is proposed in this background. The main works completed in this paper are as follows: 1. Group Technology development status and the main problems for GT application

5、are summarized, aimed to provide reference for Company decisions about GT implementation.2. The group code system of harmonic reducer parts is developed, this offered an unite identification for Gi in full operation. 3. The group processe of harmonic reducer parts maching is planned, to lay the foun

6、dation of group production. 4. Considering the current status slathering of lineation and alignment, group jigs and fixtures are designed, to providing technical support for increasing production efficiency and machining quality. The abov e works are carried out partially in actual production, and s

7、atisfactory results are achieved.KEY WORDS：Harmonic Drive Reducer; Group Technolo gy; Group Process; Group Fix ture II 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 成组技术发展与应用 . 2 1.2.1 成组技术的由来与发展 . 2 1.2.2 成组技术基本原理 . 3 1.2.3 实施成组技术的基本问题 . 4 1.2.3 成组技术的应用 . 6 1.3 本文主要研究内容及章节安排 . 8 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 . 9 2.1 谐波减

8、速器介绍 . 9 2.1.1 谐波减速器工作原理 . 9 2.1.2 谐波减速器结构 . 14 2.1.3 谐波减速器特点 . 12 2.2 H 公司生产简况 . 14 2.2.1 生产车间与设备 . 14 2.2.2 制造工艺 . 14 2.3 本章小结 . 15 第三章 谐波减速器零件成组编码系统设计 . 16 3.1 成组编码系统结构 . 16 3.1.1 总体结构 . 14 3.1.2 码位之间结构 . 14 3.1.3 码位内信息排列方式 . 18 3.1.4 OPITZ 编码系统结构 . 18 3.2 谐波减速器零件成组编码系统设计. 20 3.2.1 成组编码系统设计思路 . 2

9、0 3.2.2 谐波减速器零件成组编码系统结构与编码规则. 21 3.2.2 谐波减速器零件成组编码举例. 26 2.3 本章小结 . 27 第四章 谐波减速器零件成组工艺过程设计 . 28 4.1 成组工艺过程设计方法. 28 4.1.1 综合零件法. 28 4.1.2 综合路线法. 29 4.1.3 计算机辅助工艺过程设计. 30 III 4.2 谐波减速器零件成组工艺过程设计 . 30 4.2.1 设计思路. 30 4.2.2 谐波减速器零件加工成组工艺过程设计 . 30 4.2.3 壳体零件成组工艺过程设计 . 38 4.3 谐波减速器零件工艺过程设计 . 42 4.3.1 设计思路.

10、 42 4.3.2 谐波减速器零件工艺过程设计举例. 43 4.4 本章小结 . 45 第五章 谐波减速器零件加工成组夹具设计 . 46 5.1 成组夹具设计方法 . 46 5.1.1 成组夹具特点. 46 5.1.2 成组夹具的调整方式. 46 5.1.3 成组夹具设计. 49 5.1.2 计算机辅助夹具设计. 50 5.2 谐波减速器零件加工成组夹具设计. 51 5.2.1 成组夹具经济性分析. 51 5.2.2 夹具元件图形库的建立. 52 5.2.3 夹具装配体生成. 56 5.3 谐波减速器零件加工成组夹具设计. 58 5.3.1 设计思路. 58 5.3.2 谐波减速器零件加工成组

11、夹具实例分析. 59 5.2.3 工程图的转换. 67 5.4 本章小结 . 67 第六章 结论与展望 . 68 6.1 结论 . 68 6.2 展望 . 68 参考文献. 69 致谢. 74 IV 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题背景 7制造业是国民经济的支柱产业。机械制造业是制造业的重要组成部分，担负着为国民经济各部门生产制造装备的重任，因而是国民经济的基础。 谐波传动减速器（简称谐波减速器）是一种技术含量较高的机械产品。与传统齿轮减速器相比，谐波减速器具有结构简单、体积小、重量轻、传动比大、运动平稳、噪声小等一系列优点，目前已在航空航天、电子信息、仪器仪表、石油化工、食品机械、包

12、装机械、医 疗器械、机器人等领域得到 应用 。但由于谐波减速器制造工艺复杂，生产成本较高，制约了其大面积扩展应用。 某谐波传动有限公司（以下简称 H 公司）以设计、研发和生产各种谐波减速器为主营业务。H 公司是我国最早研发和生产谐波减速器的企业之一，至今已有近 50 年的历史，该企业技术力量雄厚，汇集了众多从事谐波传动研究专家及设计工程师，曾研发出多款具有自主知识产权的谐波减速器新产品，获得多项国家专利。 谐波减速器的生产属于典型的多品种、中小批量生产类型，产品品种规格繁多，但通常生产批量较小，且往往需要根据用户的特殊需求，专门设计和制造批量有限的订制产 品。这种生产 方式决定了谐 波减速器的

13、生产 存在着一 般多品种、中小批量生产的共性问题：生产效率较低，生产周期较长，生产成本较高，难以满足日益增长的社会需要。 H 公司 2005 年对用户所做的的一份调查问卷中，超过一半的用户将产品价格和交货期列为关注的重点；而在对潜在用户的一份调查报告中显示，约 80的潜在用户对谐波减速器感兴趣，但因为受价格的约束，欲采用而一直未采用，或短期内还不准备采用。 根据以上情况，为了适应社会发展需求，扩大市场规模和开拓新的市场，公司将提高生产效率和降低生产成本列为企业发展的首要任务。而解决多品种、中小批量生产方式生产率低下和经济效益不佳的有效方法之一是采用成组技术。故此，公司做出全面实施成组技术战略决

14、策。 本课题即是 H 公司实施成组技术战略部署的一个组成部分。 1 第一章 绪论 1.2 成组技术的发展及应用 1.2.1 成组技术的由来与发展 3随着市场需求多样化和多变性的不断增长，多品种、中小批量生产在各类机器生产中所占的比重越来越大，现已超过 70%，且有继续增大的趋势。传统的多品种、中小批量生产方式存在着许多问题，如： 1）生产领域普遍存在着“批量法则”，特别是自上个世纪初开启的大批量自动化生产模式（Mass Production），使大批量生产的产品获得了高效率、高质量和低成本的优势，而多品种、中小批量生产则相反。由于生产批量小，难以采用高效、自动化生产设备和生产工艺，致使其生产率

15、长期低下。 2）多品种、中 小批量生产 周期长，生 产准备工作量 大。大批量生 产中，生产准备时间和费用，均摊到每个产品上微乎其微，多品种、中小批量生产则不然。多品种、中小批量生产总生产时间中，不足 25% 的时间用于实际加工和装配，其余的时间均消耗在等待、周转、调整机床、装卸工件、对刀、测量、选配与修配等辅助工作上。 3）设备利 用率低， 大材小用 的现象十 分普遍。 据某工厂 统计，在 CA6140车床上，实际加工的工件直径 90%以上不足 100mm，而该机床的设计能力为最大加工直径 400mm。 为了解决多品种、中小批量生产方式生产率低下和经济效益差的问题，人们一直在寻求各种有效的方法

16、，最终发展了成组技术。 最早系统提出成组技术思想的是前苏联科学院院士 ，其代表作“成组工艺科学原理”，发表于上个世纪 50 年代。上个世纪 60 年代，西欧各国开始研究成组技术，并迅速形成研究热潮。其中，最具代表性的人物是德国阿亨工业大学的 Opitz 教授。他所领导的研究小组进行了大量调查研究工作，为成组技术的确立和实施奠定了坚实的基础。由他领导制定的分类编码系统流传甚广，直至今日在世界范围内仍有极大的影响和重要参考价值。 美国、日本等国家开始接受成组技术思想较晚，但发展较快，并将其与计算机技术和现代生产模式联系起来，使之成为一种先进的制造哲理（Manufacturing Philosoph

17、y）被人们广 泛接受，构成现代制造技术的重要理论基础之一。 成组技 术的发 展过程 经历 了由成 组加工 成 组工艺 成组 技术 成组 生产系统的几个阶段 。 1）成组加工 在一台机床 上，将使用夹 具相同、加工方 法相似、加工 工步相近的一批零件，放在一起加工，可显著提高生产效率，缩短机床调整时间。 2 第一章 绪论 62）成组工艺 将加工过程 相似的若干种 零件组成零件组 ，制定统一的 零件组加工工艺过程；进一步将零件组的加工设备组成机床组，形成零件组生产单元，设计和制作成组夹具 ，显著提高零件的 加工效率，并易于 保证零件 的加工质量 。 3）成组技术 将成组思路 从制造工艺扩 展到产品

18、设计和 生产管理方面 ，形成全方位的成组技术，可使企业获得更显著的经济效果。 4）成组生产系 统 将成组 技术与现代生 产系统相结 合，使其发展成 为现代制造技术的一个理论基础 。 1.2.2 成组技术基本原理 33成组技术是一门生产技术，普遍存在于各个生产领域。其基本原理是利用事物的相似性，将相似的问题分类成组，以寻求解决某一类问题的最优方案。 在机械制造领域中，成组技术可以 被定义为 ：将 多种零件按其相似性分类成组，并以这些零件组为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。 机械制造领域采用成组技术的优势主要体现在两个方面： （1）规模效益 将零件按其

19、相似性分类成组，使同一类零件分散的小批量生产，汇合成较大批量的成组生产，从而使多品种、中小批量生产可以获得接近大批量生产的经济效果。 （2）“重复使用”原则 在市场需求日益向多样化和个性化发展的今天，产品生产批量有不断减小的趋势，但成组技术仍不失为是一种“制造哲理” ，主要体现在“重复使用”原则上： 1）资源重复使用，可以显著降低生产成本。 2）学习效应，即作业熟练程度的增加，有利于提高生产效率。 1.2.3 实施成组技术的基本问题 实施成组技 术的基本问题包括制定零件成组分类编码 系统，划分零件组，编制成组工艺过程，建立成组生产单元，设计和制作成组夹具，制定成组生产进度计划和作业计划等。 1

20、. 制定零件成 组分类编码系统 如前所述，机械制造领域 采用成组技术的基本方法是利 用零件的相似性，将其分类成组，并以这些零件组为基础组织生产。为此，必须首先对零件的相似特3 第一章 绪论 52征进行描述和识别，而一套完整描述和识别零件有关特征的规则和依据，便是零件分类编码系统。 最早提出零件分类编码系统的是德国的 Opitz 教授，他在上世纪 60 年代所构建的零件分类编码系统被称为 Opitz 编码系统。之后几十年内，世界上开发和使用的分类编码系统多达数百种，其中应用较广泛的有 KK 系统（日本），Miclass系统（荷兰），Sulzer 系统（瑞士），以及 JLBM-1 系统（中国）等。

21、这些系统均具有自己的特点，同时又具有一定的通用性，企业可根据需要直接无偿选用，也可在上述系统的基础上进行适当的修改后形成新的成组编码系统。当然，企业也可根据成组技术原理，自行开发适合企业特殊要求的成组编码系统。 2. 划分零件组 在制定或选用合 适的零件分类编码系统之后，需要根据零 件的相似性划分零件组，这是实施成组技术的关键。对于不同的技术领域，划分零件组的概念不完全相同 。在产品设计领 域，通常要求按零件结构相似 特征（包括零件形状、尺寸、结构、精度等）划分零件组；在机械加工领域，通常按零件工艺相似特征（包括加工方法、工艺路线、使用的设备与工装等）划分零件组；而在生产管理领域，则常常根据产

22、品构成特征、零件工艺路线特征及零件投产时间特征等划分零件组。由于零件的工艺特征涉及面较广，牵涉企业多个部门和生产活动的多个环节，因而就企业整个生产过程而言，常常首选按零件工艺特征划分零件组。 划分工艺相似零件组的方 法主要有三种类型，分别是 目视法、分类编码法和生产流程分析法 。 （1）目视法 这是一种完全依靠人工划分零件组的方法。工艺工程师根据个人的经验和直觉，将所有零件划分成若干个不同的零件组。这种分组方法完全决于工艺人员个人的经验和水平，往往难以取得最优结果，且效率低下，仅在实施成组技术初期或生产规模较小的企业使用。 （2）分类编码法 顾名思义，这种方法首先对零件进行分类编码，然后主要根

23、据零件的成组编码，划分零件组。这种方法又可细分为两种：特征码位法和码域矩阵法。 1）特征码位法 将编码系 统中影响零件 工艺特征的主要 码位确定为特 征码位，只要零件编码在特征码位上相同，就视为同一个零件组。这种方法简单易行，但考虑问题不够全面。特征码位选取过少，不能保证同组零件之间的相似性；特征码位选取过多，又会使划分到一个零件组的零件数目过少。 2）码域矩阵法 为了克服 了特征码位法 的不足，需 要考虑所有码位 特征。但若要求零件所 有码位编码系统 ，则过于苛刻 。解决的办法 是划定一定的码 域，4 第一章 绪论 即每个码位给出 一定的范围，便 形成 “码域 矩阵”（又称“ 零件组矩阵），

24、如图1-1 所 示。码域矩阵为每个零件组规定了一个相应的 码域，凡零件的编码落在该码域内，就可将该零件划分到这个零件组。 码位 0 1 2 码 3 4 5 域 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 a）零件组代表零件与复合零件 b）零件组码域矩阵 图 1-1 码域矩阵与综合零件 采用分类编码法划分零件组的优点是根据零件设计图纸即可划分零件组，且易于计算机处理。在计算机集成环境下，采用分类编码法划分零件组有利于实现CAD 与 CAPP 系统的连接。 采用分类编码法划分零件组的缺点是对零件分类编码系统要求较高，要能充分反映零件的工艺信息。否则难以保

25、证零件组内所有零件的工艺相似性。 （3）生产流程分析法 生产流程分析法按零件的加工工艺过程及所用设备划分零件组。显然这种方法能保证零件组内所有零件工艺过程的相似性。 采用生产流程分析法划分零件组，需首先编制每一个零件的工艺过程，然后根据零件工艺过程建立相应的零件机床矩阵，再以此矩阵为基础，采用不同方法（如核心零件法、顺序分枝法、聚类分析法、二进制数排序法等）划分零件组，最后凭设计者的经验和判断力或通过机床负荷计算，对已划分的零件组进行适当的调整，得到最终结果。 采用生 产流程 分析法 划分 零件组 的一个 重要 优点是 在划分 零件 组的同 时可以形成机床组，而机床组是建立成组生产单元的基础。

26、 3. 建立成组生产单元 零件组划分好以后，需制定零件组的成组工艺，确定零件组加工所用的机床，再通过机床负荷计算确定机床台数，也即建立了成组生产单元。 5 第一章 绪论 mN ti iji=1Q =建立成组生产单元时，可按下式计算单元内机床的数量： F式中 Qj 第 j 种机床的计算台数； N i 第 i 种零件年产量； tij 第 i 种零件在 j 机床上的单件加工时间； m 单元内加工零件的种数； F 机床年台时基数。 （1-1） 4成组生产单元是一种先进的生产组织形式。传统上，多品种、小批量生产车间，机床按机群式布局，生产单位按机床类型划分班组，这造成了生产的不连贯和物流的混乱。在成组生

27、产单元内，工件可以有序地流动，缩短了周转时间，减少了物流成本，见图 1-2 。同时，成组生产单元使零件加工在单元内封闭起来，有利于调动一线工人的积极性，有利于提高生产效率和保证产品质量。 L L L L L L M M A A M M D G G G D L 进料口 L M L M D G D G A 进出料口 进出料口 出料口 a）机群式布局 b）成组单元布局 图 1-2 机群式布局与成组单元机床布置形式比较 1.2.4 成组技术的应用 1成组技术在产品设计中的应用 在产品设计中应用成组技术的成效主要表现在两个方面： （1）减少设计工作量 在零件（部件或 产品）的设 计过程中， 可以利用零件

28、 （部件或产品 ）编码，检索并调出已设 计过的与之相似 的零件（部 件或产品），在此基础上 进行局部修改，形成新的零 件（部件或产 品）。这可以 大大减少零件 设计工作量， 并可减少6 第一章 绪论 10工艺准备工作和降低制造费用。在参数化设计已广泛应用的今天，这一优越性得到充分的展现。 （2）提高标准化程度 在产品和零部件设计中采用成组技术，有利于提高设计和制造工艺的标准化的程度。设计标准化是工艺标准化的前提，而制造工艺标准化对合理组织生产至关重要。 2成组技术在加工工艺方面的应用 成组技术最初源于成组加工，之后进一步发展成为成组工艺。实施成组加工和成组工艺，有利于提高操作工人的熟练程度和设备利用率，从而提高生产效率。采用成组工艺后，人为地扩大了生产批量，使多品种、中小批量生产可以取得接近大批量生产的经济效果。 采用成组加工和成组工艺，还有利于提高工装系数。传统上，多品种、中小批量生产中考虑成本因素，较多使用划线找正等人工方法，而较少使用专用工艺装备，致使生产效率低