可調(diào)整夾持力的多功能夾具設(shè)計(jì)

卜祥正

（廣東省高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510800）

可調(diào)整夾持力的多功能夾具設(shè)計(jì)

卜祥正

（廣東省高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510800）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)夾具的要求也越來(lái)越高，研發(fā)可調(diào)節(jié)夾持力的多功能夾具成為了業(yè)界共識(shí)。筆者調(diào)查了市面上現(xiàn)存的多種普通夾具，并結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，針對(duì)普通夾具在使用過(guò)程中的局限性展開(kāi)了系統(tǒng)論述，并創(chuàng)新性地在夾具中闡述了夾持力調(diào)整機(jī)構(gòu)與多功能使用的便利性。

可調(diào)節(jié)；夾持力；多功能；夾具；設(shè)計(jì)

1 夾具是什么

夾具的權(quán)威定義是指在機(jī)械的生產(chǎn)、制造過(guò)程中用來(lái)固定待加工的主要工件，又稱為卡具（qi ǎj ǜ），目的就是使待加工的工件穩(wěn)定在恰當(dāng)?shù)奈恢?，幫助待加工工件完成進(jìn)一步的裝配、加工和檢測(cè)。廣義上來(lái)說(shuō)，只要是能快速、方便、安全、準(zhǔn)確地輔助安裝工件零件的設(shè)備、裝置我們都可稱為夾具。例如焊接的時(shí)候幫助固定的壓板夾具、查看工件質(zhì)量時(shí)用的檢驗(yàn)夾具、裝車卸貨的時(shí)候使用的諸如抱夾車之類的裝配夾具、車間里使用的機(jī)床夾具等。而在實(shí)際使用中又以機(jī)床夾具最為常見(jiàn)。

我們拿最常見(jiàn)的機(jī)床夾具作為例子來(lái)解釋一下夾具。使用機(jī)床加工零件設(shè)備的時(shí)候，為了讓被加工的工件表面達(dá)到預(yù)想的幾何形狀、尺寸等技術(shù)要求，我們?cè)诩庸ぶ翱隙ㄒ獙⒐ぜ潭ɡ慰浚@個(gè)時(shí)候就用到了所謂的夾具，機(jī)床夾具通常是由以下各部分組合而成：固定裝置、夾緊裝置、引導(dǎo)裝置、分度裝置、連接裝置以及夾具底座等。

2 夾具使用趨勢(shì)

在日常生產(chǎn)生活中，常會(huì)見(jiàn)到一些不同外形、不同表面形態(tài)的工件或物件，在越來(lái)越人性化的使用趨勢(shì)下，夾具因其便利性被廣泛應(yīng)用于多種生產(chǎn)生活方式，工藝也日臻完善，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越細(xì)膩。綜合來(lái)看，傳統(tǒng)的夾具有以下幾點(diǎn)弊端。

（1）傳統(tǒng)的夾具因其剛性平面與工藝物件的曲面直接接觸，會(huì)使工藝物件表面形成不可避免的損傷，這種損傷往往是不可逆的。比如我們?cè)谑褂谩皯腥耸謾C(jī)支架”的時(shí)候，很多人會(huì)將這種支架直接夾在床頭床板上，因這種支架的夾力相當(dāng)之大，往往會(huì)給刷漆的床頭或床板造成一定的壓痕，嚴(yán)重的可以造成床板掉漆、褪皮，這樣就降低了原本床板的公益性和美觀性。

（2）傳統(tǒng)的夾具因其用力恒定，無(wú)法變通，導(dǎo)致有些脆性工件出現(xiàn)了直接被夾碎的現(xiàn)象，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。再者，因傳統(tǒng)的夾具往往都采用短距杠桿，施力人往往要用更大的力氣去掰開(kāi)夾子，但在瞬時(shí)釋放夾子的過(guò)程中往往無(wú)法做到慢拿輕放，不僅容易造成工件損壞，還可能導(dǎo)致夾子本身的損壞，甚至可以造成人員受傷。

（3）傳統(tǒng)的夾具受力面固定，以平面受力居多，不能對(duì)曲面形態(tài)為主的異形工件進(jìn)行有效夾持，也無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)生活中種類繁多的生產(chǎn)生活需求。

3 夾具的發(fā)展歷程

我們首先從現(xiàn)在利用率比較高的工業(yè)可重構(gòu)夾具說(shuō)起：遵循物理學(xué)歷史的脈絡(luò)，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為夾具的發(fā)展歷程自1997年駛?cè)肓丝燔嚨?，因?yàn)樵谶@一年Y·Koren等教授提出了被廣泛認(rèn)可的可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS），但是實(shí)際上作為夾具來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用可重構(gòu)技術(shù)的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于這個(gè)時(shí)間，早在1985年，H·Asada教授就設(shè)計(jì)了一種全新的通用夾具系統(tǒng)，用于裝配工作站重構(gòu)。這對(duì)夾具的發(fā)展具有承上啟下的重要意義，這一年，我們可以認(rèn)為是夾具發(fā)展的轉(zhuǎn)折之年。

還是在1985年，H·Asada教授系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可重構(gòu)夾具，他所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)系統(tǒng)，可以根據(jù)待加工的工件或零件的幾何外形及所要求的安裝要求，自動(dòng)分析并計(jì)算出所要滿足要求的可重構(gòu)夾具的安裝形式，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，利用機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具元器件的精確定位。

1993年，B·Shirinzadeh進(jìn)一步延伸完善了H·Asada教授的研究成果，在H·Asada建立的系統(tǒng)基礎(chǔ)之上引入了機(jī)器人模塊，用以抓取并建立了系統(tǒng)的防止高度調(diào)節(jié)裝置，但是因?yàn)橐恍┈F(xiàn)實(shí)因素導(dǎo)致其并未實(shí)現(xiàn)于大規(guī)模重載裝配場(chǎng)合。

1994年，Giusti教授利用數(shù)學(xué)原理，優(yōu)化了B·Ahirinzadeh教授的技術(shù)，替代了不成熟的電磁夾爪，初步形成了可重構(gòu)夾具的模型，但還是需要大量的人工調(diào)整。

1995年，B·Shirinzadeh教授又重新進(jìn)行了可重構(gòu)設(shè)計(jì)，列出了系列數(shù)據(jù)。

1997年，M·N·Sela針對(duì)Giusti教授的設(shè)計(jì)無(wú)法細(xì)膩的完成薄壁工件的要求，設(shè)計(jì)了另一套夾具硬件系統(tǒng)。

2002年，C·H·Shen提出了一種新型可重構(gòu)夾具，這種夾具可以利用電磁感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的固定和釋放工件。

2007年，美國(guó)國(guó)家橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的Mike P· Matlack學(xué)者在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了另一款可以針對(duì)不同形狀工具進(jìn)行快速重構(gòu)的夾具，與H· Asada教授設(shè)計(jì)不同的是，他在適用于多種具有不同形狀、不同特征的工件的同時(shí)，還可以適用于表面輪廓變化很大的單件工件的夾緊作業(yè)。這是前面所有的可重構(gòu)夾具都無(wú)法做到的。

2008年，Marco Ryll再次在可重構(gòu)夾具領(lǐng)域提出了新的觀念，這個(gè)全新的觀念源于智能夾具系統(tǒng)的快速重構(gòu)及工件—夾具快讀定位的方法理論，在軟件上完善了夾具的可重構(gòu)性。

“物流市場(chǎng)可大可小，從全球的供應(yīng)鏈體系來(lái)看待，便有了阿里巴巴走出去收購(gòu)國(guó)外物流設(shè)施這樣的類似事件出現(xiàn)，從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看，更微觀的并購(gòu)案件更是每天都在發(fā)生”，張思科教授對(duì)物流行業(yè)的并購(gòu)如是說(shuō)。

2009年是工業(yè)可重構(gòu)夾具發(fā)展具有重要意義的一年，在這一年，Christoph Ertelt介紹了一種在硬件條件下完善抓取柔性重構(gòu)的方法，他的方法不需要拆解夾具本身，大大節(jié)省了硬件條件下抓去柔性物體工具重構(gòu)時(shí)間。這一年，Alison Millar也提供了一種在普通條件下應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸巨大的柔性可重構(gòu)夾具，充分利用螺栓代替焊接，在提升柔性的同時(shí)，大幅降低了制造時(shí)間及成本。還是在2009年，Rezai Molfino推出了一種集群夾具，這種可重構(gòu)集群夾具可以用于汽車、航空工業(yè)的生產(chǎn)制造，完美應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件下對(duì)多點(diǎn)支撐、剛度、柔韌度的特殊要求。

上述僅僅是國(guó)際領(lǐng)域?qū)I(yè)領(lǐng)域可重構(gòu)夾具發(fā)展的歷程，縱觀整個(gè)可重構(gòu)夾具的發(fā)展歷程，我們可以管中窺豹，窺測(cè)到民用、商用夾具是否也可以考慮可重構(gòu)架構(gòu)。

4 夾具未來(lái)設(shè)計(jì)使用的意見(jiàn)和建議

首先，由于大多數(shù)的夾具都是為了滿足“固定”要求，這也就表明其具有很大的從屬性，所要固定的是什么性質(zhì)形狀的東西，夾具也必須跟隨所要固定的工件。當(dāng)其為加工鋼管、鋼筋、齒輪提供固定服務(wù)的時(shí)候，也就注定了它的夾具受力面要選用弧面型；而當(dāng)其為加工車床、鋼板或?yàn)楹饬烤珳?zhǔn)度而提供服務(wù)的時(shí)候，它的受力面必定是平面型的。

其次，由于從屬性質(zhì)，導(dǎo)致了其無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)利用，功能單一，也無(wú)法做出部分調(diào)整，很大意義上浪費(fèi)了部分人力資源去專門為其設(shè)計(jì)、加工，倘若能夠創(chuàng)造一款可調(diào)整的多功能夾具是最好不過(guò)的了。

因?yàn)榍拔乃龅膹膶傩再|(zhì)，導(dǎo)致了其大都為某種工件專門設(shè)計(jì)，這其中又有大部分來(lái)自于焊接工藝，焊接質(zhì)量的好壞直接決定了夾具使用的效率，同時(shí)也決定了要求其一次成型。在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，就要對(duì)夾具的類型、架構(gòu)做簡(jiǎn)要評(píng)估和深度分析，在此基礎(chǔ)上完成夾具的制作，從而為工件加工提供良好的服務(wù)。

再者，夾具的從屬性決定了其組裝特性，需要把系列零件通過(guò)焊接、螺栓乃至榫卯結(jié)構(gòu)組合拼接，除榫卯和螺栓外，人們常用的焊接都可以造成夾具的尺寸組合后發(fā)生細(xì)微的變化，如果一個(gè)工件需要復(fù)雜的夾具輔助，則制造這個(gè)復(fù)雜的夾具需要的多種零件組合的尺寸問(wèn)題也應(yīng)值得注意，如何合理的確定零件的尺寸公差和形位公差就顯得尤為重要。

最后，我們?cè)谑褂脢A具的過(guò)程中按照正確的使用方法和使用步驟，能夠?qū)A具的工作效率提高產(chǎn)生積極的作用。同時(shí)，因?yàn)閵A具大部分都是鋼鐵材質(zhì)，我們?cè)谑褂煤蟮酿B(yǎng)護(hù)上也應(yīng)遵循鋼鐵材質(zhì)固有的性質(zhì)缺陷，通過(guò)涂防銹油等方式來(lái)保護(hù)這些鋼鐵材質(zhì)的夾具。

5 多功能夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

就本文詳述的一些意見(jiàn)建議，匯總成下文描述的這款?yuàn)A具。該夾具可實(shí)現(xiàn)夾持力調(diào)整，功能較普通的單一夾具豐富，它的主要目的是不同材質(zhì)、不同形狀的工件零件之間或不規(guī)則形狀和不同的材質(zhì)工件零件之間的固定。

夾具的主體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 夾具主體的結(jié)構(gòu)

我們可以通過(guò)對(duì)上述部分部位進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，使之達(dá)到我們預(yù)想到的可調(diào)整夾持力、多功能的夾具。

（1）修改上圖支撐架4上的夾頭固定裝置，增大受力面積，一來(lái)防止在夾緊工件的時(shí)候力不從心，二來(lái)防止用力過(guò)大改變或損傷質(zhì)地較軟工件的性狀。

（2）通過(guò)螺母5適當(dāng)放松或旋緊彈簧等方式適當(dāng)修正上圖中固定端夾頭9與螺母5、滑桿7、彈簧6及夾頭固定件8的固定力度。

（3）充分利用滑桿7與固定件8之間的聯(lián)系，利用移動(dòng)部分夾具支撐架4來(lái)起到導(dǎo)向（滑動(dòng)）作用，同時(shí)還可以防止滑桿7在與固定件8夾緊時(shí)由于轉(zhuǎn)矩過(guò)大、用力過(guò)猛等因素造成夾頭固定件8和移動(dòng)部分夾具支撐架4的損傷損壞。

（4）控制好絲杠無(wú)螺紋端2，使之在控制彈簧6的時(shí)候不會(huì)造成力度的忽大忽小。同時(shí)在達(dá)到恒定的力之后充分利用夾頭固定件8使得彈簧6不再起到利用眼里調(diào)整夾持力的作用。

（5）夾具的靜止使用時(shí)應(yīng)當(dāng)將靜止部分夾具支撐架16與底座連接件17固定在一起，轉(zhuǎn)輪軸13與靜止部分夾具支撐架16用鍵連接在一起，二者不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)充分利用單向軸承11的作用，使轉(zhuǎn)輪10只能沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)即行鎖死；同時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪10上留有3個(gè)可以隨時(shí)安裝夾頭12的位置，可以針對(duì)不同工件的不同性質(zhì)屬性，在轉(zhuǎn)輪10上安裝同該工件表面相適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)端夾頭，這樣可以在更換旋轉(zhuǎn)端夾頭時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪即可，同時(shí)保證更換旋轉(zhuǎn)端夾頭時(shí)也很簡(jiǎn)單。同時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪的形式還可以按照實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)造出某種夾角，用來(lái)制造諸如固定楔子等有角度的工件。由于旋轉(zhuǎn)段夾頭與轉(zhuǎn)輪的安裝形式為六棱柱槽型形配合，所以?shī)A頭有六個(gè)安裝角度，可根據(jù)工件需要或個(gè)人習(xí)慣安裝夾頭。

（6）而相對(duì)于夾頭的可更換操作，我們可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合工件的材質(zhì)、性狀等設(shè)計(jì)多種形式要求，具體如圖2所示。

圖2 可更換夾頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中（a）主要適用于外形存在棱角邊柱、突出邊柱的工件、零件，或者是適用于外形具有多種常用角度的零件，這種形式的特點(diǎn)便是有多種常用角度的夾頭。

圖2中（b）主要適用于外觀形態(tài)是平面的零件，如板材、工字鋼、平面玻璃等。

圖2中（c）適用于外形為球面或規(guī)則弧面、曲面的零件，比如鋼球、鋼管等。

圖2中（d）適用于外形為不規(guī)則曲面的零件。

在實(shí)際使用過(guò)程中，我們可以將夾頭與整個(gè)夾具的連接方式采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)方式，這樣既保證了夾頭的個(gè)性，又維護(hù)了夾具的共性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文僅就夾具的可調(diào)整夾持力及多功能性方面做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，對(duì)可調(diào)整加持力的多功能夾具的研討也僅僅處于最初階段，讓可調(diào)整加持力及多功能的夾具大規(guī)模應(yīng)用，這是一個(gè)龐大的課題。

[1]李欣可.重構(gòu)夾具系統(tǒng)構(gòu)建與創(chuàng)新設(shè)計(jì).蘇州大學(xué)研究生院，2011,4,.

[2]許鑫.一種可調(diào)整架吃力的多功能家具設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，201702,(01).

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