可调整夹持力的多功能夹具设计

2017-06-27卜祥正

中国设备工程 2017年12期

关键词：夹头夹具工件

卜祥正

（广东省高级技工学校，广东广州 510800）

可调整夹持力的多功能夹具设计

卜祥正

（广东省高级技工学校，广东广州 510800）

随着社会的发展，人们对夹具的要求也越来越高，研发可调节夹持力的多功能夹具成为了业界共识。笔者调查了市面上现存的多种普通夹具，并结合现实需求，针对普通夹具在使用过程中的局限性展开了系统论述，并创新性地在夹具中阐述了夹持力调整机构与多功能使用的便利性。

可调节；夹持力；多功能；夹具；设计

1 夹具是什么

夹具的权威定义是指在机械的生产、制造过程中用来固定待加工的主要工件，又称为卡具（qi ǎj ǜ），目的就是使待加工的工件稳定在恰当的位置，帮助待加工工件完成进一步的装配、加工和检测。广义上来说，只要是能快速、方便、安全、准确地辅助安装工件零件的设备、装置我们都可称为夹具。例如焊接的时候帮助固定的压板夹具、查看工件质量时用的检验夹具、装车卸货的时候使用的诸如抱夹车之类的装配夹具、车间里使用的机床夹具等。而在实际使用中又以机床夹具最为常见。

我们拿最常见的机床夹具作为例子来解释一下夹具。使用机床加工零件设备的时候，为了让被加工的工件表面达到预想的几何形状、尺寸等技术要求，我们在加工之前肯定要将工件固定牢靠，这个时候就用到了所谓的夹具，机床夹具通常是由以下各部分组合而成：固定装置、夹紧装置、引导装置、分度装置、连接装置以及夹具底座等。

2 夹具使用趋势

在日常生产生活中，常会见到一些不同外形、不同表面形态的工件或物件，在越来越人性化的使用趋势下，夹具因其便利性被广泛应用于多种生产生活方式，工艺也日臻完善，结构也越来越细腻。综合来看，传统的夹具有以下几点弊端。

（1）传统的夹具因其刚性平面与工艺物件的曲面直接接触，会使工艺物件表面形成不可避免的损伤，这种损伤往往是不可逆的。比如我们在使用“懒人手机支架”的时候，很多人会将这种支架直接夹在床头床板上，因这种支架的夹力相当之大，往往会给刷漆的床头或床板造成一定的压痕，严重的可以造成床板掉漆、褪皮，这样就降低了原本床板的公益性和美观性。

（2）传统的夹具因其用力恒定，无法变通，导致有些脆性工件出现了直接被夹碎的现象，造成不必要的经济损失。再者，因传统的夹具往往都采用短距杠杆，施力人往往要用更大的力气去掰开夹子，但在瞬时释放夹子的过程中往往无法做到慢拿轻放，不仅容易造成工件损坏，还可能导致夹子本身的损坏，甚至可以造成人员受伤。

（3）传统的夹具受力面固定，以平面受力居多，不能对曲面形态为主的异形工件进行有效夹持，也无法满足现实生活中种类繁多的生产生活需求。

3 夹具的发展历程

我们首先从现在利用率比较高的工业可重构夹具说起：遵循物理学历史的脉络，学术界普遍认为夹具的发展历程自1997年驶入了快车道，因为在这一年Y·Koren等教授提出了被广泛认可的可重构制造系统（RMS），但是实际上作为夹具来说，其应用可重构技术的时间要远远早于这个时间，早在1985年，H·Asada教授就设计了一种全新的通用夹具系统，用于装配工作站重构。这对夹具的发展具有承上启下的重要意义，这一年，我们可以认为是夹具发展的转折之年。

还是在1985年，H·Asada教授系统设计了可重构夹具，他所设计的可重构系统，可以根据待加工的工件或零件的几何外形及所要求的安装要求，自动分析并计算出所要满足要求的可重构夹具的安装形式，结合计算机信息技术，利用机器人来实现夹具元器件的精确定位。

1993年，B·Shirinzadeh进一步延伸完善了H·Asada教授的研究成果，在H·Asada建立的系统基础之上引入了机器人模块，用以抓取并建立了系统的防止高度调节装置，但是因为一些现实因素导致其并未实现于大规模重载装配场合。

1994年，Giusti教授利用数学原理，优化了B·Ahirinzadeh教授的技术，替代了不成熟的电磁夹爪，初步形成了可重构夹具的模型，但还是需要大量的人工调整。

1995年，B·Shirinzadeh教授又重新进行了可重构设计，列出了系列数据。

1997年，M·N·Sela针对Giusti教授的设计无法细腻的完成薄壁工件的要求，设计了另一套夹具硬件系统。

2002年，C·H·Shen提出了一种新型可重构夹具，这种夹具可以利用电磁感应来实现快速的固定和释放工件。

2007年，美国国家橡树岭实验室的Mike P· Matlack学者在总结前人经验的基础上，设计了另一款可以针对不同形状工具进行快速重构的夹具，与H· Asada教授设计不同的是，他在适用于多种具有不同形状、不同特征的工件的同时，还可以适用于表面轮廓变化很大的单件工件的夹紧作业。这是前面所有的可重构夹具都无法做到的。

2008年，Marco Ryll再次在可重构夹具领域提出了新的观念，这个全新的观念源于智能夹具系统的快速重构及工件—夹具快读定位的方法理论，在软件上完善了夹具的可重构性。

“物流市场可大可小，从全球的供应链体系来看待，便有了阿里巴巴走出去收购国外物流设施这样的类似事件出现，从国内市场来看，更微观的并购案件更是每天都在发生”，张思科教授对物流行业的并购如是说。

2009年是工业可重构夹具发展具有重要意义的一年，在这一年，Christoph Ertelt介绍了一种在硬件条件下完善抓取柔性重构的方法，他的方法不需要拆解夹具本身，大大节省了硬件条件下抓去柔性物体工具重构时间。这一年，Alison Millar也提供了一种在普通条件下应对结构复杂、尺寸巨大的柔性可重构夹具，充分利用螺栓代替焊接，在提升柔性的同时，大幅降低了制造时间及成本。还是在2009年，Rezai Molfino推出了一种集群夹具，这种可重构集群夹具可以用于汽车、航空工业的生产制造，完美应对复杂条件下对多点支撑、刚度、柔韧度的特殊要求。

上述仅仅是国际领域对工业领域可重构夹具发展的历程，纵观整个可重构夹具的发展历程，我们可以管中窥豹，窥测到民用、商用夹具是否也可以考虑可重构架构。

4 夹具未来设计使用的意见和建议

首先，由于大多数的夹具都是为了满足“固定”要求，这也就表明其具有很大的从属性，所要固定的是什么性质形状的东西，夹具也必须跟随所要固定的工件。当其为加工钢管、钢筋、齿轮提供固定服务的时候，也就注定了它的夹具受力面要选用弧面型；而当其为加工车床、钢板或为衡量精准度而提供服务的时候，它的受力面必定是平面型的。

其次，由于从属性质，导致了其无法实现多次重复利用，功能单一，也无法做出部分调整，很大意义上浪费了部分人力资源去专门为其设计、加工，倘若能够创造一款可调整的多功能夹具是最好不过的了。

因为前文所述的从属性质，导致了其大都为某种工件专门设计，这其中又有大部分来自于焊接工艺，焊接质量的好坏直接决定了夹具使用的效率，同时也决定了要求其一次成型。在设计夹具时，就要对夹具的类型、架构做简要评估和深度分析，在此基础上完成夹具的制作，从而为工件加工提供良好的服务。

再者，夹具的从属性决定了其组装特性，需要把系列零件通过焊接、螺栓乃至榫卯结构组合拼接，除榫卯和螺栓外，人们常用的焊接都可以造成夹具的尺寸组合后发生细微的变化，如果一个工件需要复杂的夹具辅助，则制造这个复杂的夹具需要的多种零件组合的尺寸问题也应值得注意，如何合理的确定零件的尺寸公差和形位公差就显得尤为重要。

最后，我们在使用夹具的过程中按照正确的使用方法和使用步骤，能够对夹具的工作效率提高产生积极的作用。同时，因为夹具大部分都是钢铁材质，我们在使用后的养护上也应遵循钢铁材质固有的性质缺陷，通过涂防锈油等方式来保护这些钢铁材质的夹具。

5 多功能夹具结构设计

就本文详述的一些意见建议，汇总成下文描述的这款夹具。该夹具可实现夹持力调整，功能较普通的单一夹具丰富，它的主要目的是不同材质、不同形状的工件零件之间或不规则形状和不同的材质工件零件之间的固定。

夹具的主体结构如下图1所示。

图1 夹具主体的结构

我们可以通过对上述部分部位进行修改设计，使之达到我们预想到的可调整夹持力、多功能的夹具。

（1）修改上图支撑架4上的夹头固定装置，增大受力面积，一来防止在夹紧工件的时候力不从心，二来防止用力过大改变或损伤质地较软工件的性状。

（2）通过螺母5适当放松或旋紧弹簧等方式适当修正上图中固定端夹头9与螺母5、滑杆7、弹簧6及夹头固定件8的固定力度。

（3）充分利用滑杆7与固定件8之间的联系，利用移动部分夹具支撑架4来起到导向（滑动）作用，同时还可以防止滑杆7在与固定件8夹紧时由于转矩过大、用力过猛等因素造成夹头固定件8和移动部分夹具支撑架4的损伤损坏。

（4）控制好丝杠无螺纹端2，使之在控制弹簧6的时候不会造成力度的忽大忽小。同时在达到恒定的力之后充分利用夹头固定件8使得弹簧6不再起到利用眼里调整夹持力的作用。

（5）夹具的静止使用时应当将静止部分夹具支撑架16与底座连接件17固定在一起，转轮轴13与静止部分夹具支撑架16用键连接在一起，二者不会发生相对运动。同时充分利用单向轴承11的作用，使转轮10只能沿着一个方向转动，反向转动即行锁死；同时，由于转轮10上留有3个可以随时安装夹头12的位置，可以针对不同工件的不同性质属性，在转轮10上安装同该工件表面相适应的旋转端夹头，这样可以在更换旋转端夹头时，只需旋转转轮即可，同时保证更换旋转端夹头时也很简单。同时，通过旋转转轮的形式还可以按照实际需要创造出某种夹角，用来制造诸如固定楔子等有角度的工件。由于旋转段夹头与转轮的安装形式为六棱柱槽型形配合，所以夹头有六个安装角度，可根据工件需要或个人习惯安装夹头。

（6）而相对于夹头的可更换操作，我们可以根据现实需求，结合工件的材质、性状等设计多种形式要求，具体如图2所示。