柔性組合夾具的技術(shù)應(yīng)用

保定向陽航空精密機(jī)械有限公司（河北 071000）劉 偉

1.柔性組合夾具與傳統(tǒng)組合夾具應(yīng)用中的差異比較

“柔性組合夾具”是基于“積木式組合夾具”而發(fā)展起來的，具有傳統(tǒng)組合夾具元件設(shè)計(jì)要素和與柔性制造單元（FMC）相匹配的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。兩種夾具之間，在許多方面均有不同的應(yīng)用特點(diǎn)。

（1）不同的生產(chǎn)模式下，兩者夾具的功能亦不同 傳統(tǒng)生產(chǎn)組建形式的“分離體制”，即流水線。其特點(diǎn)是：一臺(tái)機(jī)床生產(chǎn)一道工序，工序完成后停機(jī)裝卸工件，此工序使用一套夾具。此時(shí)機(jī)床、夾具、工件三者的狀態(tài)是：夾具與機(jī)床合為一體。停機(jī)，然后快速裝卸工件。傳統(tǒng)組合夾具承擔(dān)的任務(wù)是，必須在零件或工序的變更時(shí)，快速提供夾具。根據(jù)各類機(jī)床的不同加工特點(diǎn)，除要解決工件在夾具上的定位與夾緊結(jié)構(gòu)，還要解決夾具體上的工件加工部位相對于機(jī)床主軸的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以及各類輔助結(jié)構(gòu)。夾具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、多功能性是其主要特點(diǎn)。傳統(tǒng)組合夾具的結(jié)構(gòu)形式以鉆、車、銑、鏜、刨、磨等傳統(tǒng)機(jī)床的工藝特點(diǎn)而形成。借鑒專用夾具的一些結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)工件的變化或工藝的變化而進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)的變化調(diào)整。

柔性制造技術(shù)的生產(chǎn)組建形式為“集成體制”。在一個(gè)柔性制造單元（FMC）中 ，一次裝夾完成多個(gè)工序的加工。柔性組合夾具的基礎(chǔ)板實(shí)現(xiàn)了“多工件裝夾”，并向與其更緊密聯(lián)系的托板系統(tǒng)靠攏，或形成具有“組合夾具元素”的附件系統(tǒng)，以其增強(qiáng)夾具的“柔性”。當(dāng)夾具系統(tǒng)處在機(jī)床加工狀態(tài)的同時(shí)，機(jī)外裝卸工件已在進(jìn)行。有些夾具或在柔性制造單元（FMC）的工件自動(dòng)交換系統(tǒng)中周轉(zhuǎn)。當(dāng)處在加工位置的工件（一件或多個(gè)工件）的所需加工的各道工序完成之后，機(jī)內(nèi)外的夾具系統(tǒng)（托板）進(jìn)行整體交換，此時(shí)機(jī)床、夾具、工件三者的狀態(tài)是：工件與夾具合為一體（進(jìn)行機(jī)外裝夾），載有不同工件的夾具，與機(jī)床進(jìn)行著反復(fù)快速對接。機(jī)床因夾具因素而耗費(fèi)大量停機(jī)時(shí)間已不存在。夾具在加工狀態(tài)下的時(shí)間越長，意味著生產(chǎn)效率越高。故夾具要有高精度和更好的剛度。夾具結(jié)構(gòu)要求更好的敞開性和滿足最大裝夾容量，這是柔性組合夾具在柔性制造單元應(yīng)用中的基本要求。柔性組合夾具的結(jié)構(gòu)形式，是在柔性制造單元（FMC）的本身特點(diǎn)和對夾具的要求下，形成與其更匹配的夾具結(jié)構(gòu)形式。由于柔性制造單元（FMC）的主軸加工方向基本為“臥式”或“立式”，故柔性組合夾具的基體主要分為“平板類”的基礎(chǔ)板和“有型類”的方箱、基礎(chǔ)角鐵、T形基礎(chǔ)等。只須完成工件或者是更多的工件在同一夾具體上的定位與夾緊，是柔性組合夾具在其結(jié)構(gòu)上的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。由于夾具的一些“導(dǎo)向功能”，“分度功能”等已由機(jī)床承擔(dān)，柔性組合夾具的結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)夾具簡單化。

（2）柔性組合夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組裝、使用要求的變化 傳統(tǒng)組合夾具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與組裝方法，已經(jīng)形成一套完整的規(guī)程。在使用中雖然面對的工件千變?nèi)f化，但組裝技術(shù)上已經(jīng)具備了成熟的理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。其組裝規(guī)程如下：構(gòu)思方案→選件→試裝→聯(lián)接調(diào)整與緊固→檢查。夾具由此組成其結(jié)構(gòu)。

柔性組合夾具的結(jié)構(gòu)組裝依然遵循傳統(tǒng)組合夾具的組裝方法。由于夾具的功能發(fā)生變化，在夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮如下方面：

夾具應(yīng)具有更高的精度：柔性組合夾具元件本身的精度，從設(shè)計(jì)上已經(jīng)得到提高。從構(gòu)成夾具精度上，有兩個(gè)方面須加以重視。一是夾具本身對機(jī)床的重復(fù)定位精度，二是組裝精度。前者可由元件本身的精度得以保證，必要時(shí)進(jìn)行挑選檢查元件；后者在組裝夾具結(jié)構(gòu)時(shí)，須確立組裝基準(zhǔn)，在元件疊加組裝時(shí)，要進(jìn)行消除尺寸鏈誤差的積累。柔性組合夾具雖然結(jié)構(gòu)相對簡單化，但是由于加工零件的定位精度要求高，如汽車離合器、減速器殼體等的預(yù)加工面的兩定位孔距之類，故對夾具本身的精度要求有時(shí)是較高的，須對元件的精度做挑選。在組裝中，每一步的測量與調(diào)整將貫穿整個(gè)組裝的過程。注意夾具結(jié)構(gòu)間的尺寸公差，更要注意的是隨著組裝結(jié)構(gòu)的展開，其形位公差應(yīng)控制在保證精度的范圍之內(nèi)。

柔性制造單元（FMC）粗、精加工等多道工序合在一起。機(jī)床功率大，加工效率高。通常是“毛坯上去，成品下來”。故對柔性組合夾具的剛度,尤其結(jié)構(gòu)的組裝剛度，要在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)予以必要的考慮。由于夾具元件之間是通過鍵與槽或銷與孔定位，通過螺栓緊固聯(lián)接。組裝剛度不足，是組合夾具的先天弱點(diǎn)。即使是在元件設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)加厚的基礎(chǔ)板，如若與機(jī)床工作臺(tái)面聯(lián)接不當(dāng)，微量變形依然存在。就其夾具系統(tǒng)來說，產(chǎn)生剛度不足，原因諸多。其反應(yīng)的形式有兩方面：一是加工狀態(tài)下工件產(chǎn)生剛度問題，二是夾具產(chǎn)生剛度不足。前者以工件的形狀單薄，尤其鋁合金類材料的工件，在大切削力的作用下，產(chǎn)生剛度不足，因其顫動(dòng)造成未滿足加工精度的要求；后者則反映在工件材質(zhì)較硬或與夾具體相比較，其體積和重量超出夾具本身，造成加工精度不夠的重要原因，有時(shí)就是由此造成的。根據(jù)工件的形狀和判斷切削加工狀態(tài)下的受力特點(diǎn)，在工件受切削扭力較大的部位組裝浮動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)，以抵消切削力帶來的沖擊振動(dòng)。利用柔性組合夾具的結(jié)構(gòu)變化上的“萬能性”，采取各種組裝技術(shù)手段，合理選用元件，采用適合的夾具結(jié)構(gòu)，精心調(diào)整組裝，是在組裝中重點(diǎn)考慮的問題。

由于多工序的集合加工以及要求夾具體上盡可能地多裝夾工件，柔性組合夾具的“敞開性”和“最大裝夾容量”是夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)工作之一。為此，通常是按柔性制造單元（FMC）的托板系統(tǒng)的臺(tái)面尺寸采取相應(yīng)的基礎(chǔ)元件。以此分布工件的最大裝夾數(shù)。夾具結(jié)構(gòu)在滿足需要的前提下，應(yīng)盡量簡化?？紤]定位元件及夾緊機(jī)構(gòu)盡量體積小，使主軸毫無障礙地在夾具體上按其編程運(yùn)動(dòng)，刀具的切削與傳動(dòng)不受夾具元件的干涉。對于較復(fù)雜的工件或較多工件的裝夾及夾緊，應(yīng)考慮操作效率。采用液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速裝夾，是柔性組合夾具現(xiàn)實(shí)的優(yōu)選方案。

基于上述三點(diǎn)，柔性組合夾具的結(jié)構(gòu)均以其本元件系列的基礎(chǔ)件為夾具底座或基體，形成具有柔性組合夾具特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。但夾具結(jié)構(gòu)并不局限于此，如利用其組合原理，在汽車離合器、減速器殼體類的零件制造中，組合“門框式”夾具結(jié)構(gòu)，使工件兩面加工，在柔性制造單元（FMC）上比較理想地實(shí)現(xiàn)裝夾。結(jié)構(gòu)靈活多變，是柔性組合夾具“柔性化”的基礎(chǔ)，故夾具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，成為柔性組合夾具的優(yōu)勢。

（3）柔性組合夾具適合采用組合夾具輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD），實(shí)現(xiàn)“機(jī)外快速組裝” 組合夾具輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD），在傳統(tǒng)組合夾具的應(yīng)用中，面臨的各種工件差別迥異，不同的工藝方法，多種多樣的機(jī)床，使夾具結(jié)構(gòu)的形式千變?nèi)f化。設(shè)計(jì)者不但要掌握組合夾具輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）的操作，對大量各類機(jī)床夾具的結(jié)構(gòu)掌握及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，更是必要的前提。這對組合夾具輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，的確有一定的制約。由于柔性制造單元（FMC）的加工特點(diǎn)，無論是“立式”、“臥式”，對夾具基體（底座）總是處于平行移動(dòng)狀態(tài)，夾具結(jié)構(gòu)相對的簡單化，降低了采用組合夾具輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）的操作“門檻”。為實(shí)現(xiàn)“機(jī)外快速組裝”，提供了必要的保障。雖然柔性制造單元（FMC）所使用的“托板系統(tǒng)”使產(chǎn)品的制造過程實(shí)現(xiàn)了“生產(chǎn)過程自動(dòng)化”。實(shí)現(xiàn)機(jī)外裝卸夾具和機(jī)外裝卸工件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床切削時(shí)間同夾具安裝及工件裝夾時(shí)間的重合。但是加工零件在夾具上的安裝以及各類夾具與托板系統(tǒng)加卸載，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化”，仍然是難以實(shí)現(xiàn)的。夾具可以說是柔性制造技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)柔性化最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。即使在“計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)”（CI MS）的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)夾具的柔性化可采用“柔性組合夾具”，但仍然須靠人來操作。其對柔性組合夾具的“快速性”要求則更加突出和緊迫。在柔性制造技術(shù)的環(huán)境下，“多工件裝夾”和夾具的“快速組裝”，仍然是柔性組合夾具所追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)柔性組合夾具“機(jī)外快速組裝”的重要手段之一，就是實(shí)現(xiàn)組合夾具輔助設(shè)計(jì)（CAD）的應(yīng)用。

2.柔性組合夾具在柔性制造模式中的技術(shù)管理

柔性組合夾具的最大優(yōu)點(diǎn)之一，就是適應(yīng)在柔性制造技術(shù)中的“混流生產(chǎn)”中，實(shí)現(xiàn)夾具系統(tǒng)的“快速反應(yīng)”。夾具結(jié)構(gòu)的快速變化的適應(yīng)能力，即為“柔性化”的程度，就是通過對柔性組合夾具的技術(shù)管理，達(dá)到技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和提升，科學(xué)合理地進(jìn)行柔性組合夾具技術(shù)管理，是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。其技術(shù)管理工作的重點(diǎn)如下：

（1）定期對元件系統(tǒng)的適用性進(jìn)行評(píng)估，保持元件系統(tǒng)的合理性。

（2）研究和發(fā)展柔性組合夾具的組裝技術(shù)，包括元件的應(yīng)用、組裝方法、新型結(jié)構(gòu)、快速夾緊，以及元件間實(shí)現(xiàn)快速精確定位聯(lián)接的方法，吸取其他夾具的優(yōu)點(diǎn)等。

（3）對先進(jìn)的組裝技術(shù)和優(yōu)秀的夾具結(jié)構(gòu)做技術(shù)存檔，作為技術(shù)儲(chǔ)備。

（4）技術(shù)應(yīng)用要向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝部門和生產(chǎn)現(xiàn)場兩個(gè)方向傾斜。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或更換的同時(shí)，對采用柔性組合夾具的適用性進(jìn)行評(píng)估和確定。

（5）科學(xué)合理的管理元件。元件越多，夾具的結(jié)構(gòu)變化范圍越大，柔性就越強(qiáng)，管理難度與其成正比。故合理的元件選型配套及數(shù)量，要根據(jù)柔性制造單元（FMC）的配置狀況而定。元件庫的設(shè)置，盡量靠近生產(chǎn)現(xiàn)場，對柔性制造單元（FMC）直接配備合理用量的元件。由于基礎(chǔ)件已經(jīng)和柔性制造單元（FMC）的托板系統(tǒng)或工作臺(tái)相匹配，現(xiàn)場的機(jī)外組裝將更加頻繁，元件的現(xiàn)場調(diào)配、傳輸以及使用后的入庫等管理工作，對“循環(huán)組裝”具有重要作用。

3.柔性組合夾具發(fā)展方向的探討

由傳統(tǒng)組合夾具發(fā)展到柔性組合夾具，元件本身到了幾乎無發(fā)展空間的地步，產(chǎn)生的技術(shù)效果被業(yè)界認(rèn)可。但柔性制造技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，柔性組合夾具的“既適應(yīng)又有待發(fā)展”的狀態(tài)，已被人們所認(rèn)識(shí)。

夾具技術(shù)的發(fā)展，是以機(jī)床技術(shù)的發(fā)展為前提的。機(jī)床技術(shù)發(fā)展到空前的水平，雖然給夾具系統(tǒng)很大的發(fā)展空間，但夾具發(fā)展并未如人愿。柔性組合夾具雖然實(shí)用，組合原理仍具有一定的先進(jìn)性，但夾具系統(tǒng)的眾多剛性元件，人工進(jìn)行元件間的組合方法，以及幾乎是靠人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)形成的夾具結(jié)構(gòu)，與當(dāng)今機(jī)床技術(shù)相比，雖能匹配，但已顯落伍。

實(shí)現(xiàn)真正意義的夾具柔性化，仍須組合原理。雖然柔性制造技術(shù)下的先進(jìn)機(jī)床具有和取代了部分夾具的功能，人們有理由認(rèn)為，在現(xiàn)代化機(jī)床的高性能下，夾具的發(fā)展趨勢，應(yīng)該是“簡單化”。這在柔性制造單元（FMC）中能夠得到一定的體現(xiàn)，而從機(jī)床的發(fā)展趨勢上，“六條腿機(jī)床”（并聯(lián)桿系機(jī)床）的出現(xiàn)，由于工件所裸露的五個(gè)面均可得到加工，夾具形成“平板化”，結(jié)構(gòu)更為簡單。但這并不意味著“簡單化”就是“柔性化”。柔性組合夾具的發(fā)展須朝著“技術(shù)集成”的方向，并解決原來夾具系統(tǒng)中的固有弊端，這是趨勢之一。

實(shí)現(xiàn)夾具對工件裝夾的定位系統(tǒng)的柔性化，具有更高效、更快捷、更可靠的夾緊系統(tǒng)，無疑更能與柔性制造單元（FMC）匹配，這將與原柔性組合夾具有本質(zhì)上的不同。

更高層次的“夾具柔性化”，包含著“快速”、“高效”、“可靠”和減少一定的人工操作，夾具結(jié)構(gòu)具有合理的變化范圍。改變“剛性元件”間的相互組合，而采用全新的各種技術(shù)集成的“部件”的組合而替代。提升夾具系統(tǒng)的“柔性化”程度及“快速性”，擴(kuò)大夾具本身的技術(shù)容量，追求“技術(shù)集成、成本降低”這一目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)與先進(jìn)機(jī)床相適應(yīng)的技術(shù)水平，將是目前柔性組合夾具的發(fā)展方向。

在目前要想以一套夾具系統(tǒng)覆蓋所要解決所有工件的夾具問題，是不現(xiàn)實(shí)的。但在某一行業(yè)的產(chǎn)品或具有典型特點(diǎn)的工件上實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，仍具有現(xiàn)實(shí)性。需要的是要有相關(guān)技術(shù)方面的大量技術(shù)研究工作和必要的資金投入。相信全新概念的柔性組合夾具一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來出現(xiàn)。