無應力柔性裝夾技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

摘 要：無應力柔性裝夾技術作為航空航天、汽車制造、工程機械等制造領域的關鍵支撐技術，通過動態(tài)調(diào)整零件裝夾的夾持力與定位方式，有效減少加工或裝配過程中因殘余應力導致的變形問題。文章結合國內(nèi)外研究進展，系統(tǒng)分析了無應力柔性裝夾技術的核心原理、應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向，重點探討其在航空航天、汽車制造等領域的創(chuàng)新實踐，并針對技術瓶頸提出應對策略。

關鍵詞：無應力 柔性裝夾 技術現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

柔性裝夾技術自20世紀80年代興起以來，逐步從傳統(tǒng)的專用夾具向智能化、自適應化柔性夾具方向演進。隨著高效率、高精度制造需求增長，無應力裝夾技術通過優(yōu)化夾持力分布、減少工件變形，成為提升加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的核心手段。

文章梳理無應力柔性裝夾技術現(xiàn)狀，結合行業(yè)典型案例與前沿研究，并展望無應力柔性裝夾技術的未來發(fā)展趨勢。

1 無應力柔性裝夾技術的關鍵原理

無應力柔性裝夾的核心目標是通過動態(tài)控制夾持力與定位約束，避免工件因剛性夾持產(chǎn)生殘余應力或變形。其技術原理主要包括。

1.1 自適應夾緊機制

通過液壓、氣動或電動系統(tǒng)實時調(diào)整夾持力，結合傳感器反饋實現(xiàn)動態(tài)平衡。

例如，基于點陣排列的針狀圓柱柔性夾爪、爪針，可依據(jù)工件表面形態(tài)自適應包裹，并通過側向鎖緊固定，顯著降低局部應力集中，如圖1所示；通過采用密集型動態(tài)可調(diào)支撐結構、數(shù)字化動態(tài)定位等方式，以適應任意空間曲面的精準定位，可根據(jù)工件的外形實現(xiàn)支撐點的上升和下降，從而完成對工件的支撐和定位，實現(xiàn)對復雜曲面的快速成型。

1.2 定位約束釋放

采用“3-2-1+n”定位原理，在關鍵加工階段釋放部分約束，避免因過定位導致的應力累積。

例如，航空航天領域通過浮動夾具與零點夾具協(xié)同作用，可將機翼部件的加工變形控制在0.31-0.68毫米內(nèi)；通過對工裝夾具的拓撲結構進行系統(tǒng)的優(yōu)化設計，合理分布支撐點和夾緊點，使工裝在保證足夠剛度的同時，能夠最大限度地減少對工件的變形影響。

1.3 多工位偏差補償

基于狀態(tài)空間法和有限元仿真，逐工位預測并補償裝配偏差。

例如，通過調(diào)節(jié)夾具定位點的法向補償量，實現(xiàn)柔性件多工位裝配的尺寸精度控制。

2 技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 關鍵技術突破

智能化與模塊化集成設計：集成智能傳感器與AI算法的智能夾具系統(tǒng)，能夠自主優(yōu)化夾持參數(shù)。通過將六維力學傳感器、智能視覺定位傳感器等集成到夾持裝置上，實現(xiàn)夾具的自動應力釋放監(jiān)控與自適應方向與位置的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)加工精度的精準控制。

例如，汽車制造行業(yè)通過大量采用結構化車身設計、結構化中控設計，顯著提升車輛安全性能，提升汽車生產(chǎn)效率。在結構件的加工制造中，通過大量采用模塊化夾具系統(tǒng)，實時監(jiān)測調(diào)整夾持位置，顯著提升汽車結構件加工精度40%-50%，加工效率提升35%，并同步適配多車型生產(chǎn)，車輛整體裝配時間縮短30%以上。

材料與制造技術創(chuàng)新：碳纖維復合材料與3D打印技術的應用，顯著降低夾具自重并提升結構強度。

例如，航空航天制造與維修企業(yè)，通過采用金屬3D打印技術開發(fā)的柔性夾具，開發(fā)周期從傳統(tǒng)6周縮短至7天。

數(shù)字孿生與仿真優(yōu)化：通過虛擬仿真預驗證裝夾方案，減少物理試錯成本。

例如，企業(yè)應用數(shù)字孿生技術后，夾具設計周期縮短40%，首次成功率提高25%。

2.2 行業(yè)應用實踐

航空航天領域：針對機翼縱梁等高精度部件，采用“零點定位+錐面自定心”技術，兼容多型號零件裝夾，減少換型時間。首都航天機械研發(fā)的柔性裝夾尾罩轉(zhuǎn)運環(huán)，實現(xiàn)自動裝配并降低應力變形。

汽車制造：電動夾具與智能夾爪的普及推動國產(chǎn)替代。例如，TSIC公司的FF系列柔性夾爪通過標準套件適配復雜幾何工件，提升新能源汽車電池模組裝配良率。

電子與精密加工：可編程夾具在半導體封裝中的應用，通過微米級定位精度減少晶圓損傷，助力芯片制造良率提升。

2.3 現(xiàn)存挑戰(zhàn)

核心部件依賴進口：目前我國在高精度傳感器、自適應液壓系統(tǒng)等方面仍依賴國外技術，制約國產(chǎn)化進程。

例如，自適應液壓系統(tǒng)是一種能夠根據(jù)外部環(huán)境和操作條件自動調(diào)整其性能的液壓系統(tǒng)。通過集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測并調(diào)整液壓參數(shù)，如壓力、流量和方向，以優(yōu)化性能和效率。這一方面，我國的恒立液壓、中聯(lián)重科、三一重工、徐工集團等企業(yè)均投入大量研發(fā)，但是仍然在高端液壓元件（如高性能比例閥、伺服閥）和先進控制算法方面、精密制造和材料工藝方面、研發(fā)投入方面與世界領先水平存在一定差距。未來：國內(nèi)企業(yè)和研究機構在傳感器、控制器和液壓元件等方面需要進行大量創(chuàng)新，才能逐步縮小與國際先進水平的差距。

標準化不足：行業(yè)缺乏統(tǒng)一設計標準，導致夾具互換性與通用性受限。

例如，不同廠家生產(chǎn)的夾具接口尺寸（如安裝孔位、連接方式）不一致，導致夾具無法在不同設備或系統(tǒng)之間互換；各廠家在材料選擇和制造工藝上缺乏統(tǒng)一標準，導致夾具的強度、耐用性和性能差異較大；夾具的控制接口（如電氣接口、通信協(xié)議）缺乏統(tǒng)一標準，不同廠家的夾具無法直接集成到同一控制系統(tǒng)中；夾具的功能定義和性能參數(shù)（如夾持力、精度、響應速度）缺乏標準化描述，用戶難以直接比較不同廠家的產(chǎn)品；夾具的設計缺乏模塊化標準，導致用戶無法根據(jù)需求靈活組合和擴展夾具功能；由于缺乏統(tǒng)一標準，行業(yè)內(nèi)的技術協(xié)作和數(shù)據(jù)共享受到限制，難以形成合力推動技術進步。通過制定行業(yè)標準、推動模塊化設計、加強協(xié)作和提升技術水平，可以有效解決這些問題，推動行業(yè)健康發(fā)展。

中小型企業(yè)技術升級難：智能化改造的高成本使中小企業(yè)面臨資金壓力，需通過模塊化升級或租賃模式緩解。

例如，企業(yè)的智能化改造需要投入大量資金用于購買高端設備、傳感器、控制系統(tǒng)以及軟件開發(fā)；需要高水平的技術人才，而中小企業(yè)往往難以吸引和留住這類人才。通過模塊化升級，可以有效降低一次性投入，提高靈活性；租賃模式可以減少初始投資，降低維護成本。此外，政策支持和行業(yè)協(xié)作也是幫助中小企業(yè)克服技術升級困難的重要途徑。

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 智能化深度集成

AI驅(qū)動的自適應控制：隨著AI技術的迅猛發(fā)展，未來70%的高端夾具將集成AI算法，實時分析加工數(shù)據(jù)并動態(tài)調(diào)整夾持策略。未來柔性夾具將結合深度學習預測工件變形趨勢，實現(xiàn)預補償。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融合：通過物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測夾具狀態(tài)，結合邊緣計算優(yōu)化維護周期，減少非計劃停機。

3.2 綠色制造與輕量化

環(huán)保材料應用：可回收復合材料與低能耗驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)將成為重點，預計2025年環(huán)保型夾具市場份額達40%。

能源效率優(yōu)化：電動夾具替代傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，降低能耗并提升響應速度。

3.3 跨學科協(xié)同創(chuàng)新

仿生學與柔性機器人技術：借鑒生物關節(jié)的柔順性，開發(fā)仿生夾持機構，提升復雜曲面工件的適應性。

增材制造與拓撲優(yōu)化：利用3D打印實現(xiàn)拓撲優(yōu)化的輕量化夾具結構，兼顧強度與靈活性。

3.4 政策與標準化推動

國家戰(zhàn)略支持：中國“十四五”規(guī)劃強調(diào)高端裝備自主化，政策資金傾斜將加速核心技術攻關。

國際標準制定：推動ISO/IEC標準對接，促進全球產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，提升國產(chǎn)夾具的國際競爭力。

無應力柔性裝夾技術正從單一功能優(yōu)化向系統(tǒng)化、智能化方向跨越。盡管在核心部件國產(chǎn)化、標準化等方面仍存挑戰(zhàn)，但隨著AI、數(shù)字孿生等技術的深度融合，其在降低加工變形、提升制造效率方面的潛力將進一步釋放。未來，該技術有望在航空航天、新能源等領域?qū)崿F(xiàn)更大突破，成為智能制造轉(zhuǎn)型升級的重要引擎。

基金項目：1.四川省哲學社會科學重點研究基地、四川省教育廳人文社會科學重點研究基地、四川省教育發(fā)展研究中心2024年度一般課題“高職院?？平倘趨R機制的構建與實踐研究”，課題編號：CJF24044；2.成都工貿(mào)職業(yè)技術學院2023年度校級重點自科課題“無應力柔性組合固定系統(tǒng)研發(fā)與實踐”，課題編號：GMJS101003。

參考文獻：

[1]李瑞，王永鵬，等.離散智能制造模式下柔性裝夾關鍵技術研究[J].制造技術與機床，2023（04）：28-35.

[2]李東升.飛機復合材料結構少無應力裝配方法研究與應用進展[J].工程科技，2022（05）：30-34.

[3]劉鎮(zhèn)陽，翟雨農(nóng)，李東升，等.飛機復合材料壁板裝配變形控制技術研究與應用進展[J].航空制造技術，2022（18）：46-54+78.

[4]舒明杰，李云仲，劉翀.輕型運動飛機復合材料生產(chǎn)制造工藝研究[J].黑龍江科技信息，2017（06）：15.

[5]程寶蕖編著.飛機制造協(xié)調(diào)準確度與容差分配[M].北京：航空工業(yè)出版社，1987.

[6]胡旭波，穆曉玉，賈維強.一種航天航空薄壁零件的加工方法[P].中國專利：CN201810480026.9，2018-10-16.

[7]郝清龍，楊騫，蘇帥，等.薄壁件反向分段加工變形控制技術研究[J].組合機床與自動化加工技術，2022（07）：110-113.