观点 | 智能制造浪潮下 夹具技术的变与不变

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“中国制造2025”“工业4.0”这些概念都将智能制造列在了工业发展的重要位置上，“智能”意味着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与数字制造技术、先进自动化技术、传感技术、控制技术的相互结合。对于金属切削加工，智能制造提出了高要求，最显著的就是需要设备更高的自适应性以快速满足个性化加工需求。在机床已经具有很高的通用性，刀库配置愈发完备的情况下，工艺改进应该考虑从夹具入手。比如以下几“变”就代表着未来夹具的一些趋势。

变机械夹具为机电一体化夹具

现有的动力夹具绝大多数使用液压或者气动的驱动方式，无法实现对夹具的灵活控制。例如采用油缸驱动动力卡盘时，只能实现卡爪的夹紧和完全张开这两个位置。而装有伺服电机的电动驱动缸则可以通过机床的控制系统控制卡爪在其行程范围内达到任意位置，大大提高卡盘的灵活性，实现对卡盘的智能控制。再如，在刀具夹持系统方面，德国罗迈研制的机电一体化的转角式刀具夹头不仅可以利用数控系统进行灵活控制，还能与移动通讯设备共同实现实时监控。

图1 纯机械式角度头与机电一体化角度头（右）

机电一体化展示了机械加工系统的发展方向，从未来发展来看，动力夹具的驱动最终都会被易于控制的电动方式所取代。

变单一夹具为多功能夹具

开发适应多种类工件和多工况的夹具，能最大限度减少夹具更换次数。以车削加工中最常见的卡盘为例，正是因为工件形状各不相同，所以卡盘的种类众多，二爪卡盘、三爪卡盘、四爪卡盘、六爪卡盘……如果一台车床需要频繁更换卡盘，那智能制造就无从谈起。

图2 薄壁工件的8点夹持

而四爪浮动定心卡盘就实现了既可以夹持圆形工件，也可以夹持长宽各不相同的矩形工件，覆盖二爪、三爪、四爪卡盘的功能。此外，在夹持薄壁工件时，工件的变形量可以减小到三爪卡盘夹持时的三分之一以下，所以也特别适合薄壁工件的加工。如果在这种卡盘上使用浮动爪，则可以实现对工件的八点夹持(如图2 )。这时，工件的变形量比六爪卡盘夹持时还要小。

图3 点阵式柔性夹持系统

再如为了解决各种形状薄壁空间曲面工件的夹持难题而被研发出来的点阵式柔性夹持系统，能够自动适应不同工件的曲面形状，实现工件的快速夹持。

变有效——增强夹具加工有效性

夹具的加工有效性是指能够可靠地夹持工件，同时不能妨碍加工的进行，它直接影响了加工工艺的优劣。以铣削加工中的五面加工为例，要求工件一次夹紧的情况下实现五个面的加工，但是使用传统夹具时由于夹持面过大，五面加工往往难以实现。德国LANG公司的咬合式虎钳展示了一个很好的解决方案，只占据工件3mm夹持高度，就能可靠夹紧工件并无障碍地对工件进行五面加工。

图4 适合五面加工的咬合式式夹持技术

在车削加工中也常常遇到类似的问题：例如工件被卡盘夹持的部位需要进行掉头加工，这对加工精度和效率都有明显影响。此时采用“顶尖+驱动顶尖”的方案(如图5)，一次夹紧即可实现工件的全长加工。

图5 “顶尖+驱动顶尖”实现工件全长加工

如今驱动顶尖技术日趋成熟，已成为被车削加工和磨削加工中最有效的夹具之一，解决了大批轴类件的高效加工问题。

图6 适合一次夹紧全长加工的常见轴类件

变“快”——发展夹具快换技术

虽然我们有方法研发制造出功能更强的夹具，但是“万能夹具”是不存在的。因此在智能制造系统中，如何快速更换夹具就成为一个重要的课题。夹具快换技术近年来有了极大的发展，在铣削加工和车削加工中都有成功应用，其中有一些已经迈向了智能制造的门槛。

图7 适合单件及小批量工件加工的自动化单元

例如，德国LANG公司的“Robo•Shelf”系统将机器人技术，夹具快换技术和咬合式夹持技术有机地结合起来，构成加工中心进行五面加工的自动上下料单元。在该系统的料库中可以放置不同工件毛坯，加工中心通过对工件的识别选择运行不同的加工程序，实现工件的单件和小批量生产。可以想像，这种单元经过进一步完善，可以成为未来智能制造系统中的一种基本单元。

结语

现有的夹具技术虽然还不能满足智能制造的要求，但从上述先进夹具技术特征的变化，似乎已经能窥探出未来智能制造下夹具技术的发展方向。智能制造是未来的一大愿景，在制造技术的发展中，不变的理念为：机械加工的核心问题是工艺问题，重视这一问题，才能朝着智能制造的方向稳步迈进。

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