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2000級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè) 林 怡
機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計(jì)
課 題 綜 述
隨著柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的發(fā)展，柔性?shī)A具應(yīng)運(yùn)而生。柔性?shī)A具是指工件的形狀和尺寸有一定變化后，可以適應(yīng)這種變化并繼續(xù)使用的夾具。目前，柔性?shī)A具包括組合夾具、可編程夾具、通用柔性?shī)A具、相變材料柔性?shī)A具及其他夾具。自80年代后期，柔性?shī)A具的研究開發(fā)主要沿以下兩大方向發(fā)展。
方向之一是原理和結(jié)構(gòu)都有創(chuàng)新的柔性?shī)A具。這種柔性?shī)A具主要包括三種類型：真相變?nèi)嵝詩(shī)A具（Authentic phase-change fixtures）和偽相變?nèi)嵝詩(shī)A具（Pseudo-phase-change fixtures）、適應(yīng)性?shī)A具（adaptable fixtures）以及模塊化程控式夾具。真相變?nèi)嵝詩(shī)A具是利用材料物理性質(zhì)使之從液相到固相，再回到液相。具體的應(yīng)用是當(dāng)材料為液相時(shí)，將工件放入裝有該材料的容器中，而后施加外界刺激，使材料快速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，夾緊工件，加工完畢后，再使相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，取出工件。偽相變?nèi)嵝詩(shī)A具是相對(duì)于真相變?nèi)嵝詩(shī)A具而言的，這是用顆粒流化床模擬相變材料的雙向性質(zhì)，即用某種物理方法迫使材料在“固結(jié)態(tài)”和“流動(dòng)態(tài)”之間的變換，稱之為偽相變，即貌似相變，實(shí)際上沒有發(fā)生相變。其基本原理是在流化床中布滿了細(xì)小的金屬顆粒，床底開有進(jìn)氣孔，床中放入標(biāo)準(zhǔn)夾具元件，元件埋入顆粒中，靠重力作用及液壓夾頭夾緊工件，加工完畢后，再?gòu)倪M(jìn)氣孔通入氣體，使顆粒成松散狀，取出工件即完成加工。適應(yīng)性?shī)A具是指夾緊元件能自動(dòng)適應(yīng)工件形狀的夾具，即夾緊時(shí)能改變形狀以適應(yīng)工件的變化。模塊化程控式夾具是由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，將定位和夾緊及支撐元件裝在可雙向移動(dòng)的導(dǎo)軌上，通過數(shù)控程序設(shè)計(jì)出不同的夾具構(gòu)形。
另一發(fā)展方向是傳統(tǒng)夾具的創(chuàng)新。傳統(tǒng)夾具可分為可調(diào)整夾具（adjustable fixtures）和組合夾具（modular fixture）?？烧{(diào)整夾具包括通用可調(diào)整夾具和專用可調(diào)整夾具，可以適應(yīng)小范圍內(nèi)的柔性；組合夾具主要是以成組技術(shù)（GT）為技術(shù)工具，能符合大范圍內(nèi)柔性?shī)A具的要求。由于依照夾具特征進(jìn)行的工件分類，夾具的相似性分析，加工刀具的結(jié)構(gòu)等技術(shù)難題，以及計(jì)算機(jī)輔助可調(diào)整夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展水平和現(xiàn)狀，使得可調(diào)整夾具在工業(yè)上的應(yīng)用受到了限制，在工業(yè)生產(chǎn)中，最常用的柔性裝夾設(shè)備就是組合夾具。
此次，對(duì)機(jī)床夾具柔性化技術(shù)的研究及設(shè)計(jì)，從通用可調(diào)整夾具入手。近幾年來，平口鉗作為柔性?shī)A具受到重視。但是，一般機(jī)用平口鉗用于加工不同類型基面形狀的工件時(shí)，更換鉗口耗時(shí)較長(zhǎng)；在定位夾緊外圓時(shí)，柔性較差。受鐘康民和宋強(qiáng)的“快速反應(yīng)式雙偏心輪定位機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算”論文的啟發(fā)，將平口鉗的固定鉗口改為雙偏心輪結(jié)構(gòu)，并在雙偏心輪外套上一個(gè)滑塊，以實(shí)現(xiàn)除外圓之外，對(duì)平面基面進(jìn)行定位。如此，改進(jìn)鉗口后的平口鉗既可以定位外圓，又可以定位矩形；只需拆除或安裝雙偏心輪外套的滑塊，即可在定位圓和矩形之間快速轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)了夾具的形狀柔性。該平口鉗的夾緊方式采用偏心夾緊方式，在偏心輪外套一個(gè)滑塊，以實(shí)現(xiàn)形封閉，可以快速夾緊或取出工件。再在偏心輪外套的滑塊上安裝可換鉗口，以次來實(shí)現(xiàn)夾具的尺寸柔性。綜上所述，該夾具同時(shí)具有形狀及尺寸柔性，以及快速反應(yīng)能力。
雙偏心輪定位夾具與V形塊定位夾具定位外圓的原理相類似，但工作原理和工作效果卻大不相同。雙偏心輪定位夾具中，作為定位元件的兩個(gè)偏心輪通過鉸鏈軸與夾具體相聯(lián)結(jié)，并可繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在夾具體上鉆有數(shù)個(gè)小孔，這些小孔由錐銷與偏心輪上的小孔相聯(lián)接，通過偏心輪上的小孔與夾具體上的不同小孔相聯(lián)接，改變偏心輪的幾何中心所處的位置。由此，對(duì)工件進(jìn)行定位的偏心輪的外圓弧的位置隨不同小孔的聯(lián)接而有較大的變動(dòng)范圍。而且，工件中心與兩個(gè)偏心輪幾何中心連線的夾角在許可范圍內(nèi)變化時(shí)，也能增強(qiáng)對(duì)工件直徑變化的適應(yīng)能力。因此，這種定位方式允許工件的直徑尺寸在較大范圍內(nèi)變化。當(dāng)工件直徑改變時(shí)，只需要用錐銷聯(lián)接不同的小孔即可。
雙偏心輪定位夾具定位矩形的工作原理與定位外圓的工作原理相同，只需在雙偏心輪外套上一個(gè)滑塊即可。
雙偏心輪定位夾具定位外圓的優(yōu)勢(shì)在于：通過調(diào)節(jié)兩個(gè)偏心輪的幾何中心所處的位置，可以定位較大直徑尺寸范圍內(nèi)的工件。由于偏心輪偏心距的尺寸有限，這一優(yōu)勢(shì)在定位矩形時(shí)，并不明顯。因此，在定位矩形時(shí)，夾具的尺寸柔性主要通過更換可換鉗口來實(shí)現(xiàn)。
雙偏心輪定位夾具的主要缺點(diǎn)是剛性較差，定位精度相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)不緊湊。
總之，這一將固定鉗口改為雙偏心輪結(jié)構(gòu)的平口鉗具有快速反應(yīng)功能，能較好地適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)對(duì)夾具的要求。
夾具的非柔性是阻礙柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用的主要原因之一，柔性?shī)A具是現(xiàn)代夾具的主要發(fā)展方向。無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都有創(chuàng)新的柔性?shī)A具，還是傳統(tǒng)夾具的創(chuàng)新，在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，都將是柔性?shī)A具的發(fā)展方向。