可調整夾持力的多功能夾具設計

卜祥正

（廣東省高級技工學校，廣東 廣州 510800）

可調整夾持力的多功能夾具設計

卜祥正

（廣東省高級技工學校，廣東 廣州 510800）

隨著社會的發展，人們對夾具的要求也越來越高，研發可調節夾持力的多功能夾具成為了業界共識。筆者調查了市面上現存的多種普通夾具，并結合現實需求，針對普通夾具在使用過程中的局限性展開了系統論述，并創新性地在夾具中闡述了夾持力調整機構與多功能使用的便利性。

可調節；夾持力；多功能；夾具；設計

1 夾具是什么

夾具的權威定義是指在機械的生產、制造過程中用來固定待加工的主要工件，又稱為卡具（qi ǎj ǜ），目的就是使待加工的工件穩定在恰當的位置，幫助待加工工件完成進一步的裝配、加工和檢測。廣義上來說，只要是能快速、方便、安全、準確地輔助安裝工件零件的設備、裝置我們都可稱為夾具。例如焊接的時候幫助固定的壓板夾具、查看工件質量時用的檢驗夾具、裝車卸貨的時候使用的諸如抱夾車之類的裝配夾具、車間里使用的機床夾具等。而在實際使用中又以機床夾具最為常見。

我們拿最常見的機床夾具作為例子來解釋一下夾具。使用機床加工零件設備的時候，為了讓被加工的工件表面達到預想的幾何形狀、尺寸等技術要求，我們在加工之前肯定要將工件固定牢靠，這個時候就用到了所謂的夾具，機床夾具通常是由以下各部分組合而成：固定裝置、夾緊裝置、引導裝置、分度裝置、連接裝置以及夾具底座等。

2 夾具使用趨勢

在日常生產生活中，常會見到一些不同外形、不同表面形態的工件或物件，在越來越人性化的使用趨勢下，夾具因其便利性被廣泛應用于多種生產生活方式，工藝也日臻完善，結構也越來越細膩。綜合來看，傳統的夾具有以下幾點弊端。

（1）傳統的夾具因其剛性平面與工藝物件的曲面直接接觸，會使工藝物件表面形成不可避免的損傷，這種損傷往往是不可逆的。比如我們在使用“懶人手機支架”的時候，很多人會將這種支架直接夾在床頭床板上，因這種支架的夾力相當之大，往往會給刷漆的床頭或床板造成一定的壓痕，嚴重的可以造成床板掉漆、褪皮，這樣就降低了原本床板的公益性和美觀性。

（2）傳統的夾具因其用力恒定，無法變通，導致有些脆性工件出現了直接被夾碎的現象，造成不必要的經濟損失。再者，因傳統的夾具往往都采用短距杠桿，施力人往往要用更大的力氣去掰開夾子，但在瞬時釋放夾子的過程中往往無法做到慢拿輕放，不僅容易造成工件損壞，還可能導致夾子本身的損壞，甚至可以造成人員受傷。

（3）傳統的夾具受力面固定，以平面受力居多，不能對曲面形態為主的異形工件進行有效夾持，也無法滿足現實生活中種類繁多的生產生活需求。

3 夾具的發展歷程

我們首先從現在利用率比較高的工業可重構夾具說起：遵循物理學歷史的脈絡，學術界普遍認為夾具的發展歷程自1997年駛入了快車道，因為在這一年Y·Koren等教授提出了被廣泛認可的可重構制造系統（RMS），但是實際上作為夾具來說，其應用可重構技術的時間要遠遠早于這個時間，早在1985年，H·Asada教授就設計了一種全新的通用夾具系統，用于裝配工作站重構。這對夾具的發展具有承上啟下的重要意義，這一年，我們可以認為是夾具發展的轉折之年。

還是在1985年，H·Asada教授系統設計了可重構夾具，他所設計的可重構系統，可以根據待加工的工件或零件的幾何外形及所要求的安裝要求，自動分析并計算出所要滿足要求的可重構夾具的安裝形式，結合計算機信息技術，利用機器人來實現夾具元器件的精確定位。

1993年，B·Shirinzadeh進一步延伸完善了H·Asada教授的研究成果，在H·Asada建立的系統基礎之上引入了機器人模塊，用以抓取并建立了系統的防止高度調節裝置，但是因為一些現實因素導致其并未實現于大規模重載裝配場合。

1994年，Giusti教授利用數學原理，優化了B·Ahirinzadeh教授的技術，替代了不成熟的電磁夾爪，初步形成了可重構夾具的模型，但還是需要大量的人工調整。

1995年，B·Shirinzadeh教授又重新進行了可重構設計，列出了系列數據。

1997年，M·N·Sela針對Giusti教授的設計無法細膩的完成薄壁工件的要求，設計了另一套夾具硬件系統。

2002年，C·H·Shen提出了一種新型可重構夾具，這種夾具可以利用電磁感應來實現快速的固定和釋放工件。

2007年，美國國家橡樹嶺實驗室的Mike P· Matlack學者在總結前人經驗的基礎上，設計了另一款可以針對不同形狀工具進行快速重構的夾具，與H· Asada教授設計不同的是，他在適用于多種具有不同形狀、不同特征的工件的同時，還可以適用于表面輪廓變化很大的單件工件的夾緊作業。這是前面所有的可重構夾具都無法做到的。

2008年，Marco Ryll再次在可重構夾具領域提出了新的觀念，這個全新的觀念源于智能夾具系統的快速重構及工件—夾具快讀定位的方法理論，在軟件上完善了夾具的可重構性。

“物流市場可大可小，從全球的供應鏈體系來看待，便有了阿里巴巴走出去收購國外物流設施這樣的類似事件出現，從國內市場來看，更微觀的并購案件更是每天都在發生”，張思科教授對物流行業的并購如是說。

2009年是工業可重構夾具發展具有重要意義的一年，在這一年，Christoph Ertelt介紹了一種在硬件條件下完善抓取柔性重構的方法，他的方法不需要拆解夾具本身，大大節省了硬件條件下抓去柔性物體工具重構時間。這一年，Alison Millar也提供了一種在普通條件下應對結構復雜、尺寸巨大的柔性可重構夾具，充分利用螺栓代替焊接，在提升柔性的同時，大幅降低了制造時間及成本。還是在2009年，Rezai Molfino推出了一種集群夾具，這種可重構集群夾具可以用于汽車、航空工業的生產制造，完美應對復雜條件下對多點支撐、剛度、柔韌度的特殊要求。

上述僅僅是國際領域對工業領域可重構夾具發展的歷程，縱觀整個可重構夾具的發展歷程，我們可以管中窺豹，窺測到民用、商用夾具是否也可以考慮可重構架構。

4 夾具未來設計使用的意見和建議

首先，由于大多數的夾具都是為了滿足“固定”要求，這也就表明其具有很大的從屬性，所要固定的是什么性質形狀的東西，夾具也必須跟隨所要固定的工件。當其為加工鋼管、鋼筋、齒輪提供固定服務的時候，也就注定了它的夾具受力面要選用弧面型；而當其為加工車床、鋼板或為衡量精準度而提供服務的時候，它的受力面必定是平面型的。

其次，由于從屬性質，導致了其無法實現多次重復利用，功能單一，也無法做出部分調整，很大意義上浪費了部分人力資源去專門為其設計、加工，倘若能夠創造一款可調整的多功能夾具是最好不過的了。

因為前文所述的從屬性質，導致了其大都為某種工件專門設計，這其中又有大部分來自于焊接工藝，焊接質量的好壞直接決定了夾具使用的效率，同時也決定了要求其一次成型。在設計夾具時，就要對夾具的類型、架構做簡要評估和深度分析，在此基礎上完成夾具的制作，從而為工件加工提供良好的服務。

再者，夾具的從屬性決定了其組裝特性，需要把系列零件通過焊接、螺栓乃至榫卯結構組合拼接，除榫卯和螺栓外，人們常用的焊接都可以造成夾具的尺寸組合后發生細微的變化，如果一個工件需要復雜的夾具輔助，則制造這個復雜的夾具需要的多種零件組合的尺寸問題也應值得注意，如何合理的確定零件的尺寸公差和形位公差就顯得尤為重要。

最后，我們在使用夾具的過程中按照正確的使用方法和使用步驟，能夠對夾具的工作效率提高產生積極的作用。同時，因為夾具大部分都是鋼鐵材質，我們在使用后的養護上也應遵循鋼鐵材質固有的性質缺陷，通過涂防銹油等方式來保護這些鋼鐵材質的夾具。

5 多功能夾具結構設計

就本文詳述的一些意見建議，匯總成下文描述的這款夾具。該夾具可實現夾持力調整，功能較普通的單一夾具豐富，它的主要目的是不同材質、不同形狀的工件零件之間或不規則形狀和不同的材質工件零件之間的固定。

夾具的主體結構如下圖1所示。

圖1 夾具主體的結構

我們可以通過對上述部分部位進行修改設計，使之達到我們預想到的可調整夾持力、多功能的夾具。

（1）修改上圖支撐架4上的夾頭固定裝置，增大受力面積，一來防止在夾緊工件的時候力不從心，二來防止用力過大改變或損傷質地較軟工件的性狀。

（2）通過螺母5適當放松或旋緊彈簧等方式適當修正上圖中固定端夾頭9與螺母5、滑桿7、彈簧6及夾頭固定件8的固定力度。

（3）充分利用滑桿7與固定件8之間的聯系，利用移動部分夾具支撐架4來起到導向（滑動）作用，同時還可以防止滑桿7在與固定件8夾緊時由于轉矩過大、用力過猛等因素造成夾頭固定件8和移動部分夾具支撐架4的損傷損壞。

（4）控制好絲杠無螺紋端2，使之在控制彈簧6的時候不會造成力度的忽大忽小。同時在達到恒定的力之后充分利用夾頭固定件8使得彈簧6不再起到利用眼里調整夾持力的作用。

（5）夾具的靜止使用時應當將靜止部分夾具支撐架16與底座連接件17固定在一起，轉輪軸13與靜止部分夾具支撐架16用鍵連接在一起，二者不會發生相對運動。同時充分利用單向軸承11的作用，使轉輪10只能沿著一個方向轉動，反向轉動即行鎖死；同時，由于轉輪10上留有3個可以隨時安裝夾頭12的位置，可以針對不同工件的不同性質屬性，在轉輪10上安裝同該工件表面相適應的旋轉端夾頭，這樣可以在更換旋轉端夾頭時，只需旋轉轉輪即可，同時保證更換旋轉端夾頭時也很簡單。同時，通過旋轉轉輪的形式還可以按照實際需要創造出某種夾角，用來制造諸如固定楔子等有角度的工件。由于旋轉段夾頭與轉輪的安裝形式為六棱柱槽型形配合，所以夾頭有六個安裝角度，可根據工件需要或個人習慣安裝夾頭。

（6）而相對于夾頭的可更換操作，我們可以根據現實需求，結合工件的材質、性狀等設計多種形式要求，具體如圖2所示。

圖2 可更換夾頭結構示意圖

圖2中（a）主要適用于外形存在棱角邊柱、突出邊柱的工件、零件，或者是適用于外形具有多種常用角度的零件，這種形式的特點便是有多種常用角度的夾頭。

圖2中（b）主要適用于外觀形態是平面的零件，如板材、工字鋼、平面玻璃等。

圖2中（c）適用于外形為球面或規則弧面、曲面的零件，比如鋼球、鋼管等。

圖2中（d）適用于外形為不規則曲面的零件。

在實際使用過程中，我們可以將夾頭與整個夾具的連接方式采用統一結構方式，這樣既保證了夾頭的個性，又維護了夾具的共性。

6 結語

本文僅就夾具的可調整夾持力及多功能性方面做了簡要說明，對可調整加持力的多功能夾具的研討也僅僅處于最初階段，讓可調整加持力及多功能的夾具大規模應用，這是一個龐大的課題。

[1]李欣可.重構夾具系統構建與創新設計.蘇州大學研究生院，2011,4,.

[2]許鑫.一種可調整架吃力的多功能家具設計[J].機械工程與自動化，201702,(01).

TG75

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1671-0711（2017）06（下）-0111-03