机床夹具柔性化技术研究及设计摘要在研究可调整夹具和组合夹具技术特性的基础上，介绍了四种结构新颖的柔性夹具设计方案，进行定位误差分析，推导出了相应的定位误差计算公式；建立力学模型，推导出了相应的力学计算公式。

在综合分析的基础上，优选出钳口改进的平口钳夹具与双偏心轮定位夹具，将它们的优势结合，改进为一种新型的柔性夹具，并进行了具体结构设计。

结论认为，采用双偏心轮定位夹具具有快速反应功能，能较好地适应多品种、小批量生产对夹具的要求，在机械制造业中具有推广意义。

关键词柔性夹具双偏心轮定位机构平口钳偏心距Study and Creative Design on machine tools fixtureLin YiAdviser Prof. Zhong Kangmin(School of Mechanical & Electronic Engineering, Soochow University, China)Abstract In the base of studying technique characteristic of adjustable tongs and built-up jig, introduced four kinds of new constructions design project of flexibility tongs, proceed to positioning error analyze, deducing a homologous positioning error calculation formula, establish the mechanics model, deduce a homologous mechanics calculation formula. After synthesizing the analytic foundation, decide to choose gad tongs and double cam tongs with improving the mouth of tongs, joining together their advantage, a new gentle flexibility tongs has come out, The conclusion is, adopting a double cam positioning tongs has quick-reaction function, can used in many species or small batch quantities produces, have the meaning of expanding in machine manufacturing industry.Key words flexible fixture double cam tongs gad tongs eccentricity1 前言迄今为止，夹具是机电产品制造中必不可缺的四大工具（刀具、模具、量具、夹具）之一。

无论是在传统制造业还是现代制造系统中，夹具始终发挥着重要作用。

在以标准产品大批大量生产为主导生产模式的传统制造业中，专用夹具曾起到了关键性的作用。

自70年代以后，随着NC机床和加工中心在生产中的普遍使用，80年代柔性制造系统（FMS）的兴起，计算机集成制造系统（CIMS）的提出，多品种中小批生产日益受到重视。

柔性成为现代制造业的主要发展方向之一，继续沿用专用夹具将限制制造系统实现真正柔性，柔性夹具应运而生。

所谓柔性夹具，是指工件的形状和尺寸有一定变化后，可以适应这种变化并继续使用的夹具。

随着柔性已作为一个和质量、成本、生产率等量齐观考虑的问题，柔性夹具理所当然成为现代夹具的一个主要发展方向。

1.1 柔性夹具的分类目前，柔性夹具包括组合夹具、可编程夹具、通用柔性夹具、相变材料柔性夹具及其他夹具。

柔性夹具的大致分类如图1-1。

图1-1 柔性夹具的分类1.2 柔性夹具的发展状况虽然柔性夹具可以适应工件形状和尺寸的变化，但是工件变化可以在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内，也可以在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化也很大。

所以，柔性夹具还是模糊的，没有明确的定义和界限。

笼统地说，就是指与NC机床、加工中心配合使用的、具有夹持多种不同工件能力的夹具。

自80年代后期，柔性夹具的研究开发主要沿以下两大方向发展。

1.2.1 原理和结构都有创新的柔性夹具这种柔性夹具主要包括三种类型：1）真相变柔性夹具（Authentic phase-change fixtures）和伪相变柔性夹具（Pseudo-phase-change fixtures）。

相变材料夹具可如图1-2所示分类。

图1-2 相变材料柔性夹具分类真相变柔性夹具是利用材料物理性质使之从液相到固相，再回到液相。

具体的应用是当材料为液相时，将工件放入装有该材料的容器中，而后施加外界刺激，使材料快速转变为固态，夹紧工件，加工完毕后，再使相变材料由固态转变为液态，取出工件。

伪相变柔性夹具是相对于真相变柔性夹具而言的，这是用颗粒流化长模拟相变材料的双响性质，即用某种物理方法迫使材料在“固结态”和“流动态”之间的变换，称之为伪相变，即貌似相变，实际上没有发生相变。

其基本原理是在流化床中布满了细小的金属颗粒，床底开有进气孔，床中放入标准夹具元件，元件埋入颗粒中，靠重力作用及液压夹头夹紧工件，加工完毕后，再从进气孔通入气体，使颗粒成松散状，取出工件即完成加工。

2）适应性夹具（adaptable fixtures）。

该夹具是指夹紧元件能自动适应工件形状的夹具，即夹紧时能改变形状以适应工件的变化。

3）模块化程控式夹具。

这类夹具是由伺服系统驱动，将定位和夹紧及支撑元件装在可双向移动的导轨上，通过数控程序设计出不同的夹具构形。

1.2.2 传统夹具的创新传统夹具可分为可调整夹具（adjustable fixtures）和组合夹具（modular fixture）。

可调整夹具包括通用可调整夹具和专用可调整夹具，可以适应小范围内的柔性；组合夹具主要是以成组技术（GT）为技术工具，能符合大范围内柔性夹具的要求。

由于依照夹具特征进行的工件分类，夹具的相似性分析，加工刀具的结构等技术难题，以及计算机辅助可调整夹具设计系统的发展水平和现状，使得可调整夹具在工业上的应用受到了限制，在工业生产中，最常用的柔性装夹设备就是组合夹具。

1.3 可调整夹具可调整夹具可分为通用可调整夹具和专用调整夹具，后者又可称为成组夹具。

这两种夹具都是根据加工对象在工艺上的相似性、尺寸的相近程度对零件进行分类编组进行设计的。

适合形状相似的一组或一族零件的生产，可用于各类产品的成批生产。

两者在原理上和结构上都比较类同。

它们的结构一般是由两部分组成。

其一是基本部分，包括夹具体、夹紧传动装置和操纵机构等。

它可长期固定在机床上，不随加工对象的改变而更换。

其二是可更换调整部分，包括某些定位、夹紧和导向元件等。

它随加工对象不同而调整更换。

在使用时，对同一组内不同零件的加工，只需更换或调整有关定位和夹紧元件即可。

1.3.1 通用可调整夹具对通用可调整夹具来说，其基本部分常可采用通用标准部件。

这种夹具在开始设计时，其加工对象并不很确定，故其可更换调整部分的结构设计应考虑有较大的适应性，以满足一定类别形状和一定尺寸范围内的零件加工，使其具有较大的通用范围。

例如：钳口形状可更换的虎钳、定位件和钻模板可更换的滑柱钻模等，都属通用可调整夹具。

1.3.2 成组夹具对成组夹具来说，它是针对成组加工工艺中的一组或一族零件的某一工序而专门设计的夹具。

在设计时，其加工对象十分明确，其调整范围也只限于在本组内的零件，夹具的基本部分，常须由加工对象的要求来专门设计。

这种夹具即比专用夹具的工艺范围广泛，又比通用可调整夹具针对性强，所以它具有结构紧凑和生产率较高的特点。

1.4 组合夹具组合夹具是在零部件标准化的基础上发展起来的一种新型的工艺装备。

这类柔性夹具是由一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸规格、不同功能的系列化、标准化元件、合件组装而成的。

组合夹具元件、合件具有较好的互换性和较高的精度及耐磨性。

组合夹具能保证工件在规定的坐标位置上准确定位和牢固的夹紧，也就是说能保证工件相对于机床坐标原点具有准确和稳定可靠的坐标位置。

这种夹具具有较高的刚度和精度，在粗加工时能承受较大的切削用量，以充分发挥数控、加工中心机床的生产能力，在精加工是能更好地保证工件定位基准和加工表面的位置精度，还能根据数控、加工中心机床的要求保证夹具应允许刀具接近尽可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面，可减少机床的停机时间，在夹具上还能一次装夹多个工件同时依次加工，可以减少夹具、刀具、工件系统的调整时间，还能减少刀具的更换次数和刀具的调整时间，更好地发挥数控、加工中心机床的高效性能。

组合夹具元件可以通过组装—使用—拆卸—在组装重复使用。

根据使用场合不同，组合夹具可以分为：车床夹具、钻床夹具、镗床夹具和磨床夹具等。

按照用途的不同可分为八大类，即：基础件、支撑件、定位件、导向件、夹紧件、紧固件、辅助件及组合件。

组合夹具系统一般有两种类型：基于T型槽和基于销钉（也称作基于孔）的系统。

基于T型槽的组合夹具在生产制造中已经发展和使用了50多年，它是通过基座上互相垂直和平行的T型槽实现对工件的精确定位的，在该系统中，当夹具元件紧固在同一排T型槽上时，尤其要合理安排夹具元件的组装顺序。

世界上有许多基于T型槽的组合夹具系统，主要的系统如图1-3所示。

图1-3 当代国际上主要槽系组合夹具系统基于销钉的组合夹具主要是通过基座上的定位孔实现对夹具元件精确定位和紧固作用的，主要的系统如图1-4所示。

图1-4 当代国际上主要孔系组合夹具系统组合夹具无论是在FMS还是在CIMS中都是很有发展前景的柔性装夹方法，但是，它也尚存一些问题。

第一，它需要较多的夹具标准件，一次性投资较大，同时，需要一定空间存储。

第二，由于一套夹具要由多个夹具标准件组成，每一件都有制造误差，所以容易产生较大的累积误差。

第三，由于夹具标准件间的间隙，使夹具的刚度下降，容易产生震动，影响加工精度。

2 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价目前，柔性夹具种类虽然繁多，但每种夹具都存在着一些问题。

相对于原理和结构都有创新的柔性夹具来说，传统夹具创新的问题较少。

其中，孔系组合夹具更因其材料价廉、加工方便、配件元件少、成本低、性能好等优势，一跃成为当代柔性夹具的主流。

与之同属传统夹具的可调整夹具则由于受到成组生产组织形式和产品品种市场需求不确定性的约束，应用受到限制。