对于Global Gear & Machining公司(伊利诺伊州唐纳斯格罗夫)，在过去25年中，公司的齿轮生产发生了天翻地覆的变化。公司过去主要为独立设备生产专用零件，每次生产一种齿轮，批量达到数十万，这种生产方式如今不再可行。客户现在需要公司小批量生产的齿轮，即时交货，避免在制造过程中库存大量齿轮，降低成本。为了满足这种需求以及保持竞争力，Global Gear公司求助于完全的自动化灵活性制造单元，高效生产更多的小批量订购齿轮，满足即时交货要求。最重要的一点是，这类制造单元可以快捷地从一种齿轮切换到另一种齿轮。

借助这类自动化单元，公司可以在维持现有员工数量的基础上提高了产量，同时承接更多工作。每次加工的数量可能变少了，但工件精度要求更高了，制造单元每天都需要换装。

工件夹持对于单元灵活性的重要意义

该厂为变速箱公司生产齿轮，其中很多公司为汽车行业供货，包括 Allison Transmission、American Axle以及其他公司。这些齿轮被用于柴油引擎汽车、变速箱、摩托车、越野设备、农业系统等。除了齿轮生产外，公司还提供合约增值加工服务。公司生产的齿轮直径最小不足0.5 in，最高16 in。公司每年生产200～300万个齿轮，包括各种大批量和小批量订单。

自动化制造单元的灵活性和快速换装依赖许多重要因素，其中包括工件夹持。制造单元的工具夹持方式必须让工厂能够快捷的实现换装，同时，还可以自动化系统装载工件。“对于像我们这样的单元化制造方式，如果工件夹持失败或者换装时间过长，或导致制造单元生产停滞。”工程经理Ricky Quek说道。

硬车削加工通常采用的卡盘设计会使用一个三到六触点的卡爪。但是，滚铣加工和热处理可能导致轮齿变形。这种变形会影响夹持。若卡爪卡住变形的轮齿，整个工件的放置角度会偏斜，影响检查，可能会导致工件报废。为了解决这个问题，需要耗费大量时间进行一系列检查和调整，不断重复，直至齿轮位置正确。在每次检查时，Global Gear公司都必须等待一名检查员腾出时间。但是，Röhm Products of America公司(佐治亚州萨沃尼市)提供的KZF-S筒夹在夹持时不会因热处理发生偏斜。

图1 Global Gear & Machining公司生产各类齿轮，用于柴油引擎车辆、变速器、摩托车、越野设备和农业系统。为了满足各类客户的小批量订单要求，该厂求助于自动化

齿轮加工专用筒夹

该厂的四个全新制造单元均使用了Röhm公司提供的夹具，其中两个制造单元使用的是KZF-S型筒夹。这种夹头并非夹持在齿轮直径的几个点上，而是将筒夹紧固在轮齿的所有点上，提高精度，同时确保齿轮直径同齿距线保持准确的相对关系。除了提高精度外，这种工件夹持方式还可以提高可重复性和齿轮圆柱度。

筒夹采用BT型筒夹原理：这是一种卡销式安装系统，类似于照相机镜头的固定装置。筒夹的夹头更长，有两个支撑点：锥形头提高了精度，后端面提高了平行度。为了夹持齿轮，夹头采用了轮齿形状。通过气流感应，筒夹可以探测工件位置是否不当，若出现这种情况，将提醒机床操控员。

“我们必须使用精度极高的筒夹，帮助我们装载齿轮、进行第一次切削、检查齿轮、最终生产出完美工件。”Quek先生称，“大部分机械加工厂都在关注更换筒夹的时间，但是这并不重要。最耗费时间的是为了将工件放置到正确位置而进行两三次调整。”像KZF-S筒夹这样夹持所有轮齿并可以避免此类差异和偏移，基本上对所有轮齿位置取平均，避免出现检查错误。更准确的夹持变形齿轮对于工厂的全自动化制造单元而言非常重要，因为，这能确保齿轮装载正确，避免零件报废以及机床碰撞。

图2 Global Gear公司希望找到一种工件夹持解决方案，既可以借助自动化制造单元进行零件生产同时又能准确夹持螺旋轮齿

筒夹同Global Gear公司自动化制造单元的整合

对于Global Gear公司而言，通过自动化方式装载这种筒夹非常困难。机器人可以轻松的将齿轮装载到传统针式夹具的三个或六个夹针上，但是对于筒夹而言，则需要对机器人运动进行编程。轮齿为螺旋形，导致问题更加复杂。

公司最后研发了一种全自动化装载程序。首先，制造单元的机器人会抓住齿轮前部，然后将齿轮放在车削机床的筒夹上。然后，机器人进行一次自由浮动式旋转轴定向。随着机器人施加内向压力，自由浮动状态基本可以让齿轮自我引导至筒夹内，这同手动装载齿轮时手部运动方式基本类似。

Global Gear公司的换装通常需要数小时，该厂会尽量在日班期间的上午完成换装，这样下一次轮班时就能开始生产。除了工件夹持变化，两项加工任务之间的切换也需要更改整个制造中心的刀具、程序、机器人、检查方式、流程内测量方式和表面加工工艺。

图3图示的KZF-S筒夹可以围绕轮齿周围均匀夹持，保证轮齿的轻微变形不会导致工件偏移（导致流程内检查不准确）或者延长设置时间。筒夹可以快速换装，夹持不同工件

“因为要使用自动化制造单元，在考虑将Röhm公司的筒夹作为一种可行方案时，我们实际上面临着一定的风险，”公司总裁Cory Ooyen称。“我们开始的时候有些怀疑，直到他们向我们展示这种筒夹可以非常便捷地完成换装，可以兼容我们的自动化系统同时可以精确地夹持工件，我们才打消了疑虑。”但是最终打动Cory Ooyen的是筒夹的可重复性：“尽管我们使用的其他工件夹持方式要求在每次换装时进行微调，但是，一旦确定了这种筒夹的位置，我们就可以在一次夹头或加工换装到下一次切换之间保持较高的可重复性，不需要进行调整。”

Ooyen先生称，该厂计划继续加装更多的自动化制造单元。在过去两年中，汽车客户推动着该厂的齿轮产量迅速提高，同时，其他细分市场的业务量也在提高。