从智能制造看夹具技术的发展

德国中欧工业技术咨询公司首席咨询顾问客座教授袁华博士 2017-02-27

智能制造对夹具技术提出新要求

无论是中国的“中国制造2025”还是德国的“工业4.0”，智能制造都在其中占据重要地位。智能制造的概念自上世纪80年代提出，经历了不同时期的演进，尤其是随着新一代信息技术的快速发展，人们赋予了“智能制造”更加丰富的内涵：今天我们所说的智能制造，将物联网、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、控制技术等结合起来，形成具有在企业内部、企业与企业之间实现实时管理和过程优化等特征的新型制造系统。智能制造的实现，将能够快速响应客户的个性化需求，以高效、经济、绿色的方法制造出小批量甚至单件产品，并为客户提供产品全生命周期的服务。

显然，智能制造对金属切削加工提出了前所未有的高要求。仅就“满足客户的个性化需求”这一点来说，我们现有的自动化加工系统就无法做到。因为目前所用的绝大多数自动化加工系统都是针对某一种或很有限的几种零件的较大批量的生产而设计制造的。如果被加工零件发生了变化，系统就无法适应。而智能制造，则要求生产系统能够很快适应不同零件的加工。要“满足客户的个性化需求”，那么对于一个生产系统来说，当前要加工的零件很可能和前一个加工过的零件不一样。因此，智能制造系统中的加工设备须具备极强的适应能力，以实现对不同工件的加工而制定的优化的加工工艺过程。金属切削加工工艺由“机床-刀具-夹具”这三大要素所决定。就目前的技术水准来看，数控机床已经具备很强的通用性，运行不同的程序可以加工不同的工件;数控机床的刀库可以配备各种需要使用的刀具，而且许多刀具也具有很好的通用性。因此，机床和刀具对实现智能制造来说，已经具备了良好的基本条件。然而，夹具却没有。夹具与工件具有极强的相关性，在加工不同形状和不同精度要求的工件时，往往需要使用不同的夹具。显而易见，实现金属切削加工的智能制造，夹具是最大的瓶颈。

如何解决这个问题?我认为可以从以下几个方面入手。

开发机电一体化夹具

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，大大提高了卡盘的灵活性，有利于实现制造系统对卡盘的智能控制。例如，德国罗姆公司和海勃格公司就已经开发出了这种电动驱动缸。

再如，在刀具夹持系统方面，以制造高端转角式刀具夹头(俗称角度头)著名的德国ROMAI公司在2016年斯图加特的机床展上展出了该公司研制的机电一体化的角度头(见图1，注：输出端未安装刀具)，这种角度头不仅可以使机床数控系统对其进行灵活控制，而且可以实现与移动设备(如智能手机)的通讯，对其运行状态进行实时监控。

图1: a) 纯机械式角度头 b) 机电一体化的角度头

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。

拓展广谱功能的夹具

虽然夹具对工件的相关性很强，但是如果能够开发出适应多种类工件和多工况的夹具，即广谱功能的夹具，从而最大限度地减少夹具的更换次数，那么对于智能制造来说就减少了很多麻烦。

以车削加工为例：卡盘是车削加工中最常用的夹具。正是因为生产实践中需要加工各种不同形状的工件，所以卡盘的种类也很多。仅从卡爪的个数来看，就有二爪卡盘、三爪卡盘、四爪卡盘、六爪卡盘等。如果一台车床需要频繁更换卡盘，以适应不同工件的加工，则智能制造无从谈起。针对这个问题，德国HWR公司开发出了专利产品——四爪浮动定心卡盘，这种卡盘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，覆盖了二爪卡盘、三爪卡盘和四爪卡盘所具有的功能。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(见图2 )。这时，工件的变形量比六爪卡盘夹持时还要小。使用这种广谱型卡盘可以解决一大批不同形状工件的车削加工问题。而且，这种卡盘也可以在加工中心上用于铣削加工。

图 2薄壁工件的8点夹持

为了解决各种形状薄壁空间曲面工件的夹持难题，德国KOSTYRKA公司研发出点阵式柔性夹持系统，它能自动适应不同工件的曲面形状，实现工件的快速夹持(见图3)。这也是一种适合智能制造的广谱功能夹具。

图3: 点阵式柔性夹持系统

增强夹具的加工有效性

夹具应该满足的基本要求是能够可靠地夹持工件，同时不能妨碍加工的进行。这就是夹具的加工有效性。夹具的加工有效性如何会直接影响加工工艺的优劣。

以铣削加工中的五面加工为例：所谓五面加工，就是在对工件一次夹紧的情况下实现五个面的加工。五面加工既能够有效地保证加工精度，又能够大大提高加工效率，因此必将是智能制造中常用的加工方式。但是，在使用传统的夹具时，由于夹持面过大，五面加工往往难以实现。

德国LANG公司的专利技术——咬合式虎钳展示了一个很好的解决方案，它只占据工件3mm的夹持高度，就能可靠地夹紧工件，让机床毫无障碍地对工件进行五面加工(如图4所示)。

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就无法得到加工，因此需要对工件进行掉头加工。这对加工精度和效率都有明显影响。解决这个问题的有效方法是：采用“顶尖+驱动顶尖”的方案(见图5)，在一次夹紧的情况下，实现工件的全长加工。

德国NEIDLEIN公司早在1944年就发明了这一技术，经过数十年的不断技术革新，驱动顶尖技术日臻成熟，如今已成为被车削加工和磨削加工中最有效的夹具之一。采用这种夹持技术，可以解决一大批轴类件的高效加工问题。如图6所示的各种轴类件都可以采用这种夹持方法在一次夹紧的情况下完成工件的全长车削加工。

图5: 采用“顶尖+驱动顶尖”实现工件全长加工

图6: 适合一次夹紧全长加工的常见轴类件

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”仍然是不存在的。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。这就涉及到我们通常所说的夹具快换技术。

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。例如，德国LANG公司最新推出的“Robo•Shelf”系统(见图7)，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。