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基于DE的仿生抓夹式夹具创新设计设计说明书

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天津职业技术师范大学
Tianjin University of Technology and Education

毕 业 设 计

专 业: 机械制造工艺教育
班级学号:
学生姓名:
指导教师: 副教授

二〇一二 年 六 月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

基于DE的仿生抓夹式夹具创新设计
Innovative design ofBionic Catch
Clip type Fixture Based on DE

专业班级: 机制0711班
学生姓名: 郑~~
指导教师: 副教授
学 院: 机械工程学院

6月
摘 要
为了明确仿生抓夹式夹具技术当前和未来发展的研究思路, 拓宽其研究领域, 跳出仿生抓夹式夹具固有的技术范畴, 从更高的理论层面对其进行分析, 为其未来发展领域寻求具有理论支持的技术方向。
本文将TRIZ的直接进化理论引入到仿生抓夹式夹具中来, 根据它的进化模式和多条进化路线来对仿生抓夹式夹具技术进行分析, 发现其进化潜能。这里主要经过对反馈可控性、 减少人为干预、 动态化三条路线进行分析, 对仿生抓夹式夹具技术将来可能的发展方向做出准确判断和预测。
经过对仿生抓夹式夹具的预测, 对其做出创新设计。运用TRIZ理论中的冲突及创造创新原理, 对问题进行分析, 得出技术冲突, 即适应性及多用性与系统的复杂性的冲突。根据冲突矩阵表, 查出创造创新原理, 运用其中的动态性和机械系统替代原理, 设计出伸缩抓夹夹具和吸附式夹具。

关键词: 直接进化理论; 仿生抓夹式夹具; 进化模式; 创新设计

ABSTRACT
For present and future development of the fixtures’ technology clear thinking,broden the research field, jumped out of the inherent fixture technology category, from the theoretical level to analyze it, for the future development field of fixture looking for the technology trends of theory support.
the paper quoted Directed evolution theory of TRIZ to the Bionic Catch Clip type Fixture.According to its Patterns of technological evolution and multiple evolutionary lines to analyze bionic catch clip type fixture technologies, and find its evolutionary potential. There mainly through feedback control, reducing human intervention, dynamic route for analysis, on the development direction of the possible future has made accurate judgment and the forecast.
Through forecast about the bionic catch clip type fixture, to make its innovative design. Using the theory of conflict and inventive principles to analyze the problem, we conclude that technology conflicts, the conflict, namely is adaptability and the complexity of the system. according to the conflict matrix table, find out the principle invention and innovation, then, using the dynamic and mechanical system substitution principle, design the telescopic catch clip fixture and adsorptive fixture.

Key Words: Directed evolution; Bionic Catch Clip type Fixture ; Patterns of technological evolution ; innovative design

目 录
1 绪论 1
1.1 设计背景及意义 1
1.2 仿生设计 1
1.2.1 仿生设计内容 1
1.2.2 仿生设计原则 2
1.3 创新设计 3
2 TRIZ理论 4
2.1 TRIZ创造问题解决理论 4
2.2 TRIZ的三大进化理论 4
2.2 直接进化理论 6
2.2.1 进化模式 6
2.2.2 进化路线 7
2.2.3 进化潜能 9
3 基于DE的仿生抓夹式夹具创新设计 10
3.1 夹具 10
3.1.1 夹具的分类 10
3.1.2 夹具的作用 11
3.1.3 夹具的组成 11
3.1.4 夹具的现状及发展方向 12
3.2 柔性夹具 13
3.2.1 柔性夹具的分类 14
3.2.2 仿生抓夹式夹具 14
3.3 仿生抓夹式夹具的进化预测 15
3.3.1 进化路线分析 15
3.3.2 预测结论 19
3.4 仿生抓夹式夹具的创新设计 19
结 论 22
参考文献 23
附录1 技术冲突和创造原理表 25
附录2 英文资料及翻译 27
致 谢 43

1 绪论
1.1 设计背景及意义
机械制造的机械加工、 焊接、 热处理、 检验、 装配等工艺过程中, 为了安装加工工件, 使之占有正确的位置, 以保证零件和产品的质量, 并提高生产效率, 所采用的工艺装备称为夹具。
夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步, 夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
夹具按用途分类, 可分为机床夹具、 装配夹具和检验夹具等; 按通用化程度分类, 可分为通用夹具、 专用夹具、 成组夹具、 组合夹具、 随行夹具。而仿生抓夹式夹具属于其中机床夹具和通用夹具。
在批量生产中, 企业都习惯于采用传统的专用夹具, 一般在具有中等生产能力的工厂里, 约有数千甚至近万套专用夹具; 在多品种生产的企业中, 每隔3~4年就要更新50%~80%的专用夹具, 而夹具的实际磨损量仅为10%~20%, 这些夹具往往留下来又很难得到重复使用, 抛弃她们又实在可惜, 因此造成很大的浪费。这些都是一直困扰企业的现实问题。近年来, 数控机床、 加工中心、 成组技术、 柔性制造系统等新加工技术的应用, 对机床夹具提出了如下新的要求:
a) 能迅速而方便地装备新产品的投产, 以缩短生产准备周期, 降低生产成本;
b) 能装夹一组具有相似性特征的工件;
c) 能使用于精密加工的高精度机床夹具;
d) 能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具;
e) 采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置, 以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率;
f) 提高机床夹具的标准化程度。
显然, 如何设计制造出更先进的夹具是工业进步的一大关键, 因此研究仿生抓夹式夹具的进化历程和夹具技术的未来发展方向有着重要的意义。
1.2 仿生设计
仿生设计是工业设计中有着深厚历史积淀与丰富实践经验的, 同时又是最新鲜、 最具活力的设计创新方法, 是设计回归自然、 追求人性化的具体、 可行的方法, 正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。
1.2.1 仿生设计内容
由于仿生设计的研究领域非常广泛, 因此仿生设计的内容能够从不同的角度产生不同的层次和方向。基于生物特征认知与产品的构成要素的相关性, 能够将仿生设计的主要内容归纳为: 仿生物体形态的设计; 仿生物表面肌理与质感设计; 仿生物结构的设计; 仿生物功能的设计; 仿生物色彩的设计; 仿生物形式美感的设计; 仿生物意象的设计等。
( 1) 仿生物体形态的设计
是在对自然生物体。包括动物、 植物、 微生物、 人类等所具有的典型外部形态的认知基础上, 寻求对产品形态的突破与创新。仿生物形态的设计是仿生设计的主要内容, 强调对生物外部形态美感特征与人类审美需求的表现。
( 2) 仿生物表面肌理与质感设计
自然生物体的表面机理与质感, 不但仅是一种触觉或视觉的表象, 更代表某种内在功能的需要, 具有深层次的生命意义, 经过对生物表面肌理与质感的设计创造, 增强仿生设计产品形态的功能意义和表现力。
( 3) 仿生物结构的设计
生物结构是自然选择与进化的重要内容, 是决定生命形式与种类的因素, 具有鲜明的生命特征与意义。结构仿生设计经过对自然生物由内而外的结构特征的认知, 结合不同产品概念与设计目的进行设计创新, 使人工产品具有自然生命的意义与美感特征。
( 4) 仿生物功能的设计
功能仿生设计主要研究自然生物的客观功能原理与特征, 从中得到启示以促进产品功能改进或新产品功能的开发。
( 5) 仿生物色彩的设计
自然生物的色彩首先是生命存在的特征与需要, 对设计来说更是自然美感的主要内容, 其丰富、 纷繁的色彩关系与个性特征, 对产品的色彩设计具有重要意义。
( 6) 仿生物形式美感的设计
从人类的审美要求出发, 发现和归纳自然生物所蕴含的美感规律, 更好的进行产品美感与意义的整合设计。
( 7) 仿生物意象的设计
生物的意象是在人类认识自然的经验与情感积累的过程中产生的, 仿生物意象的设计对产品语义和文化特征的体现具有重要作用。
1.2.2 仿生设计原则
作为工业设计的一种创新思维与方法, 仿生设计首先应该遵循工业设计的一下原则。
①艺术性与科学性相结合: 尊重客观审美规律的同时, 应用先进的科学技术进行设计的产品化与商品化。
②功能性: 产品合理、 有效的基本功能和方便、 安全、 宜人等多层次功能的综合体现。
③经济性: 满足标注化、 批量生产的产品设计, 同时延长使用寿命、 方便运输、 维修及回收。
④创造性: 在概念、 思维、 方法、 表现、 使用等方面的独创性。
⑤需求性: 对不同时间、 地点、 环境、 年龄、 人群等多元化需求的差异性设计, 满足并创造需求。
⑥系统性: 是对产品系统的认识、 把握与创造。
⑦资源性: 经过设计追求自然资源、 设计资源的无限可逆性循环利用。
对仿生设计来说更加强调以下几个方面:
①设计的合理性与合目的性: 对自然生物相关概念分析、 概括与设计应用的合理。
②设计的创造与再造: 对自然生物模拟及更高层次设计应用的可持续性、 可逆性创造。
③设计的多义性: 理解自然生物有意义的形式, 赋予产品更多样化的美感和含义。
1.3 创新设计
创新设计是指充分发挥设计者的创造力, 利用人类已有的相关科技成果进行创新构思, 设计出具有科学性、 创造性、 新颖性及实用性的一种实践活动。
创新设计是创新理念与设计实践的结合。发挥创造性的思维, 将科学、 技术、 文化、 艺术、 社会、 经济融汇在设计之中, 设计出具有新颖性、 创造性和实用性的新产品。创新设计能够从以下几个侧重点出发:
1、 从用户需求出发, 以人为本, 满足用户的需求。
2、 从挖掘产品功能出发, 赋予老产品以新的功能、 新的用途。
3、 从成本设计理念出发, 采用新材料、 新方法、 新技术, 降低产品成本、 提高产品质量、 提高产品竞争力。
创新是设计本质的要求, 也是时代的要求。作为”为传达而设计”的视觉传达设计, 如何正确充分地传达信息是每一个设计者始终要面临的中心问题。可是, 在当今社会, 仅仅把传达信息的关键词定位于正确和充分显然是不够的。必须要把视觉传达设计的创新重视起来, 从设计理念、 视觉语言和技术表现方式的创新入手, 正确充分地传达信息。
2 TRIZ理论
TRIZ是一种创造问题解决理论, 由前苏联学者根里奇·阿奇舒勒创立于1946年。TRIZ理论成功地揭示了创造创造的内在规律和原理, 着力于澄清和强调系统中存在的矛盾, 其目标是完全解决矛盾, 获得最终的理想解。实践证明, 运用TRIZ理论, 可大大加快人们创造创造的进程而且能得到高质量的创新产品。
2.1 TRIZ创造问题解决理论
在利用TRIZ解决问题过程中, 设计者首先将待设计的产品表示成为TRIZ问题, 然后利用TRIZ中的工具, 如创造原理、 技术进化理论等, 求出该TRIZ问题的普通解, 最后设计者再把该解转化为特定解。
技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果。技术冲突场表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。经过对250万件专利研究的详细研究, TRIZ理论提出39个通用工程参数( 见附录表一) 描述冲突。实际应用中, 首先要把组成冲突的双方内部性能用该39个工程参数中的两个来表示, 然后在冲突矩阵中找出解决冲突的”创造原理”。
TRIZ中的创造原理是由专门研究人员对不同领域的已有创新成果进行分析、 总结, 得到的具有普遍意义的经验, 这些经验对指导不同领域的产品创新都有重要的参考价值。在对全世界专利进行分析, 阿奇舒勒提出了40条创造原理( 见附录表二) 。实验证明这些原理对于指导设计人员的创造创造具有重要的作用图2-1所示就是应用冲突解决问题的流程。
具体化
应用40条原理
应用39个参考将问题一般化
一般问题
特定问题
特定解
一般解

图2-1 应用冲突解决问题的流程

2.2 TRIZ的三大进化理论
TRIZ理论包含着许多系统的、 科学的而又富有可操作的创造性思维方法和创造问题的分析方法, 而TRIZ技术进化理论是其中的一部分, 其认为技术系统的进化存在着客观规律而不同领域的技术进化规律是能够相互移植的。
随着TRIZ进化理论的发展, 不同的研究者提出了不同的进化模式体系。有技术进化理论( Evolution of Technique, ET) 、 技术进化引导理论( Guided Technology Evolution, GTE) 、 直接进化理论( Directed Evolution, DE) :
1) 技术进化理论
ET理论侧重于TRIZ技术进化理论的原理诠释, 它着重于研究了技术进化的动力和理论基础。该理论认为, 技术系统进化的主要动力来自于人们对技术系统主要功能逐步提高的要求。ET理论为技术系统的进化方向及进化时间点等的选择问题提供了可行性思路, 但由于这些假设本身是逻辑推测而非严格数理证明的结果, 关于这些假设的实证研究也尚未开展, 因此其可靠性有待进一步检验。
2) 技术进化引导理论
GTE理论包括了6条进化模式: ①增加理想度; ②子系统不平衡; ③向超系统转换; ④增加动态性; ⑤缩短能量转换路径; ⑥向微观级转换。GTE理论是以技术预测理论为中心的新兴应用性技术进化理论, 其出发点是根据TRIZ理论开发出一种结构化的方法, 对技术系统发展趋势进行准确预测。
3) 直接进化理论
DE理论是从如何利用技术预测理论进行战略决策或提高未来可控性的角度, 对
技术进化理论进行研究, 其核心思想是精益求精。DE理论认为, 传统的预测理论消极地认为等待技术进化过程的自然发生, GTE则是机械地预测技术进化过程, 而DE理论则强调如何根据特定的目标选择适应的技术进化模式, 以达到提高未来可控性的目的。因此, 与其它技术进化理论相比, DE具有灵活性和目标导向性的特点, DE理论的使用步骤及通用流程详如图2-2所示。因此我们选用DE理论对夹具进行进化预测。
现在是理解过去的关键
过去是理解未来的关键
理解未来是控制进化的关键
1. 收集历史数据
2. DE诊断
3. 思想综合
4. 决策制定
5. .支撑进化过程

图2-2 DE理论的使用步骤及通用流程图

DE理论包含了10条进化路线: ①进化阶段; ②增加理想化水平; ③增加资源的包含量; ④系统零部件的非均衡发展; ⑤增加系统的动态性和可控性; ⑥增加系统的复杂性再简化; ⑦零件之间的匹配与不匹配; ⑧向微观进化; ⑨增加场的应用; ⑩增加自动化, 减少人的介入。
2.2 直接进化理论
直接进化理论是TRIZ理论的一个重要的分支, 其核心是技术进化过程的管理与控制, 它主要研究技术在结构上进化的趋势, 即技术进化定律或进化模式、 技术进化路线和技术进化潜能。
2.2.1 进化模式
技术系统进化模式是指技术系统在发展过程中所呈现出的复杂进化趋势。随着TRIZ理论的发展, 进化模式的种数也不断变化, 进化模式, 下面是10种进化模式:
进化模式1:进化阶段, 技术系统的生命周期为出生、 生长、 成熟、 退出。
考虑到原有技术系统与新技术系统的交替, 可描述为六个阶段:
（1） 系统还没有存在, 但出现的重要条件已发现。
（2） 高级别的创新已出现, 但发展很慢。
（3） 社会认识到新系统的价值。
（4） 初始系统概念的资源已用尽。
（5） 新一代产品开始出现, 并代替原系统。
（6） 原系统的部分应用可能与新系统共同存在。
进化模式2:增加理想化水平。
每一种系统完成的功能在产生有用效应的同时都会不可避免地产生有害效应。系统改进的大致方向就是提高系统的理想化程度, 能够经过系统改进来增大系统的有用功能和减小系统的有害功能。例如第一台计算机质量为数吨, 需占用一大房间, 但确实具有计算的功能。当前的便携式计算机质量及体积都很小, 且具有文字处理、 数学计算、 通信、 绘图、 播放多媒体等功能。
进化模式3:增加资源的包含量。
进化模式4:系统零部件的非均衡发展。
不同的子系统具有不同的生命周期, 某些子系统阻碍了系统整体的进化。产品进化中常见的错误是非关键子系统得到设计人员特别的关注。如设计人员努力开发更好地飞机发动机, 但对飞机影响最大的是其空气动力学系统, 因此, 设计人员的努力对提高飞机性能的作用不大。
进化模式5:增加系统的动态性和可控性。
在系统的进化过程中, 技术系统总是经过增加动态性和可控性而不断地得到进化。也就是说, 系统会增加本身的灵活性和可变性以适应不断变化的环境和满足多种要求。例如早期的汽车是靠发动机的速度控制的, 后是靠手工操纵齿轮变速器控制速度, 后来又是自动变速器。
进化模式6:提供增加系统的复杂性使问题得到简化。
技术系统总是首先趋向于结构复杂化( 增加系统元件的数量, 提高系统功能的特性) , 然后逐渐精简( 能够用一个结构稍微简单的系统实现同样的功能或者实现更好的功能) 。把一个系统转换为双系统或多系统就能够实现这些。例如组合音响将AM/FM收音机、 磁带机、 VCD机、 扬声器等集成为一个系统, 用户可根据需要选择自己需要的功能。
进化模式7:系统元件匹配和不匹配交替出现。
在这种进化模式中, 为了改进系统功能并消除负面效应, 系统元件能够匹配, 也能够不匹配。例如早期的轿车采用板簧吸收振动, 这种结构式从当时马车上借用的。随着轿车的进化, 板簧与轿车的其它部分已不匹配, 后来研制出轿车专用减振器。
进化模式8:由宏观系统向微观系统进化。
即技术系统及其子系统在进化过程中, 向着减小它们尺寸的方向进化, 进化的终点意味着元件不存在, 需经过场实现其必要功能。例如烹调用的灶具开始采用烧木材或烧煤的炉子, 此后的灶具烧天然气, 后来出现了微波炉及电磁炉。
进化模式9:增加场的使用。
场的应用是微观级的最高级别, 场是无形的, 产生场的作用物能够远离系统, 虽为系统的一部分但能够不在系统实体组成需要考虑的范围之内。
进化模式10: 提高系统的自动化程度, 减少人的介入。
目的就是希望系统能代替人类完成那些单调乏味的工作, 而让人类去完成更多富有创造性的脑力工作。例如最出洗衣服用搓板, 此后出现了单杠、 双杠洗衣机, 后来又出现了全自动洗衣机。
这十种模式导致产品不同的进化路线, 每种进化模式都有多条进化路线。
2.2.2 进化路线
每条产品进化路线是从结构进化的特点描述产品核心技术所处的状态序列。进化路线指出了产品结构进化的状态序列, 其实质是产品如何从一种核心技术移动到另一新的核心技术, 新旧核心技术所完成的基本功能相同, 但新技术的性能极限提高或成本降低。即产品沿进化路线进化的过程是新旧核心技术更替的过程。
基于当前产品核心技术所处的状态, 按照进化路线, 经过设计, 可使其移动到新的状态。核心技术经过产品的特定结构实现, 产品进化过程的实质是产品结构进化的刚性系统
一个铰链
多铰链
弹性体
液体
气体
场
单镜头
双镜头
多镜头
弹性镜头
液体镜头
气体镜头
场控镜头
本机构当前所处状态
新状态
过程。因此, TRIZ中的技术进化理论是预测产品结构进化的理论。如图2-3所示是模式5”增加动态性和可控性”下的一条进化路线和产品的进化过程。

图2-3 ”增加动态性和可控性”中的进化路线

进化模式1
进化模式2
进化模式…
进化模式n
问题
进化路线1-1
进化路线…
进化路线1-m
进化路线n-1
进化路线…
进化路线n-m

状态1
状态3
状态…
状态2
状态p
当前状态
最高状态
技术系统的进化路线是指一个系统从结构进化的特点描述产品核心技术所处的状态序列。每种进化模式都包括多条进化路线, 当前, 已经发现的产品进化路线已有300多条, 典型的进化路线有20条。研究这些进化路线对产品创新具有很重要的意义。应用进化模式与进化路线的过程如图2-4所示
图2-4 搜索具有进化潜力的进化路线

应用进化模式和进化路线过程为: 根据已有产品的结构特点选择一种或几种进化模式, 然后从每种模式中选择一种或几种进化路线, 从进化路线中确定新的核心技术的可能的结构状态。
2.2.3 进化潜能
系统的进化潜能
系统已进化的路线
技术进化模式、 进化路线与现代产品设计方法学的融合, 产生了进化潜能的新概念。TRIZ直接进化的潜能图( 也称雷达图) 如图2-5所示, 图中每一条射线表示与构件或系统相关的进化模式, 外周表示进化模式沿各条路线的进化极限, 阴影面积表示当前产品沿进化路线已完成的进化, 而进化极限与阴影面积之间的面积差就代表该系统的进化潜能。对不同的产品, 进化模式可能不同。进化潜能图可直观表示给定技术系统的进化情况, 为设计人员确定未来技术开发方向提供了理论依据。
图2-5 技术系统进化潜能图

由于直接进化的进化潜能图将进化极限定义为TRIZ预测的产品能达到的最终进化路线, 即进化潜能图是一个封闭的多边形图, 这显然与技术的不断进步不符。因此, 应从发展的观点研究技术系统的进化潜能。
3 基于DE的仿生抓夹式夹具创新设计
3.1 夹具
机械制造的机械加工、 焊接、 热处理、 检验、 装配等工艺过程中, 为了安装加工工件, 使之占有正确的位置, 以保证零件和产品的质量, 并提高生产效率, 所采用的工艺装备称为夹具。
3.1.1 夹具的分类
机床夹具能够按不同的方式进行分类。
1) 按通用化程度分类
①通用夹具
通用夹具是指已经标准化的, 在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。例如, 车床上三爪卡盘和四爪单动卡盘, 铣床上的平口钳、 分度头和回转工作台等。这类夹具一般由专业工厂生产, 常作为机床附件提供给用户。
采用这类夹具能够缩短生产准备周期, 减少夹具品种, 从而降低生产成本。其缺点是夹具的加工精度不高, 生产率也较低, 且较难装夹形状复杂的工件, 故适用于单件小批量生产。
②专用夹具
专用夹具是针对某一工件某一工序的加工要求而专门设计和制造设夹具。其特点是针对性极强, 没有通用性。在产品相对稳定、 批量较大的生产中, 常见各种专用夹具, 可获得较高的生产率和加工精度。专用夹具的设计制造周期较长, 随着现代多品种, 中、 小批生产的发展, 专用夹具在适应性和经济性等方面已产生很多问题。
③成组夹具
适用于一组零件的夹具, 一般都是同类零件, 经过调整( 如更换、 增加一些元件) 可用来定位, 夹紧一组零件。
④组合夹具
由许多标准件组合而成, 可根据零件加工工序的需求拼装, 用完后再拆卸, 可用于单件、 小批生产。
⑤随行夹具
用于自动线上, 工件安装在随行夹具上, 随行夹具由运输装置送往各机床, 并在机床夹具或机床工作台上进行定位夹紧。
2) 按使用机床的类型分类
可分为车床夹具、 磨床夹具、 钻床夹具、 镗床夹具、 铣床夹具等。
3) 按动力源分类
可分为手动夹具、 气动夹具、 液压夹具、 气液夹具、 电动夹具、 电磁夹具、 真空夹具、 自紧夹具等。
4) 按用途分类
可分为机床夹具、 装配夹具、 检验夹具、 抓夹夹具等。
3.1.2 夹具的作用
夹具在零件加工过程中的作用主要有以下5点:
( 1) 保证加工精度。用夹具装夹工件时, 能稳定地保证加工精度, 并减少对其它生产条件的依赖性, 故在精密加工中广泛地使用夹具。另外, 它还是全面质量管理的一个重要环节。
( 2) 提高生产率。用夹具来定位、 夹紧工件, 就避免了手工操作用划线等方法来定位工件, 缩短了安装工件的时间。
( 3) 降低生产成本。在批量生产中使用夹具时, 由于劳动生产率的提高和允许使用技术等级较低的人工操作, 故可明显地降低生产成本。
( 4) 改进工人的劳动条件。用夹具装夹工件方便、 省力、 安全。当采用气压、 液压等夹紧装置时, 可减轻工人的劳动强度, 保证安全生产。
( 5) 扩大机床的工艺范围。在机床上安装一些夹具能够扩大其工艺范围。如在车床上加上三爪卡盘, 加工短轴类、 套类零件等要方面很多。有些夹具对保证发挥机床基本性能的作用是很大的, 如在牛头刨床上没有虎钳是很难进行加工的。
3.1.3 夹具的组成
一般的夹具是由下列几部分组成:
( 1) 定位元件。定位元件是夹具的主要功能元件之一, 它的作用是使工件在夹具中占据正确的位置。一般, 当工件定位基准面的形状确定后, 定位元件的结构也就基本上确定了。
( 2) 夹紧装置。将工件夹紧, 以保证在加工时保持所限制的自由度。根据动力源的不同, 可分为手动、 气动、 液压和电动等夹紧装置。一般, 夹紧装置的结构会影响夹具的复杂程度和性能。它的结构类型很多, 设计时应注意选择。
( 3) 导向元件和对刀装置。用来保证刀具相对于夹具的位置, 对于钻头、 扩孔钻、 铰刀、 镗刀等孔加工刀具用导向元件, 对于铣刀、 刨刀等用对刀装置。
( 4) 连接元件。根据机床的工作特点, 夹具在机床上的安装连接常有两种形式: 一种是安装在机床工作台上, 另一种是安装在机床主轴上。连接元件用以确定夹具本身在机床上的位置。
( 5) 夹具体。夹具体是夹具的基本骨架。定位元件、 夹紧装置、 导向元件、 对刀装置、 导向元件、 对刀装置、 连接元件等都装在它上面, 因此夹具体一般比较复杂, 它保证了各元件之间的相对位置。常见的夹具体为铸造结构、 锻造结构、 焊接结构, 形状有回转体形和底座形等多种。
( 6) 其它元件及装置。根据加工需要, 有些夹具还会采用分度装置、 靠模装置、 上下料装置、 工业机器人、 顶出器和平衡块等, 这些元件或装置也需要专门设计。
夹紧装置
连接元件
导向元件
对刀装置
定位元件
夹具体
辅助工具
其它
机床
工件
刀具
机床夹具和机床、 刀具、 工件之间的关系如图3-1所示。
图3-1 机床夹具和机床、 刀具、 工件之间的关系

3.1.4 夹具的现状及发展方向
夹具最早出现在18世纪后期, 随着科学技术的不断进步, 夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
( 1) 夹具的现状
国际生产研究协会的统计表明, 当前中、 小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85%左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代, 以适应市场的需求与竞争。然而, 一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具, 一般在具有中等生产能力的工厂里, 约拥有数千甚至近万套专用夹具; 另一方面, 在多品种生产的企业中, 每隔3～4年就要更新50～80%左右专用夹具, 而夹具的实际磨损量仅为10~20%左右。特别是近年来, 数控机床、 加工中心、 成组技术、 柔性制造系统( FMS) 等新加工技术的应用, 对机床夹具提出了如下新的要求:
①能迅速而方便地装备新产品的投产, 以缩短生产准备周期, 降低生产成本;
②能装夹一组具有相似性特征的工件;
③能适用于精密加工的高精度机床夹具;
④能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具;
⑤采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置, 以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率;
⑥提高机床夹具的标准化程度。
( 2) 夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、 精密化、 高效化和柔性化等四个方面。
①标准化。机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。当前中国已有夹具零件及部件的国家标准: GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、 组合夹具标准等。机床夹具的标准化, 有利于夹具的商品化生产, 有利于缩短生产准备周期, 降低生产总成本。
②精密化。随着机械产品精度的日益提高, 势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多, 例如用于精密分度的多齿盘, 其分度精度可达±0.1; 用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘, 其定心精度为5μm。
③高效化。高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间, 以提高劳动生产率, 减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、 高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如, 在铣床上使用电动虎钳装夹工件, 效率可提高5倍左右; 在车床上使用高速三爪自定心卡盘, 可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件, 从而使切削速度大幅度提高。当前, 除了在生产流水线、 自动线配置相应的高效、 自动化夹具外, 在数控机床上, 特别在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置, 充分发挥了数控机床的效率。
④柔性化。机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似, 它是指机床夹具经过调整、 组合等方式, 以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有: 工序特征、 生产批量、 工件的形状和尺寸等。
具有柔性化特征的新型夹具种类主要有: 组合夹具、 通用可调夹具、 成组夹具、 模块化夹具、 数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、 中小批量生产的需要, 扩大夹具的柔性化程度, 改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构, 发展可调夹具结构, 将是当前夹具发展的主要方向。
3.2 柔性夹具
一般说来, 柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后, 夹具还能适应继续使用的应变能力。可是工件变化能够在小范围, 即在相似的形状和和尺寸变动不大的范围内, 也可在大范围, 即零件形状完全不同, 尺寸变化很大。因此, 柔性夹具还是含糊的, 没有明确的定义和界限。笼统的说, 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。
3.2.1 柔性夹具的分类
柔性夹具是指用同一夹具系统, 完成多种形状尺寸各异的工件装夹的装备。或者说, 柔性夹具就是指与NC机床、 加工中心配合使用的, 具有加工多种不同工件的夹具。柔性夹具的主要类见表1。
表1 柔性夹具分类表
分类
柔性工作原理
种类
主要优缺点
组合夹具
标准元件的机械装配
孔系、 槽系
应用较广, 特别是孔系组合夹具因刚度好而应用于数控加工中心
可调整夹具
在通用或者专用夹具基础上更换元件和调节元件位置
通用、 成组
通用范围大, 适应性广, 加工对象不太固定, 一般在多品种、 小批量中应用广泛
模块化程序控制式夹具
用伺服控制机构
双转台回转式
结构复杂, 成本偏高, 柔性有限
适应性夹具
将定位元件或者夹紧元件分解成更小的元素以适应工件的连续变化
涡轮叶片式
弯曲场轴式
适应范围小
相变材料
夹具
材料物理性质( 相态、 压强) 的变化
真相变材料夹具、 伪变相材料流态床夹具
工件加工精度受到相变条件
仿生抓夹
式夹具
形状记忆合金
机器人终端器夹具
成本较高

3.2.2 仿生抓夹式夹具
根据柔性夹具的分类可知, 仿生抓夹式夹具是由柔性夹具发展得到的。它包括了结构柔性, 材料柔性等。比如说它的材料柔性, 它的材料可为形状记忆合金。
形状记忆合金是近几十年发展起来的一种新型功能材料, 它是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。其特点是: 将已在高温下定形的形状记忆合金置于低温或常温下使其变形, 当环境温度升高到临界温度时, 合金的变形消失并可回复到定型时的原始状态。
仿生抓夹式夹具是仿照生物的特点来设计和制造出来的, 如生物的结构、 形态、 表面肌理、 功能等。主要是仿照生物的夹持能力。如下图3-2, 仿照蜘蛛的多爪抓夹夹具。
仿生抓夹式夹具主要用来抓夹物体, 一般用在机器人或机械装置的终端。
图3-2 多抓仿生抓夹夹具
3.3 仿生抓夹式夹具的进化预测
3.3.1 进化路线分析
经过对仿生抓夹式夹具技术的分析, 我们将从以下几条进化路线对仿生抓夹式夹具技术进行分析, 分别为增加反馈可控性、 增加动态化路线、 减少人为干预路线。
( 1) 增加反馈可控性
直接控制
增加反馈
增加媒介控制
智能反馈
机械控制
液压控制
增加传感器
智能控制
当前状态
新状态
这是直接进化理论的模式5下的一条路线, 即”增加动态性及可控性”。
图3-3 仿生抓夹式夹具的反馈可控性路线
经过对仿生抓夹式夹具技术的发展分析, 得出仿生抓夹式夹具反馈可控性路线, 如图3-3所示。
最初的仿生抓夹式夹具制造简单, 由工人手动夹紧, 操作简单, 属于机械控制, 如下图3-4所示, 为一个简单的机械控制仿生抓夹式夹具。机械控制是最基本的一种控制, 它是利用机械设备本身的有关部件实现控制, 可是工作效率低, 精度也低。
图3-4 机械控制 图3-5 液压控制

随着仿生抓夹夹具的发展, 先后出现了液压和气压控制, 大多数使用液压控制。液压控制是仿生抓夹式夹具的一种主要的控制方式。仿生抓夹式夹具的夹持元件运动速度和操作是根据油的流量与压力来确定的, 因而只要控制油的流量与压力, 就能够控制夹持元件的运动速度和