為什么說夾具也需要被“監(jiān)視”

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在機(jī)械加工和工裝制造過程中，會用到許多連接元件和裝夾元件，這些元件對制造和操作人員以及生產(chǎn)設(shè)備的安全性所帶來的主要影響是其實(shí)際所生成的夾持力不準(zhǔn)確性和不安全性問題。因此，在開發(fā)未來型裝夾系統(tǒng)時，必須要對以往的裝夾系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，改進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量并提高與整體機(jī)床系統(tǒng)的集成度。

現(xiàn)代化的車銑加工中心和五軸加工機(jī)床及加工中心既可以實(shí)施一次性裝夾中的不同加工策略，也可以實(shí)現(xiàn)針對每個用戶的個性化產(chǎn)品匹配。有時也會出現(xiàn)可結(jié)合多種不同切削工藝(如車削、銑削和鏜削等)的復(fù)合型加工系統(tǒng)。這也就意味著此類設(shè)備及其組成部件可以承受更大的負(fù)荷。加工成效主要體現(xiàn)在設(shè)備和工裝夾具的損傷程度和故障率以及加工過程中的殘次品率上。

在小批量加工或單件加工的生產(chǎn)線上，改變生產(chǎn)設(shè)備功能的裝備過程成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，在生產(chǎn)中所投入使用的機(jī)床設(shè)備的高利用率便構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)效率，和盡可能維持低生產(chǎn)成本的一個基礎(chǔ)。人們要求能夠達(dá)到快速而后又能以特定的夾持力來完成重新連接，以避免過長的停機(jī)時間。在機(jī)床設(shè)備范圍內(nèi)，通過對單臺設(shè)備(轉(zhuǎn)塔刀庫)上更換模塊所需的時間耗費(fèi)研究發(fā)現(xiàn)，夾具夾持力調(diào)節(jié)和工裝設(shè)置等方面存在著很大的工作量，往往需要專業(yè)人員參與其中。

力監(jiān)視系統(tǒng)(FMS)的構(gòu)成

柔性化制造的FMS系統(tǒng)工作一般基于無線傳感技術(shù)，并采用標(biāo)準(zhǔn)化夾具的系統(tǒng)進(jìn)行，目的是要通過縮短工裝過程、生產(chǎn)輔助時間和因各種原因造成的停機(jī)時間來提高生產(chǎn)設(shè)備的可利用率。在對測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時，應(yīng)該考慮到通過對FMS的集成和在工件與夾具之間的無線信號傳輸，使該測量系統(tǒng)可以被加裝到設(shè)備上。

▲西門子PG工廠對渦輪機(jī)機(jī)殼的加工

下圖所示新研發(fā)的力監(jiān)視系統(tǒng)，它不僅可以在機(jī)床設(shè)備調(diào)整過程中，同時也可以在加工過程中對夾具的夾持力進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控。集成在FMS上的DMS力傳感器根據(jù)不同的型號可通過壓力元件在0～1000k·N測定夾持力。內(nèi)置的電池可以與一個前端電子器件相連接，該電子器件以全球通用的2.4GHz頻段把所測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給手持裝置上，或發(fā)送給一臺帶有USB接口的筆記本電腦上。

▲力傳感器和顯示監(jiān)視器所構(gòu)成的力監(jiān)視系統(tǒng)

針對現(xiàn)代化傳感型工裝夾具研發(fā)，主要目標(biāo)可以定義為：

•實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊型結(jié)構(gòu)，以便用于機(jī)床和設(shè)備上;

•在達(dá)到緊湊型結(jié)構(gòu)的同時，也實(shí)現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)部件為導(dǎo)向的盡可能大的夾持力;

•在技術(shù)方案上追求可刻度化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)于盡可能大的應(yīng)用范圍;

•可能引起連接面松動的臨界載荷狀態(tài)和夾持力損耗危險(設(shè)置緊固螺栓或加工力)可通過測量技術(shù)得以盡早被識別;

•對因用戶不同的緊固狀況而造成的潛在危險，應(yīng)該通過可視化途徑顯示出來，并采取措施避免事故可能發(fā)生;

•在設(shè)置工裝夾具上(也從舒適性角度上)，盡可能實(shí)現(xiàn)簡單化操作(即插即用)，無需專用工具或?qū)�業(yè)知識;

•利用所獲得的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控目的，或作為生產(chǎn)過程中的誤差核對，成為單件加工或批量加工上的一種增值手段。

在無線傳感系統(tǒng)上，有源、無源和能量自足的系統(tǒng)之間存在著差異。主要的差異點(diǎn)在于為電子元件運(yùn)行所需的能源配備方式上。儲能器的規(guī)格需要根據(jù)具體的應(yīng)用場合來確定，由此須提供相應(yīng)的構(gòu)造空間。首先要采用鋰基儲能器，對蓄電池的選型需依據(jù)應(yīng)用場合中的靜態(tài)能耗、在有源模式下所需提供的瞬時最大功率、主要溫度范圍和蓄電池更換前所需維護(hù)時間間隔等情況而定。儲能器的持續(xù)運(yùn)行時間長短與掃描、應(yīng)用和傳輸率緊密相關(guān)。根據(jù)不同的使用場合，儲能器的持續(xù)運(yùn)行時間可以達(dá)到一年。

力監(jiān)視系統(tǒng)以其緊湊型結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)模塊化構(gòu)造而見長，由力傳感器、前端電子元件、儲能器和天線所構(gòu)成的整套傳感系統(tǒng)，可以被整體配置和納入到機(jī)械裝置里。由于該系統(tǒng)被置于一個結(jié)實(shí)的金屬外殼內(nèi)，因此無需接受額外的封裝。

針對FMS的應(yīng)用

工裝夾具制造廠商的目標(biāo)是為機(jī)器和設(shè)備制造業(yè)開發(fā)出相應(yīng)的裝夾元件，以避免因?qū)Σ考�的不良夾持而導(dǎo)致潛在危險和不必要的預(yù)張力損失。工件夾持力不足的原因往往是因?yàn)閷�工件的設(shè)置不正確所造成，且這種錯誤因缺乏監(jiān)視手段而未被察覺。

但是夾持力不足會對制造流程的質(zhì)量造成直接影響，對工件夾持系統(tǒng)的錯誤操作可以導(dǎo)致加工所需的最大夾持力缺失，造成工件在加工過程中在加工腔內(nèi)發(fā)生相對位置偏移，從而給切削流程帶來不良影響。這一點(diǎn)在車削作業(yè)(例如在車銑加工中心或五軸加工中心)上因發(fā)生振顫或外形偏差而影響很大。部件質(zhì)量下降、表面質(zhì)量和尺寸超差等因素會導(dǎo)致工件的殘次品率上升。常規(guī)的裝夾技術(shù)存在如下幾個方面的不足：

•所生成的預(yù)張緊力存在損耗現(xiàn)象，夾持力處于波動狀態(tài);

•在接合縫處存在著非勻質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài);

•在振動狀態(tài)下，連接處有可能會發(fā)生自行松動的現(xiàn)象;

•由于操作人員或作業(yè)器械的不同，可能會產(chǎn)生持續(xù)變化的裝夾力。

如果是容易變形的薄壁工件，通過采用以往的設(shè)置方法無法對裝夾力做出足夠的調(diào)節(jié)，也存在著夾持力超出實(shí)際需要和因夾持力過大而造成部件變形的危險。除了加工質(zhì)量不佳之外，夾持力悄然緩慢損耗的問題對于設(shè)備操作人員來說，也構(gòu)成了一個巨大的安全隱患。例如下圖西門子PG工廠里加工發(fā)電站渦輪機(jī)機(jī)殼時，因發(fā)生了動態(tài)不平衡現(xiàn)象導(dǎo)致了機(jī)殼在加工臺上發(fā)生晃動，夾具就無法一直處于夾緊狀態(tài)，這對于操作人員和設(shè)備都是一種風(fēng)險。

▲渦輪機(jī)機(jī)殼加工的裝夾技術(shù)

即使是在車銑加工中心上對較小的快速車削工件進(jìn)行加工時，夾持力檢測同樣也是必需的。在加工過程中，裝夾元件可以把由夾持機(jī)構(gòu)(夾鉗通過螺栓和螺母對工件的夾持)所生成和所測得并經(jīng)軸向校準(zhǔn)的夾持力數(shù)據(jù)傳輸給一個移動式測評裝置或設(shè)備的控制系統(tǒng)。

▲FMS單元應(yīng)用于對渦輪機(jī)機(jī)殼的裝夾上

通過對工裝夾具的調(diào)整和對來自夾持力監(jiān)視的測量數(shù)值的制備與可視化等措施，可以實(shí)現(xiàn)資源保護(hù)性的機(jī)械加工。例如未察覺的工件從夾具上發(fā)生松動等極差情況，可通過采用有效的夾持力監(jiān)視等手段來加以防范。對夾持力的測定可直接通過部件上的磁通量來實(shí)現(xiàn)，以此來達(dá)到對那些精細(xì)薄弱的工件或半成品的準(zhǔn)確裝夾，避免出現(xiàn)施力錯誤的危險。

并且所施加的夾持力可以在加工過程中和各個加工工序之間隨時接受檢查和驗(yàn)證，單獨(dú)檢查無需耗用額外的生產(chǎn)輔助時間，結(jié)合設(shè)定可編程公差和報警閾值，可以極大地提高生產(chǎn)安全性。

（來源jiajuxia）

遠(yuǎn)祥

這種其實(shí)也可以說成是后期生產(chǎn)的訊息收集。