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回顾用于制造和组装刚性部件的最新夹具系统

文章信息 摘要

、简介

每个项目的制造或组装都依赖于一个系统，该系统构建并保持工件/零件相对于末端执行器以及可能的其他组件之间的接口。接口执行两个基本功能，具体取决于所使用的组件/系统；他们可能执行两个可选功能：

i.基本功能：

1. 定位策略：通过去除适当的自由度（DoF）来定位和定位欧几里得空间中的零件。当移除所有自由度时，定位策略必须是确定性的，并且要求对于任何刚体运动，工件需要与至少一个定位器失去接触。
2. 夹紧策略：保持零件在适当的位置以抵抗任何制造力。

ii. 可选功能：

1. 支撑策略：这是在制造过程中尽量减少零件的变形。
2. 工具交互：这是引导或与流程末端执行器交互。

这四种功能的工业应用体现在大量的组件和系统中，可按表1所示进行分类。这些设备中最简单的一种，例如台虎钳和卡盘，属于基本工件夹持的范畴。为了执行它们的基本功能，基本的工件夹持系统使用工件的局部坐标系 (LCS) 作为参考来部分约束零件的自由度 (DoF)。由于定位策略使自由度不受约束，因此基本的工件夹持系统依靠摩擦力将零件保持在任何制造负载的位置。此外，它们不执行任何可选功能。

通常，在加工、组装或检查操作期间使用夹具和夹具，以确保工件相对于所使用的仪器或工具（例如切削工具、检查探针）的可重复定位和定向。这两个系统的相似之处在于都通过使用称为定位器的元素来限制工件的自由度，因此，它们依靠零力的总和来保持工件的自由度。

当施加制造载荷时零件就位（即夹紧元件将被设计为将零件推向定位器）。此外，这两个系统都可以具有支撑元件，以减少制造过程中零件的变形并提高夹具-工件系统的稳定性。

由于它们的相似性，这两个术语在行业内经常互换使用或组合称为“夹具和固定装置^”。然而，除了夹具的三个功能之外，夹具通过工艺指南引导工具或与工具相互作用，例如在用于钻孔的泵夹具的情况下[1] 。正是由于这个可选功能，夹具的定位策略必须基于零件的LCS；而在一个夹具中，定位策略基于世界坐标系（WCS）。基本的工件夹持装置和夹具不在本次审查的范围内，但鉴于它们与夹具的功能相似，一些交叉是不可避免的。

由于夹具限制了工件的运动，因此已经构建了几种定位方法来最佳地限制零件的所有六个自由度，最广泛采用的（对于棱柱形零件）是 3-2-1 原理。这种定位方案可以通过以下方式使用最少数量的点（六个）来唯一地定位刚体而不会产生定位器干扰。如果一个工件存在三个相互垂直的平面，则可以选择它们作为基准，在其上分别放置三个（第一基准）、两个（第二基准）和一个（第三基准）定位器来定位工件[3] 。

对于圆柱形工件，由于缺少平面，无法获得三点位置，3-2-1原理采用4-1-1原理的形式。零件首先使用四个点（通常通过 v 块）定位在其表面上，沿圆柱体轴线的平移受到圆柱体底部的另一点的约束，第六个点放置在圆柱面上，以便防止绕气缸轴线旋转。如果圆柱形工件是轴对称的，并且没有放置参考特征来确定性地定位它，则最后一点通过摩擦控制最终自由度，因此需要夹紧[4] ，这可以通过使用专门设计的凹痕来改进，如参考文献。[5]和[6] 。然而，缩进的使用受到限制，因为该方法依赖于零件本身的局部变形，因此它不能用于表面执行美学或操作功能的零件。

对于大型铸件，采用4-2-1定位原则，违反了定位约束，采用7点限制6个自由度。因此，其中一个定位点必须是可调节点[7] 。以类似的方式，参考文献提出了 N-2-1 原则。[8] 对于大型钣金工件，由于工件的柔性特性要求在主基准上使用 N 3 个定位器，其余基准分别具有两个和一个定位器。

由于通过正确构建和设计的夹具确保了工件的确定性位置，因此它们在制造环境中产生了有益的影响，即更高的零件重复性、降低的单位成本和整体提高的最终产品质量。然而，尽管有这些好处，但一个糟糕的或质量差的夹具解决方案可能会对制造系统的输出质量产生直接和有害的影响。大约 40% 的不合格零件是由尺寸误差引起的，可归因于夹具设计不足[ 9 ] 。夹具设计的可变性是由于大多数夹具设计依赖于纯粹基于经验的设计过程，而不是分析和数值方法[4] 。传统专用夹具的高成本进一步加剧了劣质夹具的影响，其设计和制造通常占制造系统总价格的 10-20%[ 10] 。

尽管如此，夹具传统上被认为是辅助系统，而不是制造环境的组成部分。事实上，随着工业在制造过程中努力实现更高的精度和精度，存在投资超精密制造设备的趋势，而在“二次^”夹具系统上的支出最少。考虑到夹具在工件、机床和末端执行器之间建立了至关重要的联系（使它们成为任何制造过程中的一个组成部分），这种高精度设备的好处就丧失了，额外的机床精度也没有了。转化为更高的精度和更可重复的输出组件。

学术界为提高机床性能所做的努力反映在对该学科领域最新技术水平的几项综合调查中，例如对加工操作过程中发生的错误的评论[11 ^- 13]和工具磨损/监控[14,15] 。然而，在夹具的情况下，主题评论往往专注于夹具系统的孤立特性，例如它们容纳各种组件的能力（即柔性夹具系统，FFS）[10,16 ] ；或他们对外部刺激做出反应的能力（即智能装置）[17]. 这些范围有限的独立评论通常无法将分散的固定文献收集、组织和聚合成一个单一的全球统一结构；导致人们低估了固定装置对机床系统和更广泛的制造社区的重要性。更重要的是，当前的评论未能抓住机会发现研究空白并确定该领域的趋势。因此，文献中仍然缺乏对夹具（包括多个组件的装配夹具）的全面审查。

最近，计算机辅助夹具设计 (CAFD) 在夹具研究中占据了中心位置。CAFD是指夹具设计人员可用的一系列特定技术，不同于现代制造中普遍存在的涉及计算机的传统方法，例如 CAD 和 CNC。这些技术可用于创建满足用户所有需求的夹具，具有显着优化的设计，同时缩短原型设计和测试阶段的长度。文献中报道了几种 CAFD 方法，根据它们的能力，它们可用于夹具设计过程的一个或多个阶段，即：

1. 设置规划：分析工件和过程数据以确定位置基准的适当位置以及执行操作所需的设置。
2. 夹具计划：生成特定制造设置的夹具要求和夹具计划。

ii. 单元设计： 根据特定制造设置和夹具布局计划的要求进行详细夹具设计。

iv. 验证：测试夹具的性能。该步骤也可以在单元设计步骤之前执行，以评估给定夹具系统布局的可行性。

由于已经发表了大量关于 CAFD 的研究工作，以及一些评论论文[9,10,18 ^– 21] ，因此目前的工作将不涵盖这些类型的方法。

鉴于夹具作为零件/工艺接口的关键重要性，本综述旨在提高学术界对夹具解决方案对现代制造工艺和系统至关重要的兴趣。为实现这一目标，这篇评论文章介绍了固定硬件、系统设计/仿真和^“智能解决方案^”开发的当代最先进技术，同时评论了生产中固定系统的实施、作用和集成系统。最终，对当前研究趋势的定义和对这两种新兴技术的识别讨论了xturing技术以及任何研究空白。

这篇评论论文的结构（图 2 ）如下：在对夹具系统的基础进行简要说明之后，讨论了单个组件的夹具，这些夹具进一步分为创新的定位和/或保持解决方案，仪表化夹具和混合系统。然后展示了多工件夹具，进一步分为创新的定位和/或保持解决方案以及仪表夹具。最后，介绍了夹具研究的结论，包括研究趋势。

单个组件的夹具

在单个组件的夹具中，只有过程末端执行器与欧几里得空间内的组件之间的空间关系至关重要。这与用于多个组件的夹具形成对比，其中系统必须约束装配中每个组件相对于过程末端执行器的自由度。

传统上，专用的单组件夹具设计用于在制造过程（例如加工、检查）期间定位和固定特定工件。此外，传统的专用夹具可能仅对制造系统工作流程中的单个生产阶段或操作有用。在本文的上下文中，这些专用的“传统夹具^”可能仅包含无源“ go -no-go ^”类型的传感（例如，用于零件存在的感应接近感应、视觉零件识别、螺纹感应）并且不包含“ live ^”传感能力，防止他们在制造操作期间对组件几何形状、操作环境或工艺参数的变化做出反应。

这种带有无源传感的单组件夹具的主要缺点是缺乏灵活性。基于时间和成本，当前的小批量超柔性制造趋势基于^“

图 2.目前工作的总体论文结构。

数字云^”和物联网 (IoT) 系统[ 22 ^– 24]抑制了为这些新兴制造环境开发专用夹具。许多研究人员试图通过使用与大容量 3D 计量系统集成的智能和自适应机器人系统从生产系统中完全移除夹具来克服这些问题。然而，这些仅机器人系统被发现缺乏真正高精度制造过程所需的分辨率[25-27 ] 。所以，作为这些^“数字云^”制造过程即将到来，要真正成为现实，它们将需要开发更智能、更灵活的固定装置，以克服当前机器人系统的缺点。

尽管如此，与传统夹具相比，高科技夹具增加的资本成本及其增加的复杂性，无论是实施例还是设计，都可能导致鲁棒性降低（特别是在恶劣环境中）。因此，可以肯定地假设传统夹具将始终在制造过程中取得成功。

为了克服前面提到的问题，传统的夹具（不在本工作的范围内）已经发展。这一演变过程始于具有创新定位和/或保持策略的夹具的开发，这有助于提高灵活性并允许更稳定的加工过程，并提高对具有复杂几何形状的零件的合规性。这些创新的夹具技术逐渐发展成为具有一定智能的仪表化系统。如此聪明的夹具既可以监控加工过程（开环），也可以通过将信息反馈给用户或以某种方式改变夹具（例如夹紧力）来响应外部刺激（闭环）。目前，前卫的夹具系统可以看作是混合型夹具，它结合了前面提到的技术（即创新和仪表夹具）的特点，以改善制造过程/夹具共生。

1. 多工件夹具

本综述的前几节检查了单个组件的固定；但是，存在一个夹具系列，可以在单个夹具内处理多个工件。这些多工件夹具分为两大类，即：用于批量生产的夹具——这些夹具承载同一工件的多个副本进行加工；示例包括用于精加工过程的零件货架，例如用于大批量加工单元的电镀或调色夹具（图 22 a）。装配夹具——这些夹具设计用于支持将多个（通常是不同的）组件组装成一个更大的结构；汽车点焊夹具和飞机机身铆接站都是夹具类型的例子（图 22 b）。这些多工件夹具在使用定位器、夹具和支撑元件时遵循与其单组件 对应物相同的基本结构。多工件夹具的不同之处在于，必须在对应物相同的基本结构。多工件夹具的不同之处在于，必须在欧几里得 空间中相对于世界坐标系单独引用每个组件，因此可

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