為什么說(shuō)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(guò)程中，會(huì)用到許多連接元件和裝夾元件，這些元件對(duì)制造和操作人員以及生產(chǎn)設(shè)備的安全性所帶來(lái)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(wèn)題。因此，在開(kāi)發(fā)未來(lái)型裝夾系統(tǒng)時(shí)，必須要對(duì)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(chē)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(duì)每個(gè)用戶的個(gè)性化產(chǎn)品匹配。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)可結(jié)合多種不同切削工藝(如車(chē)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(guò)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(guò)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(gè)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(lái)完成重新連接，以避免過(guò)長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。在機(jī)床設(shè)備范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)單臺(tái)設(shè)備(轉(zhuǎn)塔刀庫(kù))上更換模塊所需的時(shí)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

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柔性化制造的FMS系統(tǒng)工作一般基于無(wú)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(guò)縮短工裝過(guò)程、生產(chǎn)輔助時(shí)間和因各種原因造成的停機(jī)時(shí)間來(lái)提高生產(chǎn)設(shè)備的可利用率。在對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)該考慮到通過(guò)對(duì)FMS的集成和在工件與夾具之間的無(wú)線信號(hào)傳輸，使該測(cè)量系統(tǒng)可以被加裝到設(shè)備上。

▲西門(mén)子PG工廠對(duì)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(guò)程中，同時(shí)也可以在加工過(guò)程中對(duì)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(hào)可通過(guò)壓力元件在0～1000k·N測(cè)定夾持力。內(nèi)置的電池可以與一個(gè)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(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給手持裝置上，或發(fā)送給一臺(tái)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(duì)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(shí)，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(jì)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(dòng)的臨界載荷狀態(tài)和夾持力損耗危險(xiǎn)(設(shè)置緊固螺栓或加工力)可通過(guò)測(cè)量技術(shù)得以盡早被識(shí)別;

•對(duì)因用戶不同的緊固狀況而造成的潛在危險(xiǎn)，應(yīng)該通過(guò)可視化途徑顯示出來(lái)，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(jiǎn)單化操作(即插即用)，無(wú)需專用工具或?qū)I(yè)知識(shí);

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

在無(wú)線傳感系統(tǒng)上，有源、無(wú)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(chǔ)能器的規(guī)格需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)確定，由此須提供相應(yīng)的構(gòu)造空間。首先要采用鋰基儲(chǔ)能器，對(duì)蓄電池的選型需依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合中的靜態(tài)能耗、在有源模式下所需提供的瞬時(shí)最大功率、主要溫度范圍和蓄電池更換前所需維護(hù)時(shí)間間隔等情況而定。儲(chǔ)能器的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)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(chǎng)合，儲(chǔ)能器的持續(xù)運(yùn)行時(shí)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(jiàn)長(zhǎng)，由力傳感器、前端電子元件、儲(chǔ)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(gè)結(jié)實(shí)的金屬外殼內(nèi)，因此無(wú)需接受額外的封裝。

針對(duì)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(kāi)發(fā)出相應(yīng)的裝夾元件，以避免因?qū)Σ考牟涣紛A持而導(dǎo)致潛在危險(xiǎn)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?duì)工件的設(shè)置不正確所造成，且這種錯(cuò)誤因缺乏監(jiān)視手段而未被察覺(jué)。

但是夾持力不足會(huì)對(duì)制造流程的質(zhì)量造成直接影響，對(duì)工件夾持系統(tǒng)的錯(cuò)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(guò)程中在加工腔內(nèi)發(fā)生相對(duì)位置偏移，從而給切削流程帶來(lái)不良影響。這一點(diǎn)在車(chē)削作業(yè)(例如在車(chē)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(huì)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(gè)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)下，連接處有可能會(huì)發(fā)生自行松動(dòng)的現(xiàn)象;

•由于操作人員或作業(yè)器械的不同，可能會(huì)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(guò)采用以往的設(shè)置方法無(wú)法對(duì)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(guò)大而造成部件變形的危險(xiǎn)。除了加工質(zhì)量不佳之外，夾持力悄然緩慢損耗的問(wèn)題對(duì)于設(shè)備操作人員來(lái)說(shuō)，也構(gòu)成了一個(gè)巨大的安全隱患。例如下圖西門(mén)子PG工廠里加工發(fā)電站渦輪機(jī)機(jī)殼時(shí)，因發(fā)生了動(dòng)態(tài)不平衡現(xiàn)象導(dǎo)致了機(jī)殼在加工臺(tái)上發(fā)生晃動(dòng)，夾具就無(wú)法一直處于夾緊狀態(tài)，這對(duì)于操作人員和設(shè)備都是一種風(fēng)險(xiǎn)。

▲渦輪機(jī)機(jī)殼加工的裝夾技術(shù)

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

▲FMS單元應(yīng)用于對(duì)渦輪機(jī)機(jī)殼的裝夾上

通過(guò)對(duì)工裝夾具的調(diào)整和對(duì)來(lái)自?shī)A持力監(jiān)視的測(cè)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(jué)的工件從夾具上發(fā)生松動(dòng)等極差情況，可通過(guò)采用有效的夾持力監(jiān)視等手段來(lái)加以防范。對(duì)夾持力的測(cè)定可直接通過(guò)部件上的磁通量來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)達(dá)到對(duì)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(cuò)誤的危險(xiǎn)。

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

（來(lái)源jiajuxia）

遠(yuǎn)祥

這種其實(shí)也可以說(shuō)成是后期生產(chǎn)的訊息收集。