為什么說夾具也需要被“監視”

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在機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設備的安全性所帶來的主要影響是其實際所生成的夾持力不準確性和不安全性問題。因此，在開發未來型裝夾系統時，必須要對以往的裝夾系統的功能進行擴展，改進系統質量并提高與整體機床系統的集成度。

現代化的車銑加工中心和五軸加工機床及加工中心既可以實施一次性裝夾中的不同加工策略，也可以實現針對每個用戶的個性化產品匹配。有時也會出現可結合多種不同切削工藝(如車削、銑削和鏜削等)的復合型加工系統。這也就意味著此類設備及其組成部件可以承受更大的負荷。加工成效主要體現在設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線上，改變生產設備功能的裝備過程成為人們關注的焦點。因此，在生產中所投入使用的機床設備的高利用率便構成了實現高生產效率，和盡可能維持低生產成本的一個基礎。人們要求能夠達到快速而后又能以特定的夾持力來完成重新連接，以避免過長的停機時間。在機床設備范圍內，通過對單臺設備(轉塔刀庫)上更換模塊所需的時間耗費研究發現，夾具夾持力調節和工裝設置等方面存在著很大的工作量，往往需要專業人員參與其中。

力監視系統(FMS)的構成

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柔性化制造的FMS系統工作一般基于無線傳感技術，并采用標準化夾具的系統進行，目的是要通過縮短工裝過程、生產輔助時間和因各種原因造成的停機時間來提高生產設備的可利用率。在對測量系統進行設置時，應該考慮到通過對FMS的集成和在工件與夾具之間的無線信號傳輸，使該測量系統可以被加裝到設備上。

▲西門子PG工廠對渦輪機機殼的加工

下圖所示新研發的力監視系統，它不僅可以在機床設備調整過程中，同時也可以在加工過程中對夾具的夾持力進行連續的監控。集成在FMS上的DMS力傳感器根據不同的型號可通過壓力元件在0～1000k·N測定夾持力。內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頻段把所測得的數據發送給手持裝置上，或發送給一臺帶有USB接口的筆記本電腦上。

▲力傳感器和顯示監視器所構成的力監視系統

針對現代化傳感型工裝夾具研發，主要目標可以定義為：

•實現系統的緊湊型結構，以便用于機床和設備上;

•在達到緊湊型結構的同時，也實現以標準部件為導向的盡可能大的夾持力;

•在技術方案上追求可刻度化的設計結構，以適應于盡可能大的應用范圍;

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

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

•在設置工裝夾具上(也從舒適性角度上)，盡可能實現簡單化操作(即插即用)，無需專用工具或專業知識;

•利用所獲得的數據來實現監控目的，或作為生產過程中的誤差核對，成為單件加工或批量加工上的一種增值手段。

在無線傳感系統上，有源、無源和能量自足的系統之間存在著差異。主要的差異點在于為電子元件運行所需的能源配備方式上。儲能器的規格需要根據具體的應用場合來確定，由此須提供相應的構造空間。首先要采用鋰基儲能器，對蓄電池的選型需依據應用場合中的靜態能耗、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時間間隔等情況而定。儲能器的持續運行時間長短與掃描、應用和傳輸率緊密相關。根據不同的使用場合，儲能器的持續運行時間可以達到一年。

力監視系統以其緊湊型結構和電子系統模塊化構造而見長，由力傳感器、前端電子元件、儲能器和天線所構成的整套傳感系統，可以被整體配置和納入到機械裝置里。由于該系統被置于一個結實的金屬外殼內，因此無需接受額外的封裝。

針對FMS的應用

工裝夾具制造廠商的目標是為機器和設備制造業開發出相應的裝夾元件，以避免因對部件的不良夾持而導致潛在危險和不必要的預張力損失。工件夾持力不足的原因往往是因為對工件的設置不正確所造成，且這種錯誤因缺乏監視手段而未被察覺。

但是夾持力不足會對制造流程的質量造成直接影響，對工件夾持系統的錯誤操作可以導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發生相對位置偏移，從而給切削流程帶來不良影響。這一點在車削作業(例如在車銑加工中心或五軸加工中心)上因發生振顫或外形偏差而影響很大。部件質量下降、表面質量和尺寸超差等因素會導致工件的殘次品率上升。常規的裝夾技術存在如下幾個方面的不足：

•所生成的預張緊力存在損耗現象，夾持力處于波動狀態;

•在接合縫處存在著非勻質的應力狀態;

•在振動狀態下，連接處有可能會發生自行松動的現象;

•由于操作人員或作業器械的不同，可能會產生持續變化的裝夾力。

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

▲渦輪機機殼加工的裝夾技術

即使是在車銑加工中心上對較小的快速車削工件進行加工時，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構(夾鉗通過螺栓和螺母對工件的夾持)所生成和所測得并經軸向校準的夾持力數據傳輸給一個移動式測評裝置或設備的控制系統。

▲FMS單元應用于對渦輪機機殼的裝夾上

通過對工裝夾具的調整和對來自夾持力監視的測量數值的制備與可視化等措施，可以實現資源保護性的機械加工。例如未察覺的工件從夾具上發生松動等極差情況，可通過采用有效的夾持力監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現，以此來達到對那些精細薄弱的工件或半成品的準確裝夾，避免出現施力錯誤的危險。

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證，單獨檢查無需耗用額外的生產輔助時間，結合設定可編程公差和報警閾值，可以極大地提高生產安全性。

（來源jiajuxia）

遠祥

這種其實也可以說成是后期生產的訊息收集。