適用于激光機加工寶石測量頭的專用夾具設計

徐 剛 邱 行 陳 鋒

（重慶川儀自動化股份有限公司晶體科技分公司，重慶 400702）

隨著我國工業(yè)自動控制系統(tǒng)裝置制造業(yè)發(fā)展進程的不斷加速和工業(yè)數(shù)字化、自動化、智能化技術的廣泛應用，工裝夾具正朝著高精度、柔性化、高效率、高穩(wěn)定性和智能化的方向發(fā)展[1]。受裝夾方式操作煩瑣、效率低下等因素的制約，目前寶石測量頭加工還存在諸多問題和挑戰(zhàn)[2]。面對這種新形勢，急需設計一套新型專用夾具，以提高效率、方便操作，保證產(chǎn)品加工精度和質(zhì)量，最大限度降低人工工時，實現(xiàn)零件智能化加工生產(chǎn)。本文對新型光纖激光機加工寶石測量頭的專用夾具設計進行分析，希望能夠?qū)ξ覈鴮毷瘻y量頭加工領域的發(fā)展提供一些參考和助力。

1 專用夾具的概念

專用夾具是指在工業(yè)自動控制系統(tǒng)裝置制造業(yè)機械制造過程中，用來夾持和固定工件，使之快速、準確定位，并給予適合的支撐和維持，以接受加工，保證產(chǎn)品精密性、互換性，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的工藝設備。

2 專用夾具的主要功能

加工工件時，為符合加工要求，保證加工精度和提高生產(chǎn)率，必須用夾具支撐或固定所要加工的工件，使之占有正確的位置，這一過程稱為定位。在已定好的位置上對工件夾牢，施加作用力，以保障加工過程的安全、高效、可靠實施，這一過程稱為夾緊。從正確定位到可靠夾緊，這一過程稱為裝夾。專用夾具的主要功能是完成工件的裝夾工作[3]。

3 寶石測量頭裝夾方式

寶石測量頭又稱寶石盲孔球，目前主要應用于三坐標測量系統(tǒng)。國內(nèi)主要采用機械加工方式，利用專用磨具通過上下主軸相對旋轉(zhuǎn)磨削而成[4]，見圖1。其中：H表示平臺高度；d表示盲孔直徑；SΦD表示圓球直徑；h表示底部高度。

先將磨有平臺的寶石球通過專用自制膠（一種寶石加工專用膠，用蟲膠和松香按9 ∶1 比例混合熔化而成）涂在內(nèi)孔孔徑略大于寶石圓球外徑的金屬工件中，然后把寶石球壓實在金屬件中粘接固定。將粘好寶石測量頭的工件裝入現(xiàn)有夾具，放入光纖激光機的三爪卡盤固定開啟激光進行加工，見圖2。

3.1 現(xiàn)有夾具工作原理

現(xiàn)有夾具由夾具底座與螺紋蓋板組成，見圖3。底座中心開圓形槽，圓槽外徑略大于工件外徑，用于裝入工件。螺紋蓋板中心打孔，孔徑略小于工件外徑，用于向下壓緊工件起到固定作用。裝夾時，將粘好寶石球的工件安裝于夾具底座中心圓槽，通過螺紋蓋板旋緊壓實工件，再把裝好工件的夾具裝入激光機三爪卡盤上固定，開啟激光進行加工。激光通過螺紋蓋板中心孔射入，進行寶石測量頭的盲孔加工。加工完成后，從三爪卡盤上取下夾具，旋開螺紋蓋板更換產(chǎn)品，然后將夾具再次裝入三爪卡盤。加工過程需要多個夾具進行輪換使用。

3.2 現(xiàn)有裝夾方式存在的問題

3.2.1 操作煩瑣，生產(chǎn)效率低

每加工完成一個產(chǎn)品，都需要將夾具從三爪卡盤取下，旋開螺紋蓋板后更換產(chǎn)品，操作煩瑣、耗時較長。當需要加工不同直徑的寶石球時，要重新制作多組夾具底座，造成人工、耗材不同程度的浪費。

3.2.2 裝夾定位不穩(wěn)定，加工精度低

采用多個夾具輪換使用，每次裝夾的位置變動相對較大，在加工過程中容易導致激光焦平面變化，從而影響產(chǎn)品的加工精度。

4 新夾具設計

4.1 設計的基本原則

4.1.1 高穩(wěn)定性

保持工件的準確定位，并具有足夠的承載或夾持力度，使工件在加工過程中不發(fā)生移動和振動，不對工件造成損傷。

4.1.2 高效率

滿足裝夾過程中簡潔與快速操作，提高設備的有效工作時間，提升產(chǎn)品的加工效率。

4.1.3 高精度

滿足夾具在調(diào)整或更換過程中重復定位的可靠性，保證產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量。

4.1.4 低成本

能夠及時更換損壞零件，實現(xiàn)自我校正加工位置，且結構簡單，便于維護保養(yǎng)，成本較低。

4.2 新夾具的設計思路

目前，新型光纖激光機主要應用于Φ2 mm 及以下寶石測量頭加工[5]。根據(jù)現(xiàn)有夾具和工件大小以及新型光纖激光機三爪卡盤的結構特點，結合公司現(xiàn)有自制夾具的類型，設計并采用帶有彈性的“三爪夾頭”的方式來夾持工件，通過彈簧伸縮的方式控制彈性夾頭的張開與收緊，從而達到無須反復拆卸工裝、方便上下產(chǎn)品以及操作流程簡單的目的。

4.3 新夾具主要零件圖與裝配圖

新設計的夾具主要包括金屬底座（圖4）、有機玻璃外套（圖5）以及彈性夾頭（圖6）等主要零件。圖4中，D1為底座大端直徑，D2為底座小端直徑，d1為底座沉孔直徑，d2為臺階孔直徑，H為底座高度。圖5中，D1為外套直徑，d1為錐形槽直徑，d2為通孔直徑，H1為外套高度，H2為底部沉孔深度。圖6 中，D1為夾頭大端直徑，D2為夾頭小端直徑，d1為沉孔直徑，h1為沉孔深度，H1為夾頭總高度，H2為螺紋孔深度，M為螺紋孔直徑，C為夾頭的錐形角度。它們通過螺紋、點膠等方式裝配而成，具體裝配結構見圖7。

4.4 工作原理

現(xiàn)有夾具由自制底座、三爪夾頭、螺釘、螺母、彈簧、外套及蓋板等組成。蓋板與外套通過點膠配合（AB 膠）用于上下按壓，外套與底座為間隙配合，在上下按壓蓋板時能夠靈活滑動。夾頭安裝于帶有錐度的外套，錐度外套與夾頭錐面貼合，夾頭底部有螺紋孔，采用螺釘與底座連接，通過螺母鎖緊。底座與外套間裝有彈簧，彈簧處于壓縮狀態(tài)時會向上擠壓外套，再通過外套向上擠壓夾頭，從而使夾頭收緊夾持工件。更換工件時，通過向下按壓蓋板使彈簧收縮，使外套向上擠壓夾頭的力消失，從而使夾頭張開裝入新工件。待裝入新工件后，松開蓋板夾頭，收緊夾持工件，激光通過蓋板中心孔射向夾持好的產(chǎn)品完成加工。新夾具固定于激光機三爪卡盤上無須拆卸，完成激光加工后只需要通孔按壓蓋板控制夾頭張開與閉合更換產(chǎn)品即可。

4.5 新夾具的應用成效

4.5.1 節(jié)省工作時間，減輕勞動強度

這套夾具結構簡易、緊湊，操作方便靈活。裝夾產(chǎn)品無須反復拆卸工裝，只需通過按壓蓋板即可實現(xiàn)上下產(chǎn)品，極大地簡化了操作流程，減輕了勞動強度。

4.5.2 提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強加工精度

使用新夾具避免了多個夾具反復安裝引起的位置變化，保證了加工精度。

4.5.3 提高工作效率

將復雜的工作簡潔化，整個裝夾產(chǎn)品的過程由之前的60 s 以上穩(wěn)定在25 s 以內(nèi)，提高了加工效率，特別是大幅提升了Φ2 mm 及以下小直徑寶石測量頭的加工效率。

4.5.4 降低企業(yè)材料成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益

當需要加工不同規(guī)格產(chǎn)品時，只需要更換夾頭即可，無須更換整套夾具，節(jié)約了耗材。

5 結語

工業(yè)自動控制系統(tǒng)裝置在社會生產(chǎn)中有著廣泛應用。目前，我國工業(yè)自動化水平正在逐步提升，國內(nèi)工業(yè)自動化需求不斷增長，工業(yè)自動控制系統(tǒng)裝置制造正處于進口替代加速階段。激光機加工寶石測量頭專用夾具的設計與應用，不僅有效解決了目前寶石球上下料操作煩瑣、效率低下等問題，而且大大減輕了加工人員的勞動強度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，為激光機批量化加工寶石測量頭、指導工廠生產(chǎn)奠定了堅實的基礎，也為國內(nèi)工業(yè)自動控制系統(tǒng)裝置制造行業(yè)搶占技術高點、提高產(chǎn)品技術含量、以更強的產(chǎn)品競爭力贏得更多的國際市場份額起到了積極的促進作用。