多點夾持機構在非標自動化設備中運用分析

摘要：傳統的自動化設備受限于標準化工件尺寸和形狀的局限性，難以適應生產環境中不同形態、不同尺寸的工件加工需求，因此多點夾持機構備受關注。基于此，探討了多點夾持機構在非標自動化設備中的運用價值，深入分析了多點夾持機構在非標自動化設備中的運用難點和要點。

關鍵詞：多點夾持機構；非標自動化設備；夾持需求

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-07-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.029

1 前言

多點夾持機構具有靈活性高、適應性強的特點，能夠適應各種不同形狀、尺寸的工件夾持需求，為非標自動化設備的實現提供了重要支持。它通過多點夾持，可以實現對工件的穩固固定，從而保證加工精度和質量。多點夾持機構的智能控制系統可以根據不同工件的形態特征，自動調整夾持力和夾持位置，提高了生產效率和靈活性。

2 多點夾持機構在非標自動化設備中的運用價值

在自動化生產中，工件的穩固夾持是保證加工精度和質量的重要保障，相比于單點夾持，多點夾持機構可以通過多個接觸點均勻分布力量，有效地避免了工件變形和位移，保證了工件在加工過程中的穩定性和精度，從而提高了產品的質量和生產效率。

在非標自動化設備中，往往需要加工形狀各異、尺寸不規則128332fe76dae3abf678f3d8dbe72202的工件，多點夾持機構通過調整夾持點的位置和數量，可以適應不同形狀和尺寸的工件，具有較強的適應性和靈活性。這種多功能夾持方式降低了設備的更換成本和調整時間，提高了設備的通用性和生產效率。

在自動化生產中，工件夾持不牢固容易導致設備故障和人身傷害，多點夾持機構通過增加夾持點的數量和密度，可以更均勻地分布力量，提高夾持的穩定性和可靠性，減少了因夾持不牢導致的事故風險，保障了生產線的安全運行。在自動化生產中，工件的夾持通常需要人工干預，降低了生產線的自動化程度和生產效率，多點夾持機構可以實現自動化夾持，減少了人工操作，提高了生產線的自動化程度和生產效率，降低了生產成本，增強了企業的競爭力。

3 多點夾持機構在非標自動化設備中的運用難點

3.1 夾持力和精度的平衡

在實際操作中，為了確保工件穩固夾持，夾具通常需要施加較大的夾持力，過大的夾持力可能會導致工件變形或損壞，尤其是對于一些精密零部件而言，這種變形可能會對產品質量產生不良影響，如何在保證夾持力的情況下，盡可能減小對工件精度的影響，是需要認真考慮的問題。不同形狀和材質的工件需要設計不同的夾具來實現有效夾持。

對于細長件，這類部件通常具有較大的長度與直徑比，使得在加工過程中非常容易彎曲或扭曲。多點夾持機構需要在整個加工長度上均勻施加夾持力，以保持部件的穩定性和加工精度。實現這種均勻的力分布極具挑戰性，任何夾持點的過度力量都可能導致部件在其他較弱支撐點附近發生形變。此外，細長件的振動問題也不容忽視，加工過程中的振動可能會因為夾持力的不平衡而加劇，進一步影響加工質量和精度。

對于薄壁件，這些部件的壁厚可能極薄，極易在加工過程中產生變形。多點夾持機構在這種情況下的主要難點在于如何施加足夠的力以保持部件穩定，同時又不能過大到使部件受損。薄壁件的承受力限度較低，夾持力過大容易導致壓痕或穿透，而力量過小則可能無法有效防止加工過程中的位移或滑移，夾持力的精確控制成為一個技術上的難題。

在高速運轉或者長時間連續工作時，夾具的穩定性對工件精度至關重要。一些復雜的夾具可能存在零部件磨損、松動或者故障等問題，影響夾持力和精度的穩定性，需要在設計和制造階段充分考慮夾具的可靠性，采用優質的材料和工藝，以確保其長時間穩定運行。

3.2 成本與性能的權衡

多點夾持機構通常需要精密的加工和裝配，以確保夾持力均勻分布、穩定可靠，要考慮到機構的耐久性和使用壽命，需要投入大量的人力、物力和財力，使得成本居高不下，特別是在非標自動化設備中，由于每個項目的要求和參數都不盡相同，需要定制化設計與制造，進一步增加了成本的不確定性。在非標自動化設備中，對夾持機構的性能要求是多方面的，包括夾持力的大小、夾持位置的精準度、夾持速度的快慢等，這些指標之間常常存在一定的矛盾關系，例如提高夾持力可能會犧牲夾持位置的精度，提高夾持速度可能會增加機構的能耗，在保證性能的同時，還需要對成本進行有效的控制，這就需要在各種因素之間進行權衡取舍，尋找最優的解決方案。多點夾持機構在非標自動化設備中的應用還可能受到其他因素的制約，如空間限制、工藝要求、安全性考慮等，這些因素都會對夾持機構的設計和布局提出更高的要求，增加了應用的難度和復雜度。

4 多點夾持機構在非標自動化設備中的運用策略

4.1 工件特性與夾持需求分析

進行工件特性分析是為了深入了解工件的形狀、尺寸、材料和加工要求等信息，包括工件的長度、寬度、厚度、形狀曲率、表面粗糙度等，例如，對于不規則形狀的工件，需要測量其最大外徑、最小外徑、軸向長度、徑向長度等關鍵尺寸；對于復雜曲面的工件，需要測量其曲率半徑、曲面傾角、曲率變化率等參數，還需要了解工件的材料特性，如硬度、強度、韌性等，以及加工工藝要求，如精度、表面處理等。

進行夾持需求分析是為了確定適合工件特性的夾持方案和夾具設計，包括工件的定位特點、固定點、平面特征、幾何特征等，例如，對于定位精度要求較高的工件，需要設計夾具具有多點夾持功能，以確保工件的穩定定位和位置精度；對于表面特征要求較高的工件，需要設計夾具具有柔性夾持功能，以避免對工件表面造成損傷，還需要考慮工件的重量、重心位置、振動特性等因素，以確保夾持方案的穩定性和安全性[1]。

進行夾持力分析是為了確定夾持力的大小和分布，包括工件的重量、重心位置、慣性力、外部載荷等，例如，對于重型工件，需要確定夾持力的大小和分布，以確保工件不會發生滑動或傾斜。進行夾持方式分析是為了確定適合工件特性的夾持方式和夾具結構，包括工件的形狀、尺寸、重量、加工工藝要求等，例如，對于不規則形狀的工件，可以采用定制夾具或柔性夾具，以適應工件的特殊形狀和尺寸要求，還需要考慮夾具的結構設計和材料選擇，以確保夾具具有足夠的剛度和耐久性，滿足長期穩定運行的要求。

4.2 控制系統集成與調試

根據多點夾持機構的功能需求和性能指標，選擇適合的控制器、傳感器、執行器等硬件設備，并進行合理的布局設計，例如，選擇高性能的工業級PLC作為控制核心，配備精準的位置傳感器和力傳感器，以及快速響應的執行器，確保控制系統具備足夠的穩定性、精度和可靠性，根據設備的實際結構和布局，合理安排各個硬件設備的位置和連接方式，減少信號傳輸的延遲和干擾，提高系統的響應速度和穩定性。

根據多點夾持機構的工作原理和操作流程，設計控制系統的軟件邏輯和程序結構，并進行編程實現，例如，利用PLC編程軟件進行邏輯控制程序（圖1）的編寫，實現夾持機構的開啟、關閉、夾持力調節等功能，根據需要，編寫相應的人機界面（HMI）程序，實現對夾持機構的監控、參數設置和故障診斷等操作，在軟件開發過程中，需要考慮到控制系統的穩定性、實時性和可擴展性，確保軟件程序能夠滿足設備的實際運行需求，并具備一定的容錯和自診斷能力，提高系統的可靠性和安全性[2]。

在控制系統硬件安裝和軟件編程完成后，需要進行系統的聯調和調試，確保各個硬件設備和軟件程序能夠正常協同工作，實現設備的預期功能和性能，例如，通過連接各個傳感器和執行器，測試其信號的傳輸和響應情況；對控制程序進行逐步調試和優化，驗證夾持機構的控制邏輯和動作精度，檢測系統在不同工況下的穩定性和可靠性，在調試過程中需要及時記錄和分析各種問題和異常情況，采取相應的調整措施和優化方案，確保系統能夠達到預期。

在系統聯調和調試完成后，需要進行控制系統的性能評估和優化，發現和解決潛在的問題和不足，進一步提升系統的穩定性和性能，例如，對系統的響應速度、精度和可靠性進行全面評估，找出影響系統性能的關鍵因素和瓶頸，采取相應的改進措施和優化方案，通過對控制系統的數據進行監測和分析，了解系統在長期運行過程中的變化和趨勢，及時調整和優化系MMJtga51O6757ZWb0tS+zH8EOqf/iDpmqGz5ZlK1aOE=統的參數和策略，提高系統的適應性和穩定性。

4.3 精準控制與調整

在使用多點夾持機構時，需要根據工件的形狀、尺寸和特性設計合理的夾持方案，夾持方案應考慮工件的穩固夾持、夾持點的均勻分布對工件表面的保護等因素，確保夾持力分布均勻、夾持效果良好，還需要考慮夾持機構的結構設計和材料選擇，以滿足工件加工的需求和工作環境的要求。

在實現精準控制與調整過程中，需要采用高精度的傳感器和控制系統，實時監測和反饋夾持力、工件位置等參數，通過傳感器采集到的數據，控制系統可以實現對夾持力、夾持位置等參數的精確調整，保證工件在加工過程中的穩定性和準確性，控制系統還可以實現對夾持力、夾持位置等參數的自動調整和優化，提高夾持效率和加工精度[3]。

針對非標自動化設備中的精準控制與調整需求，可以采用智能化的夾持控制算法，實現對夾持力、夾持位置等參數的自適應調整和優化，這些算法可以根據工件的形狀、材料、加工過程等因素，自動調整夾持力和夾持位置，實現對工件的精準控制，還可以結合機器學習和人工智能技術，對夾持過程進行預測和優化，進一步提高夾持效率和加工精度。

在非標自動化設備中使用多點夾持機構進行精準控制與調整時，需要進行系統的實時監控和調整，通過監控夾持力、夾持位置等參數的變化，及時發現并解決夾持過程中可能出現的問題和異常情況，可以利用數據分析和追溯技術，對夾持過程進行記錄和分析，總結經驗教訓，不斷優化和改進夾持控制系統，提高工件加工的精度和穩定性。

4.4 多點夾持與穩固固定

在選擇多點夾持機構時，需要根據工件的形狀、尺寸和加工要求，設計出合理的夾持方案。方案應考慮工件的特點，有效防止工件在加工過程中產生位移或變形，例如，對于某些特殊形狀的工件，可以設計出專門的夾具，將多個夾持點分布在工件的不同位置，實現對工件的全方位夾持與固定。

在進行多點夾持時，需要選擇適合工件特點和加工需求的夾持機構，如選擇氣動夾具、液壓夾具或機械夾具等，要夾具的選用應考慮夾持力的大小、夾持方式的靈活性、夾持點的數量和位置等因素，確保夾具能夠牢固地夾持工件，同時不會對工件造成損壞或變形[4]。

在確定夾持方案和選擇夾具之后，需要對夾持結構和夾持參數進行優化，通過調整夾具的夾持力、夾持點的位置和數量等參數，使夾持力能夠均勻地作用于工件表面，避免因夾持不均勻而導致工件變形或加工質量不佳的情況發生，還可以利用仿真軟件對夾持結構進行模擬分析，評估夾持效果和穩固性，找出潛在的問題并進行改進優化。

在實際加工過程中，需要加強對夾持過程的監控和控制，確保夾持機構和夾具能夠穩定可靠地工作，可以通過安裝傳感器和監測設備，實時監測夾持力、夾持位置和工件變形情況，及時發現并處理異常情況，建立完善的質量控制體系，對夾持后的工件進行檢測和評估，確保加工質量符合要求。

5 結語

多點夾持機構在非標自動化設備中的應用已經展現出巨大的潛力和優勢，其靈活的夾持方式和智能化的控制系統為非標工件加工提供了可靠的解決方案，推動了自動化設備在制造業中的進一步普及和應用。在未來，隨著人工智能、物聯網和大數據等技術的深入發展，多點夾持機構將更加智能化和自適應，能夠實現更加精細化的工件夾持和加工控制，隨著制造業向高質量、高效率、柔性化方向發展，多點夾持機構將成為非標自動化設備中不可或缺的重要組成部分，為制造業轉型升級提供強大支撐。

參考文獻：

[1]容剛.談非標自動化機械設備的設計[J].裝備機械，2023（4）：60-62.

[2]謝奉林.非標自動化設備的模塊化設計分析[J].科學技術創新，2023（6）：211-214.

[3]楊濤，顧復，顧新建.非標自動化生產線模塊化標準化設計的研究及應用[J].成組技術與生產現代化，2022，39（2）：1-12+62.

[4]孫巖.多點定位式柔性夾持工裝設計與研究[J].內燃機與配件，2021（4）：101-102.