多点夹持机构在非标自动化设备中运用分析

摘要：传统的自动化设备受限于标准化工件尺寸和形状的局限性，难以适应生产环境中不同形态、不同尺寸的工件加工需求，因此多点夹持机构备受关注。基于此，探讨了多点夹持机构在非标自动化设备中的运用价值，深入分析了多点夹持机构在非标自动化设备中的运用难点和要点。

关键词：多点夹持机构；非标自动化设备；夹持需求

中图分类号：U461 收稿日期：2024-07-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.029

1 前言

多点夹持机构具有灵活性高、适应性强的特点，能够适应各种不同形状、尺寸的工件夹持需求，为非标自动化设备的实现提供了重要支持。它通过多点夹持，可以实现对工件的稳固固定，从而保证加工精度和质量。多点夹持机构的智能控制系统可以根据不同工件的形态特征，自动调整夹持力和夹持位置，提高了生产效率和灵活性。

2 多点夹持机构在非标自动化设备中的运用价值

在自动化生产中，工件的稳固夹持是保证加工精度和质量的重要保障，相比于单点夹持，多点夹持机构可以通过多个接触点均匀分布力量，有效地避免了工件变形和位移，保证了工件在加工过程中的稳定性和精度，从而提高了产品的质量和生产效率。

在非标自动化设备中，往往需要加工形状各异、尺寸不规则128332fe76dae3abf678f3d8dbe72202的工件，多点夹持机构通过调整夹持点的位置和数量，可以适应不同形状和尺寸的工件，具有较强的适应性和灵活性。这种多功能夹持方式降低了设备的更换成本和调整时间，提高了设备的通用性和生产效率。

在自动化生产中，工件夹持不牢固容易导致设备故障和人身伤害，多点夹持机构通过增加夹持点的数量和密度，可以更均匀地分布力量，提高夹持的稳定性和可靠性，减少了因夹持不牢导致的事故风险，保障了生产线的安全运行。在自动化生产中，工件的夹持通常需要人工干预，降低了生产线的自动化程度和生产效率，多点夹持机构可以实现自动化夹持，减少了人工操作，提高了生产线的自动化程度和生产效率，降低了生产成本，增强了企业的竞争力。

3 多点夹持机构在非标自动化设备中的运用难点

3.1 夹持力和精度的平衡

在实际操作中，为了确保工件稳固夹持，夹具通常需要施加较大的夹持力，过大的夹持力可能会导致工件变形或损坏，尤其是对于一些精密零部件而言，这种变形可能会对产品质量产生不良影响，如何在保证夹持力的情况下，尽可能减小对工件精度的影响，是需要认真考虑的问题。不同形状和材质的工件需要设计不同的夹具来实现有效夹持。

对于细长件，这类部件通常具有较大的长度与直径比，使得在加工过程中非常容易弯曲或扭曲。多点夹持机构需要在整个加工长度上均匀施加夹持力，以保持部件的稳定性和加工精度。实现这种均匀的力分布极具挑战性，任何夹持点的过度力量都可能导致部件在其他较弱支撑点附近发生形变。此外，细长件的振动问题也不容忽视，加工过程中的振动可能会因为夹持力的不平衡而加剧，进一步影响加工质量和精度。

对于薄壁件，这些部件的壁厚可能极薄，极易在加工过程中产生变形。多点夹持机构在这种情况下的主要难点在于如何施加足够的力以保持部件稳定，同时又不能过大到使部件受损。薄壁件的承受力限度较低，夹持力过大容易导致压痕或穿透，而力量过小则可能无法有效防止加工过程中的位移或滑移，夹持力的精确控制成为一个技术上的难题。

在高速运转或者长时间连续工作时，夹具的稳定性对工件精度至关重要。一些复杂的夹具可能存在零部件磨损、松动或者故障等问题，影响夹持力和精度的稳定性，需要在设计和制造阶段充分考虑夹具的可靠性，采用优质的材料和工艺，以确保其长时间稳定运行。

3.2 成本与性能的权衡

多点夹持机构通常需要精密的加工和装配，以确保夹持力均匀分布、稳定可靠，要考虑到机构的耐久性和使用寿命，需要投入大量的人力、物力和财力，使得成本居高不下，特别是在非标自动化设备中，由于每个项目的要求和参数都不尽相同，需要定制化设计与制造，进一步增加了成本的不确定性。在非标自动化设备中，对夹持机构的性能要求是多方面的，包括夹持力的大小、夹持位置的精准度、夹持速度的快慢等，这些指标之间常常存在一定的矛盾关系，例如提高夹持力可能会牺牲夹持位置的精度，提高夹持速度可能会增加机构的能耗，在保证性能的同时，还需要对成本进行有效的控制，这就需要在各种因素之间进行权衡取舍，寻找最优的解决方案。多点夹持机构在非标自动化设备中的应用还可能受到其他因素的制约，如空间限制、工艺要求、安全性考虑等，这些因素都会对夹持机构的设计和布局提出更高的要求，增加了应用的难度和复杂度。

4 多点夹持机构在非标自动化设备中的运用策略

4.1 工件特性与夹持需求分析

进行工件特性分析是为了深入了解工件的形状、尺寸、材料和加工要求等信息，包括工件的长度、宽度、厚度、形状曲率、表面粗糙度等，例如，对于不规则形状的工件，需要测量其最大外径、最小外径、轴向长度、径向长度等关键尺寸；对于复杂曲面的工件，需要测量其曲率半径、曲面倾角、曲率变化率等参数，还需要了解工件的材料特性，如硬度、强度、韧性等，以及加工工艺要求，如精度、表面处理等。

进行夹持需求分析是为了确定适合工件特性的夹持方案和夹具设计，包括工件的定位特点、固定点、平面特征、几何特征等，例如，对于定位精度要求较高的工件，需要设计夹具具有多点夹持功能，以确保工件的稳定定位和位置精度；对于表面特征要求较高的工件，需要设计夹具具有柔性夹持功能，以避免对工件表面造成损伤，还需要考虑工件的重量、重心位置、振动特性等因素，以确保夹持方案的稳定性和安全性[1]。

进行夹持力分析是为了确定夹持力的大小和分布，包括工件的重量、重心位置、惯性力、外部载荷等，例如，对于重型工件，需要确定夹持力的大小和分布，以确保工件不会发生滑动或倾斜。进行夹持方式分析是为了确定适合工件特性的夹持方式和夹具结构，包括工件的形状、尺寸、重量、加工工艺要求等，例如，对于不规则形状的工件，可以采用定制夹具或柔性夹具，以适应工件的特殊形状和尺寸要求，还需要考虑夹具的结构设计和材料选择，以确保夹具具有足够的刚度和耐久性，满足长期稳定运行的要求。

4.2 控制系统集成与调试

根据多点夹持机构的功能需求和性能指标，选择适合的控制器、传感器、执行器等硬件设备，并进行合理的布局设计，例如，选择高性能的工业级PLC作为控制核心，配备精准的位置传感器和力传感器，以及快速响应的执行器，确保控制系统具备足够的稳定性、精度和可靠性，根据设备的实际结构和布局，合理安排各个硬件设备的位置和连接方式，减少信号传输的延迟和干扰，提高系统的响应速度和稳定性。

根据多点夹持机构的工作原理和操作流程，设计控制系统的软件逻辑和程序结构，并进行编程实现，例如，利用PLC编程软件进行逻辑控制程序（图1）的编写，实现夹持机构的开启、关闭、夹持力调节等功能，根据需要，编写相应的人机界面（HMI）程序，实现对夹持机构的监控、参数设置和故障诊断等操作，在软件开发过程中，需要考虑到控制系统的稳定性、实时性和可扩展性，确保软件程序能够满足设备的实际运行需求，并具备一定的容错和自诊断能力，提高系统的可靠性和安全性[2]。

在控制系统硬件安装和软件编程完成后，需要进行系统的联调和调试，确保各个硬件设备和软件程序能够正常协同工作，实现设备的预期功能和性能，例如，通过连接各个传感器和执行器，测试其信号的传输和响应情况；对控制程序进行逐步调试和优化，验证夹持机构的控制逻辑和动作精度，检测系统在不同工况下的稳定性和可靠性，在调试过程中需要及时记录和分析各种问题和异常情况，采取相应的调整措施和优化方案，确保系统能够达到预期。

在系统联调和调试完成后，需要进行控制系统的性能评估和优化，发现和解决潜在的问题和不足，进一步提升系统的稳定性和性能，例如，对系统的响应速度、精度和可靠性进行全面评估，找出影响系统性能的关键因素和瓶颈，采取相应的改进措施和优化方案，通过对控制系统的数据进行监测和分析，了解系统在长期运行过程中的变化和趋势，及时调整和优化系MMJtga51O6757ZWb0tS+zH8EOqf/iDpmqGz5ZlK1aOE=统的参数和策略，提高系统的适应性和稳定性。

4.3 精准控制与调整

在使用多点夹持机构时，需要根据工件的形状、尺寸和特性设计合理的夹持方案，夹持方案应考虑工件的稳固夹持、夹持点的均匀分布对工件表面的保护等因素，确保夹持力分布均匀、夹持效果良好，还需要考虑夹持机构的结构设计和材料选择，以满足工件加工的需求和工作环境的要求。

在实现精准控制与调整过程中，需要采用高精度的传感器和控制系统，实时监测和反馈夹持力、工件位置等参数，通过传感器采集到的数据，控制系统可以实现对夹持力、夹持位置等参数的精确调整，保证工件在加工过程中的稳定性和准确性，控制系统还可以实现对夹持力、夹持位置等参数的自动调整和优化，提高夹持效率和加工精度[3]。

针对非标自动化设备中的精准控制与调整需求，可以采用智能化的夹持控制算法，实现对夹持力、夹持位置等参数的自适应调整和优化，这些算法可以根据工件的形状、材料、加工过程等因素，自动调整夹持力和夹持位置，实现对工件的精准控制，还可以结合机器学习和人工智能技术，对夹持过程进行预测和优化，进一步提高夹持效率和加工精度。

在非标自动化设备中使用多点夹持机构进行精准控制与调整时，需要进行系统的实时监控和调整，通过监控夹持力、夹持位置等参数的变化，及时发现并解决夹持过程中可能出现的问题和异常情况，可以利用数据分析和追溯技术，对夹持过程进行记录和分析，总结经验教训，不断优化和改进夹持控制系统，提高工件加工的精度和稳定性。

4.4 多点夹持与稳固固定

在选择多点夹持机构时，需要根据工件的形状、尺寸和加工要求，设计出合理的夹持方案。方案应考虑工件的特点，有效防止工件在加工过程中产生位移或变形，例如，对于某些特殊形状的工件，可以设计出专门的夹具，将多个夹持点分布在工件的不同位置，实现对工件的全方位夹持与固定。

在进行多点夹持时，需要选择适合工件特点和加工需求的夹持机构，如选择气动夹具、液压夹具或机械夹具等，要夹具的选用应考虑夹持力的大小、夹持方式的灵活性、夹持点的数量和位置等因素，确保夹具能够牢固地夹持工件，同时不会对工件造成损坏或变形[4]。

在确定夹持方案和选择夹具之后，需要对夹持结构和夹持参数进行优化，通过调整夹具的夹持力、夹持点的位置和数量等参数，使夹持力能够均匀地作用于工件表面，避免因夹持不均匀而导致工件变形或加工质量不佳的情况发生，还可以利用仿真软件对夹持结构进行模拟分析，评估夹持效果和稳固性，找出潜在的问题并进行改进优化。

在实际加工过程中，需要加强对夹持过程的监控和控制，确保夹持机构和夹具能够稳定可靠地工作，可以通过安装传感器和监测设备，实时监测夹持力、夹持位置和工件变形情况，及时发现并处理异常情况，建立完善的质量控制体系，对夹持后的工件进行检测和评估，确保加工质量符合要求。

5 结语

多点夹持机构在非标自动化设备中的应用已经展现出巨大的潜力和优势，其灵活的夹持方式和智能化的控制系统为非标工件加工提供了可靠的解决方案，推动了自动化设备在制造业中的进一步普及和应用。在未来，随着人工智能、物联网和大数据等技术的深入发展，多点夹持机构将更加智能化和自适应，能够实现更加精细化的工件夹持和加工控制，随着制造业向高质量、高效率、柔性化方向发展，多点夹持机构将成为非标自动化设备中不可或缺的重要组成部分，为制造业转型升级提供强大支撑。

参考文献：

[1]容刚.谈非标自动化机械设备的设计[J].装备机械，2023（4）：60-62.

[2]谢奉林.非标自动化设备的模块化设计分析[J].科学技术创新，2023（6）：211-214.

[3]杨涛，顾复，顾新建.非标自动化生产线模块化标准化设计的研究及应用[J].成组技术与生产现代化，2022，39（2）：1-12+62.

[4]孙岩.多点定位式柔性夹持工装设计与研究[J].内燃机与配件，2021（4）：101-102.