【文章內(nèi)容簡介】 總成本。 ②精密化。隨著機械產(chǎn)品精度的日益提高，勢必相應提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結構類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達177。；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm。 ③高效化。高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度。常見的高效化夾具有自動化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生產(chǎn)流水線、自動線配置相應的高效、自動化夾具外，在數(shù)控機床上，尤其在加工中心上出現(xiàn)了各種自動裝夾工件的夾具以及自動更換夾具的裝置，充分發(fā)揮了數(shù)控機床的效率。 ④柔性化。機床夾具的柔性化與機床的柔性化相似，它是指機床夾具通過調(diào)整、組合等方式，以適應工藝可變因素的能力。工藝的可變因素主要有：工序特征、生產(chǎn)批量、工件的形狀和尺寸等。具有柔性化特征的新型夾具種類主要有：組合夾具、通用可調(diào)夾具、成組夾具、模塊化夾具、數(shù)控夾具等。為適應現(xiàn)代機械工業(yè)多品種、中小批量生產(chǎn)的需要，擴大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結構為可拆結構，發(fā)展可調(diào)夾具結構，將是當前夾具發(fā)展的主要方向。 柔性夾具一般說來，柔性夾具是指工件的形狀和尺寸有一定變化后，夾具還能適應繼續(xù)使用的應變能力。但是工件變化可以在小范圍，即在相似的形狀和和尺寸變動不大的范圍內(nèi)，也可在大范圍，即零件形狀完全不同，尺寸變化很大。所以，柔性夾具還是含糊的，沒有明確的定義和界限。籠統(tǒng)的說，就是指與NC機床、加工中心配合使用的、具有夾持多種不同工件能力的夾具。 柔性夾具的分類柔性夾具是指用同一夾具系統(tǒng)，完成多種形狀尺寸各異的工件裝夾的裝備?；蛘哒f，柔性夾具就是指與NC機床、加工中心配合使用的，具有加工多種不同工件的夾具。柔性夾具的主要類見表1。表1 柔性夾具分類表分類柔性工作原理種類主要優(yōu)缺點組合夾具標準元件的機械裝配孔系、槽系應用較廣，特別是孔系組合夾具因剛度好而應用于數(shù)控加工中心可調(diào)整夾具在通用或者專用夾具基礎上更換元件和調(diào)節(jié)元件位置通用、成組通用范圍大，適應性廣，加工對象不太固定，一般在多品種、小批量中應用廣泛模塊化程序控制式夾具用伺服控制機構雙轉臺回轉式結構復雜，成本偏高，柔性有限適應性夾具將定位元件或者夾緊元件分解成更小的元素以適應工件的連續(xù)變化渦輪葉片式彎曲場軸式適應范圍小相變材料夾具材料物理性質（相態(tài)、壓強）的變化真相變材料夾具、偽變相材料流態(tài)床夾具工件加工精度受到相變條件仿生抓夾式夾具形狀記憶合金機器人終端器夾具成本較高 仿生抓夾式夾具根據(jù)柔性夾具的分類可知，仿生抓夾式夾具是由柔性夾具發(fā)展得到的。它包括了結構柔性，材料柔性等。比如說它的材料柔性，它的材料可為形狀記憶合金。形狀記憶合金是近幾十年發(fā)展起來的一種新型功能材料，它是利用應力和溫度誘發(fā)相變的機理來實現(xiàn)形狀記憶功能的一類材料。其特點是：將已在高溫下定形的形狀記憶合金置于低溫或常溫下使其變形，當環(huán)境溫度升高到臨界溫度時，合金的變形消失并可回復到定型時的原始狀態(tài)。仿生抓夾式夾具是仿照生物的特點來設計和制造出來的，如生物的結構、形態(tài)、表面肌理、功能等。主要是仿照生物的夾持能力。如下圖32，仿照蜘蛛的多爪抓夾夾具。仿生抓夾式夾具主要用來抓夾物體，一般用在機器人或機械裝置的終端。圖32 多抓仿生抓夾夾具 仿生抓夾式夾具的進化預測 進化路線分析經(jīng)過對仿生抓夾式夾具技術的分析，我們將從以下幾條進化路線對仿生抓夾式夾具技術進行分析，分別為增加反饋可控性、增加動態(tài)化路線、減少人為干預路線。（1）增加反饋可控性直接控制增加反饋增加媒介控制智能反饋機械控制液壓控制增加傳感器智能控制目前狀態(tài)新狀態(tài)這是直接進化理論的模式5下的一條路線，即“增加動態(tài)性及可控性”。圖33 仿生抓夾式夾具的反饋可控性路線通過對仿生抓夾式夾具技術的發(fā)展分析，得出仿生抓夾式夾具反饋可控性路線，如圖33所示。最初的仿生抓夾式夾具制造簡單，由工人手動夾緊，操作簡單，屬于機械控制，如下圖34所示，為一個簡單的機械控制仿生抓夾式夾具。機械控制是最基本的一種控制，它是利用機械設備本身的有關部件實現(xiàn)控制，但是工作效率低，精度也低。圖34 機械控制 圖35 液壓控制隨著仿生抓夾夾具的發(fā)展，先后出現(xiàn)了液壓和氣壓控制，大多數(shù)使用液壓控制。液壓控制是仿生抓夾式夾具的一種主要的控制方式。仿生抓夾式夾具的夾持元件運動速度和操作是根據(jù)油的流量與壓力來確定的，因而只要控制油的流量與壓力，就可以控制夾持元件的運動速度和夾持力。如圖35所示，就是液壓的工作原理。這樣的改進之后，工作效率有很大的提高，且比較穩(wěn)定，減少了人力的加入。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，好多精密零件的加工需要精確的裝夾，而一般的控制已經(jīng)無法滿足。所以就出現(xiàn)了增加反饋的仿生抓夾式夾具，在夾具中加入了反饋元件（傳感器），一般為壓力傳感器，它能快速的、及時的、準確的反映出夾持力的大小，以便及時調(diào)整。這樣就大大的提高了工件的裝夾精度。隨著產(chǎn)品的要求越來越高，工件的加工精度越高，裝夾精度也就越高。這就使人們想到了智能化，如具有高度的“觸覺”和“視覺”等，且能高速準確的自動控制夾具，及時調(diào)整夾持力。目前仿生抓夾式夾具在這方面技術不成熟，應用領域和范圍都非常小。所以，仿生抓夾式夾具的智能控制還有很大的研究空間上面的分析可以看出，仿生抓夾式夾具基本上還在增加反饋階段，在反饋可控性路線上有一定的發(fā)展?jié)摿?，可向智能反饋方向發(fā)展。（2）增加動態(tài)化仿生抓夾式夾具可以按照進化模式5，即“增加動態(tài)性及可控性模式”來進行預測分析。通過它來確定尋找新的替代技術的可能方向，我們從增加動態(tài)化這條路線分析，這條路線可分為6個階段，如圖36所示。剛性體單鉸鏈多鉸鏈彈性體分子結構場目前狀態(tài)新狀態(tài)最初的仿生抓夾式夾具的抓夾部分（爪子）是剛性的，不可轉動的，它制造簡單。但是很多復雜的零件它不可夾持，不穩(wěn)定，且易損壞工件。圖36 增加動態(tài)化路線為了改善上面的一些不足，就出現(xiàn)了單鉸鏈的爪子，它就可以夾持一些稍微復雜或不規(guī)則的工件了。隨著工業(yè)的發(fā)展，需要制造的精度也越來越高，所以對仿生抓夾式夾具的要求也就越高了，更加朝著柔性化發(fā)展。接著就出現(xiàn)了多鉸鏈的夾爪，使得它更加的柔性化，就如多指關節(jié)的機械手，如圖37所示。圖37 多關節(jié)機械手仿生抓夾式夾具技術正經(jīng)歷著向更加柔性的變化，電磁能和熱能等場在仿生抓夾式夾具設計中的應用還相對簡單，應用也比較少，仍然有很多值得探討的地方，具有非常廣闊的空間。所以，仿生抓夾式夾具在增加動態(tài)性這條路線上還有很大的進化潛力，這無疑也是非常令人期待的一個新突破。(3)減少人為干預手工操作機械化智能化手工夾緊人工裝夾工件液壓、氣壓夾緊自動調(diào)整夾持力機構自鎖這是進化模式10“增加自動化，減少人的介入”下的一條進化路線。進化路線如圖38所示。圖中還表示了仿生抓夾式夾具技術在此條進化路線上的發(fā)展。圖38 減少人為干預的進化路線最開始的仿生抓夾式夾具是非常簡易的，全部由人工夾緊操作。工作效率很低，人的工作量大，且不夠穩(wěn)定，不安全。為了減少人的工作量，仿生抓夾式夾具機械化，有機械驅動夾緊的，液壓驅動夾緊、氣壓驅動夾緊、電氣驅動夾緊的，如圖39就是一個液壓抓具的簡圖。這樣的改進之后，工作比較可靠，工作效率高，而成本不高，人們可以去完成更具有創(chuàng)造性的工作了。油缸圖39 液壓抓夾夾具簡圖如何提高技術系統(tǒng)的功能效益，用來實現(xiàn)那些枯燥的功能，這就需要往智能化方面的發(fā)展了。目前，智能化在仿生抓夾式夾具中的應用還比較小。比如如何自動的調(diào)整夾持力的大小、智能定位、智能測量工件的尺寸等。所以，仿生抓敬夾式夾具技術在這方面還是有很大的發(fā)展空間的。 預測結論通過對增加反饋性路線、增加動態(tài)化路線和減少人為干預路線這三條路線的進化分析。得出仿生抓夾式夾具的方向可以歸結為兩點：1）智能化。比如使夾具智能定位，自動測量，自動調(diào)整夾持力等。這就需要自動化和電方面的知識了?？梢栽趭A具中加入傳感器、控制器等。2）結構柔性化。即仿生抓夾式夾具更加的動態(tài)化，使夾具的可自適應性更強。如同一夾具可以夾持不同形狀，不同尺寸的工件。而現(xiàn)在的仿生抓夾式夾具如要做到這點，則必須換不同夾持元件。這里，我將從第二個方面——結構柔性化，來對仿生抓夾式夾具進行創(chuàng)新設計。 仿生抓夾式夾具的創(chuàng)新設計通過上節(jié)對仿生抓夾式夾具技術的進化預測分析，我們應用TRIZ理論對仿生抓夾式夾具存在的問題加以分析，提出可行的解決方案。（1）問題描述① 傳統(tǒng)的抓夾式夾具不適合夾持尺寸不一的工件，適應性和通用性差。這是因為夾持部位（爪子）的大小是固定的，所以尺寸小的仿生抓夾式夾具，不適合夾大尺寸的工件，反之亦然。② 如果夾持不同尺寸的工件需要不同的仿生抓夾式夾具的話，那么就需要很多套爪子，系統(tǒng)非常復雜，成本高，管理不便，操作也不便?？傊芗畜w現(xiàn)仿生抓夾式夾具的的適應性及多用性與其系統(tǒng)的復雜性這兩個工程參數(shù)之間。（2）問題分析要解決的這個問題，涉及兩個工程參數(shù)：216。 欲改善參數(shù)：適應性及多用性（）216。 負面影響參數(shù)：系統(tǒng)的復雜性（）由沖突矩陣表查出發(fā)明原理，如表2所示。由沖突矩陣查出推薦的發(fā)明原理：——動態(tài)特性原理。調(diào)整物體或環(huán)境的性能，使其在工作的各個階段都達到最優(yōu)狀態(tài)；分割物體，使其各部分可以改變相對位置；如果一個物體整體是靜止的，使之移動或可動?！獧C械系統(tǒng)的替代原理。用光學系統(tǒng)、聲學系統(tǒng)、電磁學系統(tǒng)或影響人類感覺的系統(tǒng)，代替機械系統(tǒng)；使用與物體相互作用的電場、磁場、電磁場；用運動場代替恒定場，結構化場代替非結構化場；把場與場作用和鐵磁粒子組合使用?！獨鈩优c液壓結構原理。將物體的固體部分，用氣體或流體代替，將氣體或液體用于膨脹或減振?！獰崤蛎浽?。利用材料的熱膨脹或熱收縮；組合使用不同熱膨脹系數(shù)的幾種材料。表2 沖突矩陣 惡化的改善 特性的特性 ……系統(tǒng)的復雜性………適應性及多用性15，2937，28…綜合分析以上4條發(fā)明原理，其中29號氣動與液壓結構原理和37號熱膨脹原理對該問題的意義不大。再來看看另外兩個原理：。原理15——動態(tài)性?？梢詫⒎律A式夾具的爪子變得更加的柔性化，如果爪子可以隨著工件尺寸的大小變化而變長變短，就解決了問題。原理28——機械系統(tǒng)的替代原理。可以以另一個系統(tǒng)來代替爪子的機械系統(tǒng)，如電磁場，也可以解決問題。（3）解決方案1）方案一：應用15號動態(tài)化原理首先，我們將爪子改為多鉸鏈的或彈性體的，如圖310所示，就是將剛性體改為多鉸鏈的。這樣可以使夾具更加的適應工件的形狀，使夾持更加穩(wěn)定。圖310 多鉸鏈元件 圖311 伸縮元件如果要使夾具可以夾持不同尺寸的工件，就得改變爪子的長短。所以我們可以把爪子設計成伸縮的或折疊形的，又因為折疊的占用空間，而伸縮性的不僅占用空間小，且在不使用時，還起到保護作用，不受外界污染。如圖311所示，就是一個伸縮形的元件。最后，我們將仿生抓夾式的爪子做成可伸縮的多鉸鏈形式。如圖312所示。圖312可伸縮多鉸鏈抓夾式夾具2）方案二：應用28號機械系統(tǒng)替代原理仿生抓夾式夾具主要是通過爪子的機械運動來夾持工件的，而能夾持工件的大小決定于爪子的形狀及大小。通過機械系統(tǒng)替代原理我們可以通過機械系統(tǒng)改為磁場系統(tǒng)?？梢栽O計帶有吸附作用的元件，就猶如壁虎爬墻，如圖313所示?；蛘咧苯訉⒆ψ尤サ簦臑槲P式的，這樣就可以解決問題了。圖313 吸附式爪子比較方案一和方案二，它們各有優(yōu)缺點：伸縮性抓夾夾具可以在不用時可以收起來，占用空間小，且穩(wěn)定性比較高，但制造精度要高，來保證嵌套的緊密型；吸附式的夾具，制造簡單，適用性廣。結 論技術系統(tǒng)的進化路線和進化潛能的研究對產(chǎn)品的創(chuàng)新設計具有重要的知道作用。本文通過對仿生抓夾式夾具技術的發(fā)展狀況分析，歸納和總結了仿生抓夾式夾具技術的進化路線，通過對這些進化路線的具體分析，對對仿生抓夾式夾具做出技術進化預測。得出仿生抓夾式夾具技術在動態(tài)化路線、減少人為干預路線、反饋可控性路線上還有很大的發(fā)展空間。通過對仿生抓夾式夾具的進化預測分析，以及對仿生抓夾式夾具技術目前遇到的問題進行分析。我們應用TRIZ發(fā)明問題解決理論的沖突原理對仿生抓夾夾具做出創(chuàng)新設計。TRIZ理論是個有效的產(chǎn)品創(chuàng)新工具，本文對現(xiàn)在仿生抓夾式夾具目前存在的問題進行分析的基礎上，運用TRIZ理論，構沖突，用39個工程參數(shù)中的2個描述該沖突。由沖突矩陣確定可用的發(fā)明原理——15號動態(tài)化原理和28號機械系統(tǒng)的替代原理，由發(fā)明原理所提供的思路與線索，對仿生抓夾式夾具進行TRIZ分析，得出解決方案。設計出可伸縮柔性的仿生抓夾式夾具和吸附式仿生抓夾式家具，它們不僅可以抓夾不同尺寸的工件，并且制造簡單，占用空間小，成本低。參考文獻[1] 于帆，陳嬿. 仿生造型設計. 華中科技大學出版社. 2005，11.[2] Hamel, G., Leading the :Harvard Business School Press ,2000.[3] 趙敏，史曉凌，段海波. TRIZ入門及實踐. 科學出版社. 2009，3.[4] 李海清，張明勤，韓立芳，石海龍，6.[5] 張付英，徐燕申，11.[6] Darrell systematic innovation[M].Bel