产品工装夹具设计

本节内容，我们讲述产品工装夹具的设计。

任何产品要在设备中进行各种加 工都必须要满足这样一个基本条件：设备、工作机构、夹具、产品之间具有正确 的位置关系。

由此，可以看出：工装夹具的作用就是找到并保持这种关系。

所以， 工装夹具在设备设计中是至关重要的一环。这也是我们把工装夹具设计单独拿到 这里作为一个模块设计的环节的原因。

当然，工装夹具本身是机械方向的一门专业课程，我们在这里不可能详细阐述这么庞大的内容体系。在这里，我们主要想描述几种典型产品在工业自动化设备设计中的装夹方法，希望诸位能通过这些示例琢磨出一些自己的心得体会。

关于工装夹具设计的详细地理论知识请诸位参阅 《工装设计》一书。

通常在工业自动化设备领域，工装夹具应该包含有两种：一种是作为自动化设备内部组件的产品夹具；一种是设备生产装配过程中的专用装配工装夹具。

我们说的工业自动化设备中的工装夹具实际上包含有两个方面的内容：定位和夹 紧。定位是指能够给工件一个合适的位置和要求的方向。夹紧指的是能将工件固定在夹具上，在设备运行或者操作过程中不得有任何不被允许的位置变动。

说到定位，就必须有几个概念需要提起：定位基准、定位方法、定位精度。 其中，定位方法的基本原则就是我们通常说到得六点定位原理；定位基准则需要 根据产品的性状合理地选择；定位精度则是根据设备对于产品的加工要求确定。

通常，产品的定位基准一旦确定，产品的其他位置也就随之确定。而为了减 小定位误差，我们选择的定位基准通常是优先考虑工序基准，这就是我们常说得 基准重合原则。

所谓六点定位原则指的是我们在定位任何一个产品的时候，使用六个简化的 支撑点限制工件在三维空间的六个自由度。工件的六个自由度指的是：X、Y、Z 三个方向的平移自由度和 X、Y、Z 三个方向的回转自由度。那么，通俗地说：这个六点定位原则就是要求工装夹具能够将产品完全约束，不能过约束，也不能 欠约束。

那么，要确定定位精度，首先必须要分析清楚定位误差。我们必须清楚地知道定位误差来源才能确定定位精度。通常定位误差来自于两个方面：基准不重合误差和基准位移误差。基准不重合误差就是我们前面提到的定位基准与工序基准 不一致导致的定位误差；基准位移误差就是工装夹具限制产品自由度的限位面与 我们选择的产品的定位基准面之间在产品被加工方向上的最大变动量。

另外，工装夹具作为自动化设备中的部件，必须具有足够的强度和刚度以保 证其对于产品的定位精度和重复精度。所以，定位部件的材料硬度通常要求大于 产品材料硬度；但是，通常为了实现对产品的保护，我们在夹紧装置中使用的限 位部件材料硬度被要求低于产品的材料硬度。当然，还是老生常谈，在工程实践 中任何原理原则不是万能的，必须要具体问题具体分析，灵活运用基本原理解决 实际问题是工程师的工作准则。

在工厂自动化设备中，产品夹具中的夹紧装置通常非常简单，使用的最多的 是如图 3.2-6-1 中所示的快速夹系列产品。

下面，我们来看看工业自动化设备中的常见形状产品的定位方法。

圆柱形产品的定位

通常，圆柱形产品的定位方法有以下几种：V 形块定位、弹性夹头定位、三 爪卡盘定位、锥度顶针等。显然，这几种定位方式中，产品的定位基准都是圆柱 的轴线。

上面 4 张图片中显示的是在夹具设计中所通用的圆柱形产品的定位方式。实际上，在工程实践中，我们所遇到的不总是这样的教材中的样本，这就是我们需 要使用这样的通用办法和基本原理去解决实际生产中的问题。前面说了夹具定位 通常也包含定向的问题，请看下图：

如图 4.2-5 所示的产品具有非常明显的方向性，那么我们的定位装置则要求 要能够定向防错。也就是说产品只有唯一正确的方向才能被放进夹具内，以保证 加工的正确性。那么我们的夹具定位设计就应该如下图所示：

注意图 4.2-6 中，夹具定位装置都有明显的导向倒角，这就是为了方便自动 化设备中的产品自动放入而专门设计的。

在这里，提到了一个概念：防错设计（Error-Proofing Design）。顾名思义， 所谓防错设计就是使用硬件或软件上的技术手段识别自动化设备中在运行过程 中人为的或者设备自身的错误，防止由这些失误导致的严重后果。对于工装夹具 设计来说，其意义就是善于利用产品本身的外形特点合理设计夹具中的定位定向 装置，使产品只能以唯一被要求的正确的姿态进入工装夹具内并被正确定位夹 紧。

通过上面的示例，我们可以清晰地看出：规则的产品很容易通过六点定位原 则设计定位装置。所以，在这里我们不再重复列举其他规则形状的产品定位设计， 如有需要，诸位可以去查阅相关专著。

异形产品的定位夹紧设计

异形产品的工装夹具设计最难的地方在于找出合适的定位基准，而且，我们 在设计异形产品的定位装置的时候通常需要定位原件仿形加工——即定位原件 的限位面形状完全复制产品的定位面形状。当然，随着自动化生产要求日益强烈， 现在越来越多的异形产品在设计之初已经考虑到自动化生产的定位要求，会设计 专用的定位基准面。如下图所示：

上面 3 幅图片中所描述的就是异形产品定位装置设计的普遍做法。实际上， 这种定位方法属于过约束定位，定位精度不高。通常应用于产品本身对于定位加 工精度要求不高的场合。事实上，这种异形产品本身也不会有太高的精度。当然， 适当地减小定位限位面可以提高定位精度。

在本章内容里，我们简单的对工厂自动化设备中常见的自动化机构和结构做了描述，希望能对诸位有用。

我们看任何资料都是重在理解其中传递出来的思路， 所以，我相信任何资料都不在于信息的多少，而是在于是否准确地传递出了一种正确的思维方式和方法。

在机械设计领域，只有实践才能做好。

只有做的东西足够多，才有可能积累足够的经验。

当你的经验积累丰富以后，会发现我们在设备中使用的绝大部分机构和结构都可以在前人的作品中找到，这是因为机械机构的发展早在 18 世纪就已经趋于成熟的缘故。目前，所有的企业都要求设计师具有创新思维，而创新（Innovation）最重要的基础就是熟悉。

只有实践越多，对机械设计领域内的知识越熟悉，才越有可能做创新设计。

如果一个设计师对于自己行业领域类的常用的机构、结构或者设计方法、思路都不了解、不熟悉，那还怎么有可能做创新设计呢？你觉得的呢？