徐 刚 邱 行 陈 锋

（重庆川仪自动化股份有限公司晶体科技分公司，重庆 400702）

随着我国工业自动控制系统装置制造业发展进程的不断加速和工业数字化、自动化、智能化技术的广泛应用，工装夹具正朝着高精度、柔性化、高效率、高稳定性和智能化的方向发展[1]。受装夹方式操作烦琐、效率低下等因素的制约，目前宝石测量头加工还存在诸多问题和挑战[2]。面对这种新形势，急需设计一套新型专用夹具，以提高效率、方便操作，保证产品加工精度和质量，最大限度降低人工工时，实现零件智能化加工生产。本文对新型光纤激光机加工宝石测量头的专用夹具设计进行分析，希望能够对我国宝石测量头加工领域的发展提供一些参考和助力。

1 专用夹具的概念

专用夹具是指在工业自动控制系统装置制造业机械制造过程中，用来夹持和固定工件，使之快速、准确定位，并给予适合的支撑和维持，以接受加工，保证产品精密性、互换性，实现生产过程自动化的工艺设备。

2 专用夹具的主要功能

加工工件时，为符合加工要求，保证加工精度和提高生产率，必须用夹具支撑或固定所要加工的工件，使之占有正确的位置，这一过程称为定位。在已定好的位置上对工件夹牢，施加作用力，以保障加工过程的安全、高效、可靠实施，这一过程称为夹紧。从正确定位到可靠夹紧，这一过程称为装夹。专用夹具的主要功能是完成工件的装夹工作[3]。

3 宝石测量头装夹方式

宝石测量头又称宝石盲孔球，目前主要应用于三坐标测量系统。国内主要采用机械加工方式，利用专用磨具通过上下主轴相对旋转磨削而成[4]，见图1。其中：H表示平台高度；d表示盲孔直径；SΦD表示圆球直径；h表示底部高度。

先将磨有平台的宝石球通过专用自制胶（一种宝石加工专用胶，用虫胶和松香按9 ∶1 比例混合熔化而成）涂在内孔孔径略大于宝石圆球外径的金属工件中，然后把宝石球压实在金属件中粘接固定。将粘好宝石测量头的工件装入现有夹具，放入光纤激光机的三爪卡盘固定开启激光进行加工，见图2。

3.1 现有夹具工作原理

现有夹具由夹具底座与螺纹盖板组成，见图3。底座中心开圆形槽，圆槽外径略大于工件外径，用于装入工件。螺纹盖板中心打孔，孔径略小于工件外径，用于向下压紧工件起到固定作用。装夹时，将粘好宝石球的工件安装于夹具底座中心圆槽，通过螺纹盖板旋紧压实工件，再把装好工件的夹具装入激光机三爪卡盘上固定，开启激光进行加工。激光通过螺纹盖板中心孔射入，进行宝石测量头的盲孔加工。加工完成后，从三爪卡盘上取下夹具，旋开螺纹盖板更换产品，然后将夹具再次装入三爪卡盘。加工过程需要多个夹具进行轮换使用。

3.2 现有装夹方式存在的问题

3.2.1 操作烦琐，生产效率低

每加工完成一个产品，都需要将夹具从三爪卡盘取下，旋开螺纹盖板后更换产品，操作烦琐、耗时较长。当需要加工不同直径的宝石球时，要重新制作多组夹具底座，造成人工、耗材不同程度的浪费。

3.2.2 装夹定位不稳定，加工精度低

采用多个夹具轮换使用，每次装夹的位置变动相对较大，在加工过程中容易导致激光焦平面变化，从而影响产品的加工精度。

4 新夹具设计

4.1 设计的基本原则

4.1.1 高稳定性

保持工件的准确定位，并具有足够的承载或夹持力度，使工件在加工过程中不发生移动和振动，不对工件造成损伤。

4.1.2 高效率

满足装夹过程中简洁与快速操作，提高设备的有效工作时间，提升产品的加工效率。

4.1.3 高精度

满足夹具在调整或更换过程中重复定位的可靠性，保证产品的加工精度和质量。

4.1.4 低成本

能够及时更换损坏零件，实现自我校正加工位置，且结构简单，便于维护保养，成本较低。

4.2 新夹具的设计思路

目前，新型光纤激光机主要应用于Φ2 mm 及以下宝石测量头加工[5]。根据现有夹具和工件大小以及新型光纤激光机三爪卡盘的结构特点，结合公司现有自制夹具的类型，设计并采用带有弹性的“三爪夹头”的方式来夹持工件，通过弹簧伸缩的方式控制弹性夹头的张开与收紧，从而达到无须反复拆卸工装、方便上下产品以及操作流程简单的目的。

4.3 新夹具主要零件图与装配图

新设计的夹具主要包括金属底座（图4）、有机玻璃外套（图5）以及弹性夹头（图6）等主要零件。图4中，D1为底座大端直径，D2为底座小端直径，d1为底座沉孔直径，d2为台阶孔直径，H为底座高度。图5中，D1为外套直径，d1为锥形槽直径，d2为通孔直径，H1为外套高度，H2为底部沉孔深度。图6 中，D1为夹头大端直径，D2为夹头小端直径，d1为沉孔直径，h1为沉孔深度，H1为夹头总高度，H2为螺纹孔深度，M为螺纹孔直径，C为夹头的锥形角度。它们通过螺纹、点胶等方式装配而成，具体装配结构见图7。

4.4 工作原理

现有夹具由自制底座、三爪夹头、螺钉、螺母、弹簧、外套及盖板等组成。盖板与外套通过点胶配合（AB 胶）用于上下按压，外套与底座为间隙配合，在上下按压盖板时能够灵活滑动。夹头安装于带有锥度的外套，锥度外套与夹头锥面贴合，夹头底部有螺纹孔，采用螺钉与底座连接，通过螺母锁紧。底座与外套间装有弹簧，弹簧处于压缩状态时会向上挤压外套，再通过外套向上挤压夹头，从而使夹头收紧夹持工件。更换工件时，通过向下按压盖板使弹簧收缩，使外套向上挤压夹头的力消失，从而使夹头张开装入新工件。待装入新工件后，松开盖板夹头，收紧夹持工件，激光通过盖板中心孔射向夹持好的产品完成加工。新夹具固定于激光机三爪卡盘上无须拆卸，完成激光加工后只需要通孔按压盖板控制夹头张开与闭合更换产品即可。

4.5 新夹具的应用成效

4.5.1 节省工作时间，减轻劳动强度

这套夹具结构简易、紧凑，操作方便灵活。装夹产品无须反复拆卸工装，只需通过按压盖板即可实现上下产品，极大地简化了操作流程，减轻了劳动强度。

4.5.2 提高产品质量，增强加工精度

使用新夹具避免了多个夹具反复安装引起的位置变化，保证了加工精度。

4.5.3 提高工作效率

将复杂的工作简洁化，整个装夹产品的过程由之前的60 s 以上稳定在25 s 以内，提高了加工效率，特别是大幅提升了Φ2 mm 及以下小直径宝石测量头的加工效率。

4.5.4 降低企业材料成本，提高企业经济效益

当需要加工不同规格产品时，只需要更换夹头即可，无须更换整套夹具，节约了耗材。

5 结语

工业自动控制系统装置在社会生产中有着广泛应用。目前，我国工业自动化水平正在逐步提升，国内工业自动化需求不断增长，工业自动控制系统装置制造正处于进口替代加速阶段。激光机加工宝石测量头专用夹具的设计与应用，不仅有效解决了目前宝石球上下料操作烦琐、效率低下等问题，而且大大减轻了加工人员的劳动强度，提高了产品质量，为激光机批量化加工宝石测量头、指导工厂生产奠定了坚实的基础，也为国内工业自动控制系统装置制造行业抢占技术高点、提高产品技术含量、以更强的产品竞争力赢得更多的国际市场份额起到了积极的促进作用。