“中國製造2025”“工業4.0”這些概念都將智能製造列在了工業發展的重要位置上，“智能”意味著物聯網、大數據、雲計算等新一代信息技術與數字製造技術、先進自動化技術、傳感技術、控制技術的相互結合。對於金屬切削加工，智能製造提出了高要求，最顯著的就是需要設備更高的自適應性以快速滿足個性化加工需求。在機床已經具有很高的通用性，刀庫配置愈發完備的情況下，工藝改進應該考慮從夾具入手。比如以下幾“變”就代表著未來夾具的一些趨勢。
變機械夾具為機電一體化夾具
現有的動力夾具絕大多數使用液壓或者氣動的驅動方式，無法實現對夾具的靈活控制。例如採用油缸驅動動力卡盤時，只能實現卡爪的夾緊和完全張開這兩個位置。而裝有伺服電機的電動驅動缸則可以通過機床的控制系統控制卡爪在其行程範圍內達到任意位置，大大提高卡盤的靈活性，實現對卡盤的智能控制。再如，在刀具夾持系統方面，德國羅邁研製的機電一體化的轉角式刀具夾頭不僅可以利用數控系統進行靈活控制，還能與移動通訊設備共同實現實時監控。
圖1 純機械式角度頭與機電一體化角度頭（右）
機電一體化展示了機械加工系統的發展方向，從未來發展來看，動力夾具的驅動最終都會被易於控制的電動方式所取代。
變單一夾具為多功能夾具
開發適應多種類工件和多工況的夾具，能最大限度減少夾具更換次數。以車削加工中最常見的卡盤為例，正是因為工件形狀各不相同，所以卡盤的種類眾多，二爪卡盤、三爪卡盤、四爪卡盤、六爪卡盤……如果一臺車床需要頻繁更換卡盤，那智能製造就無從談起。
圖2 薄壁工件的8點夾持
而四爪浮動定心卡盤就實現了既可以夾持圓形工件，也可以夾持長寬各不相同的矩形工件，覆蓋二爪、三爪、四爪卡盤的功能。此外，在夾持薄壁工件時，工件的變形量可以減小到三爪卡盤夾持時的三分之一以下，所以也特別適合薄壁工件的加工。如果在這種卡盤上使用浮動爪，則可以實現對工件的八點夾持(如圖2 )。這時，工件的變形量比六爪卡盤夾持時還要小。
圖3 點陣式柔性夾持系統
再如為了解決各種形狀薄壁空間曲面工件的夾持難題而被研發出來的點陣式柔性夾持系統，能夠自動適應不同工件的曲面形狀，實現工件的快速夾持。
變有效——增強夾具加工有效性
夾具的加工有效性是指能夠可靠地夾持工件，同時不能妨礙加工的進行，它直接影響了加工工藝的優劣。以銑削加工中的五面加工為例，要求工件一次夾緊的情況下實現五個面的加工，但是使用傳統夾具時由於夾持面過大，五面加工往往難以實現。德國LANG公司的咬合式虎鉗展示了一個很好的解決方案，只佔據工件3mm夾持高度，就能可靠夾緊工件並無障礙地對工件進行五面加工。
圖4 適合五面加工的咬合式式夾持技術
在車削加工中也常常遇到類似的問題：例如工件被卡盤夾持的部位需要進行掉頭加工，這對加工精度和效率都有明顯影響。此時採用“頂尖+驅動頂尖”的方案(如圖5)，一次夾緊即可實現工件的全長加工。
圖5 “頂尖+驅動頂尖”實現工件全長加工
如今驅動頂尖技術日趨成熟，已成為被車削加工和磨削加工中最有效的夾具之一，解決了大批軸類件的高效加工問題。
圖6 適合一次夾緊全長加工的常見軸類件
變“快”——發展夾具快換技術
雖然我們有方法研發製造出功能更強的夾具，但是“萬能夾具”是不存在的。因此在智能製造系統中，如何快速更換夾具就成為一個重要的課題。夾具快換技術近年來有了極大的發展，在銑削加工和車削加工中都有成功應用，其中有一些已經邁向了智能製造的門檻。
圖7 適合單件及小批量工件加工的自動化單元
例如，德國LANG公司的“Robo•Shelf”系統將機器人技術，夾具快換技術和咬合式夾持技術有機地結合起來，構成加工中心進行五面加工的自動上下料單元。在該系統的料庫中可以放置不同工件毛坯，加工中心通過對工件的識別選擇運行不同的加工程序，實現工件的單件和小批量生產。可以想像，這種單元經過進一步完善，可以成為未來智能製造系統中的一種基本單元。
結語
現有的夾具技術雖然還不能滿足智能製造的要求，但從上述先進夾具技術特徵的變化，似乎已經能窺探出未來智能製造下夾具技術的發展方向。智能製造是未來的一大願景，在製造技術的發展中，不變的理念為：機械加工的核心問題是工藝問題，重視這一問題，才能朝著智能製造的方向穩步邁進。
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