基于DE的仿生抓夹式夹具创新设计设计说明书

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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设设 计专 业： 机械制制造工艺艺教育 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 副教教授 二一二 年 六六 月天津职业技技术师范范大学本本科生毕毕业设计计基于DE的的仿生抓抓夹式夹夹具创新新设计Innovvatiive dessignn offBioonicc CaatchhClip typpe FFixtturee Baasedd onn DEE专业班级：机制007111班学生姓名：郑指导教师： 副副教授学 院：机机械工程程学院2012年年 6月月摘 要为了明确仿仿生抓夹夹式夹

2、具具技术目目前和未未来发展展的研究究思路，拓拓宽其研研究领域域，跳出出仿生抓抓夹式夹夹具固有有的技术术范畴，从从更高的的理论层层面对其其进行分分析，为为其未来来发展领领域寻求求具有理理论支持持的技术术方向。本文将TRRIZ的的直接进进化理论论引入到到仿生抓抓夹式夹夹具中来来，根据据它的进进化模式式和多条条进化路路线来对对仿生抓抓夹式夹夹具技术术进行分分析，发现其其进化潜潜能。这里主主要通过过对反馈馈可控性性、减少少人为干干预、动动态化三三条路线线进行分分析，对仿生生抓夹式式夹具技技术将来来可能的的发展方方向做出出准确判判断和预预测。通过对仿生生抓夹式式夹具的的预测，对对其做出出创新设设计。运用

3、TTRIZZ理论中中的冲突突及发明明创新原原理，对对问题进进行分析析，得出出技术冲冲突，即即适应性性及多用用性与系系统的复复杂性的的冲突。根根据冲突突矩阵表表，查出出发明创创新原理理，运用用其中的的动态性性和机械械系统替替代原理理，设计计出伸缩缩抓夹夹夹具和吸吸附式夹夹具。 关键词：直直接进化化理论；仿生抓抓夹式夹夹具；进进化模式式；创新新设计 ABSTTRACCTFor ppressentt annd ffutuure devveloopmeent of thee fiixtuuress ttechhnollogyy cllearr thhinkkingg,broodenn thhe rre

4、seearcch ffielld, jummpedd ouut oof tthe inhhereent fixxturre ttechhnollogyy caateggoryy, frrom thee thheorretiicall leevell too annalyyze it, foor tthe futturee deevellopmmentt fiieldd off fiixtuure loookinng ffor thee teechnnoloogy treendss off thheorry ssuppportt. the ppapeer qquotted Dirrectted

5、evooluttionn theeoryy off TRRIZ to thee Biioniic CCatcch CClipp tyype Fixxturre.AAccoordiing to itss Paatteernss off teechnnoloogiccal evooluttionn annd mmulttiplle eevollutiionaary linnes to anaalyzze bbionnic cattch cliip ttypee fiixtuure tecchnoologgiess, annd ffindd itts eevollutiionaary pottent

6、tiall. TTherre mmainnly thrrouggh feeedbaack conntrool, redduciing humman inttervventtionn, dyynammic rouute forr annalyysiss, onn thhe ddeveeloppmennt ddireectiion of thee poossiiblee fuuturre hhas madde aaccuuratte jjudggmennt aand thee fooreccastt.Throuugh forrecaast aboout thee biioniic ccatcch

7、cclipp tyype fixxturre, to makke iits innnovaativve ddesiign. Ussingg thhe ttheoory of connfliict andd innvenntivve pprinncippless too annalyyze thee prrobllem, wee coonclludee thhat tecchnoologgy cconffliccts, thhe cconfflicct, nammelyy iss adaaptaabillityy annd tthe commpleexitty oof tthe sysstemm

8、. acccorrdinng tto tthe connfliict mattrixx taablee, ffindd ouut tthe priinciiplee innvenntioon aand innnovaatioon, theen, usiing thee dyynammic andd meechaaniccal sysstemm suubsttituutioon pprinncipple, deesiggn tthe tellesccopiic ccatcch cclipp fiixtuure andd addsorrptiive fixxturre.Key WWordds: D

9、irrectted evooluttionn; BBionnic Cattch Cliip ttypee Fiixtuure ; PPattternns oof ttechhnollogiicall evvoluutioon ; innnovvatiive dessignn目 录1 绪论11.1 设设计背景景及意义义11.2 仿仿生设计计11.2.11 仿生设设计内容容11.2.22 仿生生设计原原则21.3 创创新设计计32 TRIIZ理论论42.1 TTRIZZ发明问问题解决决理论42.2 TTRIZZ的三大大进化理理论42.2 直直接进化化理论62.2.11 进化模模式62.2.22 进

10、化路路线72.2.33 进化化潜能93 基于DDE的仿仿生抓夹夹式夹具具创新设设计103.1 夹夹具103.1.11 夹具的的分类103.1.22 夹具具的作用用113.1.33 夹具具的组成成113.1.44 夹具具的现状状及发展展方向123.2 柔柔性夹具具133.2.11 柔性性夹具的的分类143.2.22 仿生抓抓夹式夹夹具143.3 仿仿生抓夹夹式夹具具的进化化预测153.3.11 进化化路线分分析153.3.22 预测测结论193.4 仿仿生抓夹夹式夹具具的创新新设计19结 论22参考文献23附录1 技技术冲突突和发明明原理表表25附录2 英英文资料料及翻译译27致 谢431 绪论

11、1.1 设设计背景景及意义义机械制造的的机械加加工、焊焊接、热热处理、检检验、装装配等工工艺过程程中，为为了安装装加工工工件，使使之占有有正确的的位置，以以保证零零件和产产品的质质量，并并提高生生产效率率，所采采用的工工艺装备备称为夹夹具。夹具最早出出现在118世纪纪后期。随随着科学学技术的的不断进进步，夹夹具已从从一种辅辅助工具具发展成成为门类类齐全的的工艺装装备。夹具按用途途分类，可可分为机机床夹具具、装配配夹具和和检验夹夹具等；按通用用化程度度分类，可可分为通通用夹具具、专用用夹具、成成组夹具具、组合合夹具、随随行夹具具。而仿仿生抓夹夹式夹具具属于其其中机床床夹具和和通用夹夹具。在批量生

12、产产中，企企业都习习惯于采采用传统统的专用用夹具，一一般在具具有中等等生产能能力的工工厂里，约约有数千千甚至近近万套专专用夹具具；在多多品种生生产的企企业中，每每隔34年就就要更新新50%800%的专专用夹具具，而夹夹具的实实际磨损损量仅为为10%200%，这这些夹具具往往留留下来又又很难得得到重复复使用，抛抛弃他们们又实在在可惜，因因此造成成很大的的浪费。这这些都是是一直困困扰企业业的现实实问题。近近年来，数数控机床床、加工工中心、成成组技术术、柔性性制造系系统等新新加工技技术的应应用，对对机床夹夹具提出出了如下下新的要要求：a) 能迅速而方方便地装装备新产产品的投投产，以以缩短生生产准备备

13、周期，降降低生产产成本；b) 能装夹一组组具有相相似性特特征的工工件；c) 能使用于精精密加工工的高精精度机床床夹具；d) 能适用于各各种现代代化制造造技术的的新型机机床夹具具；e) 采用以液压压站等为为动力源源的高效效夹紧装装置，以以进一步步减轻劳劳动强度度和提高高劳动生生产率；f) 提高机床夹夹具的标标准化程程度。显然，如何何设计制制造出更更先进的的夹具是是工业进进步的一一大关键键，因此此研究仿仿生抓夹夹式夹具具的进化化历程和和夹具技技术的未未来发展展方向有有着重要要的意义义。1.2 仿仿生设计计 仿生生设计是是工业设设计中有有着深厚厚历史积积淀与丰丰富实践践经验的的，同时时又是最最新鲜、

14、最最具活力力的设计计创新方方法，是是设计回回归自然然、追求求人性化化的具体体、可行行的方法法，正逐逐渐成为为设计发发展过程程中新的的亮点。1.2.11 仿生设设计内容容由于仿生设设计的研研究领域域非常广广泛，所所以仿生生设计的的内容可可以从不不同的角角度产生生不同的的层次和和方向。基基于生物物特征认认知与产产品的构构成要素素的相关关性，可可以将仿仿生设计计的主要要内容归归纳为：仿生物物体形态态的设计计；仿生生物表面面肌理与与质感设设计；仿仿生物结结构的设设计；仿仿生物功功能的设设计；仿仿生物色色彩的设设计；仿仿生物形形式美感感的设计计；仿生生物意象象的设计计等。（1）仿生生物体形形态的设设计是

15、在对自然然生物体体。包括括动物、植植物、微微生物、人人类等所所具有的的典型外外部形态态的认知知基础上上，寻求求对产品品形态的的突破与与创新。仿仿生物形形态的设设计是仿仿生设计计的主要要内容，强强调对生生物外部部形态美美感特征征与人类类审美需需求的表表现。（2）仿生生物表面面肌理与与质感设设计自然生物体体的表面面机理与与质感，不不仅仅是是一种触触觉或视视觉的表表象，更更代表某某种内在在功能的的需要，具具有深层层次的生生命意义义，通过过对生物物表面肌肌理与质质感的设设计创造造，增强强仿生设设计产品品形态的的功能意意义和表表现力。（3）仿生生物结构构的设计计生物结构是是自然选选择与进进化的重重要内容

16、容，是决决定生命命形式与与种类的的因素，具具有鲜明明的生命命特征与与意义。结结构仿生生设计通通过对自自然生物物由内而而外的结结构特征征的认知知，结合合不同产产品概念念与设计计目的进进行设计计创新，使使人工产产品具有有自然生生命的意意义与美美感特征征。（4）仿生生物功能能的设计计功能仿生设设计主要要研究自自然生物物的客观观功能原原理与特特征，从从中得到到启示以以促进产产品功能能改进或或新产品品功能的的开发。（5）仿生生物色彩彩的设计计自然生物的的色彩首首先是生生命存在在的特征征与需要要，对设设计来说说更是自自然美感感的主要要内容，其其丰富、纷纷繁的色色彩关系系与个性性特征，对对产品的的色彩设设计

17、具有有重要意意义。（6）仿生生物形式式美感的的设计从人类的审审美要求求出发，发发现和归归纳自然然生物所所蕴含的的美感规规律，更更好的进进行产品品美感与与意义的的整合设设计。（7）仿生生物意象象的设计计生物的意象象是在人人类认识识自然的的经验与与情感积积累的过过程中产产生的，仿仿生物意意象的设设计对产产品语义义和文化化特征的的体现具具有重要要作用。1.2.22 仿生设设计原则则 作为工工业设计计的一种种创新思思维与方方法，仿仿生设计计首先应应该遵循循工业设设计的一一下原则则。艺术性与与科学性性相结合合：尊重重客观审审美规律律的同时时，应用用先进的的科学技技术进行行设计的的产品化化与商品品化。功能

18、性：产品合合理、有有效的基基本功能能和方便便、安全全、宜人人等多层层次功能能的综合合体现。经济性：满足标标注化、批批量生产产的产品品设计，同同时延长长使用寿寿命、方方便运输输、维修修及回收收。创造性：在概念念、思维维、方法法、表现现、使用用等方面面的独创创性。需求性：对不同同时间、地地点、环环境、年年龄、人人群等多多元化需需求的差差异性设设计，满满足并创创造需求求。系统性：是对产产品系统统的认识识、把握握与创造造。资源性：通过设设计追求求自然资资源、设设计资源源的无限限可逆性性循环利利用。对仿生设计计来说更更加强调调以下几几个方面面：设计的合合理性与与合目的的性：对对自然生生物相关关概念分分析

19、、概概括与设设计应用用的合理理。设计的创创造与再再造：对对自然生生物模拟拟及更高高层次设设计应用用的可持持续性、可可逆性创创造。设计的多多义性：理解自自然生物物有意义义的形式式，赋予予产品更更多样化化的美感感和含义义。1.3 创创新设计计创新设计是是指充分分发挥设设计者的的创造力力，利用用人类已已有的相相关科技技成果进进行创新新构思，设设计出具具有科学学性、创创造性、新新颖性及及实用性性的一种种实践活活动。创新设计是是创新理理念与设设计实践践的结合合。发挥挥创造性性的思维维，将科科学、技技术、文文化、艺艺术、社社会、经经济融汇汇在设计计之中，设设计出具具有新颖颖性、创创造性和和实用性性的新产产

20、品。创创新设计计可以从从以下几几个侧重重点出发发： 1、从用户户需求出出发，以以人为本本，满足足用户的的需求。 2、从挖掘掘产品功功能出发发，赋予予老产品品以新的的功能、新新的用途途。 3、从成本本设计理理念出发发，采用用新材料料、新方方法、新新技术，降降低产品品成本、提提高产品品质量、提提高产品品竞争力力。创新是设计计本质的的要求，也也是时代代的要求求。作为为“为传传达而设设计”的的视觉传传达设计计，如何何正确充充分地传传达信息息是每一一个设计计者始终终要面临临的中心心问题。但但是，在在当今社社会，仅仅仅把传传达信息息的关键键词定位位于正确确和充分分显然是是不够的的。必须须要把视视觉传达达设

21、计的的创新重重视起来来，从设设计理念念、视觉觉语言和和技术表表现方式式的创新新入手，正正确充分分地传达达信息。2 TRIIZ理论论TRIZ是是一种发发明问题题解决理理论，由由前苏联联学者根根里奇阿奇舒舒勒创建建于19946年年。TRRIZ理理论成功功地揭示示了创造造发明的的内在规规律和原原理，着着力于澄澄清和强强调系统统中存在在的矛盾盾，其目目标是完完全解决决矛盾，获获得最终终的理想想解。实实践证明明，运用用TRIIZ理论论，可大大大加快快人们创创造发明明的进程程而且能能得到高高质量的的创新产产品。2.1 TTRIZZ发明问问题解决决理论在利用TRRIZ解解决问题题过程中中，设计计者首先先将待

22、设设计的产产品表达达成为TTRIZZ问题，然然后利用用TRIIZ中的的工具，如如发明原原理、技技术进化化理论等等，求出出该TRRIZ问问题的普普通解，最最后设计计者再把把该解转转化为特特定解。技术冲突是是指一个个作用同同时导致致有用及及有害两两种结果果。技术术冲突场场表现为为一个系系统中两两个子系系统之间间的冲突突。通过过对2550万件件专利研研究的详详细研究究，TRRIZ理理论提出出39个个通用工工程参数数（见附附录表一一）描述述冲突。实实际应用用中，首首先要把把组成冲冲突的双双方内部部性能用用该399个工程程参数中中的两个个来表示示，然后后在冲突突矩阵中中找出解解决冲突突的“发明原原理”。

23、TRIZ中中的发明明原理是是由专门门研究人人员对不不同领域域的已有有创新成成果进行行分析、总总结，得得到的具具有普遍遍意义的的经验，这这些经验验对指导导不同领领域的产产品创新新都有重重要的参参考价值值。在对对全世界界专利进进行分析析，阿奇奇舒勒提提出了440条发发明原理理（见附附录表二二）。实实验证明明这些原原理对于于指导设设计人员员的发明明创造具具有重要要的作用用图2-1所示示就是应应用冲突突解决问问题的流流程。具体化应用40条原理应用39个参考将问题一般化一般问题特定问题特定解一般解图2-1 应用冲冲突解决决问题的的流程2.2 TTRIZZ的三大大进化理理论TRIZ理理论包含含着许多多系统

24、的的、科学学的而又又富有可可操作的的创造性性思维方方法和发发明问题题的分析析方法，而而TRIIZ技术术进化理理论是其其中的一一部分，其其认为技技术系统统的进化化存在着着客观规规律而不不同领域域的技术术进化规规律是可可以相互互移植的的。随着TRIIZ进化化理论的的发展，不不同的研研究者提提出了不不同的进进化模式式体系。有有技术进进化理论论（Evvoluutioon oof TTechhniqque， ET）、技术术进化引引导理论论（Guuideed TTechhnollogyy Evvoluutioon， GTEE）、直直接进化化理论（DDireecteed EEvollutiion， DE）：

25、1）技术进进化理论论ET理论侧侧重于TTRIZZ技术进进化理论论的原理理诠释，它它着重于于研究了了技术进进化的动动力和理理论基础础。该理理论认为为，技术术系统进进化的主主要动力力来自于于人们对对技术系系统主要要功能逐逐步提高高的要求求。ETT理论为为技术系系统的进进化方向向及进化化时间点点等的选选择问题题提供了了可行性性思路，但但由于这这些假设设本身是是逻辑推推测而非非严格数数理证明明的结果果，关于于这些假假设的实实证研究究也尚未未开展，因因此其可可靠性有有待进一一步检验验。2）技术进进化引导导理论GTE理论论包括了了6条进进化模式式：增加理理想度；子系统统不平衡衡；向超系系统转换换；增加动动

26、态性；缩短能能量转换换路径；向微观观级转换换。GTTE理论论是以技技术预测测理论为为中心的的新兴应应用性技技术进化化理论，其其出发点点是根据据TRIIZ理论论开发出出一种结结构化的的方法，对对技术系系统发展展趋势进进行准确确预测。3）直接进进化理论论DE理论是是从如何何利用技技术预测测理论进进行战略略决策或或提高未未来可控控性的角角度，对对技术进化理理论进行行研究，其其核心思思想是精精益求精精。DEE理论认认为，传传统的预预测理论论消极地地认为等等待技术术进化过过程的自自然发生生，GTTE则是是机械地地预测技技术进化化过程，而而DE理理论则强强调如何何根据特特定的目目标选择择适应的的技术进进化

27、模式式，以达达到提高高未来可可控性的的目的。因因此，与与其他技技术进化化理论相相比，DDE具有有灵活性性和目标标导向性性的特点点，DEE理论的的使用步步骤及通通用流程程详如图图2-22所示。所所以我们们选用DDE理论论对夹具具进行进进化预测测。现在是理解过去的关键过去是理解未来的关键理解未来是控制进化的关键1. 收集历史数据2. DE诊断3. 思想综合4. 决策制定5. .支撑进化过程 图22-2 DE理理论的使使用步骤骤及通用用流程图图DE理论包包含了110条进进化路线线：进化阶阶段；增加理理想化水水平；增加资资源的包包含量；系统零零部件的的非均衡衡发展；增加系系统的动动态性和和可控性性；增

28、加系系统的复复杂性再再简化；零件之之间的匹匹配与不不匹配；向微观观进化；增加场场的应用用；增加自自动化，减减少人的的介入。2.2 直直接进化化理论直接进化理理论是TTRIZZ理论的的一个重重要的分分支，其其核心是是技术进进化过程程的管理理与控制制，它主主要研究究技术在在结构上上进化的的趋势，即即技术进进化定律律或进化化模式、技技术进化化路线和和技术进进化潜能能。2.2.11 进化模模式技术系统进进化模式式是指技技术系统统在发展展过程中中所呈现现出的复复杂进化化趋势。随随着TRRIZ理理论的发发展，进进化模式式的种数数也不断断变化，进进化模式式，下面面是100种进化化模式:进化模式11:进化化阶

29、段，技技术系统统的生命命周期为为出生、生生长、成成熟、退退出。考虑到原有有技术系系统与新新技术系系统的交交替，可可描述为为六个阶阶段：（1） 系统还没有有存在，但但出现的的重要条条件已发发现。（2） 高级别的创创新已出出现，但但发展很很慢。（3） 社会认识到到新系统统的价值值。（4） 初始系统概概念的资资源已用用尽。（5） 新一代产品品开始出出现，并并代替原原系统。（6） 原系统的部部分应用用可能与与新系统统共同存存在。进化模式22:增加加理想化化水平。每一种系统统完成的的功能在在产生有有用效应应的同时时都会不不可避免免地产生生有害效效应。系系统改进进的大致致方向就就是提高高系统的的理想化化程

30、度，可可以通过过系统改改进来增增大系统统的有用用功能和和减小系系统的有有害功能能。例如如第一台台计算机机质量为为数吨，需需占用一一大房间间，但确确实具有有计算的的功能。目目前的便便携式计计算机质质量及体体积都很很小，且且具有文文字处理理、数学学计算、通通信、绘绘图、播播放多媒媒体等功功能。进化模式33:增加加资源的的包含量量。进化模式44:系统统零部件件的非均均衡发展展。不同的子系系统具有有不同的的生命周周期，某某些子系系统阻碍碍了系统统整体的的进化。产产品进化化中常见见的错误误是非关关键子系系统得到到设计人人员特别别的关注注。如设设计人员员努力开开发更好好地飞机机发动机机，但对对飞机影影响最

31、大大的是其其空气动动力学系系统，因因此，设设计人员员的努力力对提高高飞机性性能的作作用不大大。进化模式55:增加加系统的的动态性性和可控控性。在系统的进进化过程程中，技技术系统统总是通通过增加加动态性性和可控控性而不不断地得得到进化化。也就就是说，系系统会增增加本身身的灵活活性和可可变性以以适应不不断变化化的环境境和满足足多种要要求。例例如早期期的汽车车是靠发发动机的的速度控控制的，后后是靠手手工操纵纵齿轮变变速器控控制速度度，后来来又是自自动变速速器。进化模式66:提供供增加系系统的复复杂性使使问题得得到简化化。技术系统总总是首先先趋向于于结构复复杂化（增增加系统统元件的的数量，提提高系统统

32、功能的的特性），然然后逐渐渐精简（可可以用一一个结构构稍微简简单的系系统实现现同样的的功能或或者实现现更好的的功能）。把把一个系系统转换换为双系系统或多多系统就就可以实实现这些些。例如如组合音音响将AAM/FFM收音音机、磁磁带机、VVCD机机、扬声声器等集集成为一一个系统统，用户户可根据据需要选选择自己己需要的的功能。进化模式77:系统统元件匹匹配和不不匹配交交替出现现。在这种进化化模式中中，为了了改善系系统功能能并消除除负面效效应，系系统元件件可以匹匹配，也也可以不不匹配。例例如早期期的轿车车采用板板簧吸收收振动，这这种结构构式从当当时马车车上借用用的。随随着轿车车的进化化，板簧簧与轿车车

33、的其他他部分已已不匹配配，后来来研制出出轿车专专用减振振器。进化模式88:由宏宏观系统统向微观观系统进进化。即技术系统统及其子子系统在在进化过过程中，向向着减小小它们尺尺寸的方方向进化化，进化化的终点点意味着着元件不不存在，需需通过场场实现其其必要功功能。例例如烹调调用的灶灶具开始始采用烧烧木材或或烧煤的的炉子，此此后的灶灶具烧天天然气，后后来出现现了微波波炉及电电磁炉。进化模式99:增加加场的使使用。场的应用是是微观级级的最高高级别，场场是无形形的，产产生场的的作用物物可以远远离系统统，虽为为系统的的一部分分但可以以不在系系统实体体组成需需要考虑虑的范围围之内。进化模式110: 提高系系统的

34、自自动化程程度，减减少人的的介入。目的就是希希望系统统能代替替人类完完成那些些单调乏乏味的工工作，而而让人类类去完成成更多富富有创造造性的脑脑力工作作。例如如最出洗洗衣服用用搓板，此此后出现现了单杠杠、双杠杠洗衣机机，后来来又出现现了全自自动洗衣衣机。这十种模式式导致产产品不同同的进化化路线，每每种进化化模式都都有多条条进化路路线。2.2.22 进化路路线每条产品进进化路线线是从结结构进化化的特点点描述产产品核心心技术所所处的状状态序列列。进化化路线指指出了产产品结构构进化的的状态序序列，其其实质是是产品如如何从一一种核心心技术移移动到另另一新的的核心技技术，新新旧核心心技术所所完成的的基本功

35、功能相同同，但新新技术的的性能极极限提高高或成本本降低。即即产品沿沿进化路路线进化化的过程程是新旧旧核心技技术更替替的过程程。基于当前产产品核心心技术所所处的状状态，按按照进化化路线，通通过设计计，可使使其移动动到新的的状态。核核心技术术通过产产品的特特定结构构实现，产产品进化化过程的的实质是是产品结结构进化化的刚性系统一个铰链多铰链弹性体液体气体场单镜头双镜头多镜头弹性镜头液体镜头气体镜头场控镜头本机构目前所处状态新状态过程程。因此此，TRRIZ中中的技术术进化理理论是预预测产品品结构进进化的理理论。如如图2-3所示示是模式式5“增加动动态性和和可控性性”下的一一条进化化路线和和产品的的进化

36、过过程。图2-3 “增加动动态性和和可控性性”中的进进化路线线进化模式1进化模式2进化模式进化模式n问题进化路线1-1进化路线进化路线1-m进化路线n-1进化路线进化路线n-m状态1状态3状态状态2状态p当前状态最高状态技术系统的的进化路路线是指指一个系系统从结结构进化化的特点点描述产产品核心心技术所所处的状状态序列列。每种种进化模模式都包包括多条条进化路路线，目目前，已已经发现现的产品品进化路路线已有有3000多条，典典型的进进化路线线有200条。研研究这些些进化路路线对产产品创新新具有很很重要的的意义。应应用进化化模式与与进化路路线的过过程如图图2-44所示 图2-4 搜索索具有进进化潜力

37、力的进化化路线应用进化模模式和进进化路线线过程为为：根据据已有产产品的结结构特点点选择一一种或几几种进化化模式，然然后从每每种模式式中选择择一种或或几种进进化路线线，从进进化路线线中确定定新的核核心技术术的可能能的结构构状态。2.2.33 进化化潜能系统的进化潜能系统已进化的路线技术进化模模式、进进化路线线与现代代产品设设计方法法学的融融合，产产生了进进化潜能能的新概概念。TTRIZZ直接进进化的潜潜能图（也也称雷达达图）如如图2-5所示示，图中中每一条条射线表表示与构构件或系系统相关关的进化化模式，外外周表示示进化模模式沿各各条路线线的进化化极限，阴阴影面积积表示目目前产品品沿进化化路线已已

38、完成的的进化，而而进化极极限与阴阴影面积积之间的的面积差差就代表表该系统统的进化化潜能。对对不同的的产品，进进化模式式可能不不同。进进化潜能能图可直直观表示示给定技技术系统统的进化化情况，为为设计人人员确定定未来技技术开发发方向提提供了理理论依据据。图2-5 技术系系统进化化潜能图图由于直接进进化的进进化潜能能图将进进化极限限定义为为TRIIZ预测测的产品品能达到到的最终终进化路路线，即即进化潜潜能图是是一个封封闭的多多边形图图，这显显然与技技术的不不断进步步不符。所所以，应应从发展展的观点点研究技技术系统统的进化化潜能。3 基于DDE的仿仿生抓夹夹式夹具具创新设设计3.1 夹夹具机械制造的的

39、机械加加工、焊焊接、热热处理、检检验、装装配等工工艺过程程中，为为了安装装加工工工件，使使之占有有正确的的位置，以以保证零零件和产产品的质质量，并并提高生生产效率率，所采采用的工工艺装备备称为夹夹具。3.1.11 夹具具的分类类机床夹具可可以按不不同的方方式进行行分类。1）按通用用化程度度分类通用夹具具通用夹具是是指已经经标准化化的，在在一定范范围内可可用于加加工不同同工件的的夹具。例例如，车车床上三三爪卡盘盘和四爪爪单动卡卡盘，铣铣床上的的平口钳钳、分度度头和回回转工作作台等。这这类夹具具一般由由专业工工厂生产产，常作作为机床床附件提提供给用用户。采用这类夹夹具可以以缩短生生产准备备周期，减

40、减少夹具具品种，从从而降低低生产成成本。其其缺点是是夹具的的加工精精度不高高，生产产率也较较低，且且较难装装夹形状状复杂的的工件，故故适用于于单件小小批量生生产。专用夹具具专用夹具是是针对某某一工件件某一工工序的加加工要求求而专门门设计和和制造设设夹具。其其特点是是针对性性极强，没没有通用用性。在在产品相相对稳定定、批量量较大的的生产中中，常用用各种专专用夹具具，可获获得较高高的生产产率和加加工精度度。专用用夹具的的设计制制造周期期较长，随随着现代代多品种种，中、小小批生产产的发展展，专用用夹具在在适应性性和经济济性等方方面已产产生很多多问题。成组夹具具适用于一组组零件的的夹具，一一般都是是同

41、类零零件，经经过调整整（如更更换、增增加一些些元件）可可用来定定位，夹夹紧一组组零件。组合夹具具由许多标准准件组合合而成，可可根据零零件加工工工序的的需求拼拼装，用用完后再再拆卸，可可用于单单件、小小批生产产。随行夹具具用于自动线线上，工工件安装装在随行行夹具上上，随行行夹具由由运输装装置送往往各机床床，并在在机床夹夹具或机机床工作作台上进进行定位位夹紧。2）按使用用机床的的类型分分类可分为车床床夹具、磨磨床夹具具、钻床床夹具、镗镗床夹具具、铣床床夹具等等。3）按动力力源分类类可分为手动动夹具、气气动夹具具、液压压夹具、气气液夹具具、电动动夹具、电电磁夹具具、真空空夹具、自自紧夹具具等。4）按

42、用途途分类可分为机床床夹具、装装配夹具具、检验验夹具、抓抓夹夹具具等。3.1.22 夹具具的作用用夹具在零件件加工过过程中的的作用主主要有以以下5点点：（1）保证证加工精精度。用用夹具装装夹工件件时，能能稳定地地保证加加工精度度，并减减少对其其他生产产条件的的依赖性性，故在在精密加加工中广广泛地使使用夹具具。另外外，它还还是全面面质量管管理的一一个重要要环节。（2）提高高生产率率。用夹夹具来定定位、夹夹紧工件件，就避避免了手手工操作作用划线线等方法法来定位位工件，缩缩短了安安装工件件的时间间。（3）降低低生产成成本。在在批量生生产中使使用夹具具时，由由于劳动动生产率率的提高高和允许许使用技技术

43、等级级较低的的人工操操作，故故可明显显地降低低生产成成本。（4）改善善工人的的劳动条条件。用用夹具装装夹工件件方便、省省力、安安全。当当采用气气压、液液压等夹夹紧装置置时，可可减轻工工人的劳劳动强度度，保证证安全生生产。（5）扩大大机床的的工艺范范围。在在机床上上安装一一些夹具具可以扩扩大其工工艺范围围。如在在车床上上加上三三爪卡盘盘，加工工短轴类类、套类类零件等等要方面面很多。有有些夹具具对保证证发挥机机床基本本性能的的作用是是很大的的，如在在牛头刨刨床上没没有虎钳钳是很难难进行加加工的。3.1.33 夹具具的组成成一般的夹具具是由下下列几部部分组成成：（1）定位位元件。定定位元件件是夹具具

44、的主要要功能元元件之一一，它的的作用是是使工件件在夹具具中占据据正确的的位置。通通常，当当工件定定位基准准面的形形状确定定后，定定位元件件的结构构也就基基本上确确定了。（2）夹紧紧装置。将将工件夹夹紧，以以保证在在加工时时保持所所限制的的自由度度。根据据动力源源的不同同，可分分为手动动、气动动、液压压和电动动等夹紧紧装置。通通常，夹夹紧装置置的结构构会影响响夹具的的复杂程程度和性性能。它它的结构构类型很很多，设设计时应应注意选选择。（3）导向向元件和和对刀装装置。用用来保证证刀具相相对于夹夹具的位位置，对对于钻头头、扩孔孔钻、铰铰刀、镗镗刀等孔孔加工刀刀具用导导向元件件，对于于铣刀、刨刨刀等用

45、用对刀装装置。（4）连接接元件。根根据机床床的工作作特点，夹夹具在机机床上的的安装连连接常有有两种形形式：一一种是安安装在机机床工作作台上，另另一种是是安装在在机床主主轴上。连连接元件件用以确确定夹具具本身在在机床上上的位置置。（5）夹具具体。夹夹具体是是夹具的的基本骨骨架。定定位元件件、夹紧紧装置、导导向元件件、对刀刀装置、导导向元件件、对刀刀装置、连连接元件件等都装装在它上上面，因因此夹具具体一般般比较复复杂，它它保证了了各元件件之间的的相对位位置。常常用的夹夹具体为为铸造结结构、锻锻造结构构、焊接接结构，形形状有回回转体形形和底座座形等多多种。（6）其他他元件及及装置。根根据加工工需要，

46、有有些夹具具还会采采用分度度装置、靠靠模装置置、上下下料装置置、工业业机器人人、顶出出器和平平衡块等等，这些些元件或或装置也也需要专专门设计计。夹紧装置连接元件导向元件对刀装置定位元件夹具体辅助工具其他机床工件刀具机床夹具和和机床、刀刀具、工工件之间间的关系系如图33-1所所示。图3-1 机床夹夹具和机机床、刀刀具、工工件之间间的关系系3.1.44 夹具的的现状及及发展方方向夹具最早出出现在118世纪纪后期，随着科科学技术术的不断断进步，夹夹具已从从一种辅辅助工具具发展成成为门类类齐全的的工艺装装备。（1）夹具具的现状状 国际生产研研究协会会的统计计表明，目目前中、小小批多品品种生产产的工件件

47、品种已已占工件件种类总总数的885%左左右。现现代生产产要求企企业所制制造的产产品品种种经常更更新换代代，以适适应市场场的需求求与竞争争。然而而，一般般企业都都仍习惯惯于大量量采用传传统的专专用夹具具，一般般在具有有中等生生产能力力的工厂厂里，约约拥有数数千甚至至近万套套专用夹夹具；另另一方面面，在多多品种生生产的企企业中，每每隔34年就就要更新新5080%左右专专用夹具具，而夹夹具的实实际磨损损量仅为为1020%左右。特特别是近近年来，数数控机床床、加工工中心、成成组技术术、柔性性制造系系统（FFMS）等等新加工工技术的的应用，对对机床夹夹具提出出了如下下新的要要求： 能迅速而而方便地地装备

48、新新产品的的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本； 能装夹一一组具有有相似性性特征的的工件； 能适用于于精密加加工的高高精度机机床夹具具； 能适用于于各种现现代化制制造技术术的新型型机床夹夹具； 采用以液液压站等等为动力力源的高高效夹紧紧装置，以以进一步步减轻劳劳动强度度和提高高劳动生生产率； 提高机床床夹具的的标准化化程度。 （2）夹具具的发展展方向 现代机床夹夹具的发发展方向向主要表表现为标标准化、精精密化、高高效化和和柔性化化等四个个方面。 标准化。机床夹夹具的标标准化与与通用化化是相互互联系的的两个方方面。目目前我国国已有夹夹具零件件及部件件的国家家标准：GB/T21148T2225

49、991以以及各类类通用夹夹具、组组合夹具具标准等等。机床床夹具的的标准化化，有利利于夹具具的商品品化生产产，有利利于缩短短生产准准备周期期，降低低生产总总成本。 精密化。随着机机械产品品精度的的日益提提高，势势必相应应提高了了对夹具具的精度度要求。精精密化夹夹具的结结构类型型很多，例例如用于于精密分分度的多多齿盘，其其分度精精度可达达0.1；用用于精密密车削的的高精度度三爪自自定心卡卡盘，其其定心精精度为55m。 高效化。高效化化夹具主主要用来来减少工工件加工工的基本本时间和和辅助时时间，以以提高劳劳动生产产率，减减轻工人人的劳动动强度。常常见的高高效化夹夹具有自自动化夹夹具、高高速化夹夹具和

50、具具有夹紧紧力装置置的夹具具等。例例如，在在铣床上上使用电电动虎钳钳装夹工工件，效效率可提提高5倍倍左右；在车床床上使用用高速三三爪自定定心卡盘盘，可保保证卡爪爪在试验验转速为为90000r/minn的条件件下仍能能牢固地地夹紧工工件，从从而使切切削速度度大幅度度提高。目目前，除除了在生生产流水水线、自自动线配配置相应应的高效效、自动动化夹具具外，在在数控机机床上，尤尤其在加加工中心心上出现现了各种种自动装装夹工件件的夹具具以及自自动更换换夹具的的装置，充充分发挥挥了数控控机床的的效率。 柔性化。机床夹夹具的柔柔性化与与机床的的柔性化化相似，它它是指机机床夹具具通过调调整、组组合等方方式，以以

51、适应工工艺可变变因素的的能力。工工艺的可可变因素素主要有有：工序序特征、生生产批量量、工件件的形状状和尺寸寸等。具有柔性化化特征的的新型夹夹具种类类主要有有：组合合夹具、通通用可调调夹具、成成组夹具具、模块块化夹具具、数控控夹具等等。为适适应现代代机械工工业多品品种、中中小批量量生产的的需要，扩扩大夹具具的柔性性化程度度，改变变专用夹夹具的不不可拆结结构为可可拆结构构，发展展可调夹夹具结构构，将是是当前夹夹具发展展的主要要方向。3.2 柔柔性夹具具一般说来，柔柔性夹具具是指工工件的形形状和尺尺寸有一一定变化化后，夹夹具还能能适应继继续使用用的应变变能力。但但是工件件变化可可以在小小范围，即即在

52、相似似的形状状和和尺尺寸变动动不大的的范围内内，也可可在大范范围，即即零件形形状完全全不同，尺尺寸变化化很大。所所以，柔柔性夹具具还是含含糊的，没没有明确确的定义义和界限限。笼统统的说，就就是指与与NC机机床、加加工中心心配合使使用的、具具有夹持持多种不不同工件件能力的的夹具。3.2.11 柔性夹夹具的分分类柔性夹具是是指用同同一夹具具系统，完完成多种种形状尺尺寸各异异的工件件装夹的的装备。或或者说，柔柔性夹具具就是指指与NCC机床、加加工中心心配合使使用的，具具有加工工多种不不同工件件的夹具具。柔性性夹具的的主要类类见表11。表1 柔性性夹具分分类表分类柔性工作原原理种类主要优缺点点组合夹具

53、标准元件的的机械装装配孔系、槽系系应用较广，特特别是孔孔系组合合夹具因因刚度好好而应用用于数控控加工中中心可调整夹具具在通用或者者专用夹夹具基础础上更换换元件和和调节元元件位置置通用、成组组通用范围大大，适应应性广，加加工对象象不太固固定，一一般在多多品种、小小批量中中应用广广泛模块化程序序控制式式夹具用伺服控制制机构双转台回转转式结构复杂，成成本偏高高，柔性性有限适应性夹具具将定位元件件或者夹夹紧元件件分解成成更小的的元素以以适应工工件的连连续变化化涡轮叶片式式弯曲场轴式式适应范围小小相变材料夹具材料物理性性质（相相态、压压强）的的变化真相变材料料夹具、伪伪变相材材料流态态床夹具具工件加工精

54、精度受到到相变条条件仿生抓夹式夹具形状记忆合合金机器人终端端器夹具具成本较高3.2.22 仿生抓抓夹式夹夹具根据柔性夹夹具的分分类可知知，仿生生抓夹式式夹具是是由柔性性夹具发发展得到到的。它它包括了了结构柔柔性，材材料柔性性等。比比如说它它的材料料柔性，它它的材料料可为形形状记忆忆合金。形状记忆合合金是近近几十年年发展起起来的一一种新型型功能材材料，它它是利用用应力和和温度诱诱发相变变的机理理来实现现形状记记忆功能能的一类类材料。其其特点是是：将已已在高温温下定形形的形状状记忆合合金置于于低温或或常温下下使其变变形，当当环境温温度升高高到临界界温度时时，合金金的变形形消失并并可回复复到定型型时

55、的原原始状态态。仿生抓夹式式夹具是是仿照生生物的特特点来设设计和制制造出来来的，如如生物的的结构、形形态、表表面肌理理、功能能等。主主要是仿仿照生物物的夹持持能力。如如下图33-2，仿仿照蜘蛛蛛的多爪爪抓夹夹夹具。仿生抓夹式式夹具主主要用来来抓夹物物体，一一般用在在机器人人或机械械装置的的终端。图3-2 多抓仿仿生抓夹夹夹具3.3 仿仿生抓夹夹式夹具具的进化化预测3.3.11 进化化路线分分析经过对仿生生抓夹式式夹具技技术的分分析，我我们将从从以下几几条进化化路线对对仿生抓抓夹式夹夹具技术术进行分分析，分分别为增增加反馈馈可控性性、增加加动态化化路线、减减少人为为干预路路线。（1）增加加反馈可

56、可控性直接控制增加反馈增加媒介控制智能反馈机械控制液压控制增加传感器智能控制目前状态新状态这是直接进进化理论论的模式式5下的的一条路路线，即即“增加动动态性及及可控性性”。图3-3 仿生抓抓夹式夹夹具的反反馈可控控性路线线通过对仿生生抓夹式式夹具技技术的发发展分析析，得出出仿生抓抓夹式夹夹具反馈馈可控性性路线，如如图3-3所示示。最初的仿生生抓夹式式夹具制制造简单单，由工工人手动动夹紧，操操作简单单，属于于机械控控制，如如下图33-4所所示，为为一个简简单的机机械控制制仿生抓抓夹式夹夹具。机机械控制制是最基基本的一一种控制制，它是是利用机机械设备备本身的的有关部部件实现现控制，但但是工作作效率

57、低低，精度度也低。图3-4 机械控控制 图33-5 液压控控制随着仿生抓抓夹夹具具的发展展，先后后出现了了液压和和气压控控制，大大多数使使用液压压控制。液液压控制制是仿生生抓夹式式夹具的的一种主主要的控控制方式式。仿生生抓夹式式夹具的的夹持元元件运动动速度和和操作是是根据油油的流量量与压力力来确定定的，因因而只要要控制油油的流量量与压力力，就可可以控制制夹持元元件的运运动速度度和夹持持力。如如图3-5所示示，就是是液压的的工作原原理。这这样的改改进之后后，工作作效率有有很大的的提高，且且比较稳稳定，减减少了人人力的加加入。目前在工业业生产中中，好多多精密零零件的加加工需要要精确的的装夹，而而一

58、般的的控制已已经无法法满足。所所以就出出现了增增加反馈馈的仿生生抓夹式式夹具，在在夹具中中加入了了反馈元元件（传传感器），一一般为压压力传感感器，它它能快速速的、及及时的、准准确的反反映出夹夹持力的的大小，以以便及时时调整。这这样就大大大的提提高了工工件的装装夹精度度。随着产品的的要求越越来越高高，工件件的加工工精度越越高，装装夹精度度也就越越高。这这就使人人们想到到了智能能化，如如具有高高度的“触觉”和“视觉”等，且且能高速速准确的的自动控控制夹具具，及时时调整夹夹持力。目目前仿生生抓夹式式夹具在在这方面面技术不不成熟，应应用领域域和范围围都非常常小。所所以，仿仿生抓夹夹式夹具具的智能能控制

59、还还有很大大的研究究空间上面的分析析可以看看出，仿仿生抓夹夹式夹具具基本上上还在增增加反馈馈阶段，在在反馈可可控性路路线上有有一定的的发展潜潜力，可可向智能能反馈方方向发展展。（2）增加加动态化化仿生抓夹式式夹具可可以按照照进化模模式5，即即“增加动动态性及及可控性性模式”来进行行预测分分析。通通过它来来确定寻寻找新的的替代技技术的可可能方向向，我们们从增加加动态化化这条路路线分析析，这条条路线可可分为66个阶段段，如图图3-66所示。刚性体单铰链多铰链弹性体分子结构场目前状态新状态最初的仿生生抓夹式式夹具的的抓夹部部分（爪爪子）是是刚性的的，不可可转动的的，它制制造简单单。但是是很多复复杂的

60、零零件它不不可夹持持，不稳稳定，且且易损坏坏工件。图3-6 增加动动态化路路线为了改善上上面的一一些不足足，就出出现了单单铰链的的爪子，它它就可以以夹持一一些稍微微复杂或或不规则则的工件件了。随随着工业业的发展展，需要要制造的的精度也也越来越越高，所所以对仿仿生抓夹夹式夹具具的要求求也就越越高了，更更加朝着着柔性化化发展。接接着就出出现了多多铰链的的夹爪，使使得它更更加的柔柔性化，就就如多指指关节的的机械手手，如图图3-77所示。图3-7 多关节节机械手手仿生抓夹式式夹具技技术正经经历着向向更加柔柔性的变变化，电电磁能和和热能等等场在仿仿生抓夹夹式夹具具设计中中的应用用还相对对简单，应应用也比

61、比较少，仍仍然有很很多值得得探讨的的地方，具具有非常常广阔的的空间。所所以，仿仿生抓夹夹式夹具具在增加加动态性性这条路路线上还还有很大大的进化化潜力，这这无疑也也是非常常令人期期待的一一个新突突破。(3)减少少人为干干预手工操作机械化智能化手工夹紧人工装夹工件液压、气压夹紧自动调整夹持力机构自锁这是进化模模式100“增加自自动化，减减少人的的介入”下的一一条进化化路线。进进化路线线如图33-8所所示。图图中还表表示了仿仿生抓夹夹式夹具具技术在在此条进进化路线线上的发发展。图3-8 减少人人为干预预的进化化路线最开始的仿仿生抓夹夹式夹具具是非常常简易的的，全部部由人工工夹紧操操作。工工作效率率很

62、低，人人的工作作量大，且且不够稳稳定，不不安全。为为了减少少人的工工作量，仿仿生抓夹夹式夹具具机械化化，有机机械驱动动夹紧的的，液压压驱动夹夹紧、气气压驱动动夹紧、电电气驱动动夹紧的的，如图图3-99就是一一个液压压抓具的的简图。这这样的改改进之后后，工作作比较可可靠，工工作效率率高，而而成本不不高，人人们可以以去完成成更具有有创造性性的工作作了。油缸图3-9 液压抓抓夹夹具具简图如何提高技技术系统统的功能能效益，用用来实现现那些枯枯燥的功功能，这这就需要要往智能能化方面面的发展展了。目目前，智智能化在在仿生抓抓夹式夹夹具中的的应用还还比较小小。比如如如何自自动的调调整夹持持力的大大小、智智能定位位、智能能测量工工件的尺尺寸等。所所以，仿仿生抓敬敬夹式夹夹具技术术在这方方面还是是有很大大的发展展空间的的。3.3.22 预测测结论通过对增加加反馈性性路线、增增加动态态化路线线