1 序言

在机械加工领域，智能化技术的应用体现在多个层面：智能设计通过先进软件实现了设计与加工的无缝对接，自动生成并优化加工路径；数控机床的智能化涉及自适应控制、故障诊断与预测，以及智能刀具管理；工业机器人在自动化加工、协作机器人技术、智能编程及路径规划等方面发挥着重要作用；智能生产管理包括MES系统对生产过程的实时监控和大数据分析，而智能质量控制则涵盖了在线检测技术、质量预测与控制。

在机械加工过程中，动力卡盘作为一种关键的夹紧装置，被广泛应用于工件的夹紧、定位、生产线集成，并能适应不同工艺的需求。动力卡盘能够稳定地夹紧回转体、异形和薄壁工件，这对于实现多面和复杂零件的高效加工至关重要。例如，在汽车零件的生产线上，动力卡盘可以确保零件在不同工序间快速转换，从而大幅提高生产效率。尤其是动力卡盘与机器人、辅助夹具库、刀具库的协同作用，显著提高了加工的自动化与智能化水平。在切削、焊接、磨削等工艺中，动力卡盘确保了加工的精度和效率，使得复杂零件的加工变得更为精确和高效。

动力卡盘推动了机械加工向自动化方向发展，未来预计将有更大的技术突破，特别是在智能制造和工业4.0的背景下，动力卡盘的智能化升级将成为行业发展的关键。动力卡盘的应用范围涵盖了传统汽车零件加工、新能源汽车制造、航空航天零部件制造、电子装备制造、通用机械零部件加工，乃至军工行业。在这些领域中，动力卡盘的使用大大提高了生产效率和产品质量，为制造业的快速发展提供了有力支持。

2 应对智能化加工需求动力卡盘存在的问题

虽然在现代机械加工领域，动力卡盘承担着不可或缺的角色。然而，在应对智能化加工需求的过程中，动力卡盘还存在一些不足之处。

2.1 精度局限性

1）在重复定位精度方面，长期使用会导致卡盘内部零件磨损，使得夹紧工件时产生微小的位置偏差。在高精度零件的批量加工过程中，此类偏差将导致加工精度的不稳定性，加工一致性难以得到保证。例如，在精密轴类零件的加工中，即便是微小的定位误差，也可能导致整批零件尺寸精度的偏差。

2）卡爪夹持误差明显。由于表面磨损、变形或制造缺陷，工件夹持受力不均。对于薄壁类零件如航空航天领域的薄壁结构件的加工，容易导致圆度、平面度等超出公差范围，从而严重影响产品质量。

2.2 适配性短板

1）由于工件尺寸范围的限制，每种卡盘的夹持范围相对固定。当工件尺寸超出该范围时，必须更换卡盘，这不仅降低了生产效率，而且会增加成本。例如，在加工不同规格的轴类工件时，可能需要频繁更换卡盘。

2）对复杂形状工件的适应性较差。常规卡盘的卡爪难以与复杂形状工件的表面完美贴合。在加工异形工件时，需要额外定制特殊的卡爪或使用辅助夹具，从而增加了加工的准备时间和成本。

2.3 夹紧力控制困境

1）夹紧力的不稳定性，气压、液压系统压力的波动或电气控制系统的稳定性问题，均可能导致夹紧力的变化。夹紧力过大可能会使工件变形甚至损坏，而夹紧力过小则可能导致工件在加工过程中发生位移，影响加工精度和安全性。

2）缺乏智能夹紧力调节功能，大多数卡盘无法根据工件的材料、形状、尺寸和加工工艺自动调整夹紧力，需要人工干预或预设固定参数，这限制了加工的灵活性和效率。

2.4 响应速度滞后

1）夹紧和松开动作的延迟，部分卡盘的机械结构或驱动系统性能不佳，导致夹紧和松开动作的缓慢，严重影响生产线的整体效率。

2）与自动化控制系统的通信延迟，影响加工指令的及时准确传输，可能导致加工过程中出现卡顿或错误，降低生产效率和产品质量。

2.5 维护与可靠性难题

1）易损件寿命短，卡爪、密封圈、传动部件等易损件磨损老化较快，需要定期更换，增加了维护成本和停机时间。若维护不及时，将进一步影响卡盘的性能，导致夹紧力下降、定位精度降低等问题，甚至引发设备故障。

2）故障诊断和排除困难，卡盘结构复杂，故障时内部部件关联紧密，诊断和排除故障需要专业人员和设备，增加了维修成本和时间，降低了设备的可靠性和可用性。

2.6 成本压力

1）初始购置成本高，高性能动力卡盘的制造工艺先进、材料优质、驱动和控制系统复杂，使得其价格昂贵，对于小型企业或资金有限的企业而言，购置成本构成了较大的负担。

2）运行成本较高，运行过程中消耗能源，如液压卡盘消耗液压油、气动卡盘消耗压缩空气，且维护保养也需要一定费用，增加了企业的生产成本。

3 解决方法

鉴于动力卡盘使用时各方面的性能需求，可以通过以下方法解决动力卡盘在自动化加工中存在的问题。

3.1 精度提升举措

1）定期维护和校准卡盘，制定详细计划，使用高精度检测设备检测定位精度，根据结果调整卡爪位置和夹紧力，确保重复定位精度。

2）采用高精度零部件，如滚珠丝杠、直线导轨等，提高卡盘运动精度。对卡爪进行精密加工和热处理，增强其硬度和耐磨性，减少磨损对精度的影响。同时引入误差补偿技术，通过传感器监测卡爪状态，实时补偿加工误差。

3）优化卡爪设计，根据工件形状定制专用卡爪，如自定心卡爪用于圆形工件，异形卡爪用于不规则工件。在卡爪夹持表面采用特殊涂层或材料，提高耐磨性和夹持力。增加卡爪调整功能，如楔形卡爪可改变夹持直径，安装压力传感器确保夹持力均匀。

3.2 适配性拓展策略

1）设计多功能卡盘，采用模块化设计，用户可根据需求选择卡爪模块和主体结构组合，扩大夹持范围，适应不同尺寸工件。

2）针对超出卡盘夹持范围的工件，设计专用支撑夹具、过渡盘等辅助夹具，实现稳定夹持。对于复杂形状工件，定制特殊卡爪，如弧形卡爪用于曲面工件，带定位销卡爪用于异形孔工件。还可采用柔性夹持技术，如气囊式、磁力式卡盘，根据工件形状自动调整夹持力和位置。

3.3 夹紧力控制优化方法

1）优化动力系统，液压和气动卡盘采用高精度压力传感器和流量控制阀，确保系统压力和流量稳定。电动卡盘采用闭环控制系统，根据反馈信号调整电动机输出扭矩，精确控制夹紧力。

2）增加夹紧力监测装置，安装压力传感器、应变片等，实时监测夹紧力大小和变化。当夹紧力超出范围时，控制系统自动调整动力系统输出，使其保持稳定。同时，当夹紧力异常变化时及时报警，提醒操作人员检查处理。

3）引入人工智能技术，利用算法根据工件信息计算最佳夹紧力。通过学习分析加工数据，建立预测模型，使卡盘能自动调整夹紧力。开发智能卡盘控制系统，根据实时数据如切削力、振动来自动调整夹紧力，并提供可视化操作界面，方便操作人员监控和调整。

3.4 响应速度提升途径

1）优化机械结构，采用高速滚珠丝杠、直线导轨等低摩擦传动部件，降低卡盘运动摩擦阻力和间隙，提高运动速度和精度。对卡盘结构进行优化设计，减少不必要的运动部件和传动环节，简化机械结构，提高系统响应速度。

2）提高驱动系统性能，选择高性能驱动电动机、液压泵或气动元件。例如采用高速电动机和变频器组合，快速起动和停止电动机，提高卡盘夹紧和松开速度。同时优化驱动系统控制算法，提高控制精度和响应速度，确保卡盘能快速响应控制系统指令。

3）采用高速通信接口，如以太网、USB等，提高数据传输速度和稳定性。优化通信协议，减少通信延迟和错误率，实现卡盘与自动化控制系统的实时通信，确保加工指令及时准确传输。

3.5 维护与可靠性增强措施

1）选用优质材料制造卡盘，如优质合金钢制造卡爪，耐磨密封材料用于密封圈。提高易损件的耐用性，对易损件进行表面处理，如淬火、镀铬、喷涂等，增强表面硬度和耐磨性。定期检查维护卡盘，及时更换磨损严重的部件。

2）优化卡盘设计，合理设计卡爪夹持角度和受力分布，采用密封结构防止杂质进入，保护内部部件，延长易损件寿命。安装故障诊断系统，通过传感器监测温度、振动、压力等参数，当参数超出正常范围时自动报警，并提供诊断信息，帮助技术人员快速定位和排除故障。

3）为用户提供详细的操作手册和维护指南，介绍正确的使用方法、维护要点和故障排除方法。开展培训活动，提高操作人员和维护人员的技能水平，确保卡盘正确使用和及时维护。

3.6 成本控制手段

1）企业在选购动力卡盘时，综合考虑性能、质量和价格，比较不同品牌和型号的卡盘，选择性价比高的产品。对于资金有限的企业，可考虑购买二手卡盘，但要仔细检查其性能和质量，并与供应商协商好售后服务和技术支持。

2）优化能源消耗，采用节能型元件，合理设置动力系统工作参数，避免能源浪费。定期保养设备，及时更换易损件，规范操作使用，减少设备故障，延长设备整体使用寿命，从而降低运行成本。

4 选型考量因素

在机械加工智能化的进程中，动力卡盘的选型至关重要，需紧密结合实际工况中的智能化需求，综合考量多方面因素，以确保加工过程的高效、精准与稳定。

4.1 加工需求导向

（1）工件尺寸和形状是选型的基础依据 准确确定工件的尺寸参数，如直径、长度等，有助于选择合适大小的动力卡盘。对于形状规则的回转体工件，如轴类、盘类，可优先选用标准的自定心卡盘、单动卡盘；而对于异形工件，如方形、椭圆形等，则需根据其具体形状定制特殊卡爪或选择具有柔性夹持功能的卡盘，以确保卡盘与工件紧密贴合，实现稳定夹紧定位。例如，在加工航空航天领域的复杂异形结构件时，特制的异形卡爪能够更好地适应工件轮廓，保证加工精度。

（2）加工工艺要求对卡盘选型影响显著 不同的加工工艺，如车削、铣削、磨削等，对卡盘的性能要求各异。车削加工中，卡盘需具备良好的旋转精度和夹紧力稳定性；铣削加工需要卡盘能够承受较大的切削力和扭矩；而磨削加工则强调卡盘的高精度和低振动特性。对于需要进行多面或分度加工的工件，如多通接头，应选择具有自动分度功能的卡盘，以提高加工效率和精度，减少装夹次数和定位误差。

（3）加工精度要求直接决定了卡盘的精度等级选择 在高精度加工场景中，如电子装备制造中手机外壳等精密零件的加工，需要选择重复定位精度高的动力卡盘，通常要求在微米级别甚至更高。同时，要关注卡盘的夹持稳定性，确保在加工过程中工件不会因夹紧力变化或卡盘自身精度问题而产生位移或变形，从而保证产品的尺寸精度和表面质量。

4.2 卡盘性能考量

1）夹紧力大小要根据工件的材质、形状和加工工艺来确定。对于材质较硬、形状复杂或加工过程中切削力较大的工件，需要较大的夹紧力来确保工件在加工时不发生移动。但夹紧力过大可能会损坏工件，因此卡盘的夹紧力应具备可调节性，能够根据实际情况进行精确控制。例如，在加工大型铸件时，需要较大的夹紧力来克服切削力，而加工薄壁类零件时，则需适当降低夹紧力，以防止工件变形。了解夹紧力的产生方式，如液压、气动或电动驱动，有助于选择合适的动力源，确保夹紧力的稳定输出。液压驱动卡盘夹紧力大且稳定，适用于重切削加工；气动卡盘夹紧速度快，适用于对效率要求较高的场合；电动卡盘则具有精度高、控制灵活的特点，可实现复杂的夹紧力控制策略。

利用人工智能算法，根据工件的材料、形状、尺寸以及加工工艺等因素，自动计算出最佳的夹紧力。例如，通过对大量的加工数据进行学习和分析，建立夹紧力预测模型，根据不同的加工情况自动调整夹紧力。设计具有智能夹紧力调节功能的卡盘控制系统（原理见图1）。该系统可以根据加工过程中的实时数据，如切削力、振动等，自动调整夹紧力，实现动态夹紧。同时，系统还可以提供可视化的操作界面，方便操作人员设置和调整夹紧力参数。

图1 具有智能夹紧力调节功能的卡盘控制系统工作原理

2）转速是影响卡盘性能的重要因素之一。根据加工需求选择合适转速的卡盘，确保在加工过程中卡盘能够稳定运行，不产生振动和过热现象。在高速旋转时，卡盘的动平衡性能尤为关键，不平衡的卡盘会导致加工精度下降、刀具磨损加剧甚至设备损坏。例如，在高速铣削加工中，需要选择能够承受高转速的动力卡盘，并进行动平衡校正，以保证加工表面的质量和精度。

3）精度和刚性是衡量卡盘质量的重要指标。高精度和高刚性的卡盘能够减少加工误差，提高工件的加工精度。卡盘的制造工艺、材料选择和结构设计等都会影响其精度和刚性。采用先进的制造工艺，如精密磨削、热处理等，能够提高卡盘的尺寸精度和表面质量；选用高强度、高硬度的材料，如合金钢等，可增强卡盘的刚性；合理的结构设计，如加强筋的布置、卡爪的优化等，有助于提高卡盘的整体性能。在精密加工领域，如航空航天零部件制造中，对卡盘的精度和刚性要求极高，需要选择具有卓越性能的动力卡盘，以确保产品质量。

4）设计多功能卡盘，开发具有可调节夹持范围的动力卡盘，通过更换不同规格的卡爪或调整卡盘的结构，实现对不同尺寸工件的夹持。例如，采用模块化设计的卡盘，用户可以根据实际需求选择不同的卡爪模块和主体结构，组合成适合特定工件尺寸的卡盘。对于尺寸超出动力卡盘夹持范围的工件，可以设计和使用辅助夹具。辅助夹具可以与动力卡盘配合使用，实现对大型或小型工件的稳定夹持。例如，对于大型工件，可以设计专用的支撑夹具，将工件放置在支撑夹具上，再由动力卡盘夹紧工件的局部部位进行加工。

5）针对复杂形状的工件，定制特殊形状的卡爪。例如，对于带有曲面的工件，可以设计弧形卡爪，使其更好地贴合工件表面；对于带有异形孔的工件，可以设计带有定位销的卡爪，通过定位销与工件的孔配合，实现稳定夹持。

6）采用柔性夹持技术。引入柔性夹持技术，如气囊式卡盘、磁力卡盘等。这些卡盘可以根据工件的形状自动调整夹持力和夹持位置，适应不同形状工件的夹持需求。例如，气囊式卡盘通过向气囊内充入气体，使气囊膨胀并贴合工件表面，实现柔性夹持。

4.3 设备兼容性评估

1）动力卡盘与机床的接口匹配是选型的关键环节。确保卡盘的连接尺寸和方式与机床主轴相适配，能够实现可靠的安装和固定。常见的接口形式有A2、A5等，不同型号的机床对应不同的接口标准。例如，在选择用于某型号加工中心的动力卡盘时，要仔细核对其接口规格，避免因接口不匹配而导致安装困难或影响加工精度。同时，要考虑卡盘的安装方式对机床整体性能的影响，如是否便于装卸、是否会影响机床的刚性等。

2）控制系统兼容性是实现动力卡盘智能化功

能的重要保障。卡盘需要与机床的数控系统进行通信，接收控制指令并反馈工作状态。因此，要选择与机床数控系统兼容的卡盘，支持相应的控制协议和通信接口。例如，一些先进的数控系统支持通过以太网或总线接口对卡盘进行控制，实现自动化的夹紧、松开和分度等操作。选择具有智能控制功能的卡盘，如能够与数控系统实现实时数据交换，根据加工过程中的参数自动调整夹紧力和转速等，可提高加工过程的智能化水平和效率。

在实际选型过程中，不能仅仅关注某一个方面的因素，而要对加工需求、卡盘性能和设备兼容性等多方面进行综合权衡。例如，在选择一款用于汽车零部件自动化生产线的动力卡盘时，既要考虑工件的尺寸范围（汽车零部件种类繁多，尺寸差异较大）和加工工艺（包括车削、铣削、钻孔等多种工艺），又要确保卡盘的夹紧力、转速、精度等性能满足生产线的高效生产要求，同时还要保证卡盘与机床及控制系统的完美兼容，实现自动化、智能化加工。只有全面考虑这些因素，才能选择出最适合智能化需求实际工况的动力卡盘，为机加工智能化生产提供有力支持。

5 结束语

本文聚焦于智能制造背景下动力卡盘的应用与选型。在机械加工智能化进程中，智能设计、数控机床智能化、工业机器人应用等多方面技术不断发展，动力卡盘作为关键夹紧装置，在工件夹紧定位、生产线集成及适应多种工艺方面发挥重要作用，广泛应用于汽车、航空航天等诸多行业。然而，动力卡盘在智能化加工需求下存在不足，针对这些不足，提出相对应解决措施，包括高精度提升举措、适配性拓展策略等。在选型时，需综合权衡各因素，选出契合智能化工况的动力卡盘，保障机加工智能化生产。

原文刊载于《金属加工》2025年第2期 作者：上海恒团工业设备有限公司  首席工程师 徐伟