基于零点定位系统的柔性制造 【成功案例】

     零点定位系统在上海大众发动机生产线的成功应用，向中国汽车制造业展示了一种新的大批量箱体类零件的柔性生产解决方案。 

（陈酋 任培恩，上海大众汽车有限公司）

        目前我国汽车工业迅猛发展，相关的环保要求也逐步提高。为适应市场需求，各企业都在加速发动机新技术的研发并对老产品进行改进，加快了产品的更新换代，同时也加大了对原有生产线技术改造的力度，以实现发动机机体等主要零件的多品种共线生产。这种发展趋势之下，制造业必须使用先进的制造模式来组织生产，而这其中最具发展潜力的就是柔性制造系统。

大批量柔性制造方案：

1. 柔性加工线

       目前在汽车制造业中，年产量达到30万以上的箱体类零件的生产普遍使用的是柔性加工线（FML）或者是加工专机自动线。柔性加工线一般由常规的加工中心组成（按需要可以增加其功能），配合高速运行的输送机械手直接进行机床的上下料作业。随着设备、刀具及各种辅助技术的发展，柔性加工线在大批量生产中的应用趋于成熟，但是它仅仅适合于大批量、少品种生产中的柔性生产线。为了增加生产线的灵活性，适应不同外形尺寸的零件加工，随之出现了随行托板-夹具方案。

2. 随行托板-夹具方案

      随行托板-夹具是一类在自动线和柔性制造系统中使用的夹具，它既要完成工件的定位和夹紧，又要作为运载工具将工件在机床间进行传送，并随着工件经历生产线的全过程，然后循环使用。使用随行托板-夹具的柔性加工线中存在尺寸增加、质量增加、装卸困难等很多缺点。目前还在使用随行托板-夹具的柔性生产线有奥迪汽车的匈牙利工厂和起亚集团的中国工厂。虽然在使用过程中也取得了一些经验，但最终因为投资高、占地面积大且管理困难没有在行业内广泛推广。

本文提出了一种更为先进的理念——零点定位系统的柔性制造方案。

零点定位系统的原理：

        如图所示,零点定位系统是利用零点定位销将不同类型的产品坐标系转化为唯一的坐标系，再通过机床上的标准化夹具接口进行定位和拉紧。它能够直接得到工件在不同机床间统一的位置关系，消除了多工序间的累积误差。最重要的是，它统一了设计基准、工艺基准和检测基准，使整个加工过程可以做到有效、可控，这点在自动化生产线上尤其重要。

 零点定位系统

零点定位系统的应用：

      由于受制于恶劣的加工环境和复杂的加工精度要求，零点定位系统柔性线在发动机箱体类零件生产中的运用正处于起步阶段。上海大众发动机规划科从2012年开始规划EA888第三代发动机生产线，并以缸盖线作为突破口，着手设计零点定位系统柔性加工线，并分解成以下三个步骤展开：

1. 工艺路线设计

      上海大众在设计该发动机生产线时，就定义为多品种、大批量和无换型时间的柔性生产线。在工艺路线中规定零点定位销的多样性和夹具的统一性。整线共存在两种夹具模式，第一道加工工序采用传统型框架式夹具，精加工缸盖的基准面和定位销连结基准。之后安装好定位销或托板，贯穿缸盖加工全过程，配合统一的零点定位夹具。缸盖在完成缸盖分装后才拆卸掉托板。缸盖从运输到加工所有的夹具设计模块化、标准化，不存在夹具换型的概念。然后安装RFID芯片载体，载体内存贮有缸盖型号，加工设备通过读取零件信息自动识别零件类型，调用适当的加工程序和刀具。全过程无需人工判别，自动无缝切换，没有换型和调整时间，提高了整线效率。零件自动上下料，所有姿态的变换都通过机械手零点定位输送夹具实现。这种设计思路是要让来自人的影响因素在生产控制上大大降低，所有工件的换型和防错均靠设备来保证。工艺路线如图2所示。

图2 工艺路线

2. 缸盖产品设计

      缸盖在设计阶段时就需考虑如何结合零点定系统和工艺路线。EA888缸盖为可变排量直列4缸6面体铝制件，产品外形多变，但是即使如此，对于工艺路线中要求的“夹具统一原则”，依然可以通过如下设计完成。缸盖毛坯基准定义在燃烧室面上。缸盖厚度相同，定位和夹紧作用于缸盖的油底壳面和燃烧室面上，这样框架式夹具即可统一起来。首道工序加工缸盖的进、排气面后，以排气面作为缸盖精加工的定位基准并安装零点定位销或零点定位托板；缸盖的燃烧室面为流水线滚道的输送面，装有零点定位销的排气面在侧面，所有机械手上下料时从侧面将缸盖从滚道抓起，姿态变换后送入设备内。这样机床夹具和机械手输送夹具全部统一，并且实现自动化输送。

此外，所有EA888系列发动机缸心距不变，控制住缸盖基本长度。缸盖宽度、表面轮廓和凸台如有较大变化，通过设计不同外形的零点定位托板来匹配。这样在装配好零点托板后，缸盖的长、宽和高相似。将装配好零点定位销的缸盖视为一个整体，在产品图样明细表中定义：除首道加工工序尺寸外，所有位置尺寸均从零点定位基准拉出。在成品零件加工完成前不可拆卸托板，包括所有的测量任务，鉴定缸盖质量的好坏必须配有零点定位销。控制坐标系转换只发生一次，消除定位托板装配的误差损失，无需额外提高缸盖的精度要求。

3. 定位销和夹具设计

      目前，上海大众在中国市场共有三款EA888产品，即EVO2、Basic和Gen3。排气面外形存在两种形式：EVO2和Basic使用的是排气歧管总成和缸盖相连；Gen3将排气歧管直接铸造在缸盖上。与此相对应，上海大众设计出两种零点定位形式，如图3所示。

图3 零点定位夹具装配图

        EVO2和Basic采用托板形式，Gen3采用定位销形式。两种销子的外形尺寸完全一样，空间位置尺寸相同，控制住3个自由度。Gen3缸盖基准面是定位销和缸盖4F999的结合面；而EVO2和Basic的定位面在托板外侧。这样一面两销的定位模型构建完成。定位销设计为锥型，完全的短锥定心，接触面闭合，不仅保证定位精度，同时降低了零件的装夹难度，定位精度5微米，重复定位精度10微米，拉紧行程0.9毫米。定位销与夹具体允许径向位置偏差4毫米，倾斜角偏差23°。这样滚道和机械手以及机械手和机床的相对安装精度要求大大降低。在保证精度的同时，装夹过程简单迅速，加工辅助时间大大降低，机床利用效率提升。

金属切削过程中存在大量的乳化液、铝屑和高温、高压和潮湿的环境，夹具密封性能必须好。如图4所示，上海大众采用的零点定位夹具是单面拉紧的楔形夹紧机构，装配腔体内除了夹紧楔块和心轴，其余部件均在密封体内。整个加紧过程中，夹具体还会对夹紧、锁定和未锁定状态进行监控，以保证夹紧的最佳效果。

图4 零点定位夹具内部结构

应用成果：

        自上海大众的零点定位缸盖线投产以来，获得了多方的认可，这是一次非常成功的技术创新。2013年，上海大众以相同的理念对已使用5年的26台老式单轴加工中心进行改造升级，并完全按照新设备机床能力进行考核，获得了圆满成功。上海大众分别验证了新设备和改造设备以及双轴和单轴加工中心的零点定位夹具系统，共计51台加工设备上百套夹具，该零点定位系统的精度、夹紧效果以及生产的柔性化程度完全达到缸盖的切削要求和规划的预想结果。

        零点定位系统在上海大众发动机缸盖线的成功应用，向中国汽车制造业展示了新的大批量箱体类零件的柔性生产解决方案。如今，零点定位系统已经作为上海大众甚至大众汽车集团内的缸盖线设计标准，写入技术准则指导新工厂的规划，并逐步考虑将其运用在发动机缸体生产线上。

        柔性制造技术以其高效、灵活的特性而应用日益广泛，零点定位系统也已成为柔性制造技术的重要发展方向之一。随着今后更多辅助和控制技术配合，深入开发零点定位系统，可以将更多的系列产品甚至是不同的零件整合到同一条生产线中，帮助企业节约投资成本，提高生产效能。