李 瑞，裴建平，王永鵬，李 昆

（航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077）

1 引言

隨著近年來航空業(yè)的高速發(fā)展，飛機(jī)型號也在不斷增加，更新?lián)Q代周期縮短。航空零件的加工多處于多品種、小批量和變狀態(tài)的生產(chǎn)環(huán)境下，換產(chǎn)頻率特別高，該生產(chǎn)模式下，機(jī)床的停機(jī)等待時(shí)間多，機(jī)床的設(shè)備利用率低；另外航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，導(dǎo)致企業(yè)制造能力負(fù)荷不斷增加，在現(xiàn)有設(shè)備資源不變的基礎(chǔ)上，工裝的快速準(zhǔn)備已成為提高制造能力和解決產(chǎn)能瓶頸的有效辦法。基于零點(diǎn)定位技術(shù)的快換夾具可以在機(jī)外進(jìn)行零件的安裝，將大部分裝夾調(diào)試時(shí)間轉(zhuǎn)移到機(jī)床外進(jìn)行，使得加工和裝夾能同時(shí)進(jìn)行，減少機(jī)床停機(jī)等待時(shí)間，并通過統(tǒng)一夾具與通用零點(diǎn)定位底座的安裝接口，解決不同零件、不同機(jī)床間的柔性換裝問題，打破了傳統(tǒng)的專業(yè)化車間生產(chǎn)模式，滿足了加工過程的動(dòng)態(tài)配置和重組的柔性加工需求。并且為關(guān)鍵工序和設(shè)備智能單元的自動(dòng)上下料奠定了基礎(chǔ)。通過零點(diǎn)定位技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)外裝夾找正，自動(dòng)在機(jī)調(diào)整，將夾具安裝、零件裝夾和零件找正造成的等待時(shí)間減少70%。

2 零點(diǎn)定位的原理及特點(diǎn)

零點(diǎn)定位技術(shù)是采用特殊的定位結(jié)構(gòu)和機(jī)械夾緊結(jié)構(gòu)，并大多采用一面兩銷的定位方式實(shí)現(xiàn)快速換產(chǎn)、重復(fù)定位精度高和質(zhì)量可靠的定位裝夾技術(shù)。零點(diǎn)定位系統(tǒng)是由零點(diǎn)定位拉釘、零點(diǎn)定位器組成。目前主流的零點(diǎn)定位系統(tǒng)原理有鋼球鎖緊+鋼球定位、卡舍鎖緊+短錐定位和夾套鎖緊+夾套定位等幾種，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這幾種零點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)都屬于常鎖機(jī)構(gòu)，零點(diǎn)定位器的開鎖方式是靠氣源或液壓源的動(dòng)力將鎖緊結(jié)構(gòu)松開，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)定位拉釘?shù)乃砷_動(dòng)作；鎖緊方式是機(jī)械自動(dòng)鎖緊，依靠自鎖結(jié)構(gòu)的彈簧強(qiáng)力彈性恢復(fù)自然狀態(tài)卡舌、鋼球或夾套等將快換定位銷鎖緊。為防止切屑在加工過程中落入定位器，大部分定位器都有自動(dòng)吹氣和防塵功能。

圖1 零點(diǎn)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

零點(diǎn)定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)加工工件從一個(gè)工位到另一個(gè)工位，一道工序到另一道工序，或者一臺(tái)設(shè)備到另一臺(tái)設(shè)備，轉(zhuǎn)換過程中，零點(diǎn)始終保持不變。這樣，可以將機(jī)內(nèi)的大部分準(zhǔn)備調(diào)整時(shí)間轉(zhuǎn)移到機(jī)外，而且節(jié)省了機(jī)內(nèi)的換裝時(shí)間，保證了工作的連續(xù)性，提高了工作效率。有了零點(diǎn)定位系統(tǒng)，可以進(jìn)行快速而精準(zhǔn)的定位，也可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾后，減少過去由于工序切換造成的精度損失，這種方式可以大幅度降低整體設(shè)備投資，也可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行機(jī)床的匹配，從而實(shí)現(xiàn)高精度生產(chǎn)。此外通過對零點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品裝夾來實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)。也可以通過零點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行手抓的快換，從而實(shí)現(xiàn)一條生產(chǎn)線上面應(yīng)對不同手抓切換，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)對不同的產(chǎn)品的上下料。零點(diǎn)定位系統(tǒng)的應(yīng)用，可以應(yīng)對不同類型的產(chǎn)品進(jìn)行柔性生產(chǎn)。

3 零點(diǎn)定位技術(shù)的誤差分析

零點(diǎn)定位技術(shù)的定位方式遵循了一面兩銷的定位原理。一面兩銷的定位誤差包括基準(zhǔn)不重合誤差和基準(zhǔn)位移誤差。兩銷的相對位置關(guān)系如圖2所示，在

O

O

平行方向上，圓柱銷限制水平移動(dòng)，菱形銷不限制，故水平方向上

圖2 一面兩銷定位方式的基準(zhǔn)相對位置變化分析

的定位基準(zhǔn)是

O

，平移誤差Δ

db

=

Δ

D

+

Δ

d

+

Δ；在

O

O

垂直方向，兩銷聯(lián)合限制一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng)，故垂直方向定位基準(zhǔn)為

O

O

，垂直兩銷連向方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)：tan

θ

=

（Δ

D

+

Δ

d

+

Δ

+

Δ

D

+

Δ

d

+

Δ）/2L；在垂直兩銷連向方向上平移Δ

db

后轉(zhuǎn)動(dòng)：tan

θ

=

（Δ

D

+

Δ

d

+

Δ

?

Δ

D

?

Δ

d

+

Δ）/2

L

。其中，Δ

D

是內(nèi)孔

O

的公差；Δ

d

是圓柱銷的公差；Δ是內(nèi)孔

O

與定位銷的最小配合間隙；Δ

D

是內(nèi)孔

O

的公差；Δ

d

是菱形銷的公差；Δ是內(nèi)孔

O

與菱形銷的最小配合間隙。零點(diǎn)定位技術(shù)是基于一面兩銷的定位方式，采取不同的定位銷組合分布實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)定位技術(shù)，零點(diǎn)定位銷與零點(diǎn)定位系統(tǒng)的其他定位銷組合應(yīng)用的分布如圖3所示。圖3a、b兩種零點(diǎn)定位銷的排列組合中，零點(diǎn)定位銷起到限制

X

、

Y

方向自由度的作用，成為參考點(diǎn)；單向定位銷只限制旋轉(zhuǎn)方向的自由度，而緊固定位銷只起到增加夾緊

圖3 零點(diǎn)定位銷的排列組合

力的作用，這樣可以保證整個(gè)托盤的完全定位，避免過定位，這種定位銷的排列組合適用于一般生產(chǎn)環(huán)境。圖3c單向定位銷分布在四周，中心點(diǎn)是零點(diǎn)定位銷，這種排列組合應(yīng)用在溫度影響強(qiáng)烈的環(huán)境下。不同類型的定位銷的組合使用，可以補(bǔ)償定位銷和零點(diǎn)定位器之間的位置公差。

基于零點(diǎn)定位技術(shù)的工件位姿偏差誤差主要包括定位元件安裝誤差、定位元件制造尺寸誤差、工件定位面加工誤差以及用于實(shí)現(xiàn)快速切換而采用的零點(diǎn)定位系統(tǒng)引入的定位誤差，本文只分析零點(diǎn)定位系統(tǒng)引起的定位誤差，誤差模型如圖4所示。

圖4 零點(diǎn)定位系統(tǒng)誤差模型圖

圖中，

δ

為零點(diǎn)定位系統(tǒng)的重復(fù)定位精度；

θ

為

X

、

Y

軸的轉(zhuǎn)角偏差，轉(zhuǎn)角偏差較小可近似計(jì)算：

θ

=tan

θ

=

δ

/

L

，

L

為定位銷之間的中心距離。假設(shè)零點(diǎn)定位系統(tǒng)的子板上的定位孔與母板上的定位銷的位置和姿態(tài)存在Δ

R

以及Δ

θ

的偏差，則工件由零點(diǎn)定位引起的位姿偏差模型可表示為

零點(diǎn)定位技術(shù)是利用零點(diǎn)定位銷將不同類型的產(chǎn)品坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為唯一的坐標(biāo)系，再通過機(jī)床上的標(biāo)準(zhǔn)化夾具接口進(jìn)行定位和拉緊。它能夠直接得到工件在不同機(jī)床間統(tǒng)一的位置關(guān)系，也就是說零點(diǎn)定位系統(tǒng)為自動(dòng)化生產(chǎn)提供了統(tǒng)一的原點(diǎn)，消除了多工序間的累積誤差。最重要的是，它統(tǒng)一了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和檢測基準(zhǔn)，所有的尺寸在設(shè)計(jì)、加工和檢測時(shí)都有一個(gè)有據(jù)可循、可測的原點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算出來。

4 零點(diǎn)定位技術(shù)在柔性加工中的應(yīng)用

零點(diǎn)定位技術(shù)在柔性加工中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在柔性加工過程中的裝夾柔性、換產(chǎn)柔性、工藝柔性以及在柔性自動(dòng)化加工過程中的應(yīng)用，零點(diǎn)定位技術(shù)的應(yīng)用方式如圖5所示。

圖5 零點(diǎn)定位技術(shù)的應(yīng)用方式

4.1 實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備或工位的快速換裝

應(yīng)用零點(diǎn)定位技術(shù)可以在不同設(shè)備或工位上采用統(tǒng)一接口的零點(diǎn)定位系統(tǒng)，通過托盤或者零點(diǎn)定位夾具實(shí)現(xiàn)機(jī)外預(yù)調(diào)，不同設(shè)備機(jī)內(nèi)快速換裝，不同設(shè)備可以是同工種設(shè)備，例如立加與立加的換裝，也可以是不同工種的設(shè)備，例如立加與臥加、立加與車床等之間的快速換裝；另外也可以實(shí)現(xiàn)同一設(shè)備間不同工位或者不同工裝的快速換裝，例如在同一臺(tái)立加設(shè)備上，平面工作臺(tái)與四軸之間的快速換裝。零點(diǎn)定位技術(shù)可以達(dá)到均衡設(shè)備瓶頸、充分發(fā)揮設(shè)備效能及提高設(shè)備利用率的目的。

通過零點(diǎn)定位技術(shù)可以將原來必須在一臺(tái)設(shè)備加工的工序內(nèi)容拆分至不同設(shè)備加工，拆分后工件與夾具的零點(diǎn)位置不發(fā)生變化，依據(jù)坐標(biāo)系空間平移原理，在換裝后無須再進(jìn)行精度找正和工件夾緊，快速換裝后即可進(jìn)行正常機(jī)械加工。拆分的原因主要有以下幾個(gè)方面：第一，為了使裝夾精度不發(fā)生變化，一般將粗精加工在一次裝夾的情況下完成，這樣會(huì)對高精設(shè)備造成浪費(fèi)和損傷；第二，由于某一臺(tái)（類）設(shè)備是瓶頸設(shè)備，但可用其他兩臺(tái)（類）或更多設(shè)備組合完成加工內(nèi)容；第三，單臺(tái)設(shè)備刀庫不足，不能滿足加工內(nèi)容要求。

4.2 實(shí)現(xiàn)不同零件加工的快速切換

通過零點(diǎn)定位系統(tǒng)與托盤或夾具相連，零點(diǎn)定位底座必須是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的，托盤或夾具根據(jù)零點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的接口就可以實(shí)現(xiàn)不同零件加工的快速切換。托盤的方式多種多樣，可以選擇槽系、孔系或?qū)Ｓ霉に囃斜P，托盤上的夾具也可以多式多樣，可以是專用夾具，也可以是通用夾具（例如三爪、虎鉗和電磁夾具等），而夾具的形式可以是多工位的夾具，也可以是同一托盤上放置不同夾具，實(shí)現(xiàn)機(jī)外裝夾，機(jī)內(nèi)快速換產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不同零件的柔性加工。

4.3 實(shí)現(xiàn)零件加工工藝方案的柔性優(yōu)化

（1）工序內(nèi)容或設(shè)備選擇方案的優(yōu)化

零點(diǎn)定位技術(shù)可以將定位夾緊一體化，改變了傳統(tǒng)的定位與夾緊方式，避免了因裝夾方式而干涉了加工內(nèi)容，應(yīng)用零點(diǎn)定位技術(shù)可以在工件上留有工藝附加，將快換定位銷與工件直接相連，實(shí)現(xiàn)一次裝夾，五個(gè)面的多個(gè)工序的集中加工，避免了多次裝夾產(chǎn)生過大的裝夾誤差，并且需要多次停機(jī)和調(diào)整，造成設(shè)備利用率不高。通過零點(diǎn)定位技術(shù)可以使多個(gè)工序的集中加工內(nèi)容在一臺(tái)五軸設(shè)備完成，或者也可以在立加和臥加兩臺(tái)設(shè)備上完成所有工序內(nèi)容，且加工精度基本不變。

（2）刀具的策略與加工內(nèi)容的優(yōu)化

在一個(gè)托盤上安裝幾個(gè)不同的夾具，或者是安裝不同零件的加工，零件主要以共用刀具為主，然后通過對刀具應(yīng)用策略的優(yōu)化，可以使用同一把刀具加工完幾個(gè)工件的不同特征后，然后換裝另一把，這樣可以減少加工不同零件的換刀次數(shù)。如圖6所示，傳統(tǒng)的換刀方式是一個(gè)零件的工序依次加工，并更換刀具，這樣3個(gè)零件的加工需換刀7次。如采用優(yōu)化的刀具策略，采用同一把刀具把幾個(gè)工件可以加工的內(nèi)容都加工完，然后換裝另外的刀具，如圖7所示，換刀次數(shù)減少為3次。

圖6 托盤上安裝不同零件的加工，傳統(tǒng)的換刀方式

圖7 托盤上安裝不同零件的加工，刀具策略優(yōu)化后的換刀方式

4.4 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的柔性加工

零點(diǎn)定位技術(shù)是多品種、小批量和變狀態(tài)的離散制造柔性自動(dòng)化的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)制造業(yè)中，自動(dòng)化加工大多是屬于某一類零件的自動(dòng)化專線生產(chǎn)，屬于大批量生產(chǎn)。然而目前產(chǎn)品更新?lián)Q代快，離散制造業(yè)必須尋求高效的自動(dòng)化制造模式才能使得企業(yè)立足和滿足市場需求。而零點(diǎn)定位技術(shù)使得離散制造的柔性自動(dòng)化加工成為可能。在自動(dòng)化加工過程中，可以將零件的多種類多狀態(tài)的加工通過零點(diǎn)定位技術(shù)將上下料的裝夾方式統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，從上下料開始到零件工序加工完成，整個(gè)過程都可以實(shí)現(xiàn)無人參與，并且可以自動(dòng)化加工多種零件的多道工序，自動(dòng)化生產(chǎn)線內(nèi)可以包含機(jī)加設(shè)備、檢測設(shè)備和清洗設(shè)備等，通過零點(diǎn)定位技術(shù)，機(jī)器人可以將托盤在不同工種的設(shè)備上互換，并且不需要重復(fù)找正定位。柔性的自動(dòng)化加工如 圖8所示。

圖8 柔性的自動(dòng)化加工

5 結(jié)束語

通過對零點(diǎn)定位技術(shù)的原理和誤差進(jìn)行分析，為該技術(shù)在離散制造業(yè)中的柔性加工奠定了理論基礎(chǔ)，通過零點(diǎn)定位技術(shù)分別在設(shè)備、夾具、刀具和加工工藝幾個(gè)方面的選擇和優(yōu)化應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)外預(yù)調(diào)、不同設(shè)備和不同零件間的快速換裝，不僅提高了設(shè)備有效利用率，而且緩解了設(shè)備瓶頸問題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了離散制造業(yè)的柔性加工，為多品種、小批量和變狀態(tài)的離散制造的柔性自動(dòng)化加工提供了可能。