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上海大眾缸蓋機(jī)加工線零點(diǎn)定位系統(tǒng)的應(yīng)用

任培恩，陳酋，湯曉輝

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

摘要介紹了零點(diǎn)定位系統(tǒng)的柔性大批量機(jī)加工生產(chǎn)解決方案。以上海大眾缸蓋線為平臺(tái)，系統(tǒng)性地從工藝路線制定，產(chǎn)品開發(fā)和零點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮，來分析零點(diǎn)定位系統(tǒng)使用的可行性。通過零點(diǎn)定位系統(tǒng)在生產(chǎn)中的實(shí)際運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)和歸納其優(yōu)點(diǎn)，并最終加以推廣。

關(guān)鍵詞：夾具零點(diǎn)定位系統(tǒng)定位銷定位夾具

來稿日期：2015-03-31

1　前言

改革開放以來，中國的制造業(yè)水平不斷提高，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。在這技術(shù)革命的浪潮中，上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)劃科始終站在先進(jìn)制造技術(shù)的最前沿，堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，科學(xué)發(fā)展”的原則，不斷在機(jī)械制造領(lǐng)域需求突破。先進(jìn)的夾持技術(shù)既“夾具統(tǒng)一原則”在上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)零件生產(chǎn)線中一直是重點(diǎn)研究課題。它可以實(shí)現(xiàn)高效的工件夾持，多品種混線生產(chǎn)，大大節(jié)省裝夾時(shí)間，從而提高機(jī)床的有效使用率，降低成本[1]。

2010年，上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)劃科又率先提出采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)的理念，以年產(chǎn)能60萬件的目標(biāo)建造高效率、高柔性、無縫換型的EA888發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋機(jī)加工生產(chǎn)線，希望以此解決EA888發(fā)動(dòng)機(jī)多品種缸蓋混線生產(chǎn)的需求。

2　零點(diǎn)定位系統(tǒng)簡介

從1989年到2010年，上海大眾共建造了EA827、EA113 2V、EA113 5V和EA888 EVO2四條缸蓋生產(chǎn)線。在這21年時(shí)間內(nèi)上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品共發(fā)展了3代，平均每一代產(chǎn)品的替換用了7年時(shí)間。每一代的發(fā)動(dòng)機(jī)甚至是同一代發(fā)動(dòng)機(jī)的不同系列產(chǎn)品也需要建立各自的機(jī)加工生產(chǎn)線。一條機(jī)加工生產(chǎn)線，從規(guī)劃到正式投產(chǎn)一般需要3年時(shí)間。高成本、重復(fù)投資、長時(shí)間規(guī)劃，給上海大眾的企業(yè)競爭力設(shè)置了障礙。因此為適應(yīng)市場的快速變化，大眾集團(tuán)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)已從7年縮短為3年，快速建造高效，柔性的機(jī)加工生產(chǎn)線就迫在眉睫，零點(diǎn)定位系統(tǒng)缸蓋線由此孕育而生[2]。

零點(diǎn)定位系統(tǒng)是利用不同零點(diǎn)定位托板作為載體，將不同的產(chǎn)品坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為唯一坐標(biāo)系，再通過機(jī)床上的標(biāo)準(zhǔn)化夾具接口，進(jìn)行定位和夾緊。采用了定位托板進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可實(shí)現(xiàn)同一夾具適應(yīng)不同類型的工件，使得工件從一個(gè)工位到另一個(gè)工位，從一個(gè)工序到另一個(gè)工序，或一臺(tái)機(jī)床到另一臺(tái)機(jī)床，其基準(zhǔn)始終一致。這種標(biāo)準(zhǔn)化的夾具接口適合用于加工中心、組合機(jī)床、機(jī)械手、檢驗(yàn)臺(tái)等所有設(shè)備，如圖1所示。該系統(tǒng)由2個(gè)基本要素組成：零點(diǎn)定位托板和零點(diǎn)定位夾具。

圖1　零點(diǎn)定位系統(tǒng)概述圖

2.1零點(diǎn)定位托板

零點(diǎn)定位托板是將零件和夾具相連的一種中間輔助工具，通過它可以將各種工件不同的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為托板統(tǒng)一的基準(zhǔn)。托板形式和尺寸可能各不相同，但其基準(zhǔn)統(tǒng)一，且具有高精度，高耐磨性，高強(qiáng)度等特性。目前常見的定位方式有以下3種形式。

（1）定位銷形式：僅利用零件的定位孔，將孔的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到銷子上?；鶞?zhǔn)面依舊使用零件本身。這種定位方式的優(yōu)點(diǎn)是簡易、快速、成本低、零件輕量化等。

（2）托板形式：將缸蓋上的基準(zhǔn)全部轉(zhuǎn)換到托板上，其優(yōu)點(diǎn)是簡易、快速、不依賴于零件形狀。

（3）大型托板形式：將缸蓋緊固在大型托板上，托板不僅作為工件運(yùn)輸?shù)妮d體，還是機(jī)床加工的基準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)是在無法設(shè)計(jì)出零點(diǎn)定位夾具時(shí)，可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的框架式夾具。

2.2零點(diǎn)定位夾具

零點(diǎn)定位夾具是機(jī)械制造過程用用來固定零點(diǎn)定位托板，使之處于正確的位置，以便與托板相連的零件接受加工和檢測的裝置。其具有標(biāo)準(zhǔn)化、高精度和高夾緊力特點(diǎn)。目前主要有2種流行模式。

（1）楔塊定位夾緊：以錐面定心、液壓驅(qū)動(dòng)、通過彈簧力自動(dòng)鎖緊。

（2）滾珠定位夾緊：以定位銷與夾具體內(nèi)滾珠配合、以滾珠圈軸線定心、液壓驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)鎖緊。

3　上海大眾零點(diǎn)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

零點(diǎn)定位系統(tǒng)出現(xiàn)已經(jīng)30多年了。雖然出現(xiàn)的很早，但是在大規(guī)模的使用中，一直沒有完全發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，大部分只停留在“大型托板形式”運(yùn)用階段。這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線在大眾集團(tuán)、韓國KIA集團(tuán)都曾出現(xiàn)過，沒有廣泛應(yīng)用。雖然零點(diǎn)定位系統(tǒng)在理論上很直觀，但是如何可靠地、高效地運(yùn)用到批量化生產(chǎn)中，還需要從系統(tǒng)工程方面來考慮。上海大眾的EA888零點(diǎn)定位缸蓋生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，是分解成以下3個(gè)步驟展開的：（1）工藝路線設(shè)計(jì)；（2）EA888缸蓋定位基準(zhǔn)的確定；（3）零點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1工藝路線設(shè)計(jì)

零點(diǎn)定位系統(tǒng)最主要的功能是實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品混線生產(chǎn)。如何將其發(fā)揮最大作用，工藝路線的安排和輔助技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵。

首先是夾具的統(tǒng)一性。整個(gè)機(jī)加工生產(chǎn)線共存在2種夾具模式。第一道機(jī)加工中心采用傳統(tǒng)型夾具精加工缸蓋的基準(zhǔn)；之后將待加工的缸蓋安裝在定位托板之上，在之后的缸蓋加工過程中，所有設(shè)備均采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)加工，直到缸蓋完成全部工序，才拆卸掉托板。其次將可記入加工信息的RFID芯片載體直接安裝在缸蓋上，載體內(nèi)存貯有缸蓋型號(hào)，設(shè)備通過讀取零件信息就自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)募庸こ绦颉Ｈ^程無須人工判別，自動(dòng)無縫切換。零件自動(dòng)上下料，所有加工姿態(tài)的變換都通過機(jī)械手零點(diǎn)定位輸送夾具實(shí)現(xiàn)。

這種設(shè)計(jì)思路是，大幅降低人為因素對(duì)生產(chǎn)控制的影響，所有設(shè)備的換型和防錯(cuò)均靠設(shè)備來保證。從運(yùn)輸?shù)郊庸?，缸蓋所有夾具都采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，不存在夾具換型的概念。基本上沒有更換和調(diào)整時(shí)間，提高整個(gè)生產(chǎn)線效率，可以做到真正意義上的無縫換型混線機(jī)加工線。

圖2　工藝路線圖

3.2 EA888缸蓋定位基準(zhǔn)的確定

EA888發(fā)動(dòng)機(jī)是一款可變排量直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其缸蓋為一個(gè)6面體的鋁制品，外形復(fù)雜、形狀多變。對(duì)于這樣一個(gè)產(chǎn)品要滿足“夾具統(tǒng)一原則”的要求，有一定難度，但依然可以這樣定義：將缸蓋毛坯基準(zhǔn)定在燃燒室面上，這樣所有產(chǎn)品的基準(zhǔn)都一致。EA888發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋厚度相同，定位和夾緊作用于缸蓋的罩殼接合面和燃燒室面上；這樣，框架式夾具即可統(tǒng)一成一種規(guī)格。首道工序以上述毛坯基準(zhǔn)定位加工出缸蓋的進(jìn)、排氣面后，將排氣面定義為缸蓋精加工的定位基準(zhǔn)，并安裝零點(diǎn)定位托板。缸蓋的燃燒室面為流水線滾道的輸送面，排氣面在側(cè)面，缸蓋上下料時(shí)，所有機(jī)械手從滾道側(cè)面將缸蓋抓起，姿態(tài)變換后送入設(shè)備內(nèi)。這樣機(jī)床夾具和機(jī)械手輸送夾具也得到統(tǒng)一，不同缸蓋共線生產(chǎn)時(shí)就不需更換夾具，只需采用不同定位托板即可，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸送。

此外所有EA888系列發(fā)動(dòng)機(jī)缸心距都相同，缸蓋長度也基本一致，相差不大。缸蓋寬度、表面輪廓和凸臺(tái)的變化，通過設(shè)計(jì)不同外形的零點(diǎn)定位托板來匹配。這樣在裝配好零點(diǎn)托板后，缸蓋的長、寬、高完全一致。將裝配在托板的缸蓋視為一個(gè)整體，在產(chǎn)品圖紙明細(xì)表中定義：除首道加工工序尺寸外，所有位置尺寸均以零點(diǎn)定位托板為參照物，零點(diǎn)定位基準(zhǔn)就是缸蓋的基準(zhǔn)。在成品零件加工完成前不可拆卸托板，包括所有的測量任務(wù)?？刂谱鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換只發(fā)生一次，消除定位托板裝配的誤差損失，不額外增加缸蓋的精度要求。

3.3零點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前上海大眾在中國市場共推出3種型號(hào)的EA888發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品：二代發(fā)動(dòng)機(jī)（EVO2）、三代基本型發(fā)動(dòng)機(jī)（Basic）和三代高配型發(fā)動(dòng)機(jī)（Gen3）。排氣面外形存在2種形式：EVO2和Basic使用的是排氣歧管總成和缸蓋相連，Gen3將排氣歧管直接鑄造在缸蓋上。相對(duì)應(yīng)，上海大眾設(shè)計(jì)出2種形式零點(diǎn)定位托板，如圖3。

圖3　零點(diǎn)定位托板的應(yīng)用

EVO2和Basic這2種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣面采用的無排氣歧管的突出氣道，因此使用托板形式；而Gen3發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，由于存在突出的氣道面，則采用定位銷形式。2種定位銷的外形尺寸完全一樣，空間位置尺寸相同，控制3個(gè)自由度。Gen3缸蓋基準(zhǔn)是定位銷安裝在缸蓋排氣面上的結(jié)合面，而EVO2和Basic的定位面在托板外側(cè)。這樣，一面兩銷的定位模型構(gòu)建完成。定位銷設(shè)計(jì)為錐型，采用短錐定心方式，接觸面閉合。這樣不僅保證定位精度，同時(shí)降低零件裝夾的難度。定位精度達(dá)到5滋m，重復(fù)定位精度為10滋m，夾緊行程0.9 mm。定位銷與夾具體允許徑向位置偏差4 mm，傾斜角偏差23毅。這樣，滾道與機(jī)械手，機(jī)械手與機(jī)床的相對(duì)安裝精度要求大大降低。在保證精度的同時(shí)，裝夾過程簡單迅速，加工輔助時(shí)間大大降低，機(jī)床利用效率提升。

金屬切削環(huán)境復(fù)雜，過程中存在大量的乳化液、鋁屑和高溫、高壓、潮濕的環(huán)境。夾具必須是密封性能高、定位腔體內(nèi)機(jī)構(gòu)簡單，故滾珠定位夾緊模式顯然不太合適。上海大眾采用的是單面拉緊的楔形夾緊機(jī)構(gòu)，如圖4所示。裝配腔體內(nèi)除了夾緊楔塊和心軸外，夾緊機(jī)構(gòu)的其余部件均在密封體內(nèi)。在心軸的底部有個(gè)吹氣裝置，可在每次裝夾前后，對(duì)夾緊腔體和短錐配合面進(jìn)行清潔，保證裝夾質(zhì)量。當(dāng)定位銷準(zhǔn)備進(jìn)入夾具時(shí)，液壓系統(tǒng)（工作壓力4 MPa）驅(qū)動(dòng)活塞體下滑，與活塞體相連的增強(qiáng)因子推開夾緊楔塊，使得定位銷順利落位。定位好后釋放液壓力，底部彈簧組自由回彈，推起活塞體，帶動(dòng)增強(qiáng)因子驅(qū)動(dòng)夾緊楔塊將定位銷鎖緊，并保持自鎖狀態(tài)，自鎖夾持力可達(dá)到35 kN。整個(gè)夾緊過程中，夾具體還會(huì)對(duì)夾緊、鎖定和未鎖定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以保證夾緊的最佳效果。

圖4　零點(diǎn)定位夾具

4　企劃與展望

2012年，上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)三廠采用零點(diǎn)定位方式的缸蓋生產(chǎn)線順利投產(chǎn)，這是一次非常成功的技術(shù)創(chuàng)新。2013年，上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)劃科再接再厲，將相同理念應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)一廠缸蓋線上。按照新設(shè)備的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，改造了已使用5年的26臺(tái)舊式單軸加工中心，獲得了圓滿成功。上海大眾在全新的雙軸加工中心和改造的框架結(jié)構(gòu)單軸加工中心上，分別驗(yàn)證了零點(diǎn)定位夾具系統(tǒng)，共計(jì)51臺(tái)加工設(shè)備，上百套夾具，都取得了不錯(cuò)的效果。該系統(tǒng)精度以及夾緊效果完全達(dá)到缸蓋的切削要求和規(guī)劃的預(yù)想結(jié)果。

目前零點(diǎn)定位系統(tǒng)已經(jīng)在上海大眾，甚至在德國大眾集團(tuán)內(nèi)確定為缸蓋線標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，寫入技術(shù)準(zhǔn)則指導(dǎo)新工廠的規(guī)劃。此外它還帶來新的啟發(fā)，在生產(chǎn)控制、項(xiàng)目成本控制、刀具設(shè)計(jì)和備件管理上都可以發(fā)現(xiàn)新的亮點(diǎn)。

（1）對(duì)于不同系列的缸蓋產(chǎn)品可混線生產(chǎn)，甚至機(jī)床的快速更換夾具庫都不需要，設(shè)備投資成本大大降低。

（2）定位精度高，定位迅速，縮短了加工輔助時(shí)間，提升制造效率。

（3）缸蓋加工和運(yùn)輸?shù)膴A具采用統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)管理簡單，備件成本減少，維修和使用成本降低。

（4）零件裝夾難度下降，加工機(jī)床夾具和行架機(jī)械手的相對(duì)位置配合精度可大大降低，加快了設(shè)備安裝的進(jìn)度。

（5）夾具由框式結(jié)構(gòu)簡化為現(xiàn)在的單面夾緊，一面夾持。缸蓋在設(shè)備內(nèi)的可加工面從2面擴(kuò)展到4～5面。工藝編排更為自由，工序間節(jié)拍的平衡也更靈活。

（6）以往因夾具干涉造成的刀具加長情況不復(fù)存在，提高刀具的剛性，刀具選型更為自由。

（7）配合RIFD數(shù)據(jù)追溯系統(tǒng)，即能防錯(cuò)又可無縫自動(dòng)換型，不存在換型時(shí)間。

上海大眾零點(diǎn)定位系統(tǒng)的使用不僅提升了上海大眾的企業(yè)競爭力，同時(shí)給中國的制造行業(yè)展現(xiàn)了新的高效能生產(chǎn)線的樣板。也許隨著今后更多輔助和控制技術(shù)配合，可深入開發(fā)零點(diǎn)定位系統(tǒng)，將更多不同的產(chǎn)品整合到同一條機(jī)加工生產(chǎn)線中，節(jié)約成本和提高能效，為中國的制造行業(yè)發(fā)揮更大的作用！

參考文獻(xiàn)

[1]顏永年.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]肖衛(wèi)華，袁海群.大批量生產(chǎn)制造系統(tǒng)的柔性化[J]. AI汽車制造業(yè)：1998.

Application of Zero Point System in Shanghai Volkswagen Cylinder Head Line

Ren Peien, Chen Qiu, Tang Xiaohui

（Shanghai Volswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805, China）

Abstract:Flexible mass machining solutions based on a zero point system are introduced with a Shanghai Volkswagen cylinder head machining line. The feasibility of zero point system is analyzed systematically from the perspectives of machining process decision, engine product development and zero point system parts design. Applied in an actual production, the zero point system proves to be of many advantages. It has been applied to other machining lines.

Key words:fixture, zero point system, setting pin, locating fixture

作者簡介：任培恩（1964-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)劃。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.010