基于零點定位的柔性加工技術的研究與應用

2021-07-01 08:39:36裴建平王永鵬

智能制造 2021年3期

關鍵詞：設備

李瑞，裴建平，王永鵬，李昆

（航空工業(yè)慶安集團有限公司，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)的生產環(huán)境下，換產頻率特別高，該生產模式下，機床的停機等待時間多，機床的設備利用率低；另外航空產品更新?lián)Q代的周期越來越短，導致企業(yè)制造能力負荷不斷增加，在現(xiàn)有設備資源不變的基礎上，工裝的快速準備已成為提高制造能力和解決產能瓶頸的有效辦法。基于零點定位技術的快換夾具可以在機外進行零件的安裝，將大部分裝夾調試時間轉移到機床外進行，使得加工和裝夾能同時進行，減少機床停機等待時間，并通過統(tǒng)一夾具與通用零點定位底座的安裝接口，解決不同零件、不同機床間的柔性換裝問題，打破了傳統(tǒng)的專業(yè)化車間生產模式，滿足了加工過程的動態(tài)配置和重組的柔性加工需求。并且為關鍵工序和設備智能單元的自動上下料奠定了基礎。通過零點定位技術的應用，實現(xiàn)機外裝夾找正，自動在機調整，將夾具安裝、零件裝夾和零件找正造成的等待時間減少70%。

2 零點定位的原理及特點

零點定位技術是采用特殊的定位結構和機械夾緊結構，并大多采用一面兩銷的定位方式實現(xiàn)快速換產、重復定位精度高和質量可靠的定位裝夾技術。零點定位系統(tǒng)是由零點定位拉釘、零點定位器組成。目前主流的零點定位系統(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，結構如圖1所示。這幾種零點定位結構都屬于常鎖機構，零點定位器的開鎖方式是靠氣源或液壓源的動力將鎖緊結構松開，實現(xiàn)零點定位拉釘的松開動作；鎖緊方式是機械自動鎖緊，依靠自鎖結構的彈簧強力彈性恢復自然狀態(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吹氣和防塵功能。

圖1 零點定位系統(tǒng)的結構和原理

零點定位技術可以實現(xiàn)加工工件從一個工位到另一個工位，一道工序到另一道工序，或者一臺設備到另一臺設備，轉換過程中，零點始終保持不變。這樣，可以將機內的大部分準備調整時間轉移到機外，而且節(jié)省了機內的換裝時間，保證了工作的連續(xù)性，提高了工作效率。有了零點定位系統(tǒng)，可以進行快速而精準的定位，也可以實現(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備投資，也可以根據不同的要求進行機床的匹配，從而實現(xiàn)高精度生產。此外通過對零點定位系統(tǒng)進行產品裝夾來實現(xiàn)柔性自動化生產。也可以通過零點定位系統(tǒng)進行手抓的快換，從而實現(xiàn)一條生產線上面應對不同手抓切換，并實現(xiàn)應對不同的產品的上下料。零點定位系統(tǒng)的應用，可以應對不同類型的產品進行柔性生產。

3 零點定位技術的誤差分析

零點定位技術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不重合誤差和基準位移誤差。兩銷的相對位置關系如圖2所示，在

平行方向上，圓柱銷限制水平移動，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相對位置變化分析

的定位基準是

，平移誤差Δ

Δ；在

垂直方向，兩銷聯(lián)合限制一個轉動和一個移動，故垂直方向定位基準為

，垂直兩銷連向方向上的轉動：tan

（Δ

Δ）/2L；在垂直兩銷連向方向上平移Δ

后轉動：tan

（Δ

Δ）/2

。其中，Δ

是內孔

的公差；Δ

是圓柱銷的公差；Δ是內孔

與定位銷的最小配合間隙；Δ

是內孔

的公差；Δ

是菱形銷的公差；Δ是內孔

與菱形銷的最小配合間隙。零點定位技術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現(xiàn)零點定位技術，零點定位銷與零點定位系統(tǒng)的其他定位銷組合應用的分布如圖3所示。圖3a、b兩種零點定位銷的排列組合中，零點定位銷起到限制

、

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

圖3 零點定位銷的排列組合

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

基于零點定位技術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現(xiàn)快速切換而采用的零點定位系統(tǒng)引入的定位誤差，本文只分析零點定位系統(tǒng)引起的定位誤差，誤差模型如圖4所示。

圖4 零點定位系統(tǒng)誤差模型圖

圖中，

為零點定位系統(tǒng)的重復定位精度；

為

、

軸的轉角偏差，轉角偏差較小可近似計算：

=tan

，

為定位銷之間的中心距離。假設零點定位系統(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

以及Δ

的偏差，則工件由零點定位引起的位姿偏差模型可表示為

零點定位技術是利用零點定位銷將不同類型的產品坐標系轉換為唯一的坐標系，再通過機床上的標準化夾具接口進行定位和拉緊。它能夠直接得到工件在不同機床間統(tǒng)一的位置關系，也就是說零點定位系統(tǒng)為自動化生產提供了統(tǒng)一的原點，消除了多工序間的累積誤差。最重要的是，它統(tǒng)一了設計基準、工藝基準和檢測基準，所有的尺寸在設計、加工和檢測時都有一個有據可循、可測的原點作為基準點計算出來。

4 零點定位技術在柔性加工中的應用

零點定位技術在柔性加工中的應用主要體現(xiàn)在柔性加工過程中的裝夾柔性、換產柔性、工藝柔性以及在柔性自動化加工過程中的應用，零點定位技術的應用方式如圖5所示。

圖5 零點定位技術的應用方式

4.1 實現(xiàn)不同設備或工位的快速換裝

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

通過零點定位技術可以將原來必須在一臺設備加工的工序內容拆分至不同設備加工，拆分后工件與夾具的零點位置不發(fā)生變化，依據坐標系空間平移原理，在換裝后無須再進行精度找正和工件夾緊，快速換裝后即可進行正常機械加工。拆分的原因主要有以下幾個方面：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，這樣會對高精設備造成浪費和損傷；第二，由于某一臺（類）設備是瓶頸設備，但可用其他兩臺（類）或更多設備組合完成加工內容；第三，單臺設備刀庫不足，不能滿足加工內容要求。

4.2 實現(xiàn)不同零件加工的快速切換

通過零點定位系統(tǒng)與托盤或夾具相連，零點定位底座必須是標準統(tǒng)一的，托盤或夾具根據零點定位系統(tǒng)設計統(tǒng)一的接口就可以實現(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、孔系或專用工藝托盤，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，實現(xiàn)機外裝夾，機內快速換產，實現(xiàn)不同零件的柔性加工。

4.3 實現(xiàn)零件加工工藝方案的柔性優(yōu)化

（1）工序內容或設備選擇方案的優(yōu)化

零點定位技術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容，應用零點定位技術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，實現(xiàn)一次裝夾，五個面的多個工序的集中加工，避免了多次裝夾產生過大的裝夾誤差，并且需要多次停機和調整，造成設備利用率不高。通過零點定位技術可以使多個工序的集中加工內容在一臺五軸設備完成，或者也可以在立加和臥加兩臺設備上完成所有工序內容，且加工精度基本不變。

（2）刀具的策略與加工內容的優(yōu)化

在一個托盤上安裝幾個不同的夾具，或者是安裝不同零件的加工，零件主要以共用刀具為主，然后通過對刀具應用策略的優(yōu)化，可以使用同一把刀具加工完幾個工件的不同特征后，然后換裝另一把，這樣可以減少加工不同零件的換刀次數。如圖6所示，傳統(tǒng)的換刀方式是一個零件的工序依次加工，并更換刀具，這樣3個零件的加工需換刀7次。如采用優(yōu)化的刀具策略，采用同一把刀具把幾個工件可以加工的內容都加工完，然后換裝另外的刀具，如圖7所示，換刀次數減少為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 實現(xiàn)自動化的柔性加工

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

圖8 柔性的自動化加工

5 結束語

通過對零點定位技術的原理和誤差進行分析，為該技術在離散制造業(yè)中的柔性加工奠定了理論基礎，通過零點定位技術分別在設備、夾具、刀具和加工工藝幾個方面的選擇和優(yōu)化應用研究，實現(xiàn)了機外預調、不同設備和不同零件間的快速換裝，不僅提高了設備有效利用率，而且緩解了設備瓶頸問題，同時也實現(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化加工提供了可能。