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。

如何实现箱体类零件的多品种共线生产一直是汽车生产企业研究的一个重要课题。生产线被改造的可能性与产品的生命周期，以及市场预期发生变化和产品本身发生变化，都有着密切的关系，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

柔性制造技术是指依靠高度柔性计算机数控机床为主的制造设备来实现多品种、批量化的生产方式。柔性制造技术的提出已经有40多年了，其内涵越来越丰富，应用范围已从原来的多品种、小批量生产领域发展到有约束的品种、可大批量生产的领域。柔性制造技术的概念也已不再是单纯的制造技术，而在更广泛意义上是先进生产制造系统模式的技术组成环节。

目前在汽车制造业中，当年产量达到30万以上的缸体、缸盖等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。传送到下一道工序的机床后，应能在机床上准确的定位和可靠的夹紧。一条生产线上有许多随行夹具，每个随行夹具随着工件经历生产线的全过程，然后卸下已加工的工件，装上新的待加工工件，循环使用。由于在柔性加工线中工件直接由机械手上下机床的夹具进行装卡，所以当机床安装的夹具不能满足工件变化的装夹要求时，需手动调换不同零件的托板(带夹具)，即零件不同随行托板-夹具也各不相同。

以往的随行托板-夹具形式是属于特殊夹具的范畴。零件安装在随行托板上，零件的输送以及定位夹紧都通过托板完成。随行托板既是夹具又是输送媒介，尺寸一般都大于零件本身;为了保证在切削时具有良好的刚性，一般选用钢作为夹具材料，质量甚至比零件本身还重。经验总结，在以往使用随行托板-夹具的柔性加工线中存在以下缺点：

(1)零件安装好随行托板-夹具后，空间尺寸变大，加工范围增大。主机厂在加工机床选型时需要考虑干涉和走刀轨迹，加工设备一般要大一个系列，增加了设备投资和机床的外形尺寸。

(2)零件安装好随行托板-夹具后，质量大大增加。设备在夹紧和切削零件时，必须提高机床的主轴和夹具体的刚性。

(3)机加工线的占地面积增加。

(4)为了配合多品种生产，随行托板-夹具数量较多，在存储这种大型随行托板时，需要考虑增加高架仓库和机械手。

(5) 安装和拆卸随行托板时困难，需要考虑特殊设计。

(6) 随行托板-夹具数量和种类较多，管理困难。

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成功经验，但最终因为投资高、占地面积大且管理困难没有在行业内继续推广。在此，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

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，也就是说该系统为自动化生产提供了统一的原点，消除了多工序间的累积误差，提供了信息流转。最重要的是，它统一了设计基准、工艺基准和检测基准，也就是说所有的尺寸在设计、加工和检测时都有一个有据可循、可测得的原点作为基准点计算出来。所以整个加工过程就可以做到有效、可控，这点在自动化生产线上尤其重要。只有这样，自动加工设备才能够根据不同工件的不同信息进行加工程序的选择和适配，实现即时即件更换，才能够实现数控生产的彻底柔性。即使上下两个工件完全不一样，机床的状态也不需要调整，始终处于直接加工的状态。零点定位系统依旧使用的是一面两销的定位方式，只不过是将原先箱体类零件面和孔的基准转变为面和销的坐标基准，定位面可以视情况而定是否选择零件本身的定位面。

零点定位系统由两个基本要素组成，即：零点定位销和零点定位夹具。零点定位系统原理如图1所示。

1.零点定位销

零点定位销是与零件相连的一种辅助工具。它与以往的大型随行托板-夹具的本质区别是：零点定位销或托板是作为零件的一部分存在，在零件设计阶段时就必须统一考虑，定位销和零件的相关尺寸已经定义好，明确规定在产品图样内。零点定位销一旦安装在零件上，它就被视作零件本身的一部分，已经不再是传统意义的工装夹具了。将工件的基准转换为零点基准后，该基准作为零件的唯一基准，直到零件切削加工或装配结束才能与零件脱离，生产过程中的夹紧、切削和装配都以零点定位销为基准。零点定位销具有高精度、高耐磨性和高强度等特性，而且定位销相当轻巧，质量约500 g，便于存贮和装配;且零点定位托板也不大，通常只有工件的1/4，质量约6 kg。因此在零点定位系统中，使用大型随行托板-夹具的缺点基本上都得到了避免。

目前常见的零点定位销有以下两种形式：

(1)定位销形式 定位销拧紧在零件本身上，基准面利用零件本身的加工面。优点是安装简易、快速且成本低，零件轻量化，但在零件设计时就必须考虑工艺特性和零点基准。

(2)托板定位销形式 两个销子安装在高精度小型托板上，托板通过一面两销与零件定位，最终由螺栓拧紧。优点是简易，不依赖与零件形状，可做到同步开发。

2.零点定位夹具

零点定位夹具是在制造过程中用来固定夹紧零件的，使之处于正确的位置，以便与零点定位销相连的零件接受加工和检测的装置。它主要安装在加工设备、机械手和检具上，有别与以往专有的框架式夹具。它是标准化的，统一通过零点定位系以一面两销的形式与零点销相配合，并且作用力在零点定位系上，夹紧方式采用的是拉紧而不是压紧。其具有标准化、高精度和高夹紧力等特点。目前主要有两种流行模式：

(1)楔块定位夹紧 以锥面定心，液压驱动，通过弹簧力自动锁紧。

(2)滚珠定位夹紧 以定位销与夹具体内滚珠配合，以滚珠圈轴线定心，液压驱动，自动锁紧。

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。

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位系统和工艺路线。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”，我们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推出三款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。

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 mm，重复定位精度10 mm，拉紧行程0.9 mm。定位销与夹具体允许径向位置偏差4 mm，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。

金属切削环境复杂，过程中存在大量的乳化液、铝屑及高温、高压和潮湿的环境。夹具密封性能必须好，定位腔体内机构简单，滚珠定位夹紧模式显然不太合适。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。心轴的底部有个吹气装置，可在每次装夹前后对夹紧腔体和短锥配合面进行清洁，保证装夹质量。当定位销准备进入夹具时，液压系统(4 MPa)驱动活塞体下滑，与活塞体相连的增强因子推开夹紧楔块，使得定位销顺利落位。定位好后释放液压力，底部弹簧组自由回弹，推起活塞体，带动增强因子驱动夹紧楔块将定位销锁紧，并保持自锁状态，自锁夹持力可达到35 kN(M8螺栓)。整个过程中，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。

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，获得了的圆满成功。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了缸盖的切削要求，并实现了规划的预想结果。

结语

零点定位系统在上海大众缸盖线的成功应用，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缸体生产线上。零点定位系统柔性生产线优势明显，上海大众在生产控制、项目成本控制、刀具设计和备件管理上都取得了新的绩效：

1.不同系列的缸盖产品可混线生产，无需机床的快换夹具，设备投资降低。

2.后续产品的变型改造简单，只要考虑刀具和加工程序的变化，成本低、停产周期短。

3.定位精度高，定位迅速，缩短了加工辅助时间，提升了制造效率。

4.设备夹具统一化、标准化且模块化，生产管理简单，备件成本减少，维修和使用成本降低。

5.零件装夹要求下降，桁架机械手和设备间的安装配合精度可降低，加快了设备安装的进度。

6.夹具由框式结构简化为现在的单面拉紧，一面夹持;缸盖在设备内的可加工面从2面扩展到4～5面;工艺编排更为自由，工序间节拍平衡也更加灵活。

7.以往因夹具干涉造成的刀具加长情况不复存在，提高了刀具的刚性，刀具选型自由度增加。

8.配合RFID数据追溯系统，既能防错又可无缝自动换型，不存在换型时间。

随着科学技术的日新月异，先进制造技术不断得到发展。柔性制造技术由于其高效、灵活的特性成为实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，且应用日益广泛，已成为整个制造领域的核心技术。零点定位系统由于其灵活性和多变性，己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的配合，深入开发零点定位系统，可以将更多的不同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和提高生产效能。