基于零点定位技术的中小航空结构件快速换装技术研究

唐 林，周良明，刘卫武，蒲昌兰

TANG Lin, ZHOU Liang-ming, LIU Wei-wu, PU Chang-lan

（中航工业成飞公司结构件加工厂，成都 610092）

0 引言

在军用飞机追求高性能的今天，产品的更新换代日趋频繁，相应的航空制造模式为多品种小批量生产，这种生产模式下设备利用率低，已经严重影响到产品的正常生产交付。要提升机床利用率的关键在于减少设备停机时间，经过调查在多品种小批量生产模式下影响中小航空结构件加工效率的除机床固有特性外，主要就是零件装夹准备时间。机床生产厂商一直以来致力于开发机床辅助功能以减少零件装夹时间，如多工位机床、旋转工作台等，但多工位机床同时带来的是机床投入成本的增加以及日常维护要求的提升，而且对于大量的小批单件加工很难体现其设计价值，也不能解决不同零件、不同机床之间柔性装夹问题。

零点定位技术是一种减少机床停工时间设计的夹具系统，基于精益制造思想将大部分装夹时间外移到机床外进行，使得加工和装夹可以同时进行，国外在20世纪90年代就开始推出零点定位装夹系统，也多见于一些批量生产的产品应用上，在多品种单件小批量生产模式中应用较少，国内的航空企业对于零点定位系统应用也只是起步阶段，所以解决小批量、换装频繁零件生产加工机床利用率低的问题，发展新的高效率的快速、精确定位系统已成为提升效率、减低成本的重要手段和趋势。

1 中小航空结构件加工特点及存在问题

1.1 中小航空结构件加工特点

与其他行业产品相比，航空类产品零件具有一些显著的特征，从而决定了航空零件数控加工技术的特点以及相应的技术需求，这些特征主要体现在以下两个方面：

1）产品结构复杂，具有多品种、小批量特点

随着对飞机性能的追求，飞机结构零件的设计以追求性能优先，为了满足现代飞机的气动布局、强度、重量等性能要求，飞机零件趋向整体化、复杂化、薄壁化。同时因为需求不同，飞机品种繁多，且飞机研制常为小批量生产，无法采用大规模流水线生产方式来提高效率和降低成本。

2）混线生产，专业化、集成化程度低

因为飞机产品研制周期长，目前存在多种飞机产品同时研制，军民机的多品种混线生产模式普遍存在，而且生产资源配置普遍存在专业化程度低、布局不合理，导致各种类型产品交叉生产现象严重。

1.2 中小航空结构件加工存在的问题

1）专用工装多，夹具柔性化低

由于航空结构件产品结构复杂，产品趋向整体化、复杂化、薄壁化，使得零件加工多需通过专用工装来完成加工，同时由于多品种、小批量生产的特点，每类产品均需定制大量工装，使得生产现场出现大量装用工装；这样一方面使得生产成本几局增加，同时在用大量的库存、场地，另一方面需要增加工装的制造周期而使得产品的制造周期无法及时保证。由于不同工装不具有通用性，对生产制造是一种极大的浪费，因此夹具的柔性化是急需解决的问题。

2）数控加工准备等辅助时间多，设备利用率不高

由于中小航空结构件的多品种、小批量混线生产模式，在生产过程中需要根据计划需求，在同一台机床上频繁更换不同机型不同零件加工，在零件更换过程中，机床必须停下来进行装夹准备。同事中小结构件有别于大型结构件，大型结构件装夹一次需要加工一个星期，甚至一个月才拆下来，对于大型航空结构件的装夹时间相对零件加工时间占比低，换装零件占用时间问题不是很突出，而中小结构件零件切削时间相对短，导致零件需要频繁换装，在换装零件时需要进行大量的装夹准备，机床停工等待时间长，目前大部分航空产品加工厂的机床平利用率仅有40%左右，其中机床因装夹停工等待时间占总工作时间的30%以上，平均每次换装零件时间为1小时左右，严重制约中小结构件数控设备加工能力的发挥。

另外对于五坐标设备缺乏的单位，大量带角度的零件需要采用三坐标粗加工+五坐标精加工模式，更换机床导致大量重复准备时间，严重制约设备能力的发挥。

2 零点定位工装定位夹紧原理

基于零点定位的工装系统包括：一套通用零点工装基板，装夹零件的托盘，托盘与基板连接的插销，一个气或液压泵。通用零点工装基板提供2个或2个以上高精度的定位孔，各定位孔之间的位置公差保证在±0.002 mm内，每一个定位孔对应的连接插销可以提供锁紧力5000N，可以根据实际加工工艺的切削力大小要求选择定位孔数。托盘底部加工有同样等距离的高精度定位连接插销，以便用来连接托盘和零点工装基板，工装基板与托盘通过插销实现机械锁紧。常态下，零点工装内部的弹簧系统处于锁紧状态，以设定的夹紧力锁住连接插销，从而锁紧夹具；需要松开夹具时，通过外界的气压或液压装置加压，反向压缩弹簧系统，松开连接插销，从而松开夹具。

使用时可以在机床外的托盘上对零件进行装夹，真正占用机床的停机安装时问仅为零件起吊与再次吊入时间。平均装夹时间可以控制在10min内，而不使用零点工装时平均装夹时间在30min～90min，从而极大地减少了机床停机时间，提升了机床的加工效率。综合而言，使用“基于零点定位技术的工装系统”的拥有以下优点：

1）极大地减少了不同零件换装导致的机床停机时间；

2）重复定位精度高，确保在土0.002mm内，实现快速定位夹紧；

3）能有效提升类似中小航空结构件的多品种单件小批量生产的加工效率。

3 基于零点定位技术解决快速换装的思路

结合中小航空结构件加工特点和实际存在的问题，通过引进零点定位技术有效解决零件换装导致的装夹时间长、机床设备利用率不高的问题，以下是详细解决思路：

1）基于柔性装夹的航空结构件特征归类、识别及装夹知识库生成

飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分,结构件的加工特征通常可分为轮廓特征、槽特征、筋特征、孔特征和非圆孔特征等。每种特征都具有相应的加工工艺方案，其装夹方法不一定一致，但可以找到一些与特征相应的装夹元件共通规律，从而方便不同类型的零件进行快速工装的设计。通过研究航空结构件的结构特征和工艺特征，形成特征库、工艺库以及与装夹元件之间的映射关系或者规律，形成便于快速柔性装夹的知识库，以指导各个快速装夹方案的设计。

图1 飞机结构件装夹方案配比

2）基于零点定位技术设计快速换装方案

引入零点定位系统，结合结构件厂中小结构件加工和零件特点，设计各类零件定位装夹方案，夹具能做到快速更换、不同机床之间快速切换、多项零件共用的目的，通过提取飞机结构件的加工特征、工艺特征，快速制定出基于网孔的柔性工装方案。

3）建立柔性工装库

制定飞机结构件的快速装夹方案对于结构件的加工是十分重要的。对于飞机结构件来说，通常可采用不同的定位方案与夹紧装置，配比成不同的装夹方案，如图1所示。由于飞机结构件的种类较多，至今仍没有明确的每种结构件与定位元件、夹紧元件的映射关系。目前，在实际装夹时多是依靠工人经验确定装夹方案，当需要加工新的零件时，需要重新制定装夹方案。为了快速制定出结构件的装夹方案，利用成飞现有的夹具种类和装夹经验，采购现成的装夹元件，基于CATIA环境，建立起柔性工装元件库，以方便生成柔性装夹方案时，快速生成三维装夹模型。

4）实现基于零点定位系统的机床夹具快速更换

目前，更换机床夹具时，通常是靠人工完成，零件工装调整过程的自动化水平低。通过将零点定位系统直接镶入机床工作台、平板或用压板安装于工作台。形成唯一的零基准，无需再校正，大幅降低机床停机时间，使设备利用率达到最高点；同时零点定位系统具有标准化接口，能够实现不同加工类型的机床之间高精度、高效率转换，确保加工质量，缩短交货期；零点定位装夹系统将柔性和刚性完美结合，保证工件工装的重复定位精度为2μm，从源头上控制积累误差，保持机床和工件精度相等；这样在数秒内实现夹具的快速更换，实现零件的机外装卡，减少80%的停机时间，大幅度地提高工作效率，图2所示为零点定位过程的原理图。

通过上述思路，按照精益制造的思想，采用零点定位工装可将装夹零件的时间外移，实现加工和装夹并行以增加现有设备的实际有效加工时间。同时解决托盘及夹紧原件的柔性化，以此开发一套飞机结构件柔性快换工装夹具，实现数控加工快速换装和柔性装夹，提高数控设备的利用率，降低工装成本。经过实际应用达到如下水平：

1）实现零点定位工装系统应用，将零件机内装夹转移到机外装夹，减少关键设备的换装时间，使数控加工换装导致机床停工时间由平均1小时缩短到10分钟以内；

图2 零点定位系统加工装夹原理

2）在中小航空结构件定位装置和夹紧装置模块化的基础上，配合工装的柔性设计技术及装夹仿真技术，解决了工装的通用性问题，使有限的工装数量覆盖80%零件的快速换装。

4 结束语

本文结合本单位生产实际，针对中小航空结构件，采用零点定位技术和柔性夹具设计思路，充分发挥现有机床的效能，达到了减少装夹时间提高装夹效率的目的，实现了零件快速换装的目标。随着航空制造业的高速发展，在航空制造领域，特别是在中小航空结构件制造方面，通过减少装夹时间解决多品种小批量生产导致的设备利用率不高的问题是未来发来的趋势。

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