電動擰緊工具防錯的應用

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

【摘 要】為了提高產品的裝配質量，達到電動工具零缺陷的生產目標，文章總結大量生產經驗，根據現場實際情況制定了不同的防錯策略，文章介紹的幾種防錯方法對行業(yè)內人士在如何充分發(fā)揮電動擰緊工具防錯作用的研究中具有較大參考意義。

【關鍵詞】電動擰緊工具；失效模式；控制策略；PCL；傳感器

【中圖分類號】U468.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0126-03

0 引言

在機械裝配行業(yè)，特別是汽車、總裝廠螺紋緊固件裝配的質量將直接影響整車的裝配質量和行駛的可靠性。螺紋副的裝配扭矩控制和防錯成為至關重要的問題，越來越多的汽車制造廠家選用了精度較高的電動工具進行裝配。目前，市面上電動擰緊工具種類繁多，防錯功能各有差異，如何將電動工具的功能充分發(fā)揮出來，充分體現它的價值是一個非常重要的問題。本文就此問題展開討論，給更多的技術人員提供參考。

1 螺紋連接的常見失效模式

螺紋連接有以下幾種常見的失效模式。

1.1 錯誤、遺漏、重復擰緊零件

大多數企業(yè)為滿足客戶的不同需求，采用單線多品種生產技術以實現不同產品的共線生產，然而在單線多品種的制造過程中，因產品的不同，共線制造過程中存在混裝、漏裝、重復擰緊的情況。

1.2 螺紋損壞，擰緊后出現假扭矩

零件本身存在缺陷或者螺紋副中存在雜質，導致擰緊完成后扭矩顯示合格，但得到的實際夾緊力不足。

1.3 漏裝螺栓附件

漏裝螺栓附件大多數為漏裝密封圈或墊片，這樣會導致螺紋緊固件的實際連接效果不達標。

1.4 重復性差

工具穩(wěn)定性差，隨著生產環(huán)境和零件批次變化產生較大的波動。

2 針對以上幾種失效模式提出防錯方法

與傳統(tǒng)的氣動工具比較，電動擰緊工具的控制精度大大提高，精密的扭矩傳感器可以即時檢測擰緊結果，超過設定范圍時可立即報警。提供了一個友好的編程系統(tǒng)，操作者可以根據不同的連接條件進行轉速和扭矩的設置，以達到最好的擰緊效果并進行擰緊缺陷防錯。同時，為了與現代裝配線上其他控制設備完全整合，它還為電子附件如條形碼讀取器提供了一個內置的連接點，具有網絡通信功能，可以通過串口或以太網或總線的形式和生產線的控制程序互相通信，還可以外接傳感器進行擰緊位置和順序的控制。

2.1 數量統(tǒng)計防錯法

在制造業(yè)企業(yè)中，經常會出現操作者使用單軸電動擰緊工具擰緊多顆緊固件或使用多軸電動擰緊工具擰緊多組緊固件的情況。在這種情況下，操作者很容易忘記擰緊一顆（組）或多顆（組）緊固件，造成緊固件擰緊狀態(tài)不受控，甚至還會引起產品失效。

為了預防這種情況的發(fā)生，我們可以采用擰緊數量統(tǒng)計的方法來進行防錯。采用該方法時，在緊固件擰緊之前需要編輯好生產線的控制程序（PLC程序），讓電動擰緊工具和PLC程序能夠相互通信，要在控制程序中設定好擰緊數量。當等待擰緊的工件到達該工位時，PLC程序就會下達允許擰緊的指令給電動擰緊工具，這時候操作者就可以使用電動擰緊工具對緊固件進行擰緊。當操作者對全部緊固件進行擰緊后，擰緊槍的控制盒就會發(fā)一個（組）合格信號給生產線的PLC程序，PLC程序接收到合格信號后就會放行；而如果某一次擰緊力矩不合格時，擰緊槍就不會發(fā)信號給PLC程序。

在實際裝配過程中，只有PLC程序接收到合格的信號，才會認為該產品在本工位的擰緊是合格的，才能夠釋放產品到下一裝配工位進行裝配。否則，PLC程序會認為該工位的緊固件沒有完成擰緊而不讓該產品繼續(xù)正常裝配。

2.2 套筒選擇器與擰緊順序結合的防錯法

在實際的使用過程中，我們通常會遇到一個工件在擰緊過程中有幾種不同扭矩的現象。這個時候我們需要使用JOB的跳轉程序，就是按照一定的順序對多顆緊固件進行擰緊，這種情況就存在擰緊順序錯亂的風險，導致質量事故的發(fā)生。在這種情況下，我們可以在程序中限制套筒選擇器的使用順序，如果前一個步驟沒有達到擰緊合格標準和數量要求，就不能使用下一個步驟的套筒。通過將套筒選擇器與擰緊順序結合的方法，可以有效地起到防錯作用。

2.3 角度限制防錯法

有時候雖然我們使用了數量統(tǒng)計防錯法來進行防錯，但是由于緊固件的數量過多，操作者在操作過程中會把某一顆或多顆緊固件重復擰緊，從而出現計數器上的合格次數足夠，但還是有部分緊固件沒有得到擰緊的情況。在這種情況下，我們可以在數量統(tǒng)計防錯法的基礎上增加角度監(jiān)控的方法來進行防錯。眾所周知，當緊固件被擰緊后，如果重新施加外力到該緊固件上，緊固件并不是在外力施加開始時就開始轉動，而是需要等到施加的外力達到一定的程度以后才會重新開始轉動。這個時候，我們就可以設定一個最小的擰緊角度，每一次擰緊角度必須大于設定的最小擰緊角度。

2.3.1 角度監(jiān)控

電槍傳感器可以同時記錄擰緊的扭矩和角度。雖然在多數情況下，我們是以扭矩作為目標值對擰緊的結果進行控制，但同時可以利用電槍的這一功能，對實現目標扭矩時螺栓所轉過的角度進行監(jiān)控。在規(guī)模生產中，緊固件和連接零件是一致性很高的零件，擰緊的角度可以高度接近，而對于狀態(tài)異常的零件擰緊的監(jiān)控角度，可能與正常零件的數據偏差較多。利用這個差異，我們可以簡單地辨識異常物料和異常操作，實現生產防錯，達到保證生產正常進行的目的（如圖1所示）。

（1）當正常零件進行裝配擰緊時。以T0為監(jiān)控起點，當實現目標扭矩時，擰緊的監(jiān)控角度值會落在正常的監(jiān)控區(qū)間A之內。

（2）因零件異常而過早達到目標扭矩時。以T0為監(jiān)控起點，當達到目標扭矩時，擰緊監(jiān)控角度低于正常范圍，落在區(qū)間B之內，此時擰緊設備會因該次擰緊的監(jiān)控角度未達到設定的正常范圍下限而報警。一般導致這種報警的情況是因錯用了螺紋副過短的零件或者螺紋加工深度不足或者對已擰緊完畢的螺栓進行重復擰緊等。

（3）因零件異常，過遲達到目標扭矩時。以T0為監(jiān)控起點，當達到目標扭矩時，擰緊監(jiān)控角度高于正常范圍，落在區(qū)間C之內。此時，擰緊設備同樣會因該次擰緊的監(jiān)控角度超出設定正常范圍上限而報警。一般導致這種報警的情況是因使用了螺紋副過長的零件或者漏裝墊片或密封圈等零件。

2.3.2 角度監(jiān)控可實現的防錯模式

（1）防止重復擰緊。對于需要擰緊多顆螺栓的工位，有時會發(fā)生對已經完成擰緊的螺栓重復擰緊的錯誤。角度監(jiān)控可以防止這種錯誤的發(fā)生。對已經完成擰緊的螺栓進行重復擰緊，由于擰緊后的螺栓已經達到目標扭矩，如果再次施加扭矩重復擰緊，達到目標扭矩需要轉過的角度將落在圖1的B區(qū)間，角度值甚至遠遠小于正常監(jiān)控角度極限。通過這種方法，我們可以實現對螺栓重復擰緊的控制。這種方法簡單易行，在各擰緊工位都有廣泛地應用。但是，需要注意在給定極限時，要求正常擰緊情況（正確的零件，正確的擰緊程序）下收集到的樣本容量盡量大，進而對樣本進行準確的數理統(tǒng)計。這樣不僅可以更準確地捕捉重復擰緊的錯誤操作，也能避免大量的擰緊誤判。

（2）防止螺栓錯裝。對于螺栓錯裝的錯誤，角度監(jiān)控的方法同樣可以捕捉。針對通過角度監(jiān)控捕捉螺栓錯裝的情況，需要分析螺紋長度差異，進而了解擰緊時所需的轉角差異，通過將該差異控制在監(jiān)控角度的極限之外，實現不同螺栓的混裝防錯。如圖2所示，在同樣達到擰緊目標扭矩T的情況下，如果使用了錯誤螺栓，則其擰緊的監(jiān)控角度小于正確螺栓擰緊角度的監(jiān)控范圍之外，此時擰緊槍就會報警。

該方法對于零件防錯的局限性在于要求不同零件間的差異明顯，如果在監(jiān)控角度的公差帶之內，則可能無法實現100%的防錯。

2.4 擰緊曲線防錯法

對于帶有密封圈或軟墊片的緊固件，我們可以使用擰緊曲線防錯法來防止操作者忘記安裝這些密封件。該方法利用緊固件的擰緊曲線判別是否忘記安裝密封件。在緊固件的整個擰緊過程中，擰緊力矩從零到目標力矩的過程，緊固件的力矩是逐漸增大的，通過擰緊程序對整個過程的監(jiān)控和記錄，可以收集到擰緊過程的力矩變化曲線（即擰緊曲線）。如果安裝有密封圈或軟墊片，擰緊力矩上升會比較緩慢，需要較長的時間才能達到目標力矩；而如果沒有安裝有密封圈或軟墊片，則擰緊曲線會比較陡，擰緊力矩很快就會達到目標力矩。我們可以在電動擰緊工具的擰緊程序中預先設定好擰緊曲線的合格范圍。當操作者使用電動擰緊工具擰緊緊固件時，電動擰緊工具收集并記錄擰緊曲線，并與原先設定好的擰緊曲線進行對比，用來判斷零件是否安裝有密封件。

2.5 傳感器防錯法

對于附帶有比較厚的硬墊片的緊固件，我們可以使用對射式光柵傳感器（包括發(fā)送器及接收器）來防止操作者忘記安裝墊片。傳感器防錯法是通過檢查緊固件擰緊后的高度來確認墊片是否存在，墊片需要達到一定的厚度（厚度一般要不小于2 mm），該方法一般使用在自動擰緊機上。在使用該方法前，需要預先在每根擰緊軸上加工一道凹槽，保證各擰緊軸上的凹槽高度一致；在擰緊槍或擰緊機的固定裝置上安裝對射式光柵傳感器（如圖3所示）并且傳感器不隨著擰緊軸上下移動，需要保證緊固件在正常安裝時對射式光柵傳感器的接收器能夠接收到發(fā)送器發(fā)射的光束（即在正常情況下光束是可以通過預先加工在擰緊軸上的凹槽到達接收器上）；還需要對PLC控制程序進行設定，在緊固件擰緊完成后PLC程序驅動發(fā)送器發(fā)出激光光束，如果接收器接收到光束則程序認為沒有漏裝墊片，才能夠釋放產品到下一裝配工位進行裝配，否則就認為有某一緊固件漏裝墊片，需要檢查返修。當緊固件擰緊完成后，擰緊槍/擰緊機自動根據設定好的程序來判定。

2.6 電動擰緊工具的可追溯反饋防錯

為了滿足有安全和關鍵性要求的應用工位或對精度要求特別高的擰緊工位，電動擰緊工具可通過控制器收集擰緊數據，通過網絡將程序收集在服務器內進行計算分析，自動計算出工具的CP和CPk值，使得技術人員可以實時得到擰緊工具的扭矩分布趨勢，便于提前預知質量問題，發(fā)現工具的不穩(wěn)定因素，提早對設備進行標定，做到零故障裝配反饋。

3 結語

隨著電動擰緊工具在實際生產中的應用越來越廣泛，電動擰緊工具防錯功能的作用也日益重要。在進行產品裝配時，可以根據實際情況來選用合適的防錯方法，最大限度地防止操作者出現錯誤而把不合格的產品交到顧客的手中，保證裝配的質量。

參 考 文 獻

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[3]任麗華，李鳳玲.螺紋擰緊扭矩的理論分析[J].煤礦機械，2006（7）.

[責任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】劉洋，男，山東青島人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司助理工程師，從事汽車生產設備維護工作。