多功能螺紋自動擰緊系統(tǒng)的設計與應用

李 群

（江蘇聯(lián)宏智慧能源股份有限公司，江蘇 南京 210000）

我國汽車行業(yè)是勞動密集型行業(yè)，汽車拆裝作業(yè)中，螺紋聯(lián)接件的拆裝工作量占總拆裝作業(yè)工作量的50%～60%，大量關鍵部位如渦輪、發(fā)電機、減震器都需要擰緊工藝的支撐，擰緊技術對汽車使用的安全性、可靠性有著相當關鍵的作用。自動化生產線可減少人員消耗，減少因工作人員操作手法的不同造成擰緊力矩誤差，提高汽車零件裝配的穩(wěn)定性與可靠性，有效加快裝配速率。國外對自動化擰緊技術研究比較早，許多公司都已有成熟的自動擰緊方案。在我國，提高生產設備自動化、標準化、可靈活化多功能組合性，快速降低成本，在競爭中提高優(yōu)勢，是一個當前企業(yè)普遍比較迫切的需求。

1 擰緊常用方法

1.1 扭矩控制法

扭矩控制法是一種最原始且最簡便的擰緊方式，技術含量低。但此法受擰緊工具、操作手法等外界因素影響較大，擰緊效果不一致、偏差較大，只適合一些不太重要零件之間的聯(lián)接操作。

1.2 扭矩-轉角控制法

扭矩-轉角控制法從力矩、角度兩方面監(jiān)測擰緊，在預緊力達到預定值后，再通過螺紋件的旋轉來達到規(guī)定的角度，改善了傳統(tǒng)扭矩法假扭矩及螺紋與支撐面摩擦消耗過多扭矩的不足，效果可靠、穩(wěn)定，且螺栓不易出現擰斷現象。

1.3 屈服點控制法

屈服點控制法利用了扭矩-轉角法的增加量比率的思想，是將螺栓直接擰到自身的屈服強度，通過預設定的程序控制擰緊的停止時間。此法能充分利用螺栓屈服強度，使螺栓達到最大預緊效果。

2 自動擰緊系統(tǒng)構成及原理

設備主控由西門子S7-1215C PLC、KTP900觸摸屏、德派AST11擰緊槍、西門子V90 PN伺服控制器組成。伺服分別控制X、Y、Z三個軸方向運動，PLCC與伺服間通信方式profinet，與槍之間的通信采用RS232串口，讀取擰緊系統(tǒng)的力矩及狀態(tài)數據，實現力矩及狀態(tài)數據歷史記錄。

放置工裝的底座安裝在Y軸上，底座可以拆卸以適應不同種類的工裝。Y軸運動可以實現將工裝沿Y軸方向進出設備，X軸實現左右運動，Z軸固定在X軸上，擰緊槍固定安裝在Z軸上，Z軸可以帶動擰緊槍實現上下運動。X軸向運動可以將擰緊槍調整到與Y軸的空間交匯處，PLC啟用擰緊槍內程序是通過輸出直接數字量組合的方式。系統(tǒng)結構圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2.1 螺栓三軸向定位

要實現自動定位螺栓并實現套筒套住螺栓頭擰緊過程，首要任務是保障螺栓坐標的正確性。設備為管理員提供了16個產品模板參數配置入口，當一款新產品要實現不同個數、不同位置螺栓擰緊時，可以選擇根據需要在設備模板中更改產品目標螺栓個數及對應的坐標位置參數。并且當用戶不能完全精確螺栓具體位置時，系統(tǒng)提供了一個手動預調試方法，可以將目標產品放置在擰緊位置上，通過手動伺服調試畫面將擰緊槍從X、Y、Z三個軸方向上移動對準需要目標螺栓，畫面會動態(tài)顯示當前槍頭的空間坐標位置。通過此法調出并記錄工件的各個螺栓的擰緊位置，結合螺栓長度參數，輸入產品參數錄入畫面中，這樣新產品擰緊特征參數就記錄在設備的該類產品模板中。當該產品模板被選用作為當前工作產品時，系統(tǒng)就可以對該產品的各個螺栓位置自動識別并實現擰緊。螺栓定位配置圖見圖2。

圖2 螺栓定位配置圖

擰緊過程中對螺栓正確定位的另一個重要節(jié)點是要提高擰緊槍頭的套筒套住螺栓頭的正確率，如果套筒不能正確套住螺栓頭，將導致套筒套口、螺栓頭磨損甚至套筒桿斷裂，螺紋螺牙也會因為擠壓式轉動受到損壞，從而引發(fā)事故。因此系統(tǒng)在擰緊槍通過X、Y軸移動到目標螺栓上方時采用垂直行程檢測，在尋找螺栓頭的過程中采用“三步走”方案。以一個螺栓為例：首先，設定一個快速下壓安全區(qū)，即擰緊槍頭不轉動，Z軸實現快速下降到預定位置；其次，擰緊槍頭反復慢速交替正反轉，Z軸同時帶動槍慢速下壓，調整直至套筒套住螺栓頭；最后，在檢測到槍頭套住螺栓頭后，擰緊槍頭快速轉動擰緊，同時Z軸也同步快速下壓，待擰緊到預設定接近落座力矩的力矩時Z軸再度慢速下降下同時擰緊槍頭改成慢速轉動模式直至完成整個擰緊過程。槍頭不轉，Z軸先快速下行的目標是保證不影響節(jié)拍要求；到達設定接近位置后，Z軸慢速下降的同時德派擰緊槍頭來回正反向慢速旋轉是為了提高的套住螺栓頭的概率。當行程完全下降到預設定的位置，如果時間段計算處在估算正確范圍內，基本上可以判定這時的套筒頭已經正確套上螺栓頭，下一步就可開始擰緊過程。開始時螺栓處于初始力矩狀態(tài)，反饋回的力矩比較小。因此，可以實現快速擰緊同時Z軸實現對應較快速度下降，當檢測到力矩接近目標力矩時，擰緊槍擰緊速度逐步下降，Z軸下降速度也對應減低，直至到達目標力矩、目標位置后Z軸停止下降。在完成一個螺栓擰緊后，Z軸上升，槍頭X、Y軸重新調整，繼續(xù)下個螺栓擰緊，整個過程一直持續(xù)到擰完最后一個螺栓。

2.2 生產節(jié)拍保證

針對產品螺栓擰緊的批量化生產的節(jié)拍要求，生產方要求每20s完成一個工件的擰緊，因此系統(tǒng)可采用以下三個措施：一是在優(yōu)先保證Z軸方向安全距離情況下，X軸和Y軸兩個方向上實現同步快速運動，其中X軸和Y軸方向速度在界面可以作為參數來設置，加速度時間最快調整到0.2s；二是優(yōu)化Z軸，根據不同工件可以設定擰緊槍的不同起始高度位置及擰緊過程中運動的上升最高位置，盡量減少無效運動，同時可參數設定槍的允許快速下降預定區(qū)域，慢速下降區(qū)域 ，加速度時間最快調整到0.25s；三是工件隨Y軸進出設備的起始位設定為可調，以方便生產方調整到安全情況下最佳時間、效果。

圖3 擴展功能正向擰緊控制策略

2.3 擰緊策略編程

德派AST11是一款性價比較高，多組擰緊靈活編程選調的自動擰緊槍，通過瀏覽器登錄設備默認IP控制器可以組態(tài)實現16個不同功能的擰緊流程。設備在擰緊槍頭下行尋找目標螺栓頭的過程中，采用了間隙交替調用正向擰緊力矩控制和反向擰松力矩控制槍頭慢速旋轉過程；當槍頭的套筒套住螺栓頭后，設備調用擴展功能正向擰緊加延時時間檢測控制策略，擴展功能正向擰緊控制策略見圖3。在標識1中設置落座扭矩并設定上下極限，同時設定一個快速轉速。在標識2中設置一個低于落座扭矩的扭矩，同時配置一個較低轉速，這樣在擰緊槍高速擰緊達到標識2的扭矩時，轉入低速運轉直至到達落座扭矩，擰緊停止。這樣既可以保證擰緊的快速性，又可以減少對工件的破壞，避免造成過扭矩報警。同時系統(tǒng)設定延時時間以實現最大預緊效果。

2.4 多功能設定

為滿足客戶的多功能需求，比如需要對單個螺栓一鍵擰松或擰緊測試，這時并不一定需要對所有功能進行設定，可以對螺栓是否存在檢測、力矩是否合格檢測等進行功能設定。當設定完成后，在當前畫面顯示情況下，用戶啟動擰緊撥桿，設備將根據設定實現特定的操作，同時對各級運行設備提供單獨操作調試畫面，以測試并保證各級設備在正常運行情況下投入使用。多功能設定界面見圖4。

圖4 多功能設定界面圖

3 結束語

該設備研發(fā)從設計到投運總計約1個月時間，架構容易搭建，性價比高，制造速度比較快，目前已經有效應用在某德資減震器有限公司的實際生產中，且顯著提高了生產效率，保證了螺栓力矩正確一致性，同時極大減少了人工成本，降低了工人的勞動強度，并可以實現24h無差錯的工作制，有效保證了大批量生產及時供應，這種思路及技術實現方式在我國汽車零件制造自動化程度提高上面有一定的普遍意義和參考價值。