自動(dòng)擰緊技術(shù)淺析

王武，葛陽

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

運(yùn)用螺紋使零部件結(jié)合是最常見的零件裝配方法之一，擰緊機(jī)是重工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)最常見的設(shè)備，可將定制強(qiáng)度螺母以一設(shè)定扭矩旋緊于螺栓之上。常出現(xiàn)于汽車工廠中前伸梁與車架連接、轉(zhuǎn)向機(jī)螺栓擰緊、平衡軸與車架連接螺栓、推力桿螺栓擰緊、后橋騎馬螺栓擰緊、輪胎螺母擰緊等重點(diǎn)關(guān)乎整車工藝質(zhì)量及行車安全的裝配工位。在車輛裝配過程中，零部件的結(jié)合方式有很多種，其中采用螺紋擰緊工藝進(jìn)行連接是最可靠的方法，其特點(diǎn)是裝配快速，方便，更換修正快捷便利，也是車輛裝配所有環(huán)節(jié)中最常見的方法之一。

1 螺紋聯(lián)接過程中力的分析

螺紋聯(lián)接過程中，所受外力共有四種：扭轉(zhuǎn)力，剪切力，拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。擰緊的實(shí)質(zhì)是將適當(dāng)范圍的夾緊力作用在結(jié)合區(qū)，其下限是由本身聯(lián)接結(jié)構(gòu)的功能鎖定，下限值是保證被聯(lián)接件在使用中可靠貼合；而其上限是由兩者強(qiáng)度決定，螺栓擰緊時(shí)，軸向力和扭轉(zhuǎn)力最終共同作用到螺栓上直至螺栓發(fā)生屈服變形，即出現(xiàn)了永久的伸長(zhǎng)變形，當(dāng)擰緊后可以測(cè)量出來。認(rèn)識(shí)到這種永久變形最開始出現(xiàn)在螺栓體最外圈，然后逐步向內(nèi)圈擴(kuò)展。如果某處的應(yīng)力超過了材料極限螺栓就會(huì)開始斷裂合格的夾緊力須保證被連接件在預(yù)緊和使用中不會(huì)發(fā)生過度形變，甚至壓縮，斷裂。

在實(shí)際擰緊過程中，我們要控制的力是加緊力，然而目前還沒有一種準(zhǔn)確的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)夾緊力的精確控制，因此我們轉(zhuǎn)向控制影響夾緊力的角度或力矩。

夾緊力在貼合后隨著角度線性增長(zhǎng)，如圖1所示?？梢悦枋鰹椋篎=K·A。

圖1 夾緊力與角度關(guān)系

夾緊力 F通過螺栓頭下摩擦、螺距和螺紋副摩擦轉(zhuǎn)化為扭矩：T=F×r，T為扭矩，F(xiàn)為施加力，L為著力點(diǎn)到軸的距離。典型的螺紋聯(lián)接，螺栓頭和工件表面摩擦力，螺紋副之間摩擦力，僅僅約10%的擰緊扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際夾緊力，如圖2所示。

圖2 夾緊力與力矩關(guān)系

在擰緊螺母時(shí)，其擰緊扭矩M需要克服被旋合螺紋間的摩擦力矩和螺母與被聯(lián)接件（或墊圈）支承面間的摩擦力矩，并使聯(lián)接產(chǎn)生預(yù)緊力P，它們的關(guān)系為：M=KDF×10-3；其中D：螺紋公稱直徑（mm）；F預(yù)緊力（N）；K：阻力系數(shù)。

在一般地制造裝配環(huán)節(jié)，預(yù)緊力F取螺栓破壞荷載的70%-80%，破壞荷載是材料的屈服極點(diǎn)與螺栓有效面積乘積，通常在0.1-0.3之間，一般取中間值0.2。

根據(jù)中國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，汽車用螺紋緊固規(guī)范提出了標(biāo)準(zhǔn)[1]：

螺紋緊固件標(biāo)準(zhǔn)擰緊力矩：M=0.142DF×10-3

螺紋緊固件最小擰緊力矩：M=0.114DF×10-3

螺紋緊固件最大擰緊力矩：M=0.17DF×10-3

在裝配時(shí)大多數(shù)螺紋都必須擰緊，確保連接在受工作負(fù)荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個(gè)預(yù)先附加的力叫做預(yù)緊力。預(yù)緊力的意義是增強(qiáng)部件連接的可靠性及緊密型，防止出現(xiàn)縫隙或滑動(dòng)。螺紋的聯(lián)接對(duì)螺栓總載荷，聯(lián)接臨界點(diǎn)載荷，抗橫向的載荷能力以及密封性產(chǎn)生影響。過小或者過大的預(yù)緊力都會(huì)對(duì)工件的可靠性構(gòu)成隱患，故預(yù)緊力精度，大小，準(zhǔn)確度至關(guān)重要。螺紋擰緊質(zhì)量控制的關(guān)鍵不是擰緊控制的扭矩，而是軸向的預(yù)緊力，通過靈敏型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器精確控制軸向預(yù)緊力。

2 最大預(yù)緊力理論[2]

預(yù)緊的過程中，預(yù)緊力過大將會(huì)使螺紋發(fā)生靜力破壞，或螺紋齒牙被壓斷，甚至發(fā)生斷裂。其在螺栓上的應(yīng)力稱之為σ。因?yàn)閿Q緊扭矩的作用，又產(chǎn)生了切應(yīng)力τ。根據(jù)力學(xué)強(qiáng)度理論，其等效應(yīng)力σ0。

通常情況下允許螺栓工作載荷引起的拉應(yīng)力增量為0.1σs，由力學(xué)理論可得，τ/σ=0.5，代入式中，可得σmax=0.7σs，即最大的預(yù)緊力盡量須在屈服點(diǎn)附近70%。

2.1 預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角關(guān)系

在影響因素最小的條件下，即使施加相同的擰緊力矩，其預(yù)緊力偏差也在±25。所以須對(duì)預(yù)緊力F與轉(zhuǎn)角θ關(guān)系進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)角即位移量：s=Pθ/360°；

其中θ為轉(zhuǎn)角；P是螺距；

由于不同聯(lián)接件的剛度比不同，轉(zhuǎn)動(dòng)螺母一面壓縮零件，一面拉伸螺栓，類似兩個(gè)彈簧，系統(tǒng)剛度Cs=CbCj/（Cb+Cj），Cj-被聯(lián)接零件剛度，Cs-系統(tǒng)剛度，Cb-螺紋剛度。

在擰緊過程中，最開始的幾周內(nèi)不會(huì)有預(yù)緊力，預(yù)緊力產(chǎn)生于接觸聯(lián)接后，隨伸長(zhǎng)量迅速增加。由前面系統(tǒng)剛度公式得出預(yù)緊力F與轉(zhuǎn)角θ為線性關(guān)系。

圖3 F和θ關(guān)系曲線

如圖3所示，原點(diǎn)到A為空轉(zhuǎn)，此時(shí)無預(yù)緊力；AB之間是貼近過渡過程，BC可近似線性，從C點(diǎn)開始屈服，CD為屈服后曲線。

2.2 預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量關(guān)系

伸長(zhǎng)量在預(yù)緊力屈服之前關(guān)系是：δb=F/C=Fl/（EA），其中δb為伸長(zhǎng)量，E是彈性模量，A為螺栓橫截面的面積，l是螺栓長(zhǎng)。

可見，預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量成線性關(guān)系，由于摩擦系數(shù)和剛度關(guān)系，難以估計(jì)，故只需對(duì)比擰緊前后長(zhǎng)度差就可知道準(zhǔn)確伸長(zhǎng)量，這樣控制預(yù)緊力精度最好。

3 螺紋擰緊的控制方法

在擰緊控制的方法中，通過比較，結(jié)合重型汽車實(shí)際裝配過程中的特點(diǎn)，選用較先進(jìn)、精度高的扭矩-轉(zhuǎn)角法[3]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)扭矩-轉(zhuǎn)角監(jiān)控法的應(yīng)用，可適用于實(shí)際裝配場(chǎng)所。

是根據(jù)螺紋副內(nèi)螺母轉(zhuǎn)角與螺栓預(yù)緊力之間關(guān)系形成的方法。先將螺紋件擰緊至規(guī)定扭矩后，一般為最終裝配的25%，而后再轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋件至規(guī)定角度。轉(zhuǎn)動(dòng)角度為前期測(cè)量或?qū)嶒?yàn)取值。

常用扭矩—轉(zhuǎn)角法有兩種，一種是將連接件擰緊至屈服點(diǎn)之上，產(chǎn)生形變，稱為塑性區(qū)，如圖4所示，此時(shí)預(yù)緊力與屈服點(diǎn)有關(guān)。

圖4 扭矩-轉(zhuǎn)角塑性區(qū)

一種是彈性區(qū)域，其中預(yù)緊力F和轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為F·S=CaPθ/360°，其中Ca為系統(tǒng)剛性強(qiáng)度，可推出預(yù)緊力F和轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系，如圖5所示，與Ca成正比。

圖5 扭矩-轉(zhuǎn)角彈性區(qū)

盡管在擰緊過程中摩擦因素對(duì)階段預(yù)緊力有影響，但是影響甚微，如圖5所示，僅僅影響起始階段，在角度階段，摩擦因素對(duì)轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生預(yù)緊力無影響，因?yàn)閺椥詤^(qū)內(nèi)Ca是恒定的。此時(shí)F僅與伸長(zhǎng)量相關(guān)，根據(jù)前面提到的F與S成正比，即當(dāng)θ為360°時(shí)，伸長(zhǎng)量為一個(gè)螺距，此時(shí)控制精度顯著提高。

根據(jù)扭矩-轉(zhuǎn)角法要求，運(yùn)用小型PLC控制器，基于對(duì)平衡軸擰緊工藝的分析，提出基于多PLC模塊的多軸擰緊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入顯示界面（顯示單元）、主控制單元、軸控制單元組成；軸控制單元均采用獨(dú)立的模塊化版本結(jié)構(gòu)，使用高性能中小型PLC，主控制單元采用相應(yīng)的PLC協(xié)調(diào)各軸控的動(dòng)作。

軸控制模塊和主控單元分別采用歐姆龍[4]CP1H-XACP1H-XA-N，該型號(hào)控制器具有高精度，擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)具備中型控制器的部分功能；該控制器集成4軸高脈沖輸入/輸出、2通道D/A.4通道A/D模擬量傳輸?shù)裙δ埽蓴U(kuò)展功能卡RS-422、RS-485、RS-232，可實(shí)現(xiàn)控制器之間及控制器和工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)流。運(yùn)用Link協(xié)議使主控制器連各接軸控單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)軸控單元轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速模式，傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)的獲取，PLC使用RS-232串口可與可編程終端交互，對(duì)擰緊策略進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)加載任務(wù)時(shí)，擰緊工作的執(zhí)行和檢測(cè)是根據(jù)扭矩-轉(zhuǎn)角法的原理執(zhí)行的，故加載的過程分為兩個(gè)環(huán)節(jié)，即扭矩控制和角度控制。在角度控制同時(shí)對(duì)扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的。

（1）其動(dòng)作執(zhí)行順序可分為：低速認(rèn)帽，即按下啟動(dòng)開關(guān)后，氣缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行箱體下降，擰緊套筒向螺栓逼近，氣缸達(dá)到下位后，操作者抓住擰緊箱手柄將套筒對(duì)準(zhǔn)螺栓進(jìn)行認(rèn)帽，伺服電機(jī)低速正轉(zhuǎn)，進(jìn)行預(yù)訂時(shí)間內(nèi)認(rèn)帽。

（2）高速擰緊，認(rèn)帽完成后，電機(jī)進(jìn)入高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，擰緊端迅速消化完空行程，擰緊頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制器實(shí)時(shí)采集各擰緊單元的傳感器數(shù)據(jù)，判定是否達(dá)到預(yù)設(shè)值。

（3）中速擰緊，也稱為次高速狀態(tài)，即當(dāng)實(shí)時(shí)采集的扭矩值達(dá)到預(yù)設(shè)值后，伺服電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)控制器仍然實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，判定是否到達(dá)預(yù)設(shè)起始扭矩。

（4）中停等待，當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到扭矩-轉(zhuǎn)角法中所測(cè)算地起始扭矩的時(shí)候，對(duì)該軸停止電機(jī)動(dòng)作，待其他軸達(dá)到預(yù)設(shè)起始扭矩。

（5）低速擰緊，待各軸達(dá)到起始扭矩，各軸電機(jī)進(jìn)入低速角度控制階段，各控制器實(shí)時(shí)采集伺服電機(jī)的電機(jī)編碼器反饋信號(hào)，計(jì)算角度與規(guī)定預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行比較。若超出角度控制上限則終止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（6）卸荷，達(dá)到規(guī)定合格預(yù)設(shè)角度范圍后，此時(shí)擰緊軸反轉(zhuǎn)，套筒端與螺母分離。

只有當(dāng)角度達(dá)到預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，該次擰緊任務(wù)才算合格，此時(shí)擰緊面板合格指示燈亮起，完成擰緊任務(wù)。在擰緊過程中，發(fā)生緊急情況時(shí)，操作員可以選擇“停止”按鈕，程序任務(wù)中斷，結(jié)束任務(wù)，選擇其他模式，系統(tǒng)退出當(dāng)前加載執(zhí)行任務(wù)同時(shí)進(jìn)入任務(wù)。

綜上加載擰緊步驟可得出控制擰緊的算法流程框圖，如圖6所示。

圖6 加載任務(wù)流程框圖

4 總結(jié)

作為工業(yè)生產(chǎn)中質(zhì)量控制關(guān)鍵工藝的重要組成部分，擰緊工藝是否，從標(biāo)準(zhǔn)件的選用到擰緊流程的控制，再到擰緊結(jié)果的檢測(cè)，每個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化改造升級(jí)，對(duì)擰緊工藝的控制都會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。當(dāng)然，所有的優(yōu)化都要遵從受力學(xué)的基本原理，因?yàn)閿Q緊的本質(zhì)就是對(duì)力的控制，只有把握好最基本的控制原則，再尋求工藝的優(yōu)化和升級(jí)，才會(huì)得到穩(wěn)定牢固的產(chǎn)品。

擰緊控制方法是汽車零部件組裝的核心，也是企業(yè)質(zhì)量的生命線，業(yè)內(nèi)有很多企業(yè)運(yùn)用組態(tài)軟件或嵌入式的方式進(jìn)行管控，這樣的方式在數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用方面的能力較差。伴隨著工業(yè)4.0的臨近和數(shù)字化工廠的建設(shè)，在大數(shù)據(jù)應(yīng)用和挖掘方面是多方爭(zhēng)搶的一塊戰(zhàn)略重地，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)應(yīng)用層面還有很大的升級(jí)擴(kuò)展空間，隨著工藝水平的升級(jí)，產(chǎn)品的更新?lián)Q代，對(duì)制造工藝的要求也會(huì)越來越苛刻。同時(shí)，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，新型控制器和傳感器的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)一批高集成高精度的自動(dòng)化擰緊設(shè)備，這會(huì)使重型汽車裝配的效率大大地提升。