淺析帶有汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)

何晨曦

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

1 螺母擰緊機的概述

1.1 螺母擰緊的概念

汽車生產(chǎn)過程中，零部件的連接方式有很多種，螺母連接就是其中最常見的一種。采用螺母連接就必須應(yīng)用擰緊，使得零件被緊密結(jié)合，可承受一定的動載荷，并且有足夠的夾（壓）緊力。擰緊機是所有擰緊工具中較復(fù)雜和高效的設(shè)備。

1.2 輪胎螺母擰緊機簡介

輪胎擰緊機作為汽車裝配線的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展程度體現(xiàn)了汽車裝配工藝的發(fā)展?fàn)顩r。從最初的手動工具發(fā)展到現(xiàn)在的高精度電動擰緊工具，從手動操作到半自動化，都標(biāo)志著汽車裝配水平的不斷提升。通常衡量輪胎螺母擰緊機的擰緊質(zhì)量是動態(tài)扭矩。輪胎螺母擰緊機的組成通常由導(dǎo)軌滑車系統(tǒng)、懸掛機構(gòu)、擰緊機滾筒單元、控制單元、精度測試儀以及擰緊機滾筒單元到控制柜的電纜構(gòu)成。

目前國內(nèi)汽車整車廠的生產(chǎn)線會同時生產(chǎn)多種車型，不同車型的輪胎分度圓不同，汽車裝配中車輪裝配大多采用兩種形式：（1）面向單一規(guī)格的工具（固定直徑，4軸或5軸）；（2）面向兩種固定規(guī)格的工具（固定直徑，4軸和5軸）。由此帶來的問題有：（1）固定規(guī)格工具不能適應(yīng)車輪直徑變化，即當(dāng)車輪直徑變化時，需購買新的工具，成本較高；（2）裝配中更換工具，造成輔助工時增加、成本增加；（3）使用不同工具的維護，造成人力和成本浪費；（4）占用線邊空間。

2 輪胎螺母擰緊機的使用現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)有輪胎螺母擰緊機應(yīng)用

現(xiàn)有的輪胎擰緊機，不論是可變軸或可變徑，都能實現(xiàn)兩組軸數(shù)或直徑的組合。此外，現(xiàn)有可變軸或可變徑擰緊機都是通過汽缸的直線運動來實現(xiàn)不同軸數(shù)或分度圓的切換，且只在直線路徑上變化位置。

2.2 現(xiàn)有輪胎螺母擰緊機的局限性

針對我國在汽車裝配中的問題，國內(nèi)進行了多年的研究，積累了一定的經(jīng)驗和技術(shù)，但是從現(xiàn)有的產(chǎn)品來看，螺母擰緊機的功能還是具有很大的局限性。主要表現(xiàn)在產(chǎn)品功能比較單一，通用性比較差，只能針對特定的汽車系列設(shè)計相應(yīng)的螺母擰緊機，不同型號之間、不同螺母數(shù)量之間的擰緊機需要進行不同的設(shè)計，從而導(dǎo)致設(shè)備利用率較低，通用性不強，不僅造成設(shè)備的浪費，還增加大量的生產(chǎn)成本。例如現(xiàn)有使用氣缸作為驅(qū)動的變軸/變徑擰緊機由于氣缸的局限，每一根軸只能實現(xiàn)2～3個位置變化，無法覆蓋所有軸數(shù)/分度圓直徑的組合。因此每次增加新項目，都可能引起擰緊機的改造和新增。而且，裝備多臺擰緊機對生產(chǎn)線的空間要求也較高，造成空間局限。

2.3 研究汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)的必要性

為滿足柔性化生產(chǎn)需求，各工廠需要多臺擰緊機以適應(yīng)不同車型不同軸數(shù)不同分度圓的產(chǎn)品需求，投資成本和后續(xù)改造費用高?，F(xiàn)有的輪胎擰緊機，不論是可變徑或是可變軸，都只能實現(xiàn)兩組軸數(shù)或直徑的組合，而無法同時滿足所有的4軸、5軸和不同分度圓的組合（常規(guī)組合有4軸100變徑105、4軸110變徑115、5軸105變徑110、5軸115變徑120等）。目前國內(nèi)外均沒有類似產(chǎn)品以一臺設(shè)備覆蓋以上所有軸數(shù)和分度圓組合，所以研究一種解決方案以提高柔性、降低成本、減少車間線邊設(shè)備數(shù)量，實現(xiàn)精益化生產(chǎn)是很有必要的。

現(xiàn)有可變擰緊機是通過汽缸的運動來實現(xiàn)不同軸數(shù)或分度圓的切換，且只能在直線路徑上變化位置，可覆蓋的位置和組合都非常有限。而高柔性輪胎擰緊機采用伺服電機完成變徑切換，可以覆蓋行程范圍內(nèi)的所有直徑。同時增加一套用于前后伸縮的汽缸，實現(xiàn)4軸5軸的軸數(shù)變化。

雖然目前高柔性輪胎擰緊機的解決方案只覆蓋常規(guī)的4軸和5軸輪胎的擰緊，但只需在相同概念下增加一組單元，就可以實現(xiàn)4/5/6軸的可變軸變徑擰緊。只需稍加改造，其構(gòu)思就可同時應(yīng)用于其他多點可切換緊固的工具上，可廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)的螺母螺栓緊固工藝中。

3 帶有汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)技術(shù)方案

高柔性變徑變軸輪胎擰緊機采用伺服電機驅(qū)動變徑機構(gòu)，可覆蓋所有分度圓，通過氣缸驅(qū)動變軸機構(gòu)覆蓋4軸、5軸的角度位置，實現(xiàn)一套擰緊機滿足所有軸數(shù)/分度圓直徑組合的可能。

3.1 設(shè)備特征

帶有氣缸驅(qū)動的柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)，包括了伸縮組件，伸縮組件設(shè)置在機架上，伸縮氣缸的一端通過支架與機架連接，伸縮組件可以通過伸縮氣缸沿垂直機架的方向做上下伸縮運動，伸縮組件至少有1個，機架上還設(shè)有變徑變角組件和變角氣缸，變徑變角組件至少有2個，變徑變角組件靠近機架中心的一端固定，變角氣缸推動變徑變角組件另一端可沿該固定點旋轉(zhuǎn)，做變角運動，變徑變角組件通過第二變徑氣缸的推動，可沿機架中心與變徑變角組件另一端連成的直線上做變徑運動。

設(shè)備的伸縮組件包括伸縮軸變徑導(dǎo)軌，伸縮軸變徑導(dǎo)軌的一端與伸縮氣缸的另一端連接，伸縮軸變徑導(dǎo)軌上設(shè)有第一滑塊，第一滑塊的一端與第一擰緊軸連接，第一滑塊上設(shè)有第一變徑氣缸，第一變徑氣缸的伸縮端通過連接板與伸縮軸變徑導(dǎo)軌連接。

設(shè)備的變角氣缸的末端與機架連接，所述的變徑變角組件包括變徑導(dǎo)軌，變徑導(dǎo)軌通過連接桿與變角氣缸的伸縮端連接，變徑導(dǎo)軌上設(shè)有第二滑塊，第二滑塊的一端與第二擰緊軸連接，第二滑塊與第二變徑氣缸的伸縮端連接，第二變徑氣缸固定在變徑導(dǎo)軌上。變角氣缸的兩側(cè)均設(shè)有固定限位擋塊。

3.2 設(shè)備機制

如圖1～圖3所示，汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)包括伸縮組件，伸縮組件安裝在機架1上，伸縮汽缸8的一端通過支架與機架1連接，伸縮組件至少有1個，機架1上還設(shè)有變徑變角組件和變角氣缸2，變徑變角組件至少有2個，變徑變角組件靠近機架1中心的一端固定，變角氣缸2推動變徑變角組件另一端可沿該固定點旋轉(zhuǎn)，做變角運動，變徑變角組件通過第二變徑氣缸4B的推動，可沿機架1中心與變徑變角組件另一端連成的直線上做變徑運動。

圖1 五軸狀態(tài)下的機構(gòu)示意圖

圖3 帶有汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)的內(nèi)部局部視圖

伸縮組件包括伸縮軸變徑導(dǎo)軌7，伸縮軸變徑導(dǎo)軌7的一端固定在伸縮氣缸8的另一端上，伸縮軸變徑導(dǎo)軌7的另一端上安裝有第一滑塊9A，其可以在伸縮軸變徑導(dǎo)軌7上滑動，第一滑塊9A的一端固定在第一擰緊軸6A上，第一滑塊9A上安裝有第一變徑氣缸4A，第一變徑氣缸4A的伸縮端固定在伸縮軸變徑導(dǎo)軌7上，伸縮氣缸8推動變徑導(dǎo)桿7沿機架1做上下伸縮運動，達到伸縮的效果，第一變徑氣缸4A運轉(zhuǎn)，推動第一擰緊軸6A，使得變徑導(dǎo)桿7邊往后伸縮邊往外擴徑，使得擰緊機由五軸變換成四軸狀態(tài)。

圖2 四軸狀態(tài)下的機構(gòu)示意圖

當(dāng)擰緊機由五軸變換成四軸狀態(tài)時，其中第一擰緊軸6A通過伸縮軸變徑導(dǎo)軌7固定在機架1上，不參與變角運動，其他四個擰緊軸以此軸為參照，進行相應(yīng)的變角運動，變角運動由安裝機架1上的4個變角氣缸2的伸縮端通過連接桿10驅(qū)動變徑導(dǎo)軌5沿中心做變角運動，當(dāng)?shù)竭_指定位置時，由設(shè)置在變角氣缸2的兩側(cè)的固定限位擋塊3和變角氣缸2鎖緊。

變徑變角組件包括變徑導(dǎo)軌5，第二變徑氣缸4B推動第二擰緊軸6B沿變徑導(dǎo)軌5做變徑運動，變徑導(dǎo)軌5上安裝有第二滑塊9B，其可以在變徑導(dǎo)軌5上滑動，第二滑塊9B的一端固定在第二擰緊軸6B上，第二變徑氣缸4B的伸縮端固定在第二滑塊9B上，第二變徑氣缸4B安裝在變徑導(dǎo)軌5上。

4 帶有汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)的實用性

4.1 充分適應(yīng)生產(chǎn)和技術(shù)要求

帶有汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)能夠使多個擰緊軸之間協(xié)調(diào)一致，可以進行變徑和變角運動，而伸縮機構(gòu)又能使擰緊軸與螺母孔之間不存在運動干涉，穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整和控制，易于維護。無論是變徑、變角、固定軸的伸縮功能的實現(xiàn)，還是位置精度和可靠性的保證，均充分考慮了現(xiàn)有的技術(shù)水平和工業(yè)上的使用要求。

4.2 顯著降低生產(chǎn)成本

汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)可大大減少生產(chǎn)成本。高柔性變徑變軸輪胎擰緊機采用伺服電機驅(qū)動變徑機構(gòu)，可覆蓋所有分度圓，通過氣缸驅(qū)動變軸機構(gòu)覆蓋4軸-5軸的角度位置，實現(xiàn)一套擰緊機滿足所有軸數(shù)/分度圓直徑組合的可能。對于我國日趨激烈的汽車制造環(huán)境，成本控制和精益生產(chǎn)對汽車制造企業(yè)極為重要。

4.3 節(jié)約總裝空間

裝備多臺擰緊機對生產(chǎn)線的空間要求很高，易造成空間局限。相比之下，帶有汽缸驅(qū)動的高柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)可減少空間浪費，還能減少其他額外輔助工具的使用，避免造成生產(chǎn)空間的局促。

5 總結(jié)及展望

通過帶有氣缸驅(qū)動的柔性車輪多軸擰緊機構(gòu)的實現(xiàn)，為汽車總裝生產(chǎn)線的精益規(guī)劃，提供了一種通用性強，減少投資的解決方法。該方案能夠使多個擰緊軸之間協(xié)調(diào)一致，可以進行變徑和變角運動，而伸縮機構(gòu)又能使擰緊軸與螺栓孔之間不存在運動干涉，穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整和控制，易于維護。無論是變徑、變角、固定軸的伸縮功能的實現(xiàn)，還是位置精度和可靠性的保證，均充分考慮了現(xiàn)有的技術(shù)水平和工業(yè)上的使用要求。本機構(gòu)在汽車車輪裝配領(lǐng)域具有很強的通用性，可以降低汽車總裝生產(chǎn)線的成本，大大提高了車輪柔性擰緊裝置的實用價值，具有推動產(chǎn)業(yè)變革的前景。