基于螺栓自動擰緊機(jī)的純電動車電動機(jī)裝配工藝研究

沈陽 欒會玲

（1.華晨寶馬汽車有限公司，沈陽 110044；2.寶馳工業(yè)自動化（沈陽）有限公司，沈陽 110122）

1 前言

隨著社會的不斷進(jìn)步，汽車已逐漸成為中國社會和家庭不可或缺的一部分。國務(wù)院關(guān)于新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃定下目標(biāo)：到2025 年，新能源汽車新車銷售量達(dá)到20%左右[1]。隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，電動汽車成為能夠解決環(huán)境保護(hù)問題以及能源使用問題的一種途徑，可避免類似燃油車產(chǎn)生的有害氣體，并可減少我國對石油的依賴[2]。

純電動的核心部件主要由電池、電動機(jī)、驅(qū)動半軸和充電口及附屬部件組成。電動機(jī)作為電動車的心臟部位，動力輸出的穩(wěn)定性是整車的關(guān)鍵指標(biāo)。電動機(jī)與驅(qū)動半軸的裝配工藝是核心關(guān)鍵工藝。

2 電動機(jī)與驅(qū)動半軸裝配工藝分析

2.1 傳統(tǒng)裝配工藝及缺點(diǎn)

純電動車由高壓電池提供能量，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過驅(qū)動半軸傳遞到車輛輪胎使車輛行進(jìn)。

圖1 純電動車的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)工藝多為人工操作，由人為控制，主要步驟如下。

a.驅(qū)動半軸和電動機(jī)到預(yù)置位；

b.員工手動推半軸至前端鎖死，如圖2 所示；

圖2 預(yù)置位及手動推入

c.額定拉力反向測試，如圖3 所示，目的是測試經(jīng)過步驟b 后，半軸是否真正與電動機(jī)配合完好，保證車輛在行使過程中驅(qū)動半軸不會與電動機(jī)脫開，防止造成安全隱患。

圖3 額定拉力反向測試

傳統(tǒng)工藝中在使用中存在以下缺點(diǎn)。

a.在步驟b 中，從預(yù)置位到卡死位，員工手動推入，這對員工施加力角度要求較嚴(yán)，而且對力的大小沒有標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)控?，F(xiàn)場經(jīng)常發(fā)生不易推入和沒推到位的情況，而且調(diào)整時(shí)間比較長，迫切的需要1 種設(shè)備及監(jiān)控策略優(yōu)化推入工藝過程；

b.在步驟c 反向拉出測試時(shí)，通過圖4 中簡易工裝來實(shí)現(xiàn)，需要操作者操作手動扳手固定扭矩轉(zhuǎn)化為拉力。該手動扳手只能設(shè)置扭力下限，到此下線值如果員工繼續(xù)施加力，有把半軸拉出的風(fēng)險(xiǎn)，并且測試結(jié)果質(zhì)量系統(tǒng)無法監(jiān)控；

圖4 簡易拉力測試工裝

c.操作人員需要彎腰工作，不符合人機(jī)工程學(xué)；

d.員工在安裝半軸之前的預(yù)定位和預(yù)調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜且耗時(shí)長，需要占用60 s，影響生產(chǎn)節(jié)拍。

2.2 優(yōu)化方案

綜合以上問題，提出相對于現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)的用于汽車的半軸的安裝和測試設(shè)備，通過分析研究利用螺栓自動擰緊機(jī)精確控制工藝步驟，選擇螺栓自動擰緊機(jī)的正轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)拉入過程，通過其反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反向測試。

需要重新設(shè)計(jì)出齒輪傳動機(jī)構(gòu)和滑軌機(jī)構(gòu)，從而精確控制輸出力。電氣方面通過PLC 進(jìn)行安全監(jiān)控，輸出和反向測試實(shí)時(shí)結(jié)果連入生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，從而達(dá)到優(yōu)化裝配工藝及縮短生產(chǎn)節(jié)拍的目的。

3 螺栓自動擰緊機(jī)

螺栓自動擰緊機(jī)的是針對機(jī)械行業(yè)中螺栓擰緊問題開發(fā)的產(chǎn)品，其主要結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由控制器、線纜和擰緊軸組成。

圖5 螺栓自動擰緊機(jī)組成

本文選取ATLAS（阿特拉斯·科普柯）公司開發(fā)的螺栓自動擰緊機(jī)QST 系列，具有數(shù)字通信、內(nèi)置芯片、高性能電機(jī)和慣量剎車的優(yōu)點(diǎn)。

此擰緊軸內(nèi)部有電動馬達(dá)，通過編程可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，并且輸出額定扭力，如圖6 所示，并可以設(shè)置峰值保持時(shí)間，通過轉(zhuǎn)換為工藝步驟拉入力和拉出測試力，并通過其控制器傳輸扭矩結(jié)果給PLC，從而可精確控制整個(gè)工藝過程。

圖6 扭矩監(jiān)控

4 傳動結(jié)構(gòu)及三維設(shè)計(jì)

基于電動機(jī)與驅(qū)動半軸裝配工藝過程，確定使用螺栓自動擰緊機(jī)方案實(shí)現(xiàn)此工藝過程。由于施加在半軸上的是水平輸出力，而螺栓自動擰緊機(jī)輸出為旋轉(zhuǎn)扭矩，設(shè)計(jì)出齒輪齒條結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭矩及力的轉(zhuǎn)換，如圖7 所示。

圖7 齒輪齒條結(jié)構(gòu)

同時(shí)，增加齒輪副，通過計(jì)算，選擇合適的齒數(shù)比，設(shè)計(jì)出小齒輪和大齒輪傳動，如圖8 所示，可以同時(shí)具備手動調(diào)節(jié)功能，方便操作者通過手柄進(jìn)行預(yù)置位操作。

圖8 手動調(diào)節(jié)齒輪副

依據(jù)現(xiàn)場工況，設(shè)計(jì)出滑動結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使其能在使用后退出工作區(qū)，回到安全區(qū)，生產(chǎn)線得到信號后繼續(xù)節(jié)拍運(yùn)轉(zhuǎn)。此設(shè)備整體三維設(shè)計(jì)初始設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行干涉檢查、模擬調(diào)試及人機(jī)負(fù)荷檢查，再次優(yōu)化設(shè)計(jì)直至終版設(shè)計(jì)，如圖9 所示。

圖9 整體設(shè)備

5 電氣及安全設(shè)計(jì)

在橫向滑軌機(jī)構(gòu)、縱向滑軌機(jī)構(gòu)和/或底座上設(shè)有傳感器，以用于在探測到力輸出裝置到達(dá)工作位置時(shí)，輸出信號給PLC，PLC 得到信號并處理后激活數(shù)字化擰緊工具擰緊程序1，提示燈閃爍提醒員工可以操作設(shè)備，這樣就可以避免力輸出裝置在工作位置時(shí)數(shù)字化擰緊工具被誤激活造成操作人員受傷，員工手動點(diǎn)擊按鈕后，螺栓數(shù)字化擰緊工具輸出扭矩，通過傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為拉力，驅(qū)動半軸被拉入電動機(jī)并鎖死。

當(dāng)擰緊程序執(zhí)行完成后，螺栓數(shù)字化擰緊工具程序1 完成信號發(fā)送給PLC，PLC 同時(shí)監(jiān)控位置信號，判斷條件滿足后激活螺栓數(shù)字化擰緊工具反向測試程序2，操作者觀察到信號燈提示信號后，點(diǎn)擊反向測試程序按鈕，螺栓數(shù)字化擰緊工具反向輸出遞增至額定扭矩并保持規(guī)定時(shí)間，意味著驅(qū)動半軸承受額定拉力并保持了額定時(shí)間，無扭矩及拉力衰減報(bào)錯，表明驅(qū)動半軸和電動機(jī)配合完好。此工藝過程執(zhí)行完畢，PLC 編程如圖10所示。

圖10 PLC編程

在執(zhí)行拉緊程序和反向拉出測試過程中，如果螺栓數(shù)字化自動擰緊工具監(jiān)控到任何扭矩異常或衰減就會報(bào)錯，錯誤信息及位置信號同時(shí)發(fā)送給PLC 及生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。此生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)時(shí)的，員工收到提示后到人機(jī)監(jiān)控界面上查找，如圖11 所示，進(jìn)行質(zhì)量分析并查找故障原因。

圖11 人機(jī)監(jiān)控界面

6 現(xiàn)場調(diào)試及應(yīng)用

在完成了傳動機(jī)構(gòu)和機(jī)械三維設(shè)計(jì)后，進(jìn)行二維圖紙輸出及機(jī)械加工制造，組裝完成后，參照現(xiàn)場布局設(shè)計(jì)圖進(jìn)行現(xiàn)場安裝，如圖12 所示，對機(jī)械部分進(jìn)行功能性測試，尤其是關(guān)鍵齒輪傳動機(jī)構(gòu)、滑動機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的部件，保證功能與設(shè)計(jì)一致。

圖12 現(xiàn)場安裝實(shí)物

電氣方面對數(shù)字化螺栓自動擰緊機(jī)本身的控制器進(jìn)行編程和程序?qū)耄紫入x線間斷性多點(diǎn)測試輸出扭矩及輸出力滿足要求，然后邏輯上與PLC進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，達(dá)到自動觸發(fā)程序的要求后，多次實(shí)際測試沒有問題，達(dá)到工藝使用要求后，拉入實(shí)際扭矩輸出曲線非常穩(wěn)定，再把反向拉力測試扭矩及輸出進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化，最后得到輸出監(jiān)控曲線非常平滑和穩(wěn)定，如圖13所示。通過了穩(wěn)定性測試和驗(yàn)證，設(shè)備能力Cm＞2.19，設(shè)備能力指數(shù)Cmk＞1.85，如表1、表2、表3所示。整體操作時(shí)間也降至26 s。

圖13 反向拉出測試監(jiān)控曲線

表1 穩(wěn)定性測試實(shí)際測量值 N

表2 技術(shù)要求

表3 實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析

7 結(jié)論

a.創(chuàng)新地使用螺栓自動擰緊機(jī)，精確控制驅(qū)動半軸和電動機(jī)的安裝和反向力測試工藝過程。設(shè)計(jì)出齒輪傳動機(jī)構(gòu)和滑軌機(jī)構(gòu)，通過三維軟件設(shè)計(jì)模型，加工出實(shí)物使用到生產(chǎn)線現(xiàn)場。

b.優(yōu)化傳統(tǒng)工藝步驟，傳統(tǒng)工藝需要大量手動操作，優(yōu)化后員工只需點(diǎn)擊觸發(fā)按鈕?，F(xiàn)場操作時(shí)間由 60 s 降至 28 s。

c.數(shù)字化螺栓自動擰緊機(jī)程序與PLC 和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，真正做到了智能化和數(shù)據(jù)化生產(chǎn)。