數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張俊昊 席樂(lè)杰 馬瑞明 鄭宇

（1.上海航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 上海市 200232 2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海市 200240）

螺紋連接裝配與裝配工藝和擰緊工具密切相關(guān)，數(shù)字定力扳手是一種自動(dòng)化的緊固件擰緊機(jī)電設(shè)備，應(yīng)用微處理芯片和傳感器檢測(cè)單元，可精確指定力矩，實(shí)現(xiàn)精密操作，作為數(shù)字化裝配工具正在逐步取代傳統(tǒng)扳手。飛機(jī)裝配涉及數(shù)十萬(wàn)次螺栓連接，復(fù)雜的操作要求客觀(guān)上也增加了裝配擰緊難度。在機(jī)上擰緊操作時(shí)，提高擰緊效率和準(zhǔn)確率，不僅關(guān)系到制造安裝和后期維護(hù)，而且會(huì)影響到飛機(jī)的飛行安全。傳統(tǒng)裝配過(guò)程的螺栓擰緊的質(zhì)量主要依賴(lài)于工人的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)，操作者需要了解待安裝部位每一個(gè)連接孔的緊固件類(lèi)型、規(guī)格、擰緊力和扭矩等要求，查閱紙質(zhì)工藝文件作為裝配依據(jù)，進(jìn)行緊固件的擰緊工作。這種傳統(tǒng)裝配過(guò)程要求操作人員具有較高的工藝學(xué)習(xí)能力與操作熟練度，工藝的復(fù)雜性和人為引入誤差使得裝配可靠性的提升遇到瓶頸。同時(shí)，傳統(tǒng)的紙質(zhì)裝配履歷文件也使得裝配結(jié)果檢索困難、質(zhì)量追溯性差。綜上所述，在航空裝配擰緊作業(yè)中迫切需要一種實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，減少操作量，提高精度與效率，降低擰緊錯(cuò)誤發(fā)生的概率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)擰緊操作結(jié)果100%追溯與故障檢測(cè)的智能擰緊技術(shù)和相關(guān)系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題及需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字定力扳手的智能擰緊系統(tǒng)(Digital Torque Wrench Intelligent Tightening System，DTWITS)。為提高數(shù)字化定力擰緊的自動(dòng)化程度、減少操作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行交互控制的工作量，基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)擰緊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，基于擰緊策略控制優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)擰緊預(yù)緊力的準(zhǔn)確定力并減小偏差，通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)擰緊工藝信息的儲(chǔ)存、管理與調(diào)用，通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)裝配工作檢驗(yàn)記錄，提高裝配工藝的簡(jiǎn)便性、裝配過(guò)程的操作智能性、裝配結(jié)果的可溯性。最后，以實(shí)際操作現(xiàn)場(chǎng)的緊固件擰緊裝配環(huán)境為應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)所提出的系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證與性能測(cè)試。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程

在飛機(jī)緊固件擰緊裝配過(guò)程中，傳統(tǒng)操作流程要求裝配工作人員對(duì)于紙質(zhì)工藝文檔或二維電子工藝文檔進(jìn)行查閱學(xué)習(xí)，以獲取待安裝部位每一個(gè)連接孔的緊固件類(lèi)型、規(guī)格、擰緊扭矩等要求。這種方法的學(xué)習(xí)效率低，錯(cuò)誤率高。為提高飛機(jī)緊固件擰緊的精度與效率，本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字定力扳手的智能擰緊系統(tǒng)，采用RFID技術(shù)進(jìn)行數(shù)字定力扳手的識(shí)別綁定，采用擰緊質(zhì)量控制策略，確保力矩分布的合格和均勻，以提高裝配質(zhì)量。

以智能化模塊化為設(shè)計(jì)依據(jù)，數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)采用了以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，搭建包括應(yīng)用層、控制層、設(shè)備層的通信網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)用層主要包含服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、配置軟件，負(fù)責(zé)與MES（上級(jí)信息管理系統(tǒng)）或線(xiàn)旁控制單元（控制器）通訊，發(fā)送擰緊程序或工藝信息，并采集擰緊過(guò)程和結(jié)果信息等?？刂茖又饕缮a(chǎn)線(xiàn)擰緊工位上的線(xiàn)旁控制單元（控制器）組成，主要功能為協(xié)調(diào)工位里的工作流程，利用RFID的PLC模塊通訊獲取工序信息，發(fā)送擰緊命令到擰緊終端。擰緊完成后控制器處理來(lái)自數(shù)字定力扳手即擰緊終端的擰緊數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層。設(shè)備層主要由數(shù)字定力擰緊扳手組成，主要作用是實(shí)施擰緊任務(wù)和讀取數(shù)據(jù)載體等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作流程

數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)從上級(jí)信息管理系統(tǒng)，即MES系統(tǒng)中獲取工單信息等相關(guān)信息保存到控制器中，以便當(dāng)裝配操作人員手持工具進(jìn)入到工位時(shí)控制單元將擰緊任務(wù)發(fā)送到擰緊終端中。執(zhí)行完一個(gè)擰緊程序，擰緊結(jié)果被采集和保存。系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流程圖如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 基于RFID的工藝擰緊任務(wù)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

為了區(qū)別不同工況下的不同擰緊任務(wù)，傳統(tǒng)方式為員工采用手動(dòng)方式掃描裝配工藝現(xiàn)場(chǎng)二維碼進(jìn)行工藝任務(wù)信息的采集，然后擰緊系統(tǒng)根據(jù)二維碼選擇相應(yīng)的擰緊任務(wù)，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條碼出現(xiàn)損壞或沾染污漬掃描槍無(wú)法識(shí)別時(shí)，需要操作者手動(dòng)輸入，出錯(cuò)率高且耗時(shí)長(zhǎng)。為了降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和出錯(cuò)率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)集成RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）實(shí)現(xiàn)了工藝擰緊任務(wù)自動(dòng)識(shí)別，每個(gè)擰緊工位可以節(jié)省大約8s的員工操作掃描槍環(huán)節(jié)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。RFID工藝擰緊任務(wù)自動(dòng)識(shí)別模塊由RFID標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、讀寫(xiě)天線(xiàn)、電子看板、線(xiàn)體PLC等部件組成。

3.2 擰緊策略控制優(yōu)化

在航空產(chǎn)品裝配作業(yè)中，對(duì)緊固件連接預(yù)緊力有著精準(zhǔn)和嚴(yán)格的控制要求，擰緊策略控制優(yōu)化技術(shù)主要采用對(duì)擰緊控制策略、擰緊分步策略等進(jìn)行優(yōu)化控制，以獲得更準(zhǔn)確緊固件預(yù)緊力，減小偏差，提高緊固件連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.1 擰緊控制策略

在緊固件裝配的過(guò)程中，主要的控制策略有扭矩控制法、屈服點(diǎn)控制法、扭矩控制-角度監(jiān)控法、扭矩-角度法、質(zhì)量保證法等，其中，質(zhì)量保證法因需使用超聲波測(cè)量，成本高，國(guó)內(nèi)尚未普及，而扭矩-角度法幾乎無(wú)法對(duì)扭矩復(fù)檢，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較高，也較少采用，扭矩控制法缺少相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)，擰緊效果差，因此采用扭矩控制-角度監(jiān)控法和屈服點(diǎn)控制法。

3.2.2 擰緊分步策略

采用分步擰緊減少連接件的松弛現(xiàn)象，有利于提高緊固件組預(yù)緊力的一致性，通過(guò)已有的連接件松弛失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，單步預(yù)緊、兩步預(yù)緊、三步預(yù)緊，此外，通過(guò)分步間隔，采取在擰緊的過(guò)程中根據(jù)不同的工況停頓30～50ms的方式，釋放彈性應(yīng)變，降低扭矩衰減。

3.2.3 具體實(shí)施方式

裝配操作人員登陸MES系統(tǒng)內(nèi)的AO執(zhí)行控件進(jìn)行執(zhí)行內(nèi)容的確認(rèn)，MES將內(nèi)容相關(guān)擰緊指令和擰緊策略編碼通過(guò)接口程序在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相關(guān)AO工藝文件，擰緊策略相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)接口傳輸?shù)椒?wù)器和控制器中，最后通過(guò)控制器進(jìn)行數(shù)字定力扳手的控制。

3.3 基于大數(shù)據(jù)分析的擰緊質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估技術(shù)

傳統(tǒng)的擰緊質(zhì)量保障方式通過(guò)工具一次擰緊加二次校核甚至N次校核，需要手動(dòng)確認(rèn)扭矩值符合工藝要求，由于數(shù)據(jù)缺失、分散、方法單一、通信障礙等問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行對(duì)擰緊質(zhì)量做更多方位的評(píng)估。設(shè)計(jì)的智能擰緊系統(tǒng)通過(guò)擰緊終端和服務(wù)器軟件間的數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)傳遞擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立質(zhì)量評(píng)估模型，并實(shí)時(shí)計(jì)算每一次擰緊結(jié)果的質(zhì)量等級(jí)，最后保存在服務(wù)器軟件中并將等級(jí)低的擰緊結(jié)果進(jìn)行反饋。系統(tǒng)建立了基于大數(shù)據(jù)分析的擰緊結(jié)果質(zhì)量評(píng)估方法，其具體的技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3：基于大數(shù)據(jù)分析的擰緊結(jié)果質(zhì)量評(píng)估

4 數(shù)字定力扳手智能擰緊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)采用基于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的springboot作為開(kāi)發(fā)框架，具有控制反轉(zhuǎn)（IOC）特性，IOC旨在方便項(xiàng)目維護(hù)和測(cè)試，它提供了一種通過(guò)Java的反射機(jī)制對(duì)Java對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一的配置和管理的方法。Spring框架利用容器管理對(duì)象的生命周期，容器可以通過(guò)掃描XML文件或類(lèi)上特定Java注解來(lái)配置對(duì)象，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)依賴(lài)查找或依賴(lài)注入來(lái)獲得對(duì)象。系統(tǒng)采用mysql作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和調(diào)用數(shù)據(jù)信息，具體包括工藝指導(dǎo)信息、文本信息、擰緊采集信息、數(shù)據(jù)處理后的信息和裝配履歷信息。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)框架采用開(kāi)源項(xiàng)目Spring Boot_v2作為設(shè)計(jì)腳手架，它包括一套美觀(guān)簡(jiǎn)潔的前臺(tái)，無(wú)多余的干擾內(nèi)容，原生純凈.主頁(yè)左側(cè)側(cè)邊欄用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理，代碼生成、裝配信息管理、數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)工具等功能，其中裝配信息管理又包括了工藝工單信息，設(shè)備信息與工具信息。頭部包含了菜單欄、消息、用戶(hù)等常用信息。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能包括了實(shí)時(shí)采集,儲(chǔ)存管理,質(zhì)量評(píng)估等功能。系統(tǒng)的故障分類(lèi)模塊根據(jù)實(shí)時(shí)擰緊數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識(shí)別，對(duì)于擰緊過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)，將給予標(biāo)記和警示，通過(guò)圖4所示的扭矩曲線(xiàn)，可識(shí)別擰緊過(guò)程中的扭矩變化；同時(shí)，通過(guò)扭矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可識(shí)別常見(jiàn)的超差。如當(dāng)擰緊角度超出角度上下限時(shí)，說(shuō)明擰緊角度過(guò)小，存在重復(fù)擰緊、滑牙等故障，此種情況將被標(biāo)記且警示。對(duì)于不同的擰緊執(zhí)行策略，將提供不同的結(jié)果數(shù)據(jù)分析方案，如在預(yù)緊過(guò)程中設(shè)置不同的角度、扭矩上下限，或在擰緊終止階段設(shè)置不同的帶狀分析區(qū)間等，滿(mǎn)足不同螺栓擰緊工藝要求。

圖4：扭矩曲線(xiàn)檢測(cè)

數(shù)據(jù)完成后將以臨時(shí)文件形式保存在本地，同時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)調(diào)用分類(lèi)模型文件執(zhí)行，工藝操作數(shù)據(jù)將作為源數(shù)據(jù)輸入到經(jīng)過(guò)預(yù)先訓(xùn)練的擰緊質(zhì)量評(píng)估模型，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)故障的快速分類(lèi)，如螺絲陡斜、螺絲滑牙、浮釘?shù)犬惓ＤＪ剑鐖D5所示，便于管理人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并輔助決策。在系統(tǒng)操作界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)和調(diào)用，并以曲線(xiàn)圖的形式展示。

圖5：滑牙故障分類(lèi)示例

復(fù)雜裝備的生產(chǎn)線(xiàn)日趨自動(dòng)化和智能化，如何提高裝配效率和可靠性成了亟待解決的問(wèn)題，智能擰緊系統(tǒng)面向自動(dòng)化、半自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際需求，集成了智能輔助工具、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與上位信息系統(tǒng)為一體的展示，內(nèi)置數(shù)據(jù)分析和故障處理模塊，可針對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景進(jìn)行適配，系統(tǒng)的模塊自定義、友好的人機(jī)交互界面、跨平臺(tái)指令傳輸?shù)?，將?jiǎn)化裝配環(huán)節(jié)流程，并實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的精確執(zhí)行。

5 結(jié)論

本文研究的基于電子定力扳手的智能擰緊系統(tǒng)，形成一套全功能、全流程的電子化、智能化的定力操作方案，并可與企業(yè)的MES等信息系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)工藝文件的快速下發(fā)。本系統(tǒng)被應(yīng)用到部分飛機(jī)管路安裝的實(shí)際工作中，檢驗(yàn)員使用智能定力扳手替代傳統(tǒng)扳手進(jìn)行擰緊工作，以實(shí)現(xiàn)所有擰緊環(huán)節(jié)自動(dòng)化操作、高精度可控。電子定力扳手系統(tǒng)的應(yīng)用有助于提升工人擰緊裝配過(guò)程的效率、精度，降低擰緊錯(cuò)誤發(fā)生的概率。同時(shí)電子定力扳手系統(tǒng)所有操作過(guò)程和數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綇S(chǎng)房工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，避免了手工錄入相關(guān)定力參數(shù)以及手工記錄實(shí)際定力值，從而提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率，避免人為錯(cuò)誤，使擰緊工作的記錄更具有可溯源性。