汽車底盤擰緊過(guò)程智能化監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：汽車底盤生產(chǎn)中，精準(zhǔn)監(jiān)控連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的緊固系統(tǒng)很關(guān)鍵，采用多階段擰緊程序，能保障擰緊系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。目前有兩個(gè)突出問(wèn)題：一是設(shè)置工作量大，操作人員調(diào)試參數(shù)耗時(shí)費(fèi)力，易因疲勞出錯(cuò)；二是誤報(bào)警頻發(fā)，干擾生產(chǎn)、增加成本。為此設(shè)計(jì)一種有效的緊固及監(jiān)控方法是必須的。通過(guò)優(yōu)化監(jiān)控與擰緊程序設(shè)置，有望讓緊固系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，提升生產(chǎn)效率、降低成本，助力企業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：緊固系統(tǒng) 螺栓連接 參數(shù)設(shè)置 緊固工具 擰緊過(guò)程

1 緒論

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程加快，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大力提高勞動(dòng)生產(chǎn)率已成為工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)目前的工業(yè)生產(chǎn)裝配過(guò)程都離不開(kāi)螺母或螺栓的擰緊與拆卸，氣動(dòng)扳手大量裝備在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，有效地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，對(duì)發(fā)展社會(huì)生產(chǎn)力起到了不可估量的作用。但氣動(dòng)扳手也有明顯的缺點(diǎn)，由于在擰緊過(guò)程中這些工具是依靠大的沖擊力來(lái)擰緊螺紋裝置，所以擰緊扭矩值誤差范圍比較大，另外氣動(dòng)定值扭矩扳手不宜于在大扭矩狀況下工作。專用電動(dòng)擰緊設(shè)備的出現(xiàn)解決了以上難題，在工業(yè)裝配方面獲得了非常廣泛的應(yīng)用。

電動(dòng)擰緊設(shè)備是集機(jī)械傳動(dòng)、電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。電動(dòng)擰緊設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，凡是對(duì)螺紋的裝配有定扭矩或定角度等要求的地方，就需要該設(shè)備，它可以對(duì)螺紋的預(yù)緊實(shí)現(xiàn)比較精確的控制。并且，電動(dòng)擰緊設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)裝配的自動(dòng)化，極大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和安全性。

但是電動(dòng)擰緊設(shè)備中擰緊程序是一個(gè)比較復(fù)雜，且需要根據(jù)不同的擰緊狀況，不同的擰緊要求，不同的缺陷模式等因素綜合考慮后，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的擰緊程序和監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

2 擰緊過(guò)程監(jiān)控研究

2.1 目的

監(jiān)控整個(gè)擰緊過(guò)程，確保擰緊工具可以最大可能性的監(jiān)控出異常擰緊的問(wèn)題。比如：螺紋錯(cuò)牙，缺少連接部件，存在異物，重復(fù)擰緊等。

2.2 縮略語(yǔ)

a） MA—扭矩額定值；

b） MA2—扭矩額定值，快速擰緊階段；

c） MA3—扭矩額定值，慢速擰緊階段；

d） MA4—扭矩額定值，扭矩最終擰緊階段；

e） MI—扭矩實(shí)際值；

f） WA—角度額定值；

g） WA1—角度實(shí)際值，查找階段；

h） WA2—角度實(shí)際值，轉(zhuǎn)角最終擰緊階段；

i） MS —扭矩閾值；

j） MS1—扭矩閾值，查找階段；

k） MS2—扭矩閾值，快速擰緊階段；

l） MS3—扭矩閾值，慢速擰緊階段；

m） MS4—扭矩閾值，角度最終擰緊階段；

n） N1—轉(zhuǎn)速，查找階段；

o） N2—轉(zhuǎn)速，快速擰緊階段；

p） N3—轉(zhuǎn)速，慢速擰緊階段；

q） N4—轉(zhuǎn)速，扭矩最終擰緊階段；

r） N5—轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角最終擰緊階段；

s） s—標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.3 術(shù)語(yǔ)

擰緊程序：帶有監(jiān)控和傳輸媒介的電動(dòng)擰緊工具的分步擰緊過(guò)程。

電動(dòng)擰緊工具：擰緊過(guò)程能記錄實(shí)際值，擰緊曲線，擰緊結(jié)果，并可判斷是否在要求范圍內(nèi)的工具。

實(shí)際旋入角度：螺栓從旋入螺紋開(kāi)始一直到螺栓頭與被擰緊工件接觸時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，本角度也可以從正常擰緊曲線上提取。

2.4 多階段擰緊過(guò)程

注：M：扭矩；W：角度；1：套筒；2，3：部件；4：螺栓；綠框：控制范圍

A查找階段：以較低的轉(zhuǎn)速用套筒找到找到被緊固件；

B慢速擰緊階段：以較高的速度快速擰緊到緊固件和被緊固件貼合；

C慢速擰緊階段：以較低的速度擰緊扭矩閥值；

D扭矩最終擰緊階段/轉(zhuǎn)角最終擰緊階段：以較低的速度完成擰緊過(guò)程。

2.5 扭矩控制法標(biāo)準(zhǔn)擰緊監(jiān)控程序

扭矩控制法的目標(biāo)扭矩值是規(guī)定的扭矩。

2.5.1 查找程序

推薦反轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N1：5r/min（≤60r/min）；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)角WA1：90°；

扭矩閾值MS1：0Nm；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：WA1±10°；

扭矩監(jiān)控上限M+：MA2；

扭矩監(jiān)控下限M-：-MA2；（如無(wú)法設(shè)置負(fù)值可以按照0設(shè)置）

扭矩上限監(jiān)控：達(dá)到扭矩監(jiān)控上限工具停止，防止損壞螺紋；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控可以識(shí)別：重復(fù)擰緊，螺紋錯(cuò)牙，螺紋異常；

超扭矩監(jiān)控上限時(shí)，如果轉(zhuǎn)角監(jiān)控超下限，則報(bào)不合格；

對(duì)于手持式的擰緊本步驟可以選擇性使用；

對(duì)于有其他工具預(yù)緊的擰緊扭矩監(jiān)控M+和M-可以最大按照MA的1/2值設(shè)置；

在確保螺紋不損壞的情況下，MA4小于30Nm的手持式工具允許使用正轉(zhuǎn)。

2.5.2 快速預(yù)擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N2：180r/min （≤200 r/min，《VW 01110-2_201207" 螺栓連接裝配和工藝質(zhì)量保證》，客戶有特殊要求的按客戶要求）；

設(shè)定扭矩MA2：MA的1/3（≤30N.m）；

扭矩閾值MS2：0Nm；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：MA2±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W-：5°（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實(shí)際旋入角度－50%；可設(shè)最小值5°）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+：5000°（可按需）（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實(shí)際旋入角度＋50%）；

角度監(jiān)控可識(shí)別：重復(fù)擰緊，螺紋錯(cuò)牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，長(zhǎng)度差異大的螺栓防錯(cuò)；

扭矩監(jiān)控可識(shí)別：擰緊過(guò)沖；

無(wú)法滿足推薦值時(shí)按照扳手允許的最高轉(zhuǎn)速設(shè)置。

2.5.3 慢速預(yù)擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

設(shè)定轉(zhuǎn)速N3：≤20 r/min；

設(shè)定扭矩MA3：MA的1/2；

扭矩閾值MS3：MA2；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：設(shè)定扭矩±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：5°-300°（MA≤20Nm下限可設(shè)置1°）

角度監(jiān)控可識(shí)別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，貼合面異常。

扭矩監(jiān)控可識(shí)別：過(guò)渡的擰緊過(guò)沖。

本步驟多頭槍必須設(shè)置同步。

2.5.4 扭矩最終擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

設(shè)定轉(zhuǎn)速N4：≤20r/min。

設(shè)定扭矩MA4：MA；

扭矩閾值MS4：MA3；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：按照產(chǎn)品要求；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：±3s；

角度監(jiān)控可識(shí)別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，螺栓異常拉伸，貼合面異常。

2.6 轉(zhuǎn)角控制法標(biāo)準(zhǔn)擰緊程序

轉(zhuǎn)角控制法的目標(biāo)值是規(guī)定的扭矩閾值起再旋轉(zhuǎn)規(guī)定的轉(zhuǎn)角。

2.6.1 查找程序

推薦反轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N1：5r/min（≤60 r/min）；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)角WA1：90°；

扭矩閾值MS1：0Nm；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：±10°；

扭矩監(jiān)控上限M+：MA2；

扭矩監(jiān)控下限M-：-MA2；

扭矩監(jiān)控下限M-：≤0Nm。

扭矩上限監(jiān)控：達(dá)到扭矩監(jiān)控上限工具停止，防止損壞螺紋；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控可以識(shí)別：重復(fù)擰緊，螺紋錯(cuò)牙，螺紋異常；

超扭矩監(jiān)控上限時(shí)，如果轉(zhuǎn)角監(jiān)控超下限，則報(bào)不合格；

對(duì)于小扭矩的手持式的擰緊本步驟可以選擇性使用；

對(duì)于有其他工具預(yù)緊的擰緊扭矩監(jiān)控上限M+和M-按照Ms值設(shè)置；

在確保螺栓不損壞的情況下，MA4小于30Nm的手持式工具允許使用正轉(zhuǎn)。

2.6.2 快速預(yù)擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N2：180r/min（≤200 r/min）；

設(shè)定扭矩MA2：MS的1/3（≤30Nm）；

扭矩閾值MS2：0Nm；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：設(shè)定扭矩±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W-：5°（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實(shí)際旋入角度－50%；可設(shè)最小值5°）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+：5000°（可按需）（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實(shí)際旋入角度＋50%）；

角度監(jiān)控可識(shí)別：重復(fù)擰緊，螺紋錯(cuò)牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，長(zhǎng)度差異大的螺栓防錯(cuò)；

扭矩監(jiān)控可識(shí)別：過(guò)渡的擰緊過(guò)沖；

本步驟更適用于有沒(méi)有其他工具預(yù)緊的擰緊；

無(wú)法滿足推薦值時(shí)按照扳手允許的最高轉(zhuǎn)速設(shè)置。

2.6.3 慢速預(yù)擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N3：≤20 r/min；

設(shè)定扭矩MA3：MS的1/2；

扭矩閾值MS3：MA2；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：設(shè)定扭矩±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：5°-300°（MA≤20Nm下限可設(shè)置1°）

角度監(jiān)控可識(shí)別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死；

扭矩監(jiān)控可識(shí)別：過(guò)渡的擰緊過(guò)沖。

本步驟多頭槍必須設(shè)置同步。

本步驟可以選擇性監(jiān)控。

2.6.4 閾值最終擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N4：≤20r/min；

設(shè)定扭矩MA4：Ms；

扭矩閾值MS4：MA3；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：按照產(chǎn)品要求（若產(chǎn)品無(wú)要求，則設(shè)定扭矩±15%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：5°-300°（完成10000次或sop一個(gè)月后將范圍按照±3s設(shè)置，參考《VW01110-3_201511受監(jiān)控的持續(xù)旋轉(zhuǎn)緊固系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置》）；

角度監(jiān)控可識(shí)別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，螺栓異常拉伸；

本步驟多頭槍必須設(shè)置同步。

2.6.5 轉(zhuǎn)角最終擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設(shè)定轉(zhuǎn)速N5：≤20r/min；

設(shè)定轉(zhuǎn)角：WA；按照產(chǎn)品要求；

扭矩閾值MS5：Ms；

扭矩監(jiān)控公差：±3s；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差：按照產(chǎn)品要求；

扭矩監(jiān)控可識(shí)別：摩擦系數(shù)高或低，螺紋滑牙，螺栓異常拉伸；

角度監(jiān)控可識(shí)別：角度損失。

2.7 扭矩及轉(zhuǎn)角控制法標(biāo)準(zhǔn)擰緊程序設(shè)置實(shí)例

轉(zhuǎn)角/扭矩控制（扭矩監(jiān)控法使用前四步）（圖10-圖17）。

3 結(jié)論

擰緊工具的擰緊程序應(yīng)該設(shè)置多階段的擰緊過(guò)程，應(yīng)該每個(gè)階段都設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)控。設(shè)置多階段的擰緊程序和監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)化可以有效的減少參數(shù)設(shè)置的錯(cuò)誤和非正常擰緊過(guò)程的有效識(shí)別。

對(duì)于需要計(jì)算得出的角度或扭矩監(jiān)控范圍，需要分兩步進(jìn)行，第一步是在項(xiàng)目初始過(guò)程中由于生產(chǎn)工件數(shù)量小可以粗略設(shè)置最終擰緊階段的轉(zhuǎn)角范圍（扭矩法）。粗略設(shè)置最后擰緊階段的扭矩范圍（轉(zhuǎn)角法），對(duì)于屈服要求的轉(zhuǎn)角擰緊法可以參照表1；對(duì)于非屈服轉(zhuǎn)角擰緊法M-=1.1*MS，M+參照?qǐng)D17。新項(xiàng)目的正式的監(jiān)控范圍應(yīng)該是在完成約1000次緊固或3個(gè)月后，批量生產(chǎn)的正式監(jiān)控范圍應(yīng)該是完成10000次緊固或1個(gè)月后將控制范圍設(shè)置為±3*s。

只有擰緊過(guò)程進(jìn)行合理有效的控制和監(jiān)控，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量，預(yù)防不合格產(chǎn)品流出，但是更多的監(jiān)控會(huì)導(dǎo)致裝配線的報(bào)警情況頻繁出現(xiàn)，所以如何確定合理的監(jiān)控范圍，就是一個(gè)比較重要和復(fù)雜的工作。

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