（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

【摘 要】為了提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，達(dá)到電動(dòng)工具零缺陷的生產(chǎn)目標(biāo)，文章總結(jié)大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定了不同的防錯(cuò)策略，文章介紹的幾種防錯(cuò)方法對(duì)行業(yè)內(nèi)人士在如何充分發(fā)揮電動(dòng)擰緊工具防錯(cuò)作用的研究中具有較大參考意義。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)擰緊工具；失效模式；控制策略；PCL；傳感器

【中圖分類(lèi)號(hào)】U468.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）07-0126-03

0 引言

在機(jī)械裝配行業(yè)，特別是汽車(chē)、總裝廠螺紋緊固件裝配的質(zhì)量將直接影響整車(chē)的裝配質(zhì)量和行駛的可靠性。螺紋副的裝配扭矩控制和防錯(cuò)成為至關(guān)重要的問(wèn)題，越來(lái)越多的汽車(chē)制造廠家選用了精度較高的電動(dòng)工具進(jìn)行裝配。目前，市面上電動(dòng)擰緊工具種類(lèi)繁多，防錯(cuò)功能各有差異，如何將電動(dòng)工具的功能充分發(fā)揮出來(lái)，充分體現(xiàn)它的價(jià)值是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。本文就此問(wèn)題展開(kāi)討論，給更多的技術(shù)人員提供參考。

1 螺紋連接的常見(jiàn)失效模式

螺紋連接有以下幾種常見(jiàn)的失效模式。

1.1 錯(cuò)誤、遺漏、重復(fù)擰緊零件

大多數(shù)企業(yè)為滿足客戶(hù)的不同需求，采用單線多品種生產(chǎn)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的共線生產(chǎn)，然而在單線多品種的制造過(guò)程中，因產(chǎn)品的不同，共線制造過(guò)程中存在混裝、漏裝、重復(fù)擰緊的情況。

1.2 螺紋損壞，擰緊后出現(xiàn)假扭矩

零件本身存在缺陷或者螺紋副中存在雜質(zhì)，導(dǎo)致擰緊完成后扭矩顯示合格，但得到的實(shí)際夾緊力不足。

1.3 漏裝螺栓附件

漏裝螺栓附件大多數(shù)為漏裝密封圈或墊片，這樣會(huì)導(dǎo)致螺紋緊固件的實(shí)際連接效果不達(dá)標(biāo)。

1.4 重復(fù)性差

工具穩(wěn)定性差，隨著生產(chǎn)環(huán)境和零件批次變化產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

2 針對(duì)以上幾種失效模式提出防錯(cuò)方法

與傳統(tǒng)的氣動(dòng)工具比較，電動(dòng)擰緊工具的控制精度大大提高，精密的扭矩傳感器可以即時(shí)檢測(cè)擰緊結(jié)果，超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)可立即報(bào)警。提供了一個(gè)友好的編程系統(tǒng)，操作者可以根據(jù)不同的連接條件進(jìn)行轉(zhuǎn)速和扭矩的設(shè)置，以達(dá)到最好的擰緊效果并進(jìn)行擰緊缺陷防錯(cuò)。同時(shí)，為了與現(xiàn)代裝配線上其他控制設(shè)備完全整合，它還為電子附件如條形碼讀取器提供了一個(gè)內(nèi)置的連接點(diǎn)，具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以通過(guò)串口或以太網(wǎng)或總線的形式和生產(chǎn)線的控制程序互相通信，還可以外接傳感器進(jìn)行擰緊位置和順序的控制。

2.1 數(shù)量統(tǒng)計(jì)防錯(cuò)法

在制造業(yè)企業(yè)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)操作者使用單軸電動(dòng)擰緊工具擰緊多顆緊固件或使用多軸電動(dòng)擰緊工具擰緊多組緊固件的情況。在這種情況下，操作者很容易忘記擰緊一顆（組）或多顆（組）緊固件，造成緊固件擰緊狀態(tài)不受控，甚至還會(huì)引起產(chǎn)品失效。

為了預(yù)防這種情況的發(fā)生，我們可以采用擰緊數(shù)量統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行防錯(cuò)。采用該方法時(shí)，在緊固件擰緊之前需要編輯好生產(chǎn)線的控制程序（PLC程序），讓電動(dòng)擰緊工具和PLC程序能夠相互通信，要在控制程序中設(shè)定好擰緊數(shù)量。當(dāng)?shù)却龜Q緊的工件到達(dá)該工位時(shí)，PLC程序就會(huì)下達(dá)允許擰緊的指令給電動(dòng)擰緊工具，這時(shí)候操作者就可以使用電動(dòng)擰緊工具對(duì)緊固件進(jìn)行擰緊。當(dāng)操作者對(duì)全部緊固件進(jìn)行擰緊后，擰緊槍的控制盒就會(huì)發(fā)一個(gè)（組）合格信號(hào)給生產(chǎn)線的PLC程序，PLC程序接收到合格信號(hào)后就會(huì)放行；而如果某一次擰緊力矩不合格時(shí)，擰緊槍就不會(huì)發(fā)信號(hào)給PLC程序。

在實(shí)際裝配過(guò)程中，只有PLC程序接收到合格的信號(hào)，才會(huì)認(rèn)為該產(chǎn)品在本工位的擰緊是合格的，才能夠釋放產(chǎn)品到下一裝配工位進(jìn)行裝配。否則，PLC程序會(huì)認(rèn)為該工位的緊固件沒(méi)有完成擰緊而不讓該產(chǎn)品繼續(xù)正常裝配。

2.2 套筒選擇器與擰緊順序結(jié)合的防錯(cuò)法

在實(shí)際的使用過(guò)程中，我們通常會(huì)遇到一個(gè)工件在擰緊過(guò)程中有幾種不同扭矩的現(xiàn)象。這個(gè)時(shí)候我們需要使用JOB的跳轉(zhuǎn)程序，就是按照一定的順序?qū)Χ囝w緊固件進(jìn)行擰緊，這種情況就存在擰緊順序錯(cuò)亂的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生。在這種情況下，我們可以在程序中限制套筒選擇器的使用順序，如果前一個(gè)步驟沒(méi)有達(dá)到擰緊合格標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)量要求，就不能使用下一個(gè)步驟的套筒。通過(guò)將套筒選擇器與擰緊順序結(jié)合的方法，可以有效地起到防錯(cuò)作用。

2.3 角度限制防錯(cuò)法

有時(shí)候雖然我們使用了數(shù)量統(tǒng)計(jì)防錯(cuò)法來(lái)進(jìn)行防錯(cuò)，但是由于緊固件的數(shù)量過(guò)多，操作者在操作過(guò)程中會(huì)把某一顆或多顆緊固件重復(fù)擰緊，從而出現(xiàn)計(jì)數(shù)器上的合格次數(shù)足夠，但還是有部分緊固件沒(méi)有得到擰緊的情況。在這種情況下，我們可以在數(shù)量統(tǒng)計(jì)防錯(cuò)法的基礎(chǔ)上增加角度監(jiān)控的方法來(lái)進(jìn)行防錯(cuò)。眾所周知，當(dāng)緊固件被擰緊后，如果重新施加外力到該緊固件上，緊固件并不是在外力施加開(kāi)始時(shí)就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，而是需要等到施加的外力達(dá)到一定的程度以后才會(huì)重新開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)時(shí)候，我們就可以設(shè)定一個(gè)最小的擰緊角度，每一次擰緊角度必須大于設(shè)定的最小擰緊角度。

2.3.1 角度監(jiān)控

電槍傳感器可以同時(shí)記錄擰緊的扭矩和角度。雖然在多數(shù)情況下，我們是以扭矩作為目標(biāo)值對(duì)擰緊的結(jié)果進(jìn)行控制，但同時(shí)可以利用電槍的這一功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)扭矩時(shí)螺栓所轉(zhuǎn)過(guò)的角度進(jìn)行監(jiān)控。在規(guī)模生產(chǎn)中，緊固件和連接零件是一致性很高的零件，擰緊的角度可以高度接近，而對(duì)于狀態(tài)異常的零件擰緊的監(jiān)控角度，可能與正常零件的數(shù)據(jù)偏差較多。利用這個(gè)差異，我們可以簡(jiǎn)單地辨識(shí)異常物料和異常操作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)防錯(cuò)，達(dá)到保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的目的（如圖1所示）。

（1）當(dāng)正常零件進(jìn)行裝配擰緊時(shí)。以T0為監(jiān)控起點(diǎn)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)扭矩時(shí)，擰緊的監(jiān)控角度值會(huì)落在正常的監(jiān)控區(qū)間A之內(nèi)。

（2）因零件異常而過(guò)早達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)。以T0為監(jiān)控起點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)，擰緊監(jiān)控角度低于正常范圍，落在區(qū)間B之內(nèi)，此時(shí)擰緊設(shè)備會(huì)因該次擰緊的監(jiān)控角度未達(dá)到設(shè)定的正常范圍下限而報(bào)警。一般導(dǎo)致這種報(bào)警的情況是因錯(cuò)用了螺紋副過(guò)短的零件或者螺紋加工深度不足或者對(duì)已擰緊完畢的螺栓進(jìn)行重復(fù)擰緊等。

（3）因零件異常，過(guò)遲達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)。以T0為監(jiān)控起點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)，擰緊監(jiān)控角度高于正常范圍，落在區(qū)間C之內(nèi)。此時(shí)，擰緊設(shè)備同樣會(huì)因該次擰緊的監(jiān)控角度超出設(shè)定正常范圍上限而報(bào)警。一般導(dǎo)致這種報(bào)警的情況是因使用了螺紋副過(guò)長(zhǎng)的零件或者漏裝墊片或密封圈等零件。

2.3.2 角度監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)的防錯(cuò)模式

（1）防止重復(fù)擰緊。對(duì)于需要擰緊多顆螺栓的工位，有時(shí)會(huì)發(fā)生對(duì)已經(jīng)完成擰緊的螺栓重復(fù)擰緊的錯(cuò)誤。角度監(jiān)控可以防止這種錯(cuò)誤的發(fā)生。對(duì)已經(jīng)完成擰緊的螺栓進(jìn)行重復(fù)擰緊，由于擰緊后的螺栓已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)扭矩，如果再次施加扭矩重復(fù)擰緊，達(dá)到目標(biāo)扭矩需要轉(zhuǎn)過(guò)的角度將落在圖1的B區(qū)間，角度值甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常監(jiān)控角度極限。通過(guò)這種方法，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓重復(fù)擰緊的控制。這種方法簡(jiǎn)單易行，在各擰緊工位都有廣泛地應(yīng)用。但是，需要注意在給定極限時(shí)，要求正常擰緊情況（正確的零件，正確的擰緊程序）下收集到的樣本容量盡量大，進(jìn)而對(duì)樣本進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)理統(tǒng)計(jì)。這樣不僅可以更準(zhǔn)確地捕捉重復(fù)擰緊的錯(cuò)誤操作，也能避免大量的擰緊誤判。

（2）防止螺栓錯(cuò)裝。對(duì)于螺栓錯(cuò)裝的錯(cuò)誤，角度監(jiān)控的方法同樣可以捕捉。針對(duì)通過(guò)角度監(jiān)控捕捉螺栓錯(cuò)裝的情況，需要分析螺紋長(zhǎng)度差異，進(jìn)而了解擰緊時(shí)所需的轉(zhuǎn)角差異，通過(guò)將該差異控制在監(jiān)控角度的極限之外，實(shí)現(xiàn)不同螺栓的混裝防錯(cuò)。如圖2所示，在同樣達(dá)到擰緊目標(biāo)扭矩T的情況下，如果使用了錯(cuò)誤螺栓，則其擰緊的監(jiān)控角度小于正確螺栓擰緊角度的監(jiān)控范圍之外，此時(shí)擰緊槍就會(huì)報(bào)警。

該方法對(duì)于零件防錯(cuò)的局限性在于要求不同零件間的差異明顯，如果在監(jiān)控角度的公差帶之內(nèi)，則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%的防錯(cuò)。

2.4 擰緊曲線防錯(cuò)法

對(duì)于帶有密封圈或軟墊片的緊固件，我們可以使用擰緊曲線防錯(cuò)法來(lái)防止操作者忘記安裝這些密封件。該方法利用緊固件的擰緊曲線判別是否忘記安裝密封件。在緊固件的整個(gè)擰緊過(guò)程中，擰緊力矩從零到目標(biāo)力矩的過(guò)程，緊固件的力矩是逐漸增大的，通過(guò)擰緊程序?qū)φ麄€(gè)過(guò)程的監(jiān)控和記錄，可以收集到擰緊過(guò)程的力矩變化曲線（即擰緊曲線）。如果安裝有密封圈或軟墊片，擰緊力矩上升會(huì)比較緩慢，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到目標(biāo)力矩；而如果沒(méi)有安裝有密封圈或軟墊片，則擰緊曲線會(huì)比較陡，擰緊力矩很快就會(huì)達(dá)到目標(biāo)力矩。我們可以在電動(dòng)擰緊工具的擰緊程序中預(yù)先設(shè)定好擰緊曲線的合格范圍。當(dāng)操作者使用電動(dòng)擰緊工具擰緊緊固件時(shí)，電動(dòng)擰緊工具收集并記錄擰緊曲線，并與原先設(shè)定好的擰緊曲線進(jìn)行對(duì)比，用來(lái)判斷零件是否安裝有密封件。

2.5 傳感器防錯(cuò)法

對(duì)于附帶有比較厚的硬墊片的緊固件，我們可以使用對(duì)射式光柵傳感器（包括發(fā)送器及接收器）來(lái)防止操作者忘記安裝墊片。傳感器防錯(cuò)法是通過(guò)檢查緊固件擰緊后的高度來(lái)確認(rèn)墊片是否存在，墊片需要達(dá)到一定的厚度（厚度一般要不小于2 mm），該方法一般使用在自動(dòng)擰緊機(jī)上。在使用該方法前，需要預(yù)先在每根擰緊軸上加工一道凹槽，保證各擰緊軸上的凹槽高度一致；在擰緊槍或擰緊機(jī)的固定裝置上安裝對(duì)射式光柵傳感器（如圖3所示）并且傳感器不隨著擰緊軸上下移動(dòng)，需要保證緊固件在正常安裝時(shí)對(duì)射式光柵傳感器的接收器能夠接收到發(fā)送器發(fā)射的光束（即在正常情況下光束是可以通過(guò)預(yù)先加工在擰緊軸上的凹槽到達(dá)接收器上）；還需要對(duì)PLC控制程序進(jìn)行設(shè)定，在緊固件擰緊完成后PLC程序驅(qū)動(dòng)發(fā)送器發(fā)出激光光束，如果接收器接收到光束則程序認(rèn)為沒(méi)有漏裝墊片，才能夠釋放產(chǎn)品到下一裝配工位進(jìn)行裝配，否則就認(rèn)為有某一緊固件漏裝墊片，需要檢查返修。當(dāng)緊固件擰緊完成后，擰緊槍/擰緊機(jī)自動(dòng)根據(jù)設(shè)定好的程序來(lái)判定。

2.6 電動(dòng)擰緊工具的可追溯反饋防錯(cuò)

為了滿足有安全和關(guān)鍵性要求的應(yīng)用工位或?qū)纫筇貏e高的擰緊工位，電動(dòng)擰緊工具可通過(guò)控制器收集擰緊數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將程序收集在服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算分析，自動(dòng)計(jì)算出工具的CP和CPk值，使得技術(shù)人員可以實(shí)時(shí)得到擰緊工具的扭矩分布趨勢(shì)，便于提前預(yù)知質(zhì)量問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)工具的不穩(wěn)定因素，提早對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，做到零故障裝配反饋。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)擰緊工具在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電動(dòng)擰緊工具防錯(cuò)功能的作用也日益重要。在進(jìn)行產(chǎn)品裝配時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選用合適的防錯(cuò)方法，最大限度地防止操作者出現(xiàn)錯(cuò)誤而把不合格的產(chǎn)品交到顧客的手中，保證裝配的質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]聶仁態(tài).汽車(chē)生產(chǎn)中螺栓裝配問(wèn)題的分析研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（10）：52-54.

[2]張振華，應(yīng)秉斌，矯明.螺栓擰緊力矩的確定方法及相關(guān)探討[J].生產(chǎn)實(shí)踐，2009（8）.

[3]任麗華，李鳳玲.螺紋擰緊扭矩的理論分析[J].煤礦機(jī)械，2006（7）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡(jiǎn)介】劉洋，男，山東青島人，本科，上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司青島分公司助理工程師，從事汽車(chē)生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)工作。