徐鋒， 郭銳， 馬力

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2. 華中科技大學(xué) 無錫研究院，江蘇 無錫214174）

0 引 言

國家發(fā)布中國制造2025戰(zhàn)略，智能制造是中國制造2025的主攻方向[1]，指出了軌道交通行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了更高的發(fā)展要求。高鐵作為中國制造的名片，更應(yīng)在智能制造領(lǐng)域走在前列[2]。目前鐵路行業(yè)車輛所用緊固件品種、規(guī)格達(dá)幾千種，緊固件的安裝一般均采用轉(zhuǎn)矩控制法[3]。數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手廣泛應(yīng)用于造船、冶金、化工、橋梁、機(jī)械等行業(yè)[4]。螺栓連接是組裝過程中應(yīng)用最為廣泛的連接方式，在軌道裝備行業(yè)也大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的手動(dòng)棘輪扳手組裝存在最終轉(zhuǎn)矩值無法采集、數(shù)據(jù)無法追溯、漏打轉(zhuǎn)矩等問題。隨著軌道行業(yè)關(guān)鍵零部件組裝質(zhì)量控制要求的不斷提升，組裝過程的數(shù)據(jù)采集、可追溯、自動(dòng)判定及質(zhì)量預(yù)警的需求日益迫切。電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具因其具備數(shù)據(jù)采集、聯(lián)網(wǎng)等方面的功能，在轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中具有獨(dú)特優(yōu)勢[5]，在軌道行業(yè)關(guān)鍵零部件組裝過程的質(zhì)量控制應(yīng)用中取得了良好效果，也凸顯了行業(yè)特點(diǎn)帶來的一些問題。

圖1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成

1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成

具有數(shù)字顯示功能的定轉(zhuǎn)矩扳手按照其技術(shù)類型,主要分為機(jī)械型、光電子型及智能型[6]。轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具、電動(dòng)工具控制器、無線二維碼掃描槍、用戶計(jì)算機(jī)輔助裝配（CAA）終端、服務(wù)器、無線網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

從數(shù)據(jù)管理來說，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)與作業(yè)物料對應(yīng)、物料信息采集、作業(yè)管理等功能。單純的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和追溯，需要結(jié)合CAA系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理。通過CAA系統(tǒng)讓采集的數(shù)據(jù)與物料和作業(yè)步驟對應(yīng)保存，實(shí)現(xiàn)追溯；對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)涵挖掘，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量判定和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。其中數(shù)據(jù)邏輯[7]如圖2所示。

2 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在軌道行業(yè)應(yīng)用

2.1 轉(zhuǎn)矩工具的類型與應(yīng)用范圍

1）手持式電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具。該類型轉(zhuǎn)矩工具適用于轉(zhuǎn)矩小于70 N·m的擰緊，可由人手臂來施加反轉(zhuǎn)矩，充當(dāng)反力臂；數(shù)據(jù)連接為無線方式，可以將轉(zhuǎn)矩值自動(dòng)傳輸至CAA系統(tǒng)。

圖2 數(shù)據(jù)應(yīng)用邏輯

2）助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具。該類型轉(zhuǎn)矩工具一般用于70 N·m以上，工具本身質(zhì)量大于3 kg，手持費(fèi)力不便，須配置反力臂裝置和助力裝置。數(shù)據(jù)連接為網(wǎng)線與控制器連接，施工時(shí)需考慮工具數(shù)據(jù)線和電源線安裝路徑。

3）手持式無線轉(zhuǎn)矩工具。該類型轉(zhuǎn)矩工具主要適用于因空間限制而不便于使用電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具的場合，其使用方式與普通機(jī)械轉(zhuǎn)矩工具相同，需人工施加轉(zhuǎn)矩；具備無線傳輸功能，可以將轉(zhuǎn)矩值自動(dòng)傳輸至CAA系統(tǒng)。

2.2 轉(zhuǎn)矩控制措施

1）互檢模式的變化。原先手動(dòng)扳手?jǐn)Q緊時(shí)，為避免螺栓漏打轉(zhuǎn)矩，通常采用手動(dòng)轉(zhuǎn)矩扳手進(jìn)行互檢的作業(yè)模式進(jìn)行作業(yè)。因電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具無法對已擰緊螺栓進(jìn)行二次校核擰緊，使用電動(dòng)轉(zhuǎn)矩扳手互檢的模式已無法適用。轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)使用初期可采取電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具擰緊，手動(dòng)轉(zhuǎn)矩扳手進(jìn)行抽檢的方式進(jìn)行過渡管理。同時(shí)探索工具穩(wěn)定性管理模式，逐步取消手動(dòng)互檢檢查。

2）擰緊策略。電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具針對不同的螺栓擰緊特點(diǎn)和軟硬連接特性，需要制定相應(yīng)的擰緊策略，保證螺栓的擰緊質(zhì)量。初期可結(jié)合手動(dòng)扳手校對轉(zhuǎn)矩衰減情況，從擰緊步數(shù)、轉(zhuǎn)速、各步間隔時(shí)間等方面編制擰緊程序，設(shè)置針對性的擰緊策略。長期使用可逐步更新優(yōu)化，成為標(biāo)準(zhǔn)。表1所示為M10×20螺栓、彈簧墊圈防松、轉(zhuǎn)矩為59 N·m的擰緊策略。

表1 擰緊策略示例

3）轉(zhuǎn)矩施工與數(shù)據(jù)管理。在CAA系統(tǒng)中進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，按照組裝的施工步驟順序標(biāo)記并設(shè)置轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)范圍；施工過程中，CAA系統(tǒng)將施工位置螺栓信息與轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)對應(yīng)保存，并對不合格轉(zhuǎn)矩進(jìn)行報(bào)警。CAA系統(tǒng)擰緊管理頁面如圖3所示。

圖3 CAA系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩管理頁面

4）轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。轉(zhuǎn)矩扳手檢定或校準(zhǔn)裝置(簡稱轉(zhuǎn)矩儀)的檢定或校準(zhǔn)，是依據(jù)JJG787—1992《轉(zhuǎn)矩扳手檢定儀》檢定規(guī)程[8]。為保證擰緊質(zhì)量，電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具需定期進(jìn)行計(jì)量校驗(yàn)。電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具價(jià)值大、備品少，且大轉(zhuǎn)矩工具多為線纜連接，拆裝不便，因此設(shè)置線邊月度校驗(yàn)和計(jì)量單位年度定期現(xiàn)場計(jì)量模式，配置相關(guān)的計(jì)量用具[9]。

2.3 助力裝置的使用

助力裝置的主要作用是：1）輔助操作人員手持轉(zhuǎn)矩工具，方便操作；2）提供擰緊作業(yè)時(shí)的反力臂，保證擰緊過程平穩(wěn)、可靠。助力裝置組成方式一般常用的有兩種方式：1）彈簧吊配合反轉(zhuǎn)矩桿方式（如圖4）。彈簧吊只用于懸掛電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具，懸掛在作業(yè)工位上方，方便操作人員使用；因彈簧吊為柔性鋼絲繩結(jié)構(gòu)，無法承受反力，故需在轉(zhuǎn)矩工具上設(shè)置反力桿，用于擰緊過程中提供反力臂。2）氣動(dòng)或滑道機(jī)械臂方式（如圖5）。氣動(dòng)（氣缸）或滑道機(jī)械臂（彈簧吊助力）借助機(jī)械系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)承受擰緊過程的反力，同時(shí)電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具安裝在機(jī)械臂上，用于大跨距范圍內(nèi)的擰緊作業(yè)。主要布置在共用轉(zhuǎn)矩工具、單工位作業(yè)面大的場合。

圖4 彈簧吊配合反轉(zhuǎn)矩桿方式

圖5 氣動(dòng)機(jī)械臂方式

2.4 轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)的分析利用

轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)服務(wù)器中后，可結(jié)合CAA系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)涵，形成初步的智能判斷、預(yù)警功能，提高質(zhì)量穩(wěn)定性、提前預(yù)警質(zhì)量潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1）無紙化質(zhì)量記錄。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集后，將與產(chǎn)品對應(yīng)的工位信息、工具信息和質(zhì)量數(shù)據(jù)集中，由CAA系統(tǒng)自動(dòng)形成質(zhì)量報(bào)表，消除紙質(zhì)記錄表格；相關(guān)的信息可根據(jù)需要進(jìn)行質(zhì)量追溯。

2）質(zhì)量在線判斷、預(yù)警。將工具、設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量信息按不同維度進(jìn)行分析，可對工具、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在設(shè)定的浮動(dòng)范圍內(nèi)提前預(yù)警質(zhì)量趨勢，防止不合格品產(chǎn)生。

3 存在的問題及建議

在轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)推廣使用的過程中，也因經(jīng)驗(yàn)不足遇到了一些問題，在今后的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)使用中需要關(guān)注和避免，按照規(guī)劃、使用、計(jì)量及數(shù)據(jù)管理方面介紹如下：1）軌道行業(yè)大轉(zhuǎn)矩分布較多，所需的轉(zhuǎn)矩工具普遍較重，沒有配置助力裝置，操作人員使用起來不輕便，推廣難度較大；2）工具、CAA臺位布局不合理，數(shù)據(jù)線和電線在腳下纏繞影響安全；CAA系統(tǒng)監(jiān)控界面提示、一步一步按序管控的作業(yè)模式與傳統(tǒng)方式差別較大，初始工作效率低；3）傳統(tǒng)自互檢作業(yè)模式改變后，轉(zhuǎn)矩最終確認(rèn)方式和監(jiān)控模式需要重新探討管理規(guī)則，制定與管理體系相符合的管理模式；4）CAA系統(tǒng)在管控一步一步的串行作業(yè)過程中比較適用，并行模式無法在系統(tǒng)內(nèi)管控，需根據(jù)工作臺位特點(diǎn)和操作人員作業(yè)習(xí)慣對物料管控方式進(jìn)行精益設(shè)計(jì)；5）電動(dòng)轉(zhuǎn)矩工具一般來說價(jià)值較大，同時(shí)大批量工具的計(jì)量檢驗(yàn)周期較長，期間送檢或現(xiàn)場計(jì)量能力不足都會引起生產(chǎn)線停產(chǎn)等問題，制定現(xiàn)場計(jì)量校驗(yàn)的模式，配置計(jì)量工藝裝備，在保證生產(chǎn)線能力上具有關(guān)鍵作用。

圖6 自動(dòng)生成的質(zhì)量記錄

圖7 數(shù)據(jù)內(nèi)涵分析

4 結(jié) 論

轉(zhuǎn)矩是影響螺紋安全連接的一個(gè)重要參數(shù)，在線檢測并監(jiān)控轉(zhuǎn)矩值的波動(dòng)具有十分重要的意義[10]。轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)使用近兩年來，提高了轉(zhuǎn)矩控制水平和組裝產(chǎn)品質(zhì)量管控能力，取得了良好的效果，可從多個(gè)方面在軌道行業(yè)推廣應(yīng)用：1）大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)工具的布局、助力臂的設(shè)計(jì)上可借鑒推廣；2）工具數(shù)據(jù)線、供電線等線纜優(yōu)先從空中布線，布置在工位上方，方便取用，布置在軌道上，可相鄰工位共用，減少一次投資成本；3）CAA系統(tǒng)的作業(yè)方式和質(zhì)量數(shù)據(jù)的利用為質(zhì)量保證和質(zhì)量預(yù)警提供了一整套解決方案，探索了工業(yè)4.0智能制造模式在軌道行業(yè)的應(yīng)用。