（上汽通用五菱汽車股份有限公司 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

【中圖分類號】U468.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0126-03

0 引言

在機(jī)械裝配行業(yè)，特別是汽車、總裝廠螺紋緊固件裝配的質(zhì)量將直接影響整車的裝配質(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)重要的問題，越來越多的汽車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，充分體現(xiàn)它的價(jià)值是一個(gè)非常重要的問題。本文就此問題展開討論，給更多的技術(shù)人員提供參考。

1 螺紋連接的常見失效模式

螺紋連接有以下幾種常見的失效模式。

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程中，因產(chǎn)品的不同，共線制造過程中存在混裝、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)檢測擰緊結(jié)果，超過設(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)擰緊工具對緊固件進(jìn)行擰緊。當(dāng)操作者對全部緊固件進(jìn)行擰緊后，擰緊槍的控制盒就會發(fā)一個(gè)（組）合格信號給生產(chǎn)線的PLC程序，PLC程序接收到合格信號后就會放行；而如果某一次擰緊力矩不合格時(shí)，擰緊槍就不會發(fā)信號給PLC程序。

在實(shí)際裝配過程中，只有PLC程序接收到合格的信號，才會認(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程序會認(rèn)為該工位的緊固件沒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)際的使用過程中，我們通常會遇到一個(gè)工件在擰緊過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)法來進(jìn)行防錯(cuò)，但是由于緊固件的數(shù)量過多，操作者在操作過程中會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始時(shí)就開始轉(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重新開始轉(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，對實(shí)現(xiàn)目標(biāo)扭矩時(shí)螺栓所轉(zhuǎn)過的角度進(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，我們可以簡單地辨識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)控角度值會落在正常的監(jiān)控區(qū)間A之內(nèi)。

（2）因零件異常而過早達(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)用了螺紋副過短的零件或者螺紋加工深度不足或者對已擰緊完畢的螺栓進(jìn)行重復(fù)擰緊等。

（3）因零件異常，過遲達(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長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。對于需要擰緊多顆螺栓的工位，有時(shí)會發(fā)生對已經(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。通過這種方法，我們可以實(shí)現(xiàn)對螺栓重復(fù)擰緊的控制。這種方法簡單易行，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。針對通過角度監(jiān)控捕捉螺栓錯(cuò)裝的情況，需要分析螺紋長度差異，進(jìn)而了解擰緊時(shí)所需的轉(zhuǎn)角差異，通過將該差異控制在監(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)擰緊槍就會報(bào)警。

該方法對于零件防錯(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)，則可能無法實(shí)現(xiàn)100%的防錯(cuò)。

2.4 擰緊曲線防錯(cuò)法

對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)擰緊過程中，擰緊力矩從零到目標(biāo)力矩的過程，緊固件的力矩是逐漸增大的，通過擰緊程序?qū)φ麄€(gè)過程的監(jiān)控和記錄，可以收集到擰緊過程的力矩變化曲線（即擰緊曲線）。如果安裝有密封圈或軟墊片，擰緊力矩上升會比較緩慢，需要較長的時(shí)間才能達(dá)到目標(biāo)力矩；而如果沒有安裝有密封圈或軟墊片，則擰緊曲線會比較陡，擰緊力矩很快就會達(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)行對比，用來判斷零件是否安裝有密封件。

2.5 傳感器防錯(cuò)法

對于附帶有比較厚的硬墊片的緊固件，我們可以使用對射式光柵傳感器（包括發(fā)送器及接收器）來防止操作者忘記安裝墊片。傳感器防錯(cuò)法是通過檢查緊固件擰緊后的高度來確認(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預(yù)先加工在擰緊軸上的凹槽到達(dá)接收器上）；還需要對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)擰緊工具可通過控制器收集擰緊數(shù)據(jù)，通過網(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，便于提前預(yù)知質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)工具的不穩(wěn)定因素，提早對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，做到零故障裝配反饋。

3 結(jié)語

隨著電動(dòng)擰緊工具在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，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)

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[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]

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