自動擰緊技術淺析

王武，葛陽

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

運用螺紋使零部件結合是最常見的零件裝配方法之一，擰緊機是重工業生產現場裝配作業最常見的設備，可將定制強度螺母以一設定扭矩旋緊于螺栓之上。常出現于汽車工廠中前伸梁與車架連接、轉向機螺栓擰緊、平衡軸與車架連接螺栓、推力桿螺栓擰緊、后橋騎馬螺栓擰緊、輪胎螺母擰緊等重點關乎整車工藝質量及行車安全的裝配工位。在車輛裝配過程中，零部件的結合方式有很多種，其中采用螺紋擰緊工藝進行連接是最可靠的方法，其特點是裝配快速，方便，更換修正快捷便利，也是車輛裝配所有環節中最常見的方法之一。

1 螺紋聯接過程中力的分析

螺紋聯接過程中，所受外力共有四種：扭轉力，剪切力，拉應力和彎曲應力。擰緊的實質是將適當范圍的夾緊力作用在結合區，其下限是由本身聯接結構的功能鎖定，下限值是保證被聯接件在使用中可靠貼合；而其上限是由兩者強度決定，螺栓擰緊時，軸向力和扭轉力最終共同作用到螺栓上直至螺栓發生屈服變形，即出現了永久的伸長變形，當擰緊后可以測量出來。認識到這種永久變形最開始出現在螺栓體最外圈，然后逐步向內圈擴展。如果某處的應力超過了材料極限螺栓就會開始斷裂合格的夾緊力須保證被連接件在預緊和使用中不會發生過度形變，甚至壓縮，斷裂。

在實際擰緊過程中，我們要控制的力是加緊力，然而目前還沒有一種準確的方法可實現對夾緊力的精確控制，因此我們轉向控制影響夾緊力的角度或力矩。

夾緊力在貼合后隨著角度線性增長，如圖1所示。可以描述為：F=K·A。

圖1 夾緊力與角度關系

夾緊力 F通過螺栓頭下摩擦、螺距和螺紋副摩擦轉化為扭矩：T=F×r，T為扭矩，F為施加力，L為著力點到軸的距離。典型的螺紋聯接，螺栓頭和工件表面摩擦力，螺紋副之間摩擦力，僅僅約10%的擰緊扭矩轉變為實際夾緊力，如圖2所示。

圖2 夾緊力與力矩關系

在擰緊螺母時，其擰緊扭矩M需要克服被旋合螺紋間的摩擦力矩和螺母與被聯接件（或墊圈）支承面間的摩擦力矩，并使聯接產生預緊力P，它們的關系為：M=KDF×10-3；其中D：螺紋公稱直徑（mm）；F預緊力（N）；K：阻力系數。

在一般地制造裝配環節，預緊力F取螺栓破壞荷載的70%-80%，破壞荷載是材料的屈服極點與螺栓有效面積乘積，通常在0.1-0.3之間，一般取中間值0.2。

根據中國汽車行業標準，汽車用螺紋緊固規范提出了標準[1]：

螺紋緊固件標準擰緊力矩：M=0.142DF×10-3

螺紋緊固件最小擰緊力矩：M=0.114DF×10-3

螺紋緊固件最大擰緊力矩：M=0.17DF×10-3

在裝配時大多數螺紋都必須擰緊，確保連接在受工作負荷之前，預先受到力的作用，這個預先附加的力叫做預緊力。預緊力的意義是增強部件連接的可靠性及緊密型，防止出現縫隙或滑動。螺紋的聯接對螺栓總載荷，聯接臨界點載荷，抗橫向的載荷能力以及密封性產生影響。過小或者過大的預緊力都會對工件的可靠性構成隱患，故預緊力精度，大小，準確度至關重要。螺紋擰緊質量控制的關鍵不是擰緊控制的扭矩，而是軸向的預緊力，通過靈敏型動態扭矩傳感器精確控制軸向預緊力。

2 最大預緊力理論[2]

預緊的過程中，預緊力過大將會使螺紋發生靜力破壞，或螺紋齒牙被壓斷，甚至發生斷裂。其在螺栓上的應力稱之為σ。因為擰緊扭矩的作用，又產生了切應力τ。根據力學強度理論，其等效應力σ0。

通常情況下允許螺栓工作載荷引起的拉應力增量為0.1σs，由力學理論可得，τ/σ=0.5，代入式中，可得σmax=0.7σs，即最大的預緊力盡量須在屈服點附近70%。

2.1 預緊力與轉角關系

在影響因素最小的條件下，即使施加相同的擰緊力矩，其預緊力偏差也在±25。所以須對預緊力F與轉角θ關系進行分析。

轉角即位移量：s=Pθ/360°；

其中θ為轉角；P是螺距；

由于不同聯接件的剛度比不同，轉動螺母一面壓縮零件，一面拉伸螺栓，類似兩個彈簧，系統剛度Cs=CbCj/（Cb+Cj），Cj-被聯接零件剛度，Cs-系統剛度，Cb-螺紋剛度。

在擰緊過程中，最開始的幾周內不會有預緊力，預緊力產生于接觸聯接后，隨伸長量迅速增加。由前面系統剛度公式得出預緊力F與轉角θ為線性關系。

圖3 F和θ關系曲線

如圖3所示，原點到A為空轉，此時無預緊力；AB之間是貼近過渡過程，BC可近似線性，從C點開始屈服，CD為屈服后曲線。

2.2 預緊力與伸長量關系

伸長量在預緊力屈服之前關系是：δb=F/C=Fl/（EA），其中δb為伸長量，E是彈性模量，A為螺栓橫截面的面積，l是螺栓長。

可見，預緊力與伸長量成線性關系，由于摩擦系數和剛度關系，難以估計，故只需對比擰緊前后長度差就可知道準確伸長量，這樣控制預緊力精度最好。

3 螺紋擰緊的控制方法

在擰緊控制的方法中，通過比較，結合重型汽車實際裝配過程中的特點，選用較先進、精度高的扭矩-轉角法[3]，同時實現扭矩-轉角監控法的應用，可適用于實際裝配場所。

是根據螺紋副內螺母轉角與螺栓預緊力之間關系形成的方法。先將螺紋件擰緊至規定扭矩后，一般為最終裝配的25%，而后再轉動螺紋件至規定角度。轉動角度為前期測量或實驗取值。

常用扭矩—轉角法有兩種，一種是將連接件擰緊至屈服點之上，產生形變，稱為塑性區，如圖4所示，此時預緊力與屈服點有關。

圖4 扭矩-轉角塑性區

一種是彈性區域，其中預緊力F和轉角θ的關系為F·S=CaPθ/360°，其中Ca為系統剛性強度，可推出預緊力F和轉角θ的關系，如圖5所示，與Ca成正比。

圖5 扭矩-轉角彈性區

盡管在擰緊過程中摩擦因素對階段預緊力有影響，但是影響甚微，如圖5所示，僅僅影響起始階段，在角度階段，摩擦因素對轉角所產生預緊力無影響，因為彈性區內Ca是恒定的。此時F僅與伸長量相關，根據前面提到的F與S成正比，即當θ為360°時，伸長量為一個螺距，此時控制精度顯著提高。

根據扭矩-轉角法要求，運用小型PLC控制器，基于對平衡軸擰緊工藝的分析，提出基于多PLC模塊的多軸擰緊控制系統，該系統由輸入顯示界面（顯示單元）、主控制單元、軸控制單元組成；軸控制單元均采用獨立的模塊化版本結構，使用高性能中小型PLC，主控制單元采用相應的PLC協調各軸控的動作。

軸控制模塊和主控單元分別采用歐姆龍[4]CP1H-XACP1H-XA-N，該型號控制器具有高精度，擴展性強的特點，同時具備中型控制器的部分功能；該控制器集成4軸高脈沖輸入/輸出、2通道D/A.4通道A/D模擬量傳輸等功能，可擴展功能卡RS-422、RS-485、RS-232，可實現控制器之間及控制器和工控機之間的數據流。運用Link協議使主控制器連各接軸控單元，可實現對多個軸控單元轉角，轉速模式，傳感器測距數據的獲取，PLC使用RS-232串口可與可編程終端交互，對擰緊策略進行調整。

當加載任務時，擰緊工作的執行和檢測是根據扭矩-轉角法的原理執行的，故加載的過程分為兩個環節，即扭矩控制和角度控制。在角度控制同時對扭矩實時監控，實現監測的目的。

（1）其動作執行順序可分為：低速認帽，即按下啟動開關后，氣缸驅動執行箱體下降，擰緊套筒向螺栓逼近，氣缸達到下位后，操作者抓住擰緊箱手柄將套筒對準螺栓進行認帽，伺服電機低速正轉，進行預訂時間內認帽。

（2）高速擰緊，認帽完成后，電機進入高速轉動狀態，擰緊端迅速消化完空行程，擰緊頭高速轉動時，控制器實時采集各擰緊單元的傳感器數據，判定是否達到預設值。

（3）中速擰緊，也稱為次高速狀態，即當實時采集的扭矩值達到預設值后，伺服電機平穩轉動，這時控制器仍然實時采集傳感器信號，判定是否到達預設起始扭矩。

（4）中停等待，當擰緊扭矩達到扭矩-轉角法中所測算地起始扭矩的時候，對該軸停止電機動作，待其他軸達到預設起始扭矩。

（5）低速擰緊，待各軸達到起始扭矩，各軸電機進入低速角度控制階段，各控制器實時采集伺服電機的電機編碼器反饋信號，計算角度與規定預設標準角度進行比較。若超出角度控制上限則終止電機轉動。

（6）卸荷，達到規定合格預設角度范圍后，此時擰緊軸反轉，套筒端與螺母分離。

只有當角度達到預設值范圍內，該次擰緊任務才算合格，此時擰緊面板合格指示燈亮起，完成擰緊任務。在擰緊過程中，發生緊急情況時，操作員可以選擇“停止”按鈕，程序任務中斷，結束任務，選擇其他模式，系統退出當前加載執行任務同時進入任務。

綜上加載擰緊步驟可得出控制擰緊的算法流程框圖，如圖6所示。

圖6 加載任務流程框圖

4 總結

作為工業生產中質量控制關鍵工藝的重要組成部分，擰緊工藝是否，從標準件的選用到擰緊流程的控制，再到擰緊結果的檢測，每個環節都至關重要，任何一個環節的優化改造升級，對擰緊工藝的控制都會產生質的飛躍。當然，所有的優化都要遵從受力學的基本原理，因為擰緊的本質就是對力的控制，只有把握好最基本的控制原則，再尋求工藝的優化和升級，才會得到穩定牢固的產品。

擰緊控制方法是汽車零部件組裝的核心，也是企業質量的生命線，業內有很多企業運用組態軟件或嵌入式的方式進行管控，這樣的方式在數據采集和應用方面的能力較差。伴隨著工業4.0的臨近和數字化工廠的建設，在大數據應用和挖掘方面是多方爭搶的一塊戰略重地，本文所設計的系統在數據應用層面還有很大的升級擴展空間，隨著工藝水平的升級，產品的更新換代，對制造工藝的要求也會越來越苛刻。同時，隨著自動化水平的不斷提高，新型控制器和傳感器的發展，將會出現一批高集成高精度的自動化擰緊設備，這會使重型汽車裝配的效率大大地提升。