定制化的車輛前束外傾螺栓力矩監控系統

馮東明，陳睿鵬，龍培，陳國銳

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

0 引言

汽車裝配完成后，需要在四輪定位設備工位處，對車輪前后輪的前束外傾角度進行測量并調整。調整至合格角度范圍后，需通過扳手緊固螺栓。螺栓力矩必須達到設計標準，如緊固不到位，車輛在行駛過程中會因螺栓松動而發生前束外傾變動，輕則輪胎磨損加劇，重則會因操控性能發生變化導致安全事故發生。

螺栓緊固失效的模式[1]主要有：①遺漏或重復扭緊；②螺紋扭壞導致出現假力矩；③力矩錯誤；④錯誤/遺漏零件；⑤重復性差。鑒于前束外傾螺栓力矩對于行駛可靠性的重要影響，為消除上述問題，可構建定制化的力矩監控系統。

1 定制化的力矩監控系統結構

系統拓撲圖如圖1所示，（1）控制柜部分：主要包括工控機和PLC，其中工控機搭載應用軟件，作為數據接收和存儲終端，PLC則作為信號采集處理的核心；（2）工具部分：包括電動扳手和帶通訊的開口扳手，及其相應的控制器；（3）配套部分：包括作業顯示屏、異常按鈕盒、扳手選擇器等[2]。

圖1 系統拓撲圖

2 定制化的力矩監控系統工作流程

系統工作流程圖如圖2所示，（1）車輛進入四輪定位設備，車輛掃碼，力矩監控系統獲取該車輛的基本信息，同時四輪定位設備互鎖；（2）力矩監控系統將操作指引界面傳輸至作業顯示器中；（3）車輛前束外傾角調整后，作業人員根據系統指示選取相應的扳手；（4）作業人員依據操作指引界面依次打緊各個前束外傾螺栓，力矩監控系統實時記錄并比較力矩值，達到標準范圍時，操作指引界面顯示相應提示；（5）單個螺栓達到力矩范圍后，操作指引界面轉到下一螺栓，指引作業人員繼續作業；（6）完成所有緊固之后，系統將車輛的力矩數據保存至服務器中，車輪定位系統解鎖，車輛駛出設備。

圖2 工作流程圖

3 定制化的力矩監控系統的功能剖析

3.1 平臺化

應用于汽車前束外傾螺栓扭緊的扳手可以分為兩類，一類是帶通訊的手動扳手，一類是電動扳手。在目前市場下，各類品牌、各種型號的扳手層出不窮，封閉式的系統存在無法兼容、無法擴容等局限性。為此，需搭建平臺化的力矩監控系統，可細分為三個特征：①針對扳手數量：系統定制開發，能接入管理數量不限的扳手；②針對扳手品牌：不限制扳手品牌，只要符合通訊協議要求，均能接入到系統中；③針對扳手類型：無論是帶通訊的手動扳手還是電動扳手，均能接入系統。

3.2 開放化

在汽車制造廠中，一般多為多車型混線生產，每種車型都有各自固定的螺栓力矩值。為了便于日常的數據維護和系統操作，需搭建開放式的人機界面：①維護界面：界面開放，需緊固螺栓數量、力矩值、匹配扳手等參數均可依據生產工藝預設；②操作界面：直觀顯示作業工件圖像及需緊固的螺栓位置，設計了倒計數提示，另外，工件圖片及螺栓位置均為組態可調；③權限管理：基于角色的系統安全控制模型，整個訪問控制過程分成兩個部分，即訪問權限與角色相關聯，角色再與用戶關聯，從而實現了用戶與訪問權限的邏輯分離。

3.3 互聯化

車輛的前束外傾角度需調整至合格范圍，才能對螺栓實施緊固。前者利用的是四輪定位設備，后者利用的是力矩監控系統，這意味著兩個設備之間必須有定制化的深度互聯，才能夠共同保證產品品質。

（1）掃卡互聯：為簡化作業，通過增加串口分配器的方式，實現四輪定位設備與力矩監控系統共用一把條碼槍的功能，即掃條碼一次，條碼數據同步傳送至兩臺設備。

（2）設備互鎖：通過四輪定位設備與力矩監控系統的交互，實現設備互鎖。車輛進入四輪定位后，會有擋板限制車輛駛出，當前束外傾調整后，四輪定位設備發出信號，指示可以開始螺栓緊固。力矩監控系統判斷緊固完成后，再發出指令給四輪定位，指示可下降擋板，以此實現互鎖。同時，為了解決某一設備故障導致另一設備不可用的情況，亦可實現解鎖，兩設備互不關聯。

3.4 數據化

（1）數據報表[3]：緊固過程各項力矩數據均存儲在服務器中，系統能生成報表分析圖，如CPK值等，以便用于車輛力矩品質管控和扳手工具能力分析；

（2）質量追溯：存儲于服務器的數據能實現查詢、導出等功能，起到質量追溯作用。

3.5 可視化

（1）顯示屏[4-5]：四輪定位崗位給地面、地坑前軸、地坑后軸三處均布置前束外傾角顯示屏及力矩監控系統顯示屏，合計6個。其中地面上為綜合屏，全面顯示各項信息，地坑下為單軸屏，只顯示對應軸的情況，定制化界面更利于操作員作業；

（2）指示燈/蜂鳴器：設備裝有狀態指示燈，綠燈代表無異常、紅燈代表故障，故障時蜂鳴器同步發出警示音。

3.6 場景化

在汽車制造廠中，如果在四輪定位設備的后工序中，對于底盤或相關部件需要進行返修，則需要重新過線檢測，部分車輛可能需要重調前束外傾及力矩緊固。另一方面，某個螺栓可能滑牙無法緊固，同一個螺栓可能扭緊兩次等，這都意味著力矩緊固的場景是復雜的。為此定制一個操作盒，提供多位場景選擇，常規的按鈕設置如下：①不打：重過線車不需力矩緊固；②跳過：跳過當前螺栓，緊固下一個螺栓；③回退：退回上一個螺栓緊固；④復位：當前車輛全部螺栓重新緊固一次。

3.7 防錯化

防錯即避免選擇錯誤的力矩工具，導致無法滿足品質要求。如圖3所示，在電動扳手應用場景，可使用套筒選擇器，即將同把扳手的多個套筒放入一個選擇器中，當識別出車輛所需的套筒型號后，選擇器對應位置亮燈提示對應套筒。因前束螺栓調整一般需要開口型扳手，頻繁拆裝扳手頭無法滿足工時要求，故定制化制作扳手選擇器，能放置多把扳手，每一把扳手旁都有指示燈提示。

圖3 扳手選擇器

4 結語

本文提出了一種定制化的車輛前束外傾力矩監控系統，詳細介紹了系統結構和工作流程，深度剖析系統的平臺化、開放化、互聯化、數據化、可視化、場景化、防錯化各項功能，為汽車制造廠解決前束外傾螺栓力矩品質監控提供解決方案，促進汽車品質管控能力的提升。