智能化在線扭矩防錯在工程機械裝配線的應用

李鳳娥 孫德春 苗璐滟

（1.雷沃工程機械集團有限公司 山東省青島市 266500 2.山東財經大學 山東省濟南市 250000）

隨著經濟和科技的不斷發展，傳統的工程機械制造技術已無法滿足社會需求，依托網絡技術和智能技術的工程機械智能化適應了大勢所趨。工程機械挖掘機回轉支撐連接結構為軟連接，不同機型有不同的工藝要求，螺栓數量32～44 個之多，傳統的螺栓裝配扭矩控制方式不能區分不同機型扭矩值選擇錯誤、漏緊、錯誤螺栓、螺紋損壞等質量問題（如圖1 所示）。也無法實現數據實時監控、防漏防錯報警及數據分析追溯功能。特別是裝配后無法抽檢控制部位，即便是1000 臺只有一臺出現問題，也可能造成幾萬甚至幾十萬的質量損失。將基于PLC 控制的在線扭矩防錯[1][2]系統應用在裝配過程，實現在線智能化防錯控制，是提高工程機械裝配過程螺栓緊固工序質量和效率的關鍵所在。

圖1

本文介紹了由工控機、PLC、阿特拉斯電動定扭工具、編碼傳感器等組成的回轉支撐裝配扭矩自動檢測系統[3]，進行實時監控控制，在員工未按照規定操作或操作失誤的第一時間內發生報警提醒，提高操作過程的準確性、可靠性，強低人員工作強度及人力成本。

1 硬件配置

該系統主要由工控機、觸摸顯示屏、PLC、阿特拉斯電動定扭工具、定柱懸臂吊、位置、角度傳感器、掃碼槍、報警器等附屬裝置組成，見圖2 示意圖。

圖2

1.1 工控機

配置一臺研華科技工控機用來存儲相關產品、工藝信息，負責根據各掃描器、傳感器、操作鍵盤等終端輸入進行運算判斷，對各操作部件進行過程監控，與PLC 進行信息互傳，以組態軟件的形式輸出緊固畫面以及讀取和存儲所有的信息數據，如員工信息、產品信息、工具信息、異常信息、裝配作業數據等。

1.2 觸摸顯示屏

圖形化工作界面，以數據、曲線、圖形等方式反應PLC 的內部狀態，存儲器數據，展示工位信息，操作指引。

1.3 PLC

接受工控機的操作命令，完成數據的采集、運算，執行扭緊程序、檢測運行狀態，實現對扭緊工具的控制。接收傳感器、按鈕、行程開關信息，并實時將控制狀態反饋工控機。

1.4 阿特拉斯電動定扭工具

包括電動扭緊機、扭矩控制器、齒輪箱組合及附屬裝置。

電動扭緊機充分考慮人機工程，減輕體位疲勞，滿足使用操作的方便性，滿足擰緊軸角度精度、扭矩精度要求。

電動扭緊機與齒輪箱組合的工裝根據回轉支承安裝情況，配有可調的定位裝置，以便工人安裝螺栓后，使工具繞回轉支承周圈滑動時方便將套筒套到相應螺栓上，同時起到可靠的反作用力臂作用。

2 軟件設計

包括基礎管理模塊、產品管理模塊、流程控制模塊、數據采集模塊，報警模塊、日志模塊、報表模塊和系統交互模塊組成。實現記數防錯、力矩聲光提示、數據傳輸、螺栓的防漏、防呆、防緊固不到位的功能。

2.1 基礎管理模塊

涉及產線工位、員工、權限、系統等方面的管理功能。實現軟件運行環境的配置和登錄系統的用戶及工位操作人員的管理，實現定崗定位，精準追溯到每一環節的具體操作人。實現連接產線擰緊搶和掃碼槍等功能。

2.2 產品管理模塊

涉及產品的管理，添加多種產品的具體信息，支持多種產品切換。根據讀取不同產品的具體信息，制定不同的操作流程，靈活配置每個工位操作順序，實現特殊產品特殊操作。

2.3 流程控制模塊

將整個工藝流程進行電子化作業，對每種產品配置一套流程，當混線生產時自動切換對應的流程，主要實現對員工操作順序的嚴格、精準把控，流程防錯。當漏緊或錯緊時，軟件會報警提示，并控制擰緊槍的使用。

2.4 數據采集模塊

接收掃碼槍掃描的數據，依據接收到的數據選擇對應流程控制模塊設定的業務流程。接收通過機械臂上的位置角度傳感器采集的位置信息及扭緊機采集的力矩信息數據，進行記錄、判斷、顯示、追溯以及上傳MES。采集設備狀態信息，實時顯示或報警。

2.5 報警模塊

實現錯誤報警功能。數據采集模塊采集的信息經過判斷，提供錯誤時，軟件界面彈框報警，并提示解決方法，同時驅動報警燈聲光報警。

2.6 日志模塊

提供精確的操作日志記錄功能，日志查詢功能。操作人員、設備管理人員、工藝人員可查詢近半年每天的操作實時記錄，方便追溯及分析。

2.7 報表模塊

根據不同的條件查詢所有擰緊槍的擰緊數據，可將查詢的擰緊數據導出為EXCEL 文件，查詢的數據項靈活可配。

2.8 系統交互模塊

實現與其他系統實時交互。

3 系統工作原理

如圖3 所示。

圖3

3.1 程序調用

掃碼槍掃碼識別零部件上的二維碼信息，獲取機型信息，取得作業產品的螺栓力矩數據、螺栓的分度圓直徑和數量信息，計算所有螺栓的坐標和工件中心，調用擰緊程序，自動匹配對應的電子化作業工藝流程，按工藝要求給出螺栓擰緊順序，自動配給當前機型需要擰緊的螺栓力矩、順序和數量等參數。同時輸出至顯示屏，在顯示屏上顯示作業的主要參數，顯示員工當前需要進行的作業和進度。如圖4 示例。

圖4

3.2 作業過程

控制系統根據懸臂吊上的位置、角度傳感器輸入的位置信息，計算電動扭緊機扭緊軸位置，對扭緊軸進行定位，操作工依據電子作業順序提供的信息進行操作，顯示屏上作業螺栓點屏幕閃爍，未扭緊點、作業點、扭緊完成點以不同顏色區分顯示。當操作工不按照順序擰緊時，控制系統識別扭緊軸位置與系統要求不符，對扭緊軸輸出不啟動控制信息，同時控制系統輸出聲光報警信號，啟動聲光報警。

控制系統根據位置傳感器、角度傳感器輸入信息和扭緊軸力矩信息反饋，每擰緊一顆螺栓，輸出信息至顯示屏顯示擰緊結果，同時對力矩值和螺栓數量進行計算控制，力矩值不符的顯示錯誤信息，重復擰緊操作的螺栓自動排除計數，以確保緊固螺栓的數量及力矩值準確。

控制系統在擰緊過程隨時采集緊固數據，自動計算擰緊合格的數量，自動判斷當前螺栓是否已經擰緊完成。按要求全部擰緊結束，并經系統確認后，輸出信息至顯示屏，顯示擰緊完成，發出完成信號，允許工件放行，從而實現防漏目的。如果有漏緊或扭矩不合格，系統控制不能進行下個工件的擰緊。如需放行，需經系統授權人解鎖后，放可進行。

控制系統自動進行數據存儲及報表生成，方便后續報表查詢和數據導出。

4 工作流程

工作流程如圖5 所示。

圖5

5 結束語

回轉支撐定扭控制系統應用以來，裝配過程的可靠性、效率顯著提升，常見的裝配錯誤有效避免，操作工勞動強度和培訓周期大幅降低，產品質量提高的同時，增進了生產力和生產靈活性。

這一案例的成功應用，為裝配過程扭矩的在線控制提供了良好的借鑒，目前在生產裝配螺栓扭矩控制工位已全面推廣使用。