汽車底盤擰緊過程智能化監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：汽車底盤生產(chǎn)中，精準監(jiān)控連續(xù)運轉(zhuǎn)的緊固系統(tǒng)很關(guān)鍵，采用多階段擰緊程序，能保障擰緊系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。目前有兩個突出問題：一是設置工作量大，操作人員調(diào)試參數(shù)耗時費力，易因疲勞出錯；二是誤報警頻發(fā)，干擾生產(chǎn)、增加成本。為此設計一種有效的緊固及監(jiān)控方法是必須的。通過優(yōu)化監(jiān)控與擰緊程序設置，有望讓緊固系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，提升生產(chǎn)效率、降低成本，助力企業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：緊固系統(tǒng) 螺栓連接 參數(shù)設置 緊固工具 擰緊過程

1 緒論

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)自動化進程加快，降低工人勞動強度，大力提高勞動生產(chǎn)率已成為工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展趨勢。我國目前的工業(yè)生產(chǎn)裝配過程都離不開螺母或螺栓的擰緊與拆卸，氣動扳手大量裝備在生產(chǎn)現(xiàn)場使用，有效地降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率，對發(fā)展社會生產(chǎn)力起到了不可估量的作用。但氣動扳手也有明顯的缺點，由于在擰緊過程中這些工具是依靠大的沖擊力來擰緊螺紋裝置，所以擰緊扭矩值誤差范圍比較大，另外氣動定值扭矩扳手不宜于在大扭矩狀況下工作。專用電動擰緊設備的出現(xiàn)解決了以上難題，在工業(yè)裝配方面獲得了非常廣泛的應用。

電動擰緊設備是集機械傳動、電子技術(shù)、自動檢測于一體的機電一體化設備。電動擰緊設備的應用場合非常廣泛，凡是對螺紋的裝配有定扭矩或定角度等要求的地方，就需要該設備，它可以對螺紋的預緊實現(xiàn)比較精確的控制。并且，電動擰緊設備可以實現(xiàn)裝配的自動化，極大提高勞動生產(chǎn)率和安全性。

但是電動擰緊設備中擰緊程序是一個比較復雜，且需要根據(jù)不同的擰緊狀況，不同的擰緊要求，不同的缺陷模式等因素綜合考慮后，進行對應的擰緊程序和監(jiān)控程序的開發(fā)與設計。

2 擰緊過程監(jiān)控研究

2.1 目的

監(jiān)控整個擰緊過程，確保擰緊工具可以最大可能性的監(jiān)控出異常擰緊的問題。比如：螺紋錯牙，缺少連接部件，存在異物，重復擰緊等。

2.2 縮略語

a） MA—扭矩額定值；

b） MA2—扭矩額定值，快速擰緊階段；

c） MA3—扭矩額定值，慢速擰緊階段；

d） MA4—扭矩額定值，扭矩最終擰緊階段；

e） MI—扭矩實際值；

f） WA—角度額定值；

g） WA1—角度實際值，查找階段；

h） WA2—角度實際值，轉(zhuǎn)角最終擰緊階段；

i） MS —扭矩閾值；

j） MS1—扭矩閾值，查找階段；

k） MS2—扭矩閾值，快速擰緊階段；

l） MS3—扭矩閾值，慢速擰緊階段；

m） MS4—扭矩閾值，角度最終擰緊階段；

n） N1—轉(zhuǎn)速，查找階段；

o） N2—轉(zhuǎn)速，快速擰緊階段；

p） N3—轉(zhuǎn)速，慢速擰緊階段；

q） N4—轉(zhuǎn)速，扭矩最終擰緊階段；

r） N5—轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角最終擰緊階段；

s） s—標準偏差。

2.3 術(shù)語

擰緊程序：帶有監(jiān)控和傳輸媒介的電動擰緊工具的分步擰緊過程。

電動擰緊工具：擰緊過程能記錄實際值，擰緊曲線，擰緊結(jié)果，并可判斷是否在要求范圍內(nèi)的工具。

實際旋入角度：螺栓從旋入螺紋開始一直到螺栓頭與被擰緊工件接觸時轉(zhuǎn)過的角度，本角度也可以從正常擰緊曲線上提取。

2.4 多階段擰緊過程

注：M：扭矩；W：角度；1：套筒；2，3：部件；4：螺栓；綠框：控制范圍

A查找階段：以較低的轉(zhuǎn)速用套筒找到找到被緊固件；

B慢速擰緊階段：以較高的速度快速擰緊到緊固件和被緊固件貼合；

C慢速擰緊階段：以較低的速度擰緊扭矩閥值；

D扭矩最終擰緊階段/轉(zhuǎn)角最終擰緊階段：以較低的速度完成擰緊過程。

2.5 扭矩控制法標準擰緊監(jiān)控程序

扭矩控制法的目標扭矩值是規(guī)定的扭矩。

2.5.1 查找程序

推薦反轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N1：5r/min（≤60r/min）；

推薦設定轉(zhuǎn)角WA1：90°；

扭矩閾值MS1：0Nm；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：WA1±10°；

扭矩監(jiān)控上限M+：MA2；

扭矩監(jiān)控下限M-：-MA2；（如無法設置負值可以按照0設置）

扭矩上限監(jiān)控：達到扭矩監(jiān)控上限工具停止，防止損壞螺紋；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控可以識別：重復擰緊，螺紋錯牙，螺紋異常；

超扭矩監(jiān)控上限時，如果轉(zhuǎn)角監(jiān)控超下限，則報不合格；

對于手持式的擰緊本步驟可以選擇性使用；

對于有其他工具預緊的擰緊扭矩監(jiān)控M+和M-可以最大按照MA的1/2值設置；

在確保螺紋不損壞的情況下，MA4小于30Nm的手持式工具允許使用正轉(zhuǎn)。

2.5.2 快速預擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N2：180r/min （≤200 r/min，《VW 01110-2_201207" 螺栓連接裝配和工藝質(zhì)量保證》，客戶有特殊要求的按客戶要求）；

設定扭矩MA2：MA的1/3（≤30N.m）；

扭矩閾值MS2：0Nm；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：MA2±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W-：5°（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實際旋入角度－50%；可設最小值5°）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+：5000°（可按需）（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實際旋入角度＋50%）；

角度監(jiān)控可識別：重復擰緊，螺紋錯牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，長度差異大的螺栓防錯；

扭矩監(jiān)控可識別：擰緊過沖；

無法滿足推薦值時按照扳手允許的最高轉(zhuǎn)速設置。

2.5.3 慢速預擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

設定轉(zhuǎn)速N3：≤20 r/min；

設定扭矩MA3：MA的1/2；

扭矩閾值MS3：MA2；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：設定扭矩±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：5°-300°（MA≤20Nm下限可設置1°）

角度監(jiān)控可識別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，貼合面異常。

扭矩監(jiān)控可識別：過渡的擰緊過沖。

本步驟多頭槍必須設置同步。

2.5.4 扭矩最終擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

設定轉(zhuǎn)速N4：≤20r/min。

設定扭矩MA4：MA；

扭矩閾值MS4：MA3；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：按照產(chǎn)品要求；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：±3s；

角度監(jiān)控可識別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，螺栓異常拉伸，貼合面異常。

2.6 轉(zhuǎn)角控制法標準擰緊程序

轉(zhuǎn)角控制法的目標值是規(guī)定的扭矩閾值起再旋轉(zhuǎn)規(guī)定的轉(zhuǎn)角。

2.6.1 查找程序

推薦反轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N1：5r/min（≤60 r/min）；

推薦設定轉(zhuǎn)角WA1：90°；

扭矩閾值MS1：0Nm；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：±10°；

扭矩監(jiān)控上限M+：MA2；

扭矩監(jiān)控下限M-：-MA2；

扭矩監(jiān)控下限M-：≤0Nm。

扭矩上限監(jiān)控：達到扭矩監(jiān)控上限工具停止，防止損壞螺紋；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控可以識別：重復擰緊，螺紋錯牙，螺紋異常；

超扭矩監(jiān)控上限時，如果轉(zhuǎn)角監(jiān)控超下限，則報不合格；

對于小扭矩的手持式的擰緊本步驟可以選擇性使用；

對于有其他工具預緊的擰緊扭矩監(jiān)控上限M+和M-按照Ms值設置；

在確保螺栓不損壞的情況下，MA4小于30Nm的手持式工具允許使用正轉(zhuǎn)。

2.6.2 快速預擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N2：180r/min（≤200 r/min）；

設定扭矩MA2：MS的1/3（≤30Nm）；

扭矩閾值MS2：0Nm；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：設定扭矩±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W-：5°（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實際旋入角度－50%；可設最小值5°）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+：5000°（可按需）（SOP生產(chǎn)操作穩(wěn)定后：實際旋入角度＋50%）；

角度監(jiān)控可識別：重復擰緊，螺紋錯牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，長度差異大的螺栓防錯；

扭矩監(jiān)控可識別：過渡的擰緊過沖；

本步驟更適用于有沒有其他工具預緊的擰緊；

無法滿足推薦值時按照扳手允許的最高轉(zhuǎn)速設置。

2.6.3 慢速預擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N3：≤20 r/min；

設定扭矩MA3：MS的1/2；

扭矩閾值MS3：MA2；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：設定扭矩±15%（上限最大值40%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：5°-300°（MA≤20Nm下限可設置1°）

角度監(jiān)控可識別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死；

扭矩監(jiān)控可識別：過渡的擰緊過沖。

本步驟多頭槍必須設置同步。

本步驟可以選擇性監(jiān)控。

2.6.4 閾值最終擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N4：≤20r/min；

設定扭矩MA4：Ms；

扭矩閾值MS4：MA3；

扭矩監(jiān)控公差M+/-：按照產(chǎn)品要求（若產(chǎn)品無要求，則設定扭矩±15%）；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差W+/-：5°-300°（完成10000次或sop一個月后將范圍按照±3s設置，參考《VW01110-3_201511受監(jiān)控的持續(xù)旋轉(zhuǎn)緊固系統(tǒng)的參數(shù)設置》）；

角度監(jiān)控可識別：螺紋滑牙，螺紋損壞，螺紋鎖死，螺栓異常拉伸；

本步驟多頭槍必須設置同步。

2.6.5 轉(zhuǎn)角最終擰緊程序

正轉(zhuǎn)；

推薦設定轉(zhuǎn)速N5：≤20r/min；

設定轉(zhuǎn)角：WA；按照產(chǎn)品要求；

扭矩閾值MS5：Ms；

扭矩監(jiān)控公差：±3s；

轉(zhuǎn)角監(jiān)控公差：按照產(chǎn)品要求；

扭矩監(jiān)控可識別：摩擦系數(shù)高或低，螺紋滑牙，螺栓異常拉伸；

角度監(jiān)控可識別：角度損失。

2.7 扭矩及轉(zhuǎn)角控制法標準擰緊程序設置實例

轉(zhuǎn)角/扭矩控制（扭矩監(jiān)控法使用前四步）（圖10-圖17）。

3 結(jié)論

擰緊工具的擰緊程序應該設置多階段的擰緊過程，應該每個階段都設置相應的監(jiān)控。設置多階段的擰緊程序和監(jiān)控的標準化可以有效的減少參數(shù)設置的錯誤和非正常擰緊過程的有效識別。

對于需要計算得出的角度或扭矩監(jiān)控范圍，需要分兩步進行，第一步是在項目初始過程中由于生產(chǎn)工件數(shù)量小可以粗略設置最終擰緊階段的轉(zhuǎn)角范圍（扭矩法）。粗略設置最后擰緊階段的扭矩范圍（轉(zhuǎn)角法），對于屈服要求的轉(zhuǎn)角擰緊法可以參照表1；對于非屈服轉(zhuǎn)角擰緊法M-=1.1*MS，M+參照圖17。新項目的正式的監(jiān)控范圍應該是在完成約1000次緊固或3個月后，批量生產(chǎn)的正式監(jiān)控范圍應該是完成10000次緊固或1個月后將控制范圍設置為±3*s。

只有擰緊過程進行合理有效的控制和監(jiān)控，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量，預防不合格產(chǎn)品流出，但是更多的監(jiān)控會導致裝配線的報警情況頻繁出現(xiàn)，所以如何確定合理的監(jiān)控范圍，就是一個比較重要和復雜的工作。

參考文獻：

[1]戴維.發(fā)動機裝配過程螺栓擰緊監(jiān)控策略設計及應用[J].制造技術(shù)與機床，2018（12）：27-30．

[2]鄭遠平，顏積權(quán)，盧銳，等.擰緊過程失效監(jiān)控及分析的研究[J].汽車與駕駛維修（維修版），2024（05）：09-11．

[3]馬貝方，陳智隆，于樂翔，等.螺紋緊固件擰緊過程角度監(jiān)控和扭矩監(jiān)控研究[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（24）：78-91．