五-四軸輪胎擰緊機的設計研究與應用

本文研究的輪胎擰緊機主要適用汽車流水線生產過程中，同時實現不同分度圓4個或5個輪胎螺母的扭力上緊，核心技術：擰緊軸的4軸或5軸能夠自動切換。

輪胎擰緊機結構主要包含：工字鋼、定軌、動軌、平衡氣缸、直線導軌、按鈕箱、控制系統和擰緊系統，擰緊系統又包含把手、伺服電動機、擰緊軸、按鈕箱、按鈕把手、變形氣缸、導向輪和前進氣缸。

汽車輪胎存在4個或5個螺母擰緊的結構，輪胎的螺母分度圓存在差異、分布角度不一致問題。四軸擰緊的螺母角度分布一般為 ，五軸擰緊的螺母角度分布一般為 。

針對此問題，進行了如下擰緊機結構設計。

1）如圖1所示，電軸2、電軸3、電軸4和電軸5的電軸座固定在分度圓氣缸上，都可以通過分度圓電缸的伸縮實現電軸座沿著分度圓電缸座的導軌來回運動，實現電軸2、電軸3、電軸4和電軸5的分度圓大小變更。

2）如圖2所示，伸縮氣缸導軌固定在電軸1的分度圓氣缸上，伸縮氣缸和電軸座均固定在伸縮氣缸導軌上，氣缸伸出，擰緊機為五軸，縮進去為四軸。五軸工作狀態可通過分度圓氣缸的伸縮實現電軸座沿著分度圓氣缸座的導軌上來回運動，實現五個電軸的分度圓大小變更。

3）如圖3和圖4所示，擰緊機有兩種工作狀態：一是四軸工作狀態，電軸2、電軸3、電軸4和電軸5角度為 ；二是五軸工作狀態，五個電軸角度為 ：

其中電軸1和電軸4無法改變角度，電軸2、電軸3、電軸4可實現角度改變，滿足四軸 和五軸 的角度變更要求。電軸2、電軸3、電軸4改變角度的原理：角度氣缸伸縮實現分度圓氣缸座導向輪和電軸座定向軸沿著規定的圓弧運動，實現電軸2、電軸3、電軸4角度的改變。

擰緊軸的選擇要求

1）擰緊軸設計最大擰緊扭力值應比實際擰緊最大值超過 30% 以上，如果選擇錯誤，在高頻率時擰緊扭矩會使擰緊軸發燙發熱，導致擰緊機無法工作。

2）傳感器式擰緊軸控制器可以實現如下擰緊策略：扭矩控制 ∣+ 角度監控；角度控制 + 扭矩監控；扭矩控制 + 角度監控 + 扭矩斜率監控；角度控制+扭矩監控 + 扭矩斜率監控；屈服點擰緊；零速保持。

3）每根軸和每步擰緊程序的扭矩值、角度值、速度、時間等參數可以獨立進行設定，設備具有自動保存擰緊結果和擰緊曲線的功能。

4）要求擰緊軸傳感器為力矩/角度數字式傳感器，力矩傳感器精度 ？±3% ，角度傳感器精度 $＼leqslant＼pm2^{＼circ}$ 。精度的測量辦法依據ISO05393標準，要求 Cmk？1.67 Cpk ？1.33 。

5）廣泛的記錄能力。系統所有的信息，包括擰緊結果、扭矩值、正確/錯誤報告及擰緊過程中間步驟的擰緊數據保存功能。可設定起始扭矩、過渡扭矩、目標扭矩及其過程控制功能。與總裝車間數據采集系統采用以太網接口連接，保證與MES（ManufacturingExecutionSystem，制造執行系統）系統進行信息傳輸。

6）具備自動采集、儲存、實時傳輸和導出每次擰緊數據及曲線（包括不合格狀態）的功能，且數據與整車識別號一一對應。

7）可通過遠程（如辦公室）訪問控制器進行參數設置及維護。

根據擰緊軸的標準要求，最終選擇了博世品牌某型號直柄電軸，其扭矩范圍在 15～150N？m ，滿足以上所有需求。

擰緊機整體的設計原則

1）由于G050兩座電動物流車的車輪螺母是4個，其他車型是5個，擰緊機需實現四軸和五軸的自動切換。

2）由于每個車型的輪胎螺母分度圓不同，擰緊機上的擰緊軸根據需求切換不同的分度圓擰緊螺母。

3）由于裝配的時候，車子在流水線不停，所以，擰緊機需能夠跟車行走一個工位。

4）擰緊機可以實現手動前進、自動退原位功能，且前進后退速度可調。

5）員工能夠上下輕松地移動擰緊機。

擰緊機的產品參數

1.工作條件

1）環境溫度范圍：

2）耐腐蝕等級：2級。

3）場地要求：工裝使用時占地面積不小于 0

4）無腐蝕性氣體、塵埃、金屬粉末等。

2.電源要求

1）電壓： AC380V±10% ， 。

2）氣壓： ，最大為 0.7MPa， 0

3.設備功能及操作前檢查

1）實現輪胎螺栓擰緊，數據實時上傳的操作。

2）打開氣源二聯件開關，并檢查氣壓，不低于

3）電源總開關與氣源閥門狀態處于打開狀態。

4）屏幕處于運行狀態。

5）操作面板無故障報警（否則應查找故障原因）。

6）擰緊系統是否處于懸浮狀態。

7）機械部件是否運轉正常（否則應查找故障原因）。

8）所有氣缸在原點位置。

9）接近開關和磁性開關狀態正常。

10）螺栓有無松動。

設備操作說明

擰緊機操作界面如圖5所示。

1）檢查設備后，按“自動啟動”，綠色燈亮起，“手/自動”旋鈕切換至自動；觀察觸摸屏當前車型進行車型切換。

2）手動切換車型：根據車型選擇不同分度圓變距，例如來車是需要 5×114.3 車型擰緊，點擊車型5×114.3 設備切換到對應分度圓，切換成功車型由紅色變為藍色。

3）自動讀取車型信息：車型通過線邊PLC讀取信息傳送至輪胎擰緊機PLC，此時車到位自動選擇對應車型分度圓。

4）車型切換成功需要人工對準螺栓，按下正轉按鈕啟動螺栓擰緊機。擰緊機自動擰緊完成，對應界面顯示扭矩、角度、合格/不合格狀態。

5）擰緊螺栓合格后，設備自動脫離輪胎螺栓，移動設備至原點，進入下一循環。

注：自動條件下車型切換失敗時，切換到手動， 按復位按鈕，進行手動切換。

常規調試過程中遇到的主要困難點與解決辦法

1.困難點

1）擰緊機的四軸或五軸的電軸中心對稱進入輪胎螺母，難對準，耗時長，抱怨大。

2）按技術要求的設定中間值扭力擰緊螺母，普遍存在螺母扭矩衰減情況。3）擰緊軸上的套筒擰緊螺母時，套筒容易刮花輪轂，造成質量問題。4）可運動的線束使用BTR線纜，來回運動后，線纜容易斷裂。

2.解決辦法

1）中心孔難對準問題，要求擰緊電軸在打緊前先反轉4至5圈，套筒容易自動對正螺栓里面，就可以實現螺母的自動擰緊。

2）使用電軸正常擰緊螺母，下線復檢其扭矩值，算出其扭矩衰減范圍，做好工藝驗證。如技術要求扭矩為 ，線上電軸扭矩改成 125N？m ，下線復測螺母實際扭矩在 ，在 范圍內，符合設計要求。

3）針對套筒容易刮花輪轂問題，制作非標專用的尼龍套筒套，擰緊螺母時，不讓套筒與輪轂直接接觸，與輪轂接觸的位置改為柔性的尼龍套，有效防止了刮花問題。

4）線纜容易斷裂問題，線纜更換成TRVV線纜，高柔線材料。

結語

本文設計研究的五-四軸輪胎擰緊機，從2022年3月至今已經在某主機廠的客廂式物流車、單排貨車、多功能客車和兩座電動物流車上實現了量產應用，至今都未造成車輛的質量問題發生，且極大提升了生產節拍，降低員工的勞動強度。

參考文獻：

[1]吳拓.汽車總裝車間六-五軸混合自動變位螺母擰緊機方案設計及應用[J].汽車實用技術，2017（11）：56-57，60.

[2]朱博.工業擰緊技術發展現狀分析[J].中國設備工程，2019（24）：232-233.

[3]衛道柱.螺紋自動擰緊機的研制[D].合肥：合肥工業大學，2004.AUTO1950