李 群

（江蘇聯(lián)宏智慧能源股份有限公司，江蘇 南京 210000）

我國(guó)汽車行業(yè)是勞動(dòng)密集型行業(yè)，汽車拆裝作業(yè)中，螺紋聯(lián)接件的拆裝工作量占總拆裝作業(yè)工作量的50%～60%，大量關(guān)鍵部位如渦輪、發(fā)電機(jī)、減震器都需要擰緊工藝的支撐，擰緊技術(shù)對(duì)汽車使用的安全性、可靠性有著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。自動(dòng)化生產(chǎn)線可減少人員消耗，減少因工作人員操作手法的不同造成擰緊力矩誤差，提高汽車零件裝配的穩(wěn)定性與可靠性，有效加快裝配速率。國(guó)外對(duì)自動(dòng)化擰緊技術(shù)研究比較早，許多公司都已有成熟的自動(dòng)擰緊方案。在我國(guó)，提高生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、可靈活化多功能組合性，快速降低成本，在競(jìng)爭(zhēng)中提高優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)當(dāng)前企業(yè)普遍比較迫切的需求。

1 擰緊常用方法

1.1 扭矩控制法

扭矩控制法是一種最原始且最簡(jiǎn)便的擰緊方式，技術(shù)含量低。但此法受擰緊工具、操作手法等外界因素影響較大，擰緊效果不一致、偏差較大，只適合一些不太重要零件之間的聯(lián)接操作。

1.2 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法

扭矩-轉(zhuǎn)角控制法從力矩、角度兩方面監(jiān)測(cè)擰緊，在預(yù)緊力達(dá)到預(yù)定值后，再通過(guò)螺紋件的旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到規(guī)定的角度，改善了傳統(tǒng)扭矩法假扭矩及螺紋與支撐面摩擦消耗過(guò)多扭矩的不足，效果可靠、穩(wěn)定，且螺栓不易出現(xiàn)擰斷現(xiàn)象。

1.3 屈服點(diǎn)控制法

屈服點(diǎn)控制法利用了扭矩-轉(zhuǎn)角法的增加量比率的思想，是將螺栓直接擰到自身的屈服強(qiáng)度，通過(guò)預(yù)設(shè)定的程序控制擰緊的停止時(shí)間。此法能充分利用螺栓屈服強(qiáng)度，使螺栓達(dá)到最大預(yù)緊效果。

2 自動(dòng)擰緊系統(tǒng)構(gòu)成及原理

設(shè)備主控由西門子S7-1215C PLC、KTP900觸摸屏、德派AST11擰緊槍、西門子V90 PN伺服控制器組成。伺服分別控制X、Y、Z三個(gè)軸方向運(yùn)動(dòng)，PLCC與伺服間通信方式profinet，與槍之間的通信采用RS232串口，讀取擰緊系統(tǒng)的力矩及狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)力矩及狀態(tài)數(shù)據(jù)歷史記錄。

放置工裝的底座安裝在Y軸上，底座可以拆卸以適應(yīng)不同種類的工裝。Y軸運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)將工裝沿Y軸方向進(jìn)出設(shè)備，X軸實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，Z軸固定在X軸上，擰緊槍固定安裝在Z軸上，Z軸可以帶動(dòng)擰緊槍實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。X軸向運(yùn)動(dòng)可以將擰緊槍調(diào)整到與Y軸的空間交匯處，PLC啟用擰緊槍內(nèi)程序是通過(guò)輸出直接數(shù)字量組合的方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 螺栓三軸向定位

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位螺栓并實(shí)現(xiàn)套筒套住螺栓頭擰緊過(guò)程，首要任務(wù)是保障螺栓坐標(biāo)的正確性。設(shè)備為管理員提供了16個(gè)產(chǎn)品模板參數(shù)配置入口，當(dāng)一款新產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)不同個(gè)數(shù)、不同位置螺栓擰緊時(shí)，可以選擇根據(jù)需要在設(shè)備模板中更改產(chǎn)品目標(biāo)螺栓個(gè)數(shù)及對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置參數(shù)。并且當(dāng)用戶不能完全精確螺栓具體位置時(shí)，系統(tǒng)提供了一個(gè)手動(dòng)預(yù)調(diào)試方法，可以將目標(biāo)產(chǎn)品放置在擰緊位置上，通過(guò)手動(dòng)伺服調(diào)試畫(huà)面將擰緊槍從X、Y、Z三個(gè)軸方向上移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)需要目標(biāo)螺栓，畫(huà)面會(huì)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前槍頭的空間坐標(biāo)位置。通過(guò)此法調(diào)出并記錄工件的各個(gè)螺栓的擰緊位置，結(jié)合螺栓長(zhǎng)度參數(shù)，輸入產(chǎn)品參數(shù)錄入畫(huà)面中，這樣新產(chǎn)品擰緊特征參數(shù)就記錄在設(shè)備的該類產(chǎn)品模板中。當(dāng)該產(chǎn)品模板被選用作為當(dāng)前工作產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)就可以對(duì)該產(chǎn)品的各個(gè)螺栓位置自動(dòng)識(shí)別并實(shí)現(xiàn)擰緊。螺栓定位配置圖見(jiàn)圖2。

圖2 螺栓定位配置圖

擰緊過(guò)程中對(duì)螺栓正確定位的另一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)是要提高擰緊槍頭的套筒套住螺栓頭的正確率，如果套筒不能正確套住螺栓頭，將導(dǎo)致套筒套口、螺栓頭磨損甚至套筒桿斷裂，螺紋螺牙也會(huì)因?yàn)閿D壓式轉(zhuǎn)動(dòng)受到損壞，從而引發(fā)事故。因此系統(tǒng)在擰緊槍通過(guò)X、Y軸移動(dòng)到目標(biāo)螺栓上方時(shí)采用垂直行程檢測(cè)，在尋找螺栓頭的過(guò)程中采用“三步走”方案。以一個(gè)螺栓為例：首先，設(shè)定一個(gè)快速下壓安全區(qū)，即擰緊槍頭不轉(zhuǎn)動(dòng)，Z軸實(shí)現(xiàn)快速下降到預(yù)定位置；其次，擰緊槍頭反復(fù)慢速交替正反轉(zhuǎn)，Z軸同時(shí)帶動(dòng)槍慢速下壓，調(diào)整直至套筒套住螺栓頭；最后，在檢測(cè)到槍頭套住螺栓頭后，擰緊槍頭快速轉(zhuǎn)動(dòng)擰緊，同時(shí)Z軸也同步快速下壓，待擰緊到預(yù)設(shè)定接近落座力矩的力矩時(shí)Z軸再度慢速下降下同時(shí)擰緊槍頭改成慢速轉(zhuǎn)動(dòng)模式直至完成整個(gè)擰緊過(guò)程。槍頭不轉(zhuǎn)，Z軸先快速下行的目標(biāo)是保證不影響節(jié)拍要求；到達(dá)設(shè)定接近位置后，Z軸慢速下降的同時(shí)德派擰緊槍頭來(lái)回正反向慢速旋轉(zhuǎn)是為了提高的套住螺栓頭的概率。當(dāng)行程完全下降到預(yù)設(shè)定的位置，如果時(shí)間段計(jì)算處在估算正確范圍內(nèi)，基本上可以判定這時(shí)的套筒頭已經(jīng)正確套上螺栓頭，下一步就可開(kāi)始擰緊過(guò)程。開(kāi)始時(shí)螺栓處于初始力矩狀態(tài)，反饋回的力矩比較小。因此，可以實(shí)現(xiàn)快速擰緊同時(shí)Z軸實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)較快速度下降，當(dāng)檢測(cè)到力矩接近目標(biāo)力矩時(shí)，擰緊槍擰緊速度逐步下降，Z軸下降速度也對(duì)應(yīng)減低，直至到達(dá)目標(biāo)力矩、目標(biāo)位置后Z軸停止下降。在完成一個(gè)螺栓擰緊后，Z軸上升，槍頭X、Y軸重新調(diào)整，繼續(xù)下個(gè)螺栓擰緊，整個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到擰完最后一個(gè)螺栓。

2.2 生產(chǎn)節(jié)拍保證

針對(duì)產(chǎn)品螺栓擰緊的批量化生產(chǎn)的節(jié)拍要求，生產(chǎn)方要求每20s完成一個(gè)工件的擰緊，因此系統(tǒng)可采用以下三個(gè)措施：一是在優(yōu)先保證Z軸方向安全距離情況下，X軸和Y軸兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)同步快速運(yùn)動(dòng)，其中X軸和Y軸方向速度在界面可以作為參數(shù)來(lái)設(shè)置，加速度時(shí)間最快調(diào)整到0.2s；二是優(yōu)化Z軸，根據(jù)不同工件可以設(shè)定擰緊槍的不同起始高度位置及擰緊過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的上升最高位置，盡量減少無(wú)效運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可參數(shù)設(shè)定槍的允許快速下降預(yù)定區(qū)域，慢速下降區(qū)域 ，加速度時(shí)間最快調(diào)整到0.25s；三是工件隨Y軸進(jìn)出設(shè)備的起始位設(shè)定為可調(diào)，以方便生產(chǎn)方調(diào)整到安全情況下最佳時(shí)間、效果。

圖3 擴(kuò)展功能正向擰緊控制策略

2.3 擰緊策略編程

德派AST11是一款性價(jià)比較高，多組擰緊靈活編程選調(diào)的自動(dòng)擰緊槍，通過(guò)瀏覽器登錄設(shè)備默認(rèn)IP控制器可以組態(tài)實(shí)現(xiàn)16個(gè)不同功能的擰緊流程。設(shè)備在擰緊槍頭下行尋找目標(biāo)螺栓頭的過(guò)程中，采用了間隙交替調(diào)用正向擰緊力矩控制和反向擰松力矩控制槍頭慢速旋轉(zhuǎn)過(guò)程；當(dāng)槍頭的套筒套住螺栓頭后，設(shè)備調(diào)用擴(kuò)展功能正向擰緊加延時(shí)時(shí)間檢測(cè)控制策略，擴(kuò)展功能正向擰緊控制策略見(jiàn)圖3。在標(biāo)識(shí)1中設(shè)置落座扭矩并設(shè)定上下極限，同時(shí)設(shè)定一個(gè)快速轉(zhuǎn)速。在標(biāo)識(shí)2中設(shè)置一個(gè)低于落座扭矩的扭矩，同時(shí)配置一個(gè)較低轉(zhuǎn)速，這樣在擰緊槍高速擰緊達(dá)到標(biāo)識(shí)2的扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)入低速運(yùn)轉(zhuǎn)直至到達(dá)落座扭矩，擰緊停止。這樣既可以保證擰緊的快速性，又可以減少對(duì)工件的破壞，避免造成過(guò)扭矩報(bào)警。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)定延時(shí)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)最大預(yù)緊效果。

2.4 多功能設(shè)定

為滿足客戶的多功能需求，比如需要對(duì)單個(gè)螺栓一鍵擰松或擰緊測(cè)試，這時(shí)并不一定需要對(duì)所有功能進(jìn)行設(shè)定，可以對(duì)螺栓是否存在檢測(cè)、力矩是否合格檢測(cè)等進(jìn)行功能設(shè)定。當(dāng)設(shè)定完成后，在當(dāng)前畫(huà)面顯示情況下，用戶啟動(dòng)擰緊撥桿，設(shè)備將根據(jù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)特定的操作，同時(shí)對(duì)各級(jí)運(yùn)行設(shè)備提供單獨(dú)操作調(diào)試畫(huà)面，以測(cè)試并保證各級(jí)設(shè)備在正常運(yùn)行情況下投入使用。多功能設(shè)定界面見(jiàn)圖4。

圖4 多功能設(shè)定界面圖

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備研發(fā)從設(shè)計(jì)到投運(yùn)總計(jì)約1個(gè)月時(shí)間，架構(gòu)容易搭建，性價(jià)比高，制造速度比較快，目前已經(jīng)有效應(yīng)用在某德資減震器有限公司的實(shí)際生產(chǎn)中，且顯著提高了生產(chǎn)效率，保證了螺栓力矩正確一致性，同時(shí)極大減少了人工成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并可以實(shí)現(xiàn)24h無(wú)差錯(cuò)的工作制，有效保證了大批量生產(chǎn)及時(shí)供應(yīng)，這種思路及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式在我國(guó)汽車零件制造自動(dòng)化程度提高上面有一定的普遍意義和參考價(jià)值。