何晨曦

（上汽通用汽車(chē)有限公司，上海 201208）

1 螺母擰緊機(jī)的概述

1.1 螺母擰緊的概念

汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，零部件的連接方式有很多種，螺母連接就是其中最常見(jiàn)的一種。采用螺母連接就必須應(yīng)用擰緊，使得零件被緊密結(jié)合，可承受一定的動(dòng)載荷，并且有足夠的夾（壓）緊力。擰緊機(jī)是所有擰緊工具中較復(fù)雜和高效的設(shè)備。

1.2 輪胎螺母擰緊機(jī)簡(jiǎn)介

輪胎擰緊機(jī)作為汽車(chē)裝配線(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展程度體現(xiàn)了汽車(chē)裝配工藝的發(fā)展?fàn)顩r。從最初的手動(dòng)工具發(fā)展到現(xiàn)在的高精度電動(dòng)擰緊工具，從手動(dòng)操作到半自動(dòng)化，都標(biāo)志著汽車(chē)裝配水平的不斷提升。通常衡量輪胎螺母擰緊機(jī)的擰緊質(zhì)量是動(dòng)態(tài)扭矩。輪胎螺母擰緊機(jī)的組成通常由導(dǎo)軌滑車(chē)系統(tǒng)、懸掛機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)滾筒單元、控制單元、精度測(cè)試儀以及擰緊機(jī)滾筒單元到控制柜的電纜構(gòu)成。

目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)整車(chē)廠的生產(chǎn)線(xiàn)會(huì)同時(shí)生產(chǎn)多種車(chē)型，不同車(chē)型的輪胎分度圓不同，汽車(chē)裝配中車(chē)輪裝配大多采用兩種形式：（1）面向單一規(guī)格的工具（固定直徑，4軸或5軸）；（2）面向兩種固定規(guī)格的工具（固定直徑，4軸和5軸）。由此帶來(lái)的問(wèn)題有：（1）固定規(guī)格工具不能適應(yīng)車(chē)輪直徑變化，即當(dāng)車(chē)輪直徑變化時(shí)，需購(gòu)買(mǎi)新的工具，成本較高；（2）裝配中更換工具，造成輔助工時(shí)增加、成本增加；（3）使用不同工具的維護(hù)，造成人力和成本浪費(fèi)；（4）占用線(xiàn)邊空間。

2 輪胎螺母擰緊機(jī)的使用現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)有輪胎螺母擰緊機(jī)應(yīng)用

現(xiàn)有的輪胎擰緊機(jī)，不論是可變軸或可變徑，都能實(shí)現(xiàn)兩組軸數(shù)或直徑的組合。此外，現(xiàn)有可變軸或可變徑擰緊機(jī)都是通過(guò)汽缸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同軸數(shù)或分度圓的切換，且只在直線(xiàn)路徑上變化位置。

2.2 現(xiàn)有輪胎螺母擰緊機(jī)的局限性

針對(duì)我國(guó)在汽車(chē)裝配中的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了多年的研究，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但是從現(xiàn)有的產(chǎn)品來(lái)看，螺母擰緊機(jī)的功能還是具有很大的局限性。主要表現(xiàn)在產(chǎn)品功能比較單一，通用性比較差，只能針對(duì)特定的汽車(chē)系列設(shè)計(jì)相應(yīng)的螺母擰緊機(jī)，不同型號(hào)之間、不同螺母數(shù)量之間的擰緊機(jī)需要進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致設(shè)備利用率較低，通用性不強(qiáng)，不僅造成設(shè)備的浪費(fèi)，還增加大量的生產(chǎn)成本。例如現(xiàn)有使用氣缸作為驅(qū)動(dòng)的變軸/變徑擰緊機(jī)由于氣缸的局限，每一根軸只能實(shí)現(xiàn)2～3個(gè)位置變化，無(wú)法覆蓋所有軸數(shù)/分度圓直徑的組合。因此每次增加新項(xiàng)目，都可能引起擰緊機(jī)的改造和新增。而且，裝備多臺(tái)擰緊機(jī)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的空間要求也較高，造成空間局限。

2.3 研究汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)的必要性

為滿(mǎn)足柔性化生產(chǎn)需求，各工廠需要多臺(tái)擰緊機(jī)以適應(yīng)不同車(chē)型不同軸數(shù)不同分度圓的產(chǎn)品需求，投資成本和后續(xù)改造費(fèi)用高。現(xiàn)有的輪胎擰緊機(jī)，不論是可變徑或是可變軸，都只能實(shí)現(xiàn)兩組軸數(shù)或直徑的組合，而無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足所有的4軸、5軸和不同分度圓的組合（常規(guī)組合有4軸100變徑105、4軸110變徑115、5軸105變徑110、5軸115變徑120等）。目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有類(lèi)似產(chǎn)品以一臺(tái)設(shè)備覆蓋以上所有軸數(shù)和分度圓組合，所以研究一種解決方案以提高柔性、降低成本、減少車(chē)間線(xiàn)邊設(shè)備數(shù)量，實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)是很有必要的。

現(xiàn)有可變擰緊機(jī)是通過(guò)汽缸的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同軸數(shù)或分度圓的切換，且只能在直線(xiàn)路徑上變化位置，可覆蓋的位置和組合都非常有限。而高柔性輪胎擰緊機(jī)采用伺服電機(jī)完成變徑切換，可以覆蓋行程范圍內(nèi)的所有直徑。同時(shí)增加一套用于前后伸縮的汽缸，實(shí)現(xiàn)4軸5軸的軸數(shù)變化。

雖然目前高柔性輪胎擰緊機(jī)的解決方案只覆蓋常規(guī)的4軸和5軸輪胎的擰緊，但只需在相同概念下增加一組單元，就可以實(shí)現(xiàn)4/5/6軸的可變軸變徑擰緊。只需稍加改造，其構(gòu)思就可同時(shí)應(yīng)用于其他多點(diǎn)可切換緊固的工具上，可廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)的螺母螺栓緊固工藝中。

3 帶有汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)技術(shù)方案

高柔性變徑變軸輪胎擰緊機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)，可覆蓋所有分度圓，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)變軸機(jī)構(gòu)覆蓋4軸、5軸的角度位置，實(shí)現(xiàn)一套擰緊機(jī)滿(mǎn)足所有軸數(shù)/分度圓直徑組合的可能。

3.1 設(shè)備特征

帶有氣缸驅(qū)動(dòng)的柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)，包括了伸縮組件，伸縮組件設(shè)置在機(jī)架上，伸縮氣缸的一端通過(guò)支架與機(jī)架連接，伸縮組件可以通過(guò)伸縮氣缸沿垂直機(jī)架的方向做上下伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮組件至少有1個(gè)，機(jī)架上還設(shè)有變徑變角組件和變角氣缸，變徑變角組件至少有2個(gè)，變徑變角組件靠近機(jī)架中心的一端固定，變角氣缸推動(dòng)變徑變角組件另一端可沿該固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，做變角運(yùn)動(dòng)，變徑變角組件通過(guò)第二變徑氣缸的推動(dòng)，可沿機(jī)架中心與變徑變角組件另一端連成的直線(xiàn)上做變徑運(yùn)動(dòng)。

設(shè)備的伸縮組件包括伸縮軸變徑導(dǎo)軌，伸縮軸變徑導(dǎo)軌的一端與伸縮氣缸的另一端連接，伸縮軸變徑導(dǎo)軌上設(shè)有第一滑塊，第一滑塊的一端與第一擰緊軸連接，第一滑塊上設(shè)有第一變徑氣缸，第一變徑氣缸的伸縮端通過(guò)連接板與伸縮軸變徑導(dǎo)軌連接。

設(shè)備的變角氣缸的末端與機(jī)架連接，所述的變徑變角組件包括變徑導(dǎo)軌，變徑導(dǎo)軌通過(guò)連接桿與變角氣缸的伸縮端連接，變徑導(dǎo)軌上設(shè)有第二滑塊，第二滑塊的一端與第二擰緊軸連接，第二滑塊與第二變徑氣缸的伸縮端連接，第二變徑氣缸固定在變徑導(dǎo)軌上。變角氣缸的兩側(cè)均設(shè)有固定限位擋塊。

3.2 設(shè)備機(jī)制

如圖1～圖3所示，汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)包括伸縮組件，伸縮組件安裝在機(jī)架1上，伸縮汽缸8的一端通過(guò)支架與機(jī)架1連接，伸縮組件至少有1個(gè)，機(jī)架1上還設(shè)有變徑變角組件和變角氣缸2，變徑變角組件至少有2個(gè)，變徑變角組件靠近機(jī)架1中心的一端固定，變角氣缸2推動(dòng)變徑變角組件另一端可沿該固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，做變角運(yùn)動(dòng)，變徑變角組件通過(guò)第二變徑氣缸4B的推動(dòng)，可沿機(jī)架1中心與變徑變角組件另一端連成的直線(xiàn)上做變徑運(yùn)動(dòng)。

圖1 五軸狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 帶有汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)的內(nèi)部局部視圖

伸縮組件包括伸縮軸變徑導(dǎo)軌7，伸縮軸變徑導(dǎo)軌7的一端固定在伸縮氣缸8的另一端上，伸縮軸變徑導(dǎo)軌7的另一端上安裝有第一滑塊9A，其可以在伸縮軸變徑導(dǎo)軌7上滑動(dòng)，第一滑塊9A的一端固定在第一擰緊軸6A上，第一滑塊9A上安裝有第一變徑氣缸4A，第一變徑氣缸4A的伸縮端固定在伸縮軸變徑導(dǎo)軌7上，伸縮氣缸8推動(dòng)變徑導(dǎo)桿7沿機(jī)架1做上下伸縮運(yùn)動(dòng)，達(dá)到伸縮的效果，第一變徑氣缸4A運(yùn)轉(zhuǎn)，推動(dòng)第一擰緊軸6A，使得變徑導(dǎo)桿7邊往后伸縮邊往外擴(kuò)徑，使得擰緊機(jī)由五軸變換成四軸狀態(tài)。

圖2 四軸狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)擰緊機(jī)由五軸變換成四軸狀態(tài)時(shí)，其中第一擰緊軸6A通過(guò)伸縮軸變徑導(dǎo)軌7固定在機(jī)架1上，不參與變角運(yùn)動(dòng)，其他四個(gè)擰緊軸以此軸為參照，進(jìn)行相應(yīng)的變角運(yùn)動(dòng)，變角運(yùn)動(dòng)由安裝機(jī)架1上的4個(gè)變角氣缸2的伸縮端通過(guò)連接桿10驅(qū)動(dòng)變徑導(dǎo)軌5沿中心做變角運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時(shí)，由設(shè)置在變角氣缸2的兩側(cè)的固定限位擋塊3和變角氣缸2鎖緊。

變徑變角組件包括變徑導(dǎo)軌5，第二變徑氣缸4B推動(dòng)第二擰緊軸6B沿變徑導(dǎo)軌5做變徑運(yùn)動(dòng)，變徑導(dǎo)軌5上安裝有第二滑塊9B，其可以在變徑導(dǎo)軌5上滑動(dòng)，第二滑塊9B的一端固定在第二擰緊軸6B上，第二變徑氣缸4B的伸縮端固定在第二滑塊9B上，第二變徑氣缸4B安裝在變徑導(dǎo)軌5上。

4 帶有汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)的實(shí)用性

4.1 充分適應(yīng)生產(chǎn)和技術(shù)要求

帶有汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)能夠使多個(gè)擰緊軸之間協(xié)調(diào)一致，可以進(jìn)行變徑和變角運(yùn)動(dòng)，而伸縮機(jī)構(gòu)又能使擰緊軸與螺母孔之間不存在運(yùn)動(dòng)干涉，穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整和控制，易于維護(hù)。無(wú)論是變徑、變角、固定軸的伸縮功能的實(shí)現(xiàn)，還是位置精度和可靠性的保證，均充分考慮了現(xiàn)有的技術(shù)水平和工業(yè)上的使用要求。

4.2 顯著降低生產(chǎn)成本

汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)可大大減少生產(chǎn)成本。高柔性變徑變軸輪胎擰緊機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)，可覆蓋所有分度圓，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)變軸機(jī)構(gòu)覆蓋4軸-5軸的角度位置，實(shí)現(xiàn)一套擰緊機(jī)滿(mǎn)足所有軸數(shù)/分度圓直徑組合的可能。對(duì)于我國(guó)日趨激烈的汽車(chē)制造環(huán)境，成本控制和精益生產(chǎn)對(duì)汽車(chē)制造企業(yè)極為重要。

4.3 節(jié)約總裝空間

裝備多臺(tái)擰緊機(jī)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的空間要求很高，易造成空間局限。相比之下，帶有汽缸驅(qū)動(dòng)的高柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)可減少空間浪費(fèi)，還能減少其他額外輔助工具的使用，避免造成生產(chǎn)空間的局促。

5 總結(jié)及展望

通過(guò)帶有氣缸驅(qū)動(dòng)的柔性車(chē)輪多軸擰緊機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，為汽車(chē)總裝生產(chǎn)線(xiàn)的精益規(guī)劃，提供了一種通用性強(qiáng)，減少投資的解決方法。該方案能夠使多個(gè)擰緊軸之間協(xié)調(diào)一致，可以進(jìn)行變徑和變角運(yùn)動(dòng)，而伸縮機(jī)構(gòu)又能使擰緊軸與螺栓孔之間不存在運(yùn)動(dòng)干涉，穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整和控制，易于維護(hù)。無(wú)論是變徑、變角、固定軸的伸縮功能的實(shí)現(xiàn)，還是位置精度和可靠性的保證，均充分考慮了現(xiàn)有的技術(shù)水平和工業(yè)上的使用要求。本機(jī)構(gòu)在汽車(chē)車(chē)輪裝配領(lǐng)域具有很強(qiáng)的通用性，可以降低汽車(chē)總裝生產(chǎn)線(xiàn)的成本，大大提高了車(chē)輪柔性擰緊裝置的實(shí)用價(jià)值，具有推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革的前景。