【技术帖】单工位多扭矩环境下无线拧紧系统的防错研究
关键词：单工位多扭矩 防错系统 无线拧紧 拧紧程序设计
在汽车市场竞争越来越激烈的今天，提质是汽车量产厂重点考虑的课题之一[1]。样车试制作为量产前的重要造车环节，为生产线造车充分开展工艺验证和产品验证。在样车试制总装车间约有30%的螺纹连接零件，因此螺纹连接零件的质量直接影响试制整车装配质量，螺纹连接零件拧紧防错也成了至关重要的课题[2-3]。
汽车量产生产线的工位很多，有足够的场地布置大量设备和工具，并且平均分到每个工位的紧固件数量和扭矩种类非常少，大多采取一对一工具配置和防错设计，成本较高，但设计相对简单[4]。而在样车试制线工位数量少，在一个工位需要完成大量零件装配，是典型的单工位多扭矩操作环境，需要考虑用尽可能少的工具满足大量零件的装配需求，因此工具一机多用是趋势。这种环境，极大地提升了防错设计的难度，无法直接沿用大规模量产线成熟的拧紧系统及防错设置，而传统的人工控制方法又难以达到质量控制的要求，急需设计一套新的拧紧防错系统。
2.1 系统防错需求
样车试制车间是典型的单工位多扭矩的操作模式，螺纹连接的质量直接关联整车的质量稳定性和可靠性。传统以手动工具拧紧和人工记录结合的控制方式，可能存在的失效模式如下。
a.扭矩错误，实际打紧的扭矩值与工艺要求不符；
b.拧紧完成扭矩显示合格，但实际夹紧力不足；
c.漏拧或重复拧紧，单个工位需要多螺栓螺母拧紧的操作环境，操作员容易在装配过程中遗漏个别紧固件或同一位置多次拧紧[5-7]。
汽车量产线在自动防错应用上，除了1 对1 的工具配置，也有部分1 对多的工具应用，即1 把工具拧紧多个扭矩，大多采取套筒防错或扫描条码防错方式，通过套筒或条码绑定特定的工具和拧紧程序，当拿取套筒或扫描条码时，激活对应的工具和拧紧程序，达到工具防错和拧紧程序防错的目的[8-9]。在样车试制线如果使用量产工厂主流的扫描防错与套筒防错方案，意味着每个工位存在大量套筒和条码。工人难以保证扫描正确的条码和拿到正确的套筒。同一个工位存在大量螺栓可使用同一个套筒，意味着套筒的物料防错作用失效。在这种单工位多扭矩的复杂操作环境下，考虑拧紧系统的防错设计，开发新的扭矩拧紧系统已成为试制过程拧紧质量保证的必由之路。
2.2 无线工具和拧紧防错系统架构
无线工具和拧紧防错系统架构示意见图1，系统包括1台主服务器，多台扭矩小车工作台（电脑工控机、控制器、涉及不同量程的多把工具）和其他配件。
主服务器用于中心化管理数据库，数据导入、管理及修改。
扭矩小车工作台的工控机用于点击确认零件，数据显示，防错反馈集成。控制器用于工具驱动，与工具无线连接。
拧紧工具的量程覆盖所有紧固点，工具使用无线连接，由控制器驱动工具，能实时采集操作过程中的数据。
图1 系统架构示意
每个硬件（服务器，控制器、一体机、工具）分配独立IP 地址，联网控制。每把无线工具可以设置上百组拧紧程序。控制器集中布置，设置专用机架存放。控制器与服务器有线连接，工作台实现网络无线化。
拧紧系统的防错程序设计通过设置紧固件工艺清单、拧紧程序库及工具库的工艺参数，实现当选中零件时系统各模块间的工艺参数自动匹配功能，完成系统自动选取运行程序和可使用的工具。图2 所示为系统各模板的运行逻辑。
图2 拧紧程序系统运行逻辑示意
a.紧固件工艺清单。工艺工程师对试制BOM（零件清单）分配工位，从BOM 中匹配零件的零件号、零件数量、零件名称等零件信息筛选出需要紧固的零件清单，制作紧固件工艺清单，根据工程发布的扭矩设定拧紧工艺参数，含扭矩、角度、速度、拧紧步骤、拧紧位置、拧紧数量等。通过维护紧固件工艺清单实现对各参数的精准设置，防止打紧时扭矩、角度及打紧数量错误。
b.拧紧程序库。在系统中对所有已经识别扭矩编写拧紧程序，形成拧紧程序库。拧紧程序依据“扭矩大小、角度、速度、拧紧步骤”多个工艺参数全部一致来确保唯一性。上传造车零件的紧固件工艺清单后，系统根据导入的紧固件工艺清单中零件对应的扭矩角度等信息与系统中设定的拧紧程序库对比，使零件与拧紧程序匹配并为其分配相应的拧紧程序编号，对于导入紧固件工艺清单时提示未匹配到对应程序的紧固件，需要工程师在程序库中新增拧紧程序，为每个零件配备唯一的拧紧程序。上传紧固件工艺清单到系统后，系统依据“扭矩大小、角度、速度、拧紧步骤”多个工艺参数的一致性，从拧紧程序库给每个紧固件匹配拧紧程序号，当系统中无可匹配拧紧程序时按照步骤新编拧紧程序。
拧紧程序库作为紧固件工艺清单与工具的纽带，实现了由零件直接激活工具，与量产线使用的由套筒或扫描条码激活工具的方式完全不同，在样车试制单个工位包含多种扭矩，防止因套筒选用或零件扫描错误导致工具选用及扭矩角度程序选用的错误。
c.工具库。实际拧紧操作时在人机交互界面上选中紧固件，系统激活匹配好的拧紧程序，同时判断与扭矩车连接的工具工作扭矩量程，角度量程和速度范围是否能覆盖拧紧程序的工艺参数要求。符合要求的工具中，按照预设规则排序，激活优先级最高的一把工具。无适用工具时，提示连接新工具。
3.1 紧固件工艺零件清单制作
紧固件工艺零件清单由工艺工程师制作提供。零件关键信息包括零件名称、零件号、扭矩、装配工位/工序/子顺序、扭矩、关键紧固点、单车用量、拧紧点数和拧紧位置等信息，给实际拧紧过程提供正确的拧紧工位、拧紧点数、扭矩范围、角度范围等参数，给拧紧程序号及工具选用提供基础参数。在制作紧固件工艺零件清单时需要注意以下几点内容。
a.拆分扭矩信息。当扭矩类型是扭矩控制角度监控的，输入扭矩标准值和扭矩公差；当扭矩类型是角度控制扭矩监控的输入贴合扭矩值、角度上限和下限值[10]。
b.多扭矩多工位拆分零件。实现每个工位每次操作只包含一种扭矩，防止打紧程序和工具选用错误，避免漏打紧和错误打紧。多扭矩拆分，如整车线束接地点的扭矩信息含9 N·m和22 N·m，接地紧固件为车身自带件，接地点扭矩信息释放在整车线束上，因此需要将整车线束9 N·m和22 N·m的打紧拆分成2次操作，避免扭矩错误打紧。多工位拆分，整车线束接地打紧工艺分布在TR（内饰）和CH（底盘）工位操作，当TR4 工位打紧完成但CH4 工位还未打紧时，人机界面的零件状态显示红色，待CH4工位的接地打紧合格后零件状态才转绿，避免零件漏打紧。
c.带预紧操作拆分零件，对于高强度紧固件要准确控制预紧力，增强连接的紧密性和刚性。如发动机悬置螺栓扭矩要求，首先预紧到32～48 N·m，再终紧到100 N·m 加上60°～75°要求，最终监控到的扭矩在120～240 N·m。该类拧紧操作需要严格拆分成预紧和终紧两步，准确实施预紧操作，确保使用安全。
3.2 电动工具拧紧程序库设计
拧紧工具设置2 段式拧紧程序，第1 阶段为旋入+预紧阶段，第2 阶段为拧紧阶段，2 阶段间设置短暂停顿，连接件在动态拧紧完毕后，由于材料本身的形变特性，实际会有“松弛”现象，而且越是软连接，这个现象越明显，设置2 步之间的停顿，使连接件在第1 步完毕后能得到足够的“松弛”，从而尽量减少对第2 步最终扭矩的影响。
重复拧紧防错。螺栓是否被重复拧紧可以通过监控转过的角度来识别，正常情况下从开始旋入到拧紧结束至少需要几圈，但重复拧紧同一颗螺栓，施加同样的扭矩，那么转过的角度会很小，几乎为零，因此只要给电枪设置拧紧阶段的最小角度值，在拧紧过程中检测到螺栓转过的角度小于这个最小值，说明这颗螺栓正在被重复拧紧，系统会发出警告。
基于试制过程单工位多扭矩及柔性化的操作需求，结合样车试制车间多个具体项目紧固点的扭矩数据分析，整车涉及的安全关键零件和质量关键零件扭矩范围主要集中在3～400 N·m 范围内，因而配置了大小规格不同的5 把工具来满足全量程范围零件以及不同操作类型零件的固定。例如3～12 N·m、12～30 N·m、30～70 N·m 范围的扭矩各配置了一把电枪，8～70 N·m、70～400 N·m 范围的扭矩各配配置了一把扳手。其中8～70 N·m范围优先使用电枪拧紧，遇到不能使用电枪的场合，如制动管和氧传感器，则使用开口扳手固定。然后不同的扭矩约有82 个，因此设置了82 个拧紧程序。如表1 所示。
表1 拧紧程序库和工具配备信息统计
4.1 拧紧系统应用层工作原理
系统应用层工作原理图见图3。
在操作端，点击项目号/车辆号/工位信息选中零件或通过扫描枪扫描调取零件，系统通过零件的装配工艺需求数据与数据中心中的程序库进行自动比对，查找到合适的拧紧程序，并把程序号发送到工具库，按照量程优先级选择出一把最优的扭矩枪。实现零件与拧紧程序和工具的配对，从而实现由零件直接驱动对应的工具和拧紧程序。相当于工艺数据直接驱动工具和拧紧程序，减少了中间分支过程，实现精确防错。
操作员选用扭矩枪操作打紧，若扭矩打紧状态异常，工具和显示器出现红色报警，打紧信息数据实时传递到服务器，并监控角度、扭矩曲线状态。
图3 拧紧系统应用层工作原理
4.2 应用层防错设计
系统应用界面示意图如图4。
a.选择车辆和零件的防错。通过扫描枪扫描车辆号调取出需要操作的车辆，并通过下拉按钮选择工位信息调取该工位的紧固件工艺零件清单，在选择生产按钮后，系统进入装配模式，生产按钮显示蓝色状态。
b.选用工具的防错。在工位零件清单中点击需要装配的螺栓与螺母，系统按设定规则自动选择合适的工具和拧紧程序，选中的工具在扭矩小车界面的工具目视区上会高亮显示。被选中的工具按开关能启动，当没有可用的程序时，有界面提醒需要增加拧紧程序。
c.拧紧过程防错。操作过程中可根据过程状态条和过程指示灯了解拧紧完成度，正常拧紧完成，过程状态条100%完成，状态条为绿色。当5 颗蓝色信号灯亮起，拧紧完成。拧紧OK 绿色信号灯亮，拧紧NOK 红色信号灯亮。拧紧合格，对应的扭矩或者角度数字为绿色。
d.拧紧状态防错。即时结果区显示当前操作拧紧结果，根据实际扭矩或角度值与拧紧程序的目标值判定拧紧结果是否合格，合格为绿色，不合格为红色，若出现不合格，由班组长介入处理并记录解决措施说明后方可执行下一步操作。
e.拧紧计数防错[11]。当前操作的拧紧结果同时存入工序结果区中，并记录实际扭矩和角度值，合格为绿色，不合格为红色。当前拧紧点拧紧完成，自动跳到下一行。工位结果区自动计算更新“完成拧紧数量”，当“完成拧紧数量”等于“需求装配数量”后，“拧紧完成”状态为绿。
f.零件装配位置的防错。通过在扭矩小车界面的工艺导航区显示需要装配螺栓和螺母的装配工艺，包括装配位置、扭矩及强制安装顺序，直观显示装配区域避免装错。
图4 系统应用界面示意
4.3 案例应用
以某公司样车试制车间A 项目试制总装装配车间运用拧紧系统为例，每辆车总装装配共分内饰4 个工位（TR1、TR2、TR3、TR4）、底盘4 个工位（CH1、CH2、CH3、CH4）、门和发动机分拼共10 个工位，装配IV001 车时，操作工选中TR1 的第一个零件车身侧举门撑杆支架的4 个螺栓，共4 个紧固点，动态扭矩要求为D22±3 N·m，工具目视区显示量程为6～30 N·m 的电枪2 可以使用，选用电枪开始打紧，打紧过程符合扭矩控制角度监控或角度控制扭矩监控要求的，系统显示拧紧状态OK，TR1工位所有紧固点全部打紧且打紧状态OK 后，TR1整体打紧状态显示绿色，才会进入到TR2，若有跨工位操作的需要班组长授权下一个工位开始操作，在10 个工位的打紧状态均为绿色后，班组长才能在系统上交付车辆。A 项目的15 辆车在交付电器刷新前都已完成紧固点拧紧，且拧紧状态OK，包括跨工位易漏打的零件，如车身线束9 个接地点分布在TR1 和TR2，前后制动管的左右两端紧固分布在TR3 和CH1 工位等。拧紧系统可充分避免紧固点漏装和错装问题，能100%保证总成拧紧交付合格率。
通过对单工位多扭矩复杂操作环境下的无线拧紧系统防错研究，从程序层和应用层进行防错设计考虑，对紧固件工艺零件清单及电动工具拧紧程序参数的设置研究，对现场使用工具、拧紧过程、拧紧计数、拧紧状态和拧紧位置的防错设计，充分考虑操作现场防错需求，有效避免了线下工具操作的漏操作、重复操作、扭矩未打紧等失效模式。
来源：期刊-《汽车工艺与材料》；作者庄薇 李高