多功能螺纹自动拧紧系统的设计与应用

李 群

（江苏联宏智慧能源股份有限公司，江苏 南京 210000）

我国汽车行业是劳动密集型行业，汽车拆装作业中，螺纹联接件的拆装工作量占总拆装作业工作量的50%～60%，大量关键部位如涡轮、发电机、减震器都需要拧紧工艺的支撑，拧紧技术对汽车使用的安全性、可靠性有着相当关键的作用。自动化生产线可减少人员消耗，减少因工作人员操作手法的不同造成拧紧力矩误差，提高汽车零件装配的稳定性与可靠性，有效加快装配速率。国外对自动化拧紧技术研究比较早，许多公司都已有成熟的自动拧紧方案。在我国，提高生产设备自动化、标准化、可灵活化多功能组合性，快速降低成本，在竞争中提高优势，是一个当前企业普遍比较迫切的需求。

1 拧紧常用方法

1.1 扭矩控制法

扭矩控制法是一种最原始且最简便的拧紧方式，技术含量低。但此法受拧紧工具、操作手法等外界因素影响较大，拧紧效果不一致、偏差较大，只适合一些不太重要零件之间的联接操作。

1.2 扭矩-转角控制法

扭矩-转角控制法从力矩、角度两方面监测拧紧，在预紧力达到预定值后，再通过螺纹件的旋转来达到规定的角度，改善了传统扭矩法假扭矩及螺纹与支撑面摩擦消耗过多扭矩的不足，效果可靠、稳定，且螺栓不易出现拧断现象。

1.3 屈服点控制法

屈服点控制法利用了扭矩-转角法的增加量比率的思想，是将螺栓直接拧到自身的屈服强度，通过预设定的程序控制拧紧的停止时间。此法能充分利用螺栓屈服强度，使螺栓达到最大预紧效果。

2 自动拧紧系统构成及原理

设备主控由西门子S7-1215C PLC、KTP900触摸屏、德派AST11拧紧枪、西门子V90 PN伺服控制器组成。伺服分别控制X、Y、Z三个轴方向运动，PLCC与伺服间通信方式profinet，与枪之间的通信采用RS232串口，读取拧紧系统的力矩及状态数据，实现力矩及状态数据历史记录。

放置工装的底座安装在Y轴上，底座可以拆卸以适应不同种类的工装。Y轴运动可以实现将工装沿Y轴方向进出设备，X轴实现左右运动，Z轴固定在X轴上，拧紧枪固定安装在Z轴上，Z轴可以带动拧紧枪实现上下运动。X轴向运动可以将拧紧枪调整到与Y轴的空间交汇处，PLC启用拧紧枪内程序是通过输出直接数字量组合的方式。系统结构图见图1。

图1 系统结构图

2.1 螺栓三轴向定位

要实现自动定位螺栓并实现套筒套住螺栓头拧紧过程，首要任务是保障螺栓坐标的正确性。设备为管理员提供了16个产品模板参数配置入口，当一款新产品要实现不同个数、不同位置螺栓拧紧时，可以选择根据需要在设备模板中更改产品目标螺栓个数及对应的坐标位置参数。并且当用户不能完全精确螺栓具体位置时，系统提供了一个手动预调试方法，可以将目标产品放置在拧紧位置上，通过手动伺服调试画面将拧紧枪从X、Y、Z三个轴方向上移动对准需要目标螺栓，画面会动态显示当前枪头的空间坐标位置。通过此法调出并记录工件的各个螺栓的拧紧位置，结合螺栓长度参数，输入产品参数录入画面中，这样新产品拧紧特征参数就记录在设备的该类产品模板中。当该产品模板被选用作为当前工作产品时，系统就可以对该产品的各个螺栓位置自动识别并实现拧紧。螺栓定位配置图见图2。

图2 螺栓定位配置图

拧紧过程中对螺栓正确定位的另一个重要节点是要提高拧紧枪头的套筒套住螺栓头的正确率，如果套筒不能正确套住螺栓头，将导致套筒套口、螺栓头磨损甚至套筒杆断裂，螺纹螺牙也会因为挤压式转动受到损坏，从而引发事故。因此系统在拧紧枪通过X、Y轴移动到目标螺栓上方时采用垂直行程检测，在寻找螺栓头的过程中采用“三步走”方案。以一个螺栓为例：首先，设定一个快速下压安全区，即拧紧枪头不转动，Z轴实现快速下降到预定位置；其次，拧紧枪头反复慢速交替正反转，Z轴同时带动枪慢速下压，调整直至套筒套住螺栓头；最后，在检测到枪头套住螺栓头后，拧紧枪头快速转动拧紧，同时Z轴也同步快速下压，待拧紧到预设定接近落座力矩的力矩时Z轴再度慢速下降下同时拧紧枪头改成慢速转动模式直至完成整个拧紧过程。枪头不转，Z轴先快速下行的目标是保证不影响节拍要求；到达设定接近位置后，Z轴慢速下降的同时德派拧紧枪头来回正反向慢速旋转是为了提高的套住螺栓头的概率。当行程完全下降到预设定的位置，如果时间段计算处在估算正确范围内，基本上可以判定这时的套筒头已经正确套上螺栓头，下一步就可开始拧紧过程。开始时螺栓处于初始力矩状态，反馈回的力矩比较小。因此，可以实现快速拧紧同时Z轴实现对应较快速度下降，当检测到力矩接近目标力矩时，拧紧枪拧紧速度逐步下降，Z轴下降速度也对应减低，直至到达目标力矩、目标位置后Z轴停止下降。在完成一个螺栓拧紧后，Z轴上升，枪头X、Y轴重新调整，继续下个螺栓拧紧，整个过程一直持续到拧完最后一个螺栓。

2.2 生产节拍保证

针对产品螺栓拧紧的批量化生产的节拍要求，生产方要求每20s完成一个工件的拧紧，因此系统可采用以下三个措施：一是在优先保证Z轴方向安全距离情况下，X轴和Y轴两个方向上实现同步快速运动，其中X轴和Y轴方向速度在界面可以作为参数来设置，加速度时间最快调整到0.2s；二是优化Z轴，根据不同工件可以设定拧紧枪的不同起始高度位置及拧紧过程中运动的上升最高位置，尽量减少无效运动，同时可参数设定枪的允许快速下降预定区域，慢速下降区域 ，加速度时间最快调整到0.25s；三是工件随Y轴进出设备的起始位设定为可调，以方便生产方调整到安全情况下最佳时间、效果。

图3 扩展功能正向拧紧控制策略

2.3 拧紧策略编程

德派AST11是一款性价比较高，多组拧紧灵活编程选调的自动拧紧枪，通过浏览器登录设备默认IP控制器可以组态实现16个不同功能的拧紧流程。设备在拧紧枪头下行寻找目标螺栓头的过程中，采用了间隙交替调用正向拧紧力矩控制和反向拧松力矩控制枪头慢速旋转过程；当枪头的套筒套住螺栓头后，设备调用扩展功能正向拧紧加延时时间检测控制策略，扩展功能正向拧紧控制策略见图3。在标识1中设置落座扭矩并设定上下极限，同时设定一个快速转速。在标识2中设置一个低于落座扭矩的扭矩，同时配置一个较低转速，这样在拧紧枪高速拧紧达到标识2的扭矩时，转入低速运转直至到达落座扭矩，拧紧停止。这样既可以保证拧紧的快速性，又可以减少对工件的破坏，避免造成过扭矩报警。同时系统设定延时时间以实现最大预紧效果。

2.4 多功能设定

为满足客户的多功能需求，比如需要对单个螺栓一键拧松或拧紧测试，这时并不一定需要对所有功能进行设定，可以对螺栓是否存在检测、力矩是否合格检测等进行功能设定。当设定完成后，在当前画面显示情况下，用户启动拧紧拨杆，设备将根据设定实现特定的操作，同时对各级运行设备提供单独操作调试画面，以测试并保证各级设备在正常运行情况下投入使用。多功能设定界面见图4。

图4 多功能设定界面图

3 结束语

该设备研发从设计到投运总计约1个月时间，架构容易搭建，性价比高，制造速度比较快，目前已经有效应用在某德资减震器有限公司的实际生产中，且显著提高了生产效率，保证了螺栓力矩正确一致性，同时极大减少了人工成本，降低了工人的劳动强度，并可以实现24h无差错的工作制，有效保证了大批量生产及时供应，这种思路及技术实现方式在我国汽车零件制造自动化程度提高上面有一定的普遍意义和参考价值。