定制化的车辆前束外倾螺栓力矩监控系统

冯东明，陈睿鹏，龙培，陈国锐

（广汽乘用车有限公司，广东 广州 511434）

0 引言

汽车装配完成后，需要在四轮定位设备工位处，对车轮前后轮的前束外倾角度进行测量并调整。调整至合格角度范围后，需通过扳手紧固螺栓。螺栓力矩必须达到设计标准，如紧固不到位，车辆在行驶过程中会因螺栓松动而发生前束外倾变动，轻则轮胎磨损加剧，重则会因操控性能发生变化导致安全事故发生。

螺栓紧固失效的模式[1]主要有：①遗漏或重复扭紧；②螺纹扭坏导致出现假力矩；③力矩错误；④错误/遗漏零件；⑤重复性差。鉴于前束外倾螺栓力矩对于行驶可靠性的重要影响，为消除上述问题，可构建定制化的力矩监控系统。

1 定制化的力矩监控系统结构

系统拓扑图如图1所示，（1）控制柜部分：主要包括工控机和PLC，其中工控机搭载应用软件，作为数据接收和存储终端，PLC则作为信号采集处理的核心；（2）工具部分：包括电动扳手和带通讯的开口扳手，及其相应的控制器；（3）配套部分：包括作业显示屏、异常按钮盒、扳手选择器等[2]。

图1 系统拓扑图

2 定制化的力矩监控系统工作流程

系统工作流程图如图2所示，（1）车辆进入四轮定位设备，车辆扫码，力矩监控系统获取该车辆的基本信息，同时四轮定位设备互锁；（2）力矩监控系统将操作指引界面传输至作业显示器中；（3）车辆前束外倾角调整后，作业人员根据系统指示选取相应的扳手；（4）作业人员依据操作指引界面依次打紧各个前束外倾螺栓，力矩监控系统实时记录并比较力矩值，达到标准范围时，操作指引界面显示相应提示；（5）单个螺栓达到力矩范围后，操作指引界面转到下一螺栓，指引作业人员继续作业；（6）完成所有紧固之后，系统将车辆的力矩数据保存至服务器中，车轮定位系统解锁，车辆驶出设备。

图2 工作流程图

3 定制化的力矩监控系统的功能剖析

3.1 平台化

应用于汽车前束外倾螺栓扭紧的扳手可以分为两类，一类是带通讯的手动扳手，一类是电动扳手。在目前市场下，各类品牌、各种型号的扳手层出不穷，封闭式的系统存在无法兼容、无法扩容等局限性。为此，需搭建平台化的力矩监控系统，可细分为三个特征：①针对扳手数量：系统定制开发，能接入管理数量不限的扳手；②针对扳手品牌：不限制扳手品牌，只要符合通讯协议要求，均能接入到系统中；③针对扳手类型：无论是带通讯的手动扳手还是电动扳手，均能接入系统。

3.2 开放化

在汽车制造厂中，一般多为多车型混线生产，每种车型都有各自固定的螺栓力矩值。为了便于日常的数据维护和系统操作，需搭建开放式的人机界面：①维护界面：界面开放，需紧固螺栓数量、力矩值、匹配扳手等参数均可依据生产工艺预设；②操作界面：直观显示作业工件图像及需紧固的螺栓位置，设计了倒计数提示，另外，工件图片及螺栓位置均为组态可调；③权限管理：基于角色的系统安全控制模型，整个访问控制过程分成两个部分，即访问权限与角色相关联，角色再与用户关联，从而实现了用户与访问权限的逻辑分离。

3.3 互联化

车辆的前束外倾角度需调整至合格范围，才能对螺栓实施紧固。前者利用的是四轮定位设备，后者利用的是力矩监控系统，这意味着两个设备之间必须有定制化的深度互联，才能够共同保证产品品质。

（1）扫卡互联：为简化作业，通过增加串口分配器的方式，实现四轮定位设备与力矩监控系统共用一把条码枪的功能，即扫条码一次，条码数据同步传送至两台设备。

（2）设备互锁：通过四轮定位设备与力矩监控系统的交互，实现设备互锁。车辆进入四轮定位后，会有挡板限制车辆驶出，当前束外倾调整后，四轮定位设备发出信号，指示可以开始螺栓紧固。力矩监控系统判断紧固完成后，再发出指令给四轮定位，指示可下降挡板，以此实现互锁。同时，为了解决某一设备故障导致另一设备不可用的情况，亦可实现解锁，两设备互不关联。

3.4 数据化

（1）数据报表[3]：紧固过程各项力矩数据均存储在服务器中，系统能生成报表分析图，如CPK值等，以便用于车辆力矩品质管控和扳手工具能力分析；

（2）质量追溯：存储于服务器的数据能实现查询、导出等功能，起到质量追溯作用。

3.5 可视化

（1）显示屏[4-5]：四轮定位岗位给地面、地坑前轴、地坑后轴三处均布置前束外倾角显示屏及力矩监控系统显示屏，合计6个。其中地面上为综合屏，全面显示各项信息，地坑下为单轴屏，只显示对应轴的情况，定制化界面更利于操作员作业；

（2）指示灯/蜂鸣器：设备装有状态指示灯，绿灯代表无异常、红灯代表故障，故障时蜂鸣器同步发出警示音。

3.6 场景化

在汽车制造厂中，如果在四轮定位设备的后工序中，对于底盘或相关部件需要进行返修，则需要重新过线检测，部分车辆可能需要重调前束外倾及力矩紧固。另一方面，某个螺栓可能滑牙无法紧固，同一个螺栓可能扭紧两次等，这都意味着力矩紧固的场景是复杂的。为此定制一个操作盒，提供多位场景选择，常规的按钮设置如下：①不打：重过线车不需力矩紧固；②跳过：跳过当前螺栓，紧固下一个螺栓；③回退：退回上一个螺栓紧固；④复位：当前车辆全部螺栓重新紧固一次。

3.7 防错化

防错即避免选择错误的力矩工具，导致无法满足品质要求。如图3所示，在电动扳手应用场景，可使用套筒选择器，即将同把扳手的多个套筒放入一个选择器中，当识别出车辆所需的套筒型号后，选择器对应位置亮灯提示对应套筒。因前束螺栓调整一般需要开口型扳手，频繁拆装扳手头无法满足工时要求，故定制化制作扳手选择器，能放置多把扳手，每一把扳手旁都有指示灯提示。

图3 扳手选择器

4 结语

本文提出了一种定制化的车辆前束外倾力矩监控系统，详细介绍了系统结构和工作流程，深度剖析系统的平台化、开放化、互联化、数据化、可视化、场景化、防错化各项功能，为汽车制造厂解决前束外倾螺栓力矩品质监控提供解决方案，促进汽车品质管控能力的提升。