报废汽车车轮拆卸技术研究现状与分析*

檀志远 陈滨 孙丽英 徐俊梅

合肥科技职业学院 信息工程系 安徽 合肥 230000

1 报废汽车发展现状与综述

1.1 报废汽车报废率的形成

随着社会经济的逐步发展，科学技术能力的稳步提升，汽车工业发展正在迈向一个新的历史阶段。从1913年美国福特公司第一次开始大批量流水线生产汽车开始，从此社会经济进步与汽车工业发展相辅相成[1]。与此同时，汽车量的增加，增大了报废可能值的基数，这将是汽车报废量出现转折的一个历史新高点。根据相关部门最新数据显示，目前，国内机动车总存量大概3.8亿辆，超过2.9亿是汽车，但是，随着汽车更新换代淘汰下来的汽车的回收率仅为0.75%，这完全与当下中国的发展不匹配，也远低于发达国家的汽车回收率。此外，报废汽车回收与处理也面临许多棘手的问题，不法分子非法处理报废汽车的情况十分突出，让报废汽车不经安全处理流入黑市，造成这种现象的原因：一方面由于现今报废汽车行业监管法律不全，另一方面由于报废汽车行业回收拆解企业规模较小，使得大部分报废汽车流入市场，给社会带来了极大的隐患，如此一来，如何协调解决报废汽车循环发展与处理是如今面临的关键问题。从某种角度来说，如果把汽车比作一个独立的生命个体，那么从它出生到灭亡就存在一个生命周期，如果到达生命周期之后，没有对应的良性处理，这不仅仅是能源的浪费，更是一种能源的污染。所以，在努力践行可持续发展的道路上，健全报废汽车行业法律和扩大报废汽车行业企业容量是很重要的[2]。

1.2 报废汽车拆卸技术的发展趋势

虽然我国报废汽车数量和报废汽车轮胎都在迅速增加，但是报废汽车的拆解技术落后这个问题却日益明显，尤其是报废汽车轮胎的拆卸方法、拆卸工艺、拆卸工具和拆卸过程等。孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”，这也充分说明了工具对于工作的重要性。对于报废汽车的拆卸也一样，最关键的还是拆卸工具，同样拆卸工具的应用技术水平也代表了报废汽车的拆卸水平。并且，我国大部分拆卸企业对车轮连接螺栓和轮胎的拆卸更多的都是以人工拆卸为主，发达一些的城市，最多也只是实现了半自动化，存在着拆卸手段落后，对环境的污染大，同时存在着拆卸过程中的一系列安全隐患，大大降低了报废汽车车轮连接螺栓拆解的工作效率和轮胎降解的生产效率。因此，如何在报废汽车车轮连接螺栓和轮胎的拆卸过程中使用一些自动化工具代替人工来完成拆卸工作是报废汽车行业亟须解决的问题。在报废汽车轮胎的自动化拆卸过程中首先需要解决的技术就是连接螺栓的拆除，然而在实际的拆除过程中，已经存在了半自动化的拆卸工具，比如电动螺丝机和套筒扳手等，但是电动螺丝机和套筒扳手只能通过人工逐个拆卸轮毂上的连接螺栓，使得单位时间内拆卸量低下，不能满足当下安全高效的工作任务。

视觉机器人技术作为当前比较成熟的应用技术，已经广泛应用于各行各业，如果在拆卸的过程中引入视觉机器人来完成，就可以极大地解放劳动生产力，提高拆卸效率，并且降低安全隐患，对于拆卸作业来说就可以花更多的精力去进行其他部件的拆卸，将报废汽车整车的拆卸率提升一个更高的水平。然而，在新的研究热点中提出将视觉识别技术应用到报废汽车拆卸中，以机器人工具技术为基础，从拆卸机械手末端执行器设计出发，并基于三维软件和构建虚拟报废汽车车轮连接件拆卸工作环境，应用仿真软件对专用末端执行器实现仿真拆卸过程。

2 报废汽车车轮连接螺栓拆卸技术研究

2.1 报废汽车车轮连接螺栓种类

汽车车轮作为汽车重要的部件之一，螺纹连接件也是汽车安装过程中重要的基础件之一。车轮是承受汽车质量及运行冲击力的关键件，其螺纹连接件用于连接轮毂和轮辋，如果在行驶中失效会导致车辆的行驶安全性能降低，导致安全事故的发生，因此是关键性零件。

经调研发现，国内外大量常见家用汽车车轮连接螺栓一般以四孔和五孔居多，也有三孔等特殊形式。汽车的性能以及款型不同的，轮毂的安装也不同。如宝马孔数多为五孔，PCD为112mm和120mm，孔数为四孔的定位车轮，PCD尺寸范围一般在100～120mm之间，锁紧螺母为M12mm；孔数为五孔的定位车轮，PCD的尺寸范围在100～130mm之间，锁紧螺母为M12mm或者M14mm，家用汽车的车轮螺母扭矩一般是在100～150N.m。

2.2 报废汽车车轮连接螺栓拆卸工艺

一般来说，拆卸在某种意义上被定义为装配的另一种形式，即逆向，然而实质上拆卸和装配有着本质的区别，比如说双方的工作条件不完全相同，工作角度也有一定的区别，而且一般报废拆卸的零部件都是锈蚀破损居多，但是装配的零部件自身条件相对较好。装配在作业过程中更多地注重准确化和无损化，而拆卸在作业过程中由于多种原因，更多的关注可有效回收零部件的经济价值和工作效率。在实际拆卸作业过程中，面对的零部件情况多种多样，可能有些零件无法达到完整拆卸作业条件，在进行详细拆卸方案制定时，前期根据零部件的自身状态再结合相关实验数据，具体分析拆卸方法再进行实际应用[3]。

以报废汽车车轮螺纹连接件拆卸为例，有两种方式可供选择，旋松法和破坏法。为了更准确有效地完成车轮螺纹连接件的拆卸工作，考虑到零件的外表状态、零件的重要性以及拆卸的有效性等重点因素。如图1是报废汽车车轮螺纹连接件拆卸路线。

图1 报废汽车螺纹连接件拆卸路线图

目前传统的报废汽车车轮拆卸方式，拆卸过程中主要存在的问题：①拆卸手段较单一，主要是以人工拆卸为主；拆卸工具单一，主要是以套筒扳手为主。②拆卸效率低下，主要是以单孔逐个拆卸；拆解工艺较差，没有统一的拆解步骤，拆解过程中容易造成污染环境，不符合环保要求等。

针对目前上述存在的问题，制定一条有针对性的目标螺栓连接件拆卸作业技术路线，从前端区分目标零件的外表状态，再次按照要求进行拆卸或者破坏，从而提升报废汽车螺栓连接件拆卸的工作效率。

2.3 报废汽车车轮连接螺栓拆卸工具

在面向四孔定位车轮和五孔定位车轮拆卸的过程中，为了提高报废汽车的拆卸效率和保证拆卸部件的完整性，报废汽车相关企业需要配备常用的专业工具。

目前，市场上常见的拆卸工具大都是以单孔拆卸为主，车轮拆卸方式单一和提高车轮拆卸效率是目前亟待解决的问题。一般来说，在汽车维修厂或者4S店中，车胎是我们经常需要进行更换和修补的，在更换修补的过程中就涉及对车轮的拆卸工作，基本都是通过套筒或者扳手等工具对车轮上的紧固螺母进行逐个拆卸，常见的拆卸对象有多种类型的定位车轮，但是拆卸工具单一且效率低下的问题同样存在，同理，关于报废汽车拆卸行业中车轮的拆卸与回收也存在着这样的问题，落后的拆卸工具和效率低下的拆卸方式，大大地限制了报废汽车拆卸行业的发展与进步。在面向报废汽车车轮拆卸的过程中，需要用到的工具主要是针对螺纹连接件的拆卸，再配备一些必要的辅助设备。

3 报废汽车车轮拆卸机器人工具技术研究

3.1 机器人工具分类

工业机器人在许多领域的应用正在逐步取代人工作业，一方面提高了作业效率，另一方面还降低了作业危险系数以及对人体的损害等。在报废汽车车轮具体拆卸过程中，工具的使用和型号的配对都是通过人工操作来实现，所以任务相对来说复杂，耗时。因此，将一般常用工具通过改进性设计作为机器人的末端执行器，结合机器人视觉识别技术，从而控制机器人来实现报废汽车车轮拆卸过程和搭建机器人拆卸工作平台对推动报废汽车行业发展具有重要意义[4]。

3.2 机器人工具自动更换技术

在国内，机器人的更换装置上被普遍研制，其中就包括上海理工大学，华中理工大学381及哈尔滨工程大学B391。通常，受限于作业内容，作业对象，作业环境，作业空间，作业方式，能源等因素，对于机器人操作器更换装置的结构，连接刚度，体积，重量，甚至更换速度提出了更高的要求。另外，机器人的作业环境在极限条件下更为复杂，为了减轻未知因素和扰动的影响，机器人具备较高的精度控制和作业质量水平就尤为重要。关键取决于机器人是否具备较强的感知能力和决策能力。

在国外，ARHC system自动更换装置比较典型，典型的原因在于这套系统能够实现工具的自动换接，并且自动换接的方式多样化，除了通过机械、液压的方式，甚至还能实现在电子方式下的换接，它最早于20世纪80年代初被Rankyzai在英国的诺丁汉开发，除了能够实现多种方式的工具自动换接，后来随着研究的深入，姿态错误的检测能力、视觉和其他的传感器能力也被逐步添加，这项设计的成功在于它的简单、精确和高柔性，机器人工具换接机构能够为装配或者其他生产过程实现低成本、高效率。一般情况下，工具的自动换接能够在2-3S内完成。通常，工具自动更换系统由工具库、与操作器相连的被接端口与腕部相连的主动端口三部分和Robot Tool软件系统组成，其中，工具库主要由底板、底座、光电传感器、电机等组成；主动端口由机械本体、推销、弹簧、电连接器（插头）以及由传感器构成的感知系统组成；被动端口由机械本体和电连接器组成，主动端口与被动端口的位置与姿态可机械本体上的过光孔和台阶来确定，槽和凸台与底座上的位置相对应[5]。

4 结束语

本文主要是针对目前报废汽车行业中车轮拆卸存在的一些问题，首先制定一套新的报废汽车车轮拆卸工艺路线；其次以报废汽车车轮拆卸为目标零件，通过对报废汽车车轮相关属性的研究分析，提出车轮拆卸专用工具的设计；根据机器人工具技术的发展水平，合理利用机器人工具技术和机器人工具的自动更换技术，从而为车轮拆卸做好准备；最后完成一套车轮拆卸方案的制定，对相关拆卸单元进行技术分析，为报废汽车车轮拆卸机械手的总体方案结构设计做好铺垫。