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在汽車市場競爭越來越激烈的今天，提質(zhì)是汽車量產(chǎn)廠重點考慮的課題之一^[1]。樣車試制作為量產(chǎn)前的重要造車環(huán)節(jié)，為生產(chǎn)線造車充分開展工藝驗證和產(chǎn)品驗證。在樣車試制總裝車間約有30%的螺紋連接零件，因此螺紋連接零件的質(zhì)量直接影響試制整車裝配質(zhì)量，螺紋連接零件擰緊防錯也成了至關(guān)重要的課題^[2-3]。

汽車量產(chǎn)生產(chǎn)線的工位很多，有足夠的場地布置大量設(shè)備和工具，并且平均分到每個工位的緊固件數(shù)量和扭矩種類非常少，大多采取一對一工具配置和防錯設(shè)計，成本較高，但設(shè)計相對簡單^[4]。而在樣車試制線工位數(shù)量少，在一個工位需要完成大量零件裝配，是典型的單工位多扭矩操作環(huán)境，需要考慮用盡可能少的工具滿足大量零件的裝配需求，因此工具一機多用是趨勢。這種環(huán)境，極大地提升了防錯設(shè)計的難度，無法直接沿用大規(guī)模量產(chǎn)線成熟的擰緊系統(tǒng)及防錯設(shè)置，而傳統(tǒng)的人工控制方法又難以達到質(zhì)量控制的要求，急需設(shè)計一套新的擰緊防錯系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)防錯需求

樣車試制車間是典型的單工位多扭矩的操作模式，螺紋連接的質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)整車的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)以手動工具擰緊和人工記錄結(jié)合的控制方式，可能存在的失效模式如下。

a.扭矩錯誤，實際打緊的扭矩值與工藝要求不符；

b.擰緊完成扭矩顯示合格，但實際夾緊力不足；

c.漏擰或重復(fù)擰緊，單個工位需要多螺栓螺母擰緊的操作環(huán)境，操作員容易在裝配過程中遺漏個別緊固件或同一位置多次擰緊^[5-7]。

汽車量產(chǎn)線在自動防錯應(yīng)用上，除了1 對1 的工具配置，也有部分1 對多的工具應(yīng)用，即1 把工具擰緊多個扭矩，大多采取套筒防錯或掃描條碼防錯方式，通過套筒或條碼綁定特定的工具和擰緊程序，當拿取套筒或掃描條碼時，激活對應(yīng)的工具和擰緊程序，達到工具防錯和擰緊程序防錯的目的^[8-9]。在樣車試制線如果使用量產(chǎn)工廠主流的掃描防錯與套筒防錯方案，意味著每個工位存在大量套筒和條碼。工人難以保證掃描正確的條碼和拿到正確的套筒。同一個工位存在大量螺栓可使用同一個套筒，意味著套筒的物料防錯作用失效。在這種單工位多扭矩的復(fù)雜操作環(huán)境下，考慮擰緊系統(tǒng)的防錯設(shè)計，開發(fā)新的扭矩擰緊系統(tǒng)已成為試制過程擰緊質(zhì)量保證的必由之路。

2.2 無線工具和擰緊防錯系統(tǒng)架構(gòu)

無線工具和擰緊防錯系統(tǒng)架構(gòu)示意見圖1，系統(tǒng)包括1臺主服務(wù)器，多臺扭矩小車工作臺（電腦工控機、控制器、涉及不同量程的多把工具）和其他配件。

主服務(wù)器用于中心化管理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、管理及修改。

扭矩小車工作臺的工控機用于點擊確認零件，數(shù)據(jù)顯示，防錯反饋集成?？刂破饔糜诠ぞ唑?qū)動，與工具無線連接。

擰緊工具的量程覆蓋所有緊固點，工具使用無線連接，由控制器驅(qū)動工具，能實時采集操作過程中的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

每個硬件（服務(wù)器，控制器、一體機、工具）分配獨立IP 地址，聯(lián)網(wǎng)控制。每把無線工具可以設(shè)置上百組擰緊程序。控制器集中布置，設(shè)置專用機架存放?？刂破髋c服務(wù)器有線連接，工作臺實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無線化。

擰緊系統(tǒng)的防錯程序設(shè)計通過設(shè)置緊固件工藝清單、擰緊程序庫及工具庫的工藝參數(shù)，實現(xiàn)當選中零件時系統(tǒng)各模塊間的工藝參數(shù)自動匹配功能，完成系統(tǒng)自動選取運行程序和可使用的工具。圖2 所示為系統(tǒng)各模板的運行邏輯。

圖2 擰緊程序系統(tǒng)運行邏輯示意

a.緊固件工藝清單。工藝工程師對試制BOM（零件清單）分配工位，從BOM 中匹配零件的零件號、零件數(shù)量、零件名稱等零件信息篩選出需要緊固的零件清單，制作緊固件工藝清單，根據(jù)工程發(fā)布的扭矩設(shè)定擰緊工藝參數(shù)，含扭矩、角度、速度、擰緊步驟、擰緊位置、擰緊數(shù)量等。通過維護緊固件工藝清單實現(xiàn)對各參數(shù)的精準設(shè)置，防止打緊時扭矩、角度及打緊數(shù)量錯誤。

b.擰緊程序庫。在系統(tǒng)中對所有已經(jīng)識別扭矩編寫擰緊程序，形成擰緊程序庫。擰緊程序依據(jù)“扭矩大小、角度、速度、擰緊步驟”多個工藝參數(shù)全部一致來確保唯一性。上傳造車零件的緊固件工藝清單后，系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)入的緊固件工藝清單中零件對應(yīng)的扭矩角度等信息與系統(tǒng)中設(shè)定的擰緊程序庫對比，使零件與擰緊程序匹配并為其分配相應(yīng)的擰緊程序編號，對于導(dǎo)入緊固件工藝清單時提示未匹配到對應(yīng)程序的緊固件，需要工程師在程序庫中新增擰緊程序，為每個零件配備唯一的擰緊程序。上傳緊固件工藝清單到系統(tǒng)后，系統(tǒng)依據(jù)“扭矩大小、角度、速度、擰緊步驟”多個工藝參數(shù)的一致性，從擰緊程序庫給每個緊固件匹配擰緊程序號，當系統(tǒng)中無可匹配擰緊程序時按照步驟新編擰緊程序。

擰緊程序庫作為緊固件工藝清單與工具的紐帶，實現(xiàn)了由零件直接激活工具，與量產(chǎn)線使用的由套筒或掃描條碼激活工具的方式完全不同，在樣車試制單個工位包含多種扭矩，防止因套筒選用或零件掃描錯誤導(dǎo)致工具選用及扭矩角度程序選用的錯誤。

c.工具庫。實際擰緊操作時在人機交互界面上選中緊固件，系統(tǒng)激活匹配好的擰緊程序，同時判斷與扭矩車連接的工具工作扭矩量程，角度量程和速度范圍是否能覆蓋擰緊程序的工藝參數(shù)要求。符合要求的工具中，按照預(yù)設(shè)規(guī)則排序，激活優(yōu)先級最高的一把工具。無適用工具時，提示連接新工具。

3.1 緊固件工藝零件清單制作

緊固件工藝零件清單由工藝工程師制作提供。零件關(guān)鍵信息包括零件名稱、零件號、扭矩、裝配工位/工序/子順序、扭矩、關(guān)鍵緊固點、單車用量、擰緊點數(shù)和擰緊位置等信息，給實際擰緊過程提供正確的擰緊工位、擰緊點數(shù)、扭矩范圍、角度范圍等參數(shù)，給擰緊程序號及工具選用提供基礎(chǔ)參數(shù)。在制作緊固件工藝零件清單時需要注意以下幾點內(nèi)容。

a.拆分扭矩信息。當扭矩類型是扭矩控制角度監(jiān)控的，輸入扭矩標準值和扭矩公差；當扭矩類型是角度控制扭矩監(jiān)控的輸入貼合扭矩值、角度上限和下限值^[10]。

b.多扭矩多工位拆分零件。實現(xiàn)每個工位每次操作只包含一種扭矩，防止打緊程序和工具選用錯誤，避免漏打緊和錯誤打緊。多扭矩拆分，如整車線束接地點的扭矩信息含9 N·m和22 N·m，接地緊固件為車身自帶件，接地點扭矩信息釋放在整車線束上，因此需要將整車線束9 N·m和22 N·m的打緊拆分成2次操作，避免扭矩錯誤打緊。多工位拆分，整車線束接地打緊工藝分布在TR（內(nèi)飾）和CH（底盤）工位操作，當TR4 工位打緊完成但CH4 工位還未打緊時，人機界面的零件狀態(tài)顯示紅色，待CH4工位的接地打緊合格后零件狀態(tài)才轉(zhuǎn)綠，避免零件漏打緊。

c.帶預(yù)緊操作拆分零件，對于高強度緊固件要準確控制預(yù)緊力，增強連接的緊密性和剛性。如發(fā)動機懸置螺栓扭矩要求，首先預(yù)緊到32～48 N·m，再終緊到100 N·m 加上60°～75°要求，最終監(jiān)控到的扭矩在120～240 N·m。該類擰緊操作需要嚴格拆分成預(yù)緊和終緊兩步，準確實施預(yù)緊操作，確保使用安全。

3.2 電動工具擰緊程序庫設(shè)計

擰緊工具設(shè)置2 段式擰緊程序，第1 階段為旋入+預(yù)緊階段，第2 階段為擰緊階段，2 階段間設(shè)置短暫停頓，連接件在動態(tài)擰緊完畢后，由于材料本身的形變特性，實際會有“松弛”現(xiàn)象，而且越是軟連接，這個現(xiàn)象越明顯，設(shè)置2 步之間的停頓，使連接件在第1 步完畢后能得到足夠的“松弛”，從而盡量減少對第2 步最終扭矩的影響。

重復(fù)擰緊防錯。螺栓是否被重復(fù)擰緊可以通過監(jiān)控轉(zhuǎn)過的角度來識別，正常情況下從開始旋入到擰緊結(jié)束至少需要幾圈，但重復(fù)擰緊同一顆螺栓，施加同樣的扭矩，那么轉(zhuǎn)過的角度會很小，幾乎為零，因此只要給電槍設(shè)置擰緊階段的最小角度值，在擰緊過程中檢測到螺栓轉(zhuǎn)過的角度小于這個最小值，說明這顆螺栓正在被重復(fù)擰緊，系統(tǒng)會發(fā)出警告。

基于試制過程單工位多扭矩及柔性化的操作需求，結(jié)合樣車試制車間多個具體項目緊固點的扭矩數(shù)據(jù)分析，整車涉及的安全關(guān)鍵零件和質(zhì)量關(guān)鍵零件扭矩范圍主要集中在3～400 N·m 范圍內(nèi)，因而配置了大小規(guī)格不同的5 把工具來滿足全量程范圍零件以及不同操作類型零件的固定。例如3～12 N·m、12～30 N·m、30～70 N·m 范圍的扭矩各配置了一把電槍，8～70 N·m、70～400 N·m 范圍的扭矩各配配置了一把扳手。其中8～70 N·m范圍優(yōu)先使用電槍擰緊，遇到不能使用電槍的場合，如制動管和氧傳感器，則使用開口扳手固定。然后不同的扭矩約有82 個，因此設(shè)置了82 個擰緊程序。如表1 所示。

表1 擰緊程序庫和工具配備信息統(tǒng)計

4.1 擰緊系統(tǒng)應(yīng)用層工作原理

系統(tǒng)應(yīng)用層工作原理圖見圖3。

在操作端，點擊項目號/車輛號/工位信息選中零件或通過掃描槍掃描調(diào)取零件，系統(tǒng)通過零件的裝配工藝需求數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中心中的程序庫進行自動比對，查找到合適的擰緊程序，并把程序號發(fā)送到工具庫，按照量程優(yōu)先級選擇出一把最優(yōu)的扭矩槍。實現(xiàn)零件與擰緊程序和工具的配對，從而實現(xiàn)由零件直接驅(qū)動對應(yīng)的工具和擰緊程序。相當于工藝數(shù)據(jù)直接驅(qū)動工具和擰緊程序，減少了中間分支過程，實現(xiàn)精確防錯。

操作員選用扭矩槍操作打緊，若扭矩打緊狀態(tài)異常，工具和顯示器出現(xiàn)紅色報警，打緊信息數(shù)據(jù)實時傳遞到服務(wù)器，并監(jiān)控角度、扭矩曲線狀態(tài)。

圖3 擰緊系統(tǒng)應(yīng)用層工作原理

4.2 應(yīng)用層防錯設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用界面示意圖如圖4。

a.選擇車輛和零件的防錯。通過掃描槍掃描車輛號調(diào)取出需要操作的車輛，并通過下拉按鈕選擇工位信息調(diào)取該工位的緊固件工藝零件清單，在選擇生產(chǎn)按鈕后，系統(tǒng)進入裝配模式，生產(chǎn)按鈕顯示藍色狀態(tài)。

b.選用工具的防錯。在工位零件清單中點擊需要裝配的螺栓與螺母，系統(tǒng)按設(shè)定規(guī)則自動選擇合適的工具和擰緊程序，選中的工具在扭矩小車界面的工具目視區(qū)上會高亮顯示。被選中的工具按開關(guān)能啟動，當沒有可用的程序時，有界面提醒需要增加擰緊程序。

c.擰緊過程防錯。操作過程中可根據(jù)過程狀態(tài)條和過程指示燈了解擰緊完成度，正常擰緊完成，過程狀態(tài)條100%完成，狀態(tài)條為綠色。當5 顆藍色信號燈亮起，擰緊完成。擰緊OK 綠色信號燈亮，擰緊NOK 紅色信號燈亮。擰緊合格，對應(yīng)的扭矩或者角度數(shù)字為綠色。

d.擰緊狀態(tài)防錯。即時結(jié)果區(qū)顯示當前操作擰緊結(jié)果，根據(jù)實際扭矩或角度值與擰緊程序的目標值判定擰緊結(jié)果是否合格，合格為綠色，不合格為紅色，若出現(xiàn)不合格，由班組長介入處理并記錄解決措施說明后方可執(zhí)行下一步操作。

e.擰緊計數(shù)防錯^[11]。當前操作的擰緊結(jié)果同時存入工序結(jié)果區(qū)中，并記錄實際扭矩和角度值，合格為綠色，不合格為紅色。當前擰緊點擰緊完成，自動跳到下一行。工位結(jié)果區(qū)自動計算更新“完成擰緊數(shù)量”，當“完成擰緊數(shù)量”等于“需求裝配數(shù)量”后，“擰緊完成”狀態(tài)為綠。

f.零件裝配位置的防錯。通過在扭矩小車界面的工藝導(dǎo)航區(qū)顯示需要裝配螺栓和螺母的裝配工藝，包括裝配位置、扭矩及強制安裝順序，直觀顯示裝配區(qū)域避免裝錯。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用界面示意

4.3 案例應(yīng)用

以某公司樣車試制車間A 項目試制總裝裝配車間運用擰緊系統(tǒng)為例，每輛車總裝裝配共分內(nèi)飾4 個工位（TR1、TR2、TR3、TR4）、底盤4 個工位（CH1、CH2、CH3、CH4）、門和發(fā)動機分拼共10 個工位，裝配IV001 車時，操作工選中TR1 的第一個零件車身側(cè)舉門撐桿支架的4 個螺栓，共4 個緊固點，動態(tài)扭矩要求為D22±3 N·m，工具目視區(qū)顯示量程為6～30 N·m 的電槍2 可以使用，選用電槍開始打緊，打緊過程符合扭矩控制角度監(jiān)控或角度控制扭矩監(jiān)控要求的，系統(tǒng)顯示擰緊狀態(tài)OK，TR1工位所有緊固點全部打緊且打緊狀態(tài)OK 后，TR1整體打緊狀態(tài)顯示綠色，才會進入到TR2，若有跨工位操作的需要班組長授權(quán)下一個工位開始操作，在10 個工位的打緊狀態(tài)均為綠色后，班組長才能在系統(tǒng)上交付車輛。A 項目的15 輛車在交付電器刷新前都已完成緊固點擰緊，且擰緊狀態(tài)OK，包括跨工位易漏打的零件，如車身線束9 個接地點分布在TR1 和TR2，前后制動管的左右兩端緊固分布在TR3 和CH1 工位等。擰緊系統(tǒng)可充分避免緊固點漏裝和錯裝問題，能100%保證總成擰緊交付合格率。

通過對單工位多扭矩復(fù)雜操作環(huán)境下的無線擰緊系統(tǒng)防錯研究，從程序?qū)雍蛻?yīng)用層進行防錯設(shè)計考慮，對緊固件工藝零件清單及電動工具擰緊程序參數(shù)的設(shè)置研究，對現(xiàn)場使用工具、擰緊過程、擰緊計數(shù)、擰緊狀態(tài)和擰緊位置的防錯設(shè)計，充分考慮操作現(xiàn)場防錯需求，有效避免了線下工具操作的漏操作、重復(fù)操作、扭矩未打緊等失效模式。