制動(dòng)夾鉗單元緊固件擰緊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

劉 鵬，黃 峻

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

在機(jī)械制造業(yè)，螺紋連接是機(jī)械產(chǎn)品裝配中必不可少的部分，而采用螺紋連接就必須進(jìn)行擰緊。制動(dòng)夾鉗單元是列車制動(dòng)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部件，其性能直接影響到列車制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)效率，與列車的安全息息相關(guān)，制動(dòng)夾鉗單元中夾鉗和制動(dòng)缸之間通過螺紋緊固件進(jìn)行連接，緊固件的松動(dòng)和脫落將會(huì)導(dǎo)致列車制動(dòng)失效，嚴(yán)重時(shí)造成顛覆。為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象，提高制動(dòng)夾鉗單元的質(zhì)量，就要求對其螺紋連接件的裝配進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，必須對螺栓的擰緊力矩進(jìn)行檢測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。手工擰緊存在偶然性，自動(dòng)擰緊能夠大幅提高檢測效率，達(dá)到工藝要求。因而針對這一情況，進(jìn)行了制動(dòng)夾鉗單元緊固件擰緊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 擰緊系統(tǒng)原理分析

螺紋連接的目的是使被連接件緊密貼合在一起，能夠承受一定的載荷，因此被連接件間應(yīng)該有足夠的壓緊力，才能確?？煽康倪B接和使用壽命，所以連接用的螺紋，在擰緊后要有足夠的軸向預(yù)緊力。對軸向預(yù)緊力的準(zhǔn)確控制直接關(guān)系到產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。力學(xué)分析表明，在彈性變形范圍內(nèi)，預(yù)緊力與螺栓的受力面積、伸長量及力學(xué)強(qiáng)度有關(guān)。而且如果螺栓的強(qiáng)度級(jí)別和尺寸確定后，預(yù)緊力僅與伸長量有關(guān)。但在實(shí)際裝配時(shí)，要準(zhǔn)確測量螺栓的伸長量，并用于控制其擰緊過程，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上非常困難。不管是被連接件間的壓緊力還是螺紋副上的軸向預(yù)緊力都很難直接檢測，只能間接控制。目前機(jī)械行業(yè)中將螺紋副的裝配扭矩看得越來越重要，裝配扭矩控制的方法通常有以下幾種。

（1）扭矩直接控制法

該方法是根據(jù)螺紋副的裝配扭矩MA與螺栓受軸向預(yù)緊力Ft之間的關(guān)系而建立起來的，是應(yīng)用較為廣泛的一種扭矩控制方法。螺紋副裝配扭矩的計(jì)算公式如下：

式中dn為螺紋支撐面摩擦力矩等效直徑；α為螺紋半角；β為螺紋升角；μ1為螺紋副摩擦系數(shù)；μn為螺紋支撐面之間的摩擦系數(shù)。

從以上公式可知，當(dāng)螺紋副設(shè)計(jì)確定后，dn、α、β等參數(shù)也隨之確定。影響螺紋副裝配扭矩和螺栓軸向預(yù)緊力大小的主要因素就是螺紋副摩擦系數(shù)μ1、μn，而當(dāng)螺紋角α=60°時(shí)可以近似認(rèn)為螺紋副摩擦系數(shù)和螺紋支撐面之間摩擦系數(shù)基本相等，即μ1=μn，于是根據(jù)以上公式按不同摩擦系數(shù)和不同規(guī)格直徑的螺紋計(jì)算出裝配扭矩參照值，工藝人員可以根據(jù)該值參照選定裝配力矩。擰緊曲線圖見圖1。

該方法的缺點(diǎn)是如果存在“螺紋交錯(cuò)”、墊圈缺失、螺栓斷裂、螺栓尺寸偏大、螺栓質(zhì)量較低等問題，連接件可能擰緊不充分或完全未經(jīng)擰緊（即使工具已確實(shí)施加了扭矩），因此系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)連接件存在的問題。

圖1 螺栓扭矩控制的擰緊曲線圖

該擰緊方法的選擇條件之一是轉(zhuǎn)角離差較大。一般用于不太重要的裝配工位。

（2）扭矩控制—轉(zhuǎn)角監(jiān)控法

該方法需使用機(jī)電一體化的制動(dòng)裝配控制系統(tǒng)，將最終擰緊扭矩分多段漸近，步進(jìn)設(shè)置停頓，擰緊速度每步遞增或按實(shí)際工況調(diào)整，直到最終達(dá)到裝配扭矩值。在終擰開始時(shí)記錄旋轉(zhuǎn)角度，通過轉(zhuǎn)角監(jiān)控可以很直觀地檢測出裝配過程中螺栓的質(zhì)量狀況，最大限度地提高裝配質(zhì)量。監(jiān)控值的大小一般需要通過試驗(yàn)得出，因?yàn)樾D(zhuǎn)角度的大小，實(shí)際上就是螺栓被拉伸和連接體受壓縮的長度和。擰緊曲線圖見圖2。

該方法具備以下優(yōu)點(diǎn)：

① 能夠保證擰緊作業(yè)正常完成；

② 能夠?qū)崿F(xiàn)均勻合格的連接質(zhì)量。

為達(dá)到以上兩點(diǎn)，系統(tǒng)在作業(yè)過程中對轉(zhuǎn)角進(jìn)行監(jiān)視，從而能夠發(fā)現(xiàn)“螺紋交錯(cuò)”、墊圈缺失、螺栓斷裂、螺栓尺寸偏大、螺栓質(zhì)量較低等問題。

在批量連續(xù)作業(yè)過程中，該策略還能夠使系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)所有重復(fù)擰緊的螺栓。扭矩控制—轉(zhuǎn)角監(jiān)控法一般用于要求較高的裝配部件，裝配精度可控制在3%～5%以內(nèi)。

圖2 螺栓扭矩控制的扭矩—轉(zhuǎn)角監(jiān)控法擰緊曲線圖

（3）轉(zhuǎn)角控制—扭矩監(jiān)控法

所謂轉(zhuǎn)角控制，并非從裝配開始就用角度記錄，而應(yīng)有一個(gè)起始點(diǎn)。首先必須使用扭矩法確定轉(zhuǎn)角控制的起始點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)表明，這個(gè)點(diǎn)一般設(shè)置在最終扭矩的50%～60%之間，停頓數(shù)秒后做終擰并開始計(jì)算角度，直到設(shè)定角為止，同時(shí)記錄這段角度所施加的扭矩值作為監(jiān)控值。如扭矩值太大，顯然該螺栓的材料抗拉強(qiáng)度太高，或熱處理材料太硬，或有壞扣現(xiàn)象；如扭矩值太小，顯然有滑扣現(xiàn)象，由此達(dá)到監(jiān)控螺栓材質(zhì)及裝配效果的作用。擰緊曲線圖見圖3。

與扭矩控制方法相比，該方法能夠更好地控制螺栓的應(yīng)力。該方法用于較為重要的裝配場合。

圖3 螺栓扭矩控制的轉(zhuǎn)角—扭矩監(jiān)控法擰緊曲線圖

2 擰緊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擰緊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用是根據(jù)規(guī)范要求對緊固件實(shí)施正確的擰緊，并對完成作業(yè)的各種動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，因此系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，產(chǎn)品裝配時(shí)擰緊精度要求為3%～5%，因此系統(tǒng)采用扭矩控制-轉(zhuǎn)角監(jiān)控的擰緊方法。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件由條碼掃描槍、扭矩扳手、擰緊控制箱和服務(wù)器組成（見圖4）。條碼槍是為了通過掃描產(chǎn)品條形碼將產(chǎn)品的信息與擰緊時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，扭矩扳手和擰緊控制箱是本系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，選擇扭矩扳手時(shí)要從擰緊扭矩精度、擰緊復(fù)位精度（扭矩值）、轉(zhuǎn)角精度等幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行選擇，而選擇擰緊控制箱時(shí)要從可編程控制循環(huán)數(shù)量、每個(gè)循環(huán)可控制的步驟數(shù)、可選擇的擰緊策略種類、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和是否具有網(wǎng)絡(luò)功能等幾個(gè)方面進(jìn)行選擇。服務(wù)器是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的中心，主要考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大小、CPU速度等指標(biāo)。

本系統(tǒng)軟件是通過專用數(shù)據(jù)軟件（LabView軟件）和對LabView軟件的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場多種品牌的電動(dòng)扭矩扳手進(jìn)行集成，并對擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、查詢和簡單的統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)兼容其他品牌擰緊工具。

軟件實(shí)現(xiàn)的功能為：

（1）數(shù)據(jù)采集部分：服務(wù)器軟件通過以太網(wǎng)連接擰緊工具的控制器，根據(jù)工具廠商提供的通信協(xié)議讀取每臺(tái)控制器的每次擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理部分：系統(tǒng)根據(jù)對讀取數(shù)據(jù)的條碼進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定當(dāng)前數(shù)據(jù)是直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫里還是要更改后再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫里，當(dāng)讀回來的條碼是維修條碼時(shí)，把相應(yīng)的維修之前的擰緊結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)把維修條碼更改為正常的工件條碼，同時(shí)也標(biāo)記本條擰緊數(shù)據(jù)為維修數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)查詢部分：可以根據(jù)不同的查詢條件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和查詢，具體為以下幾類：

通過輸入擰緊工作站（IP地址）查詢某一工作站的擰緊數(shù)據(jù)；

通過擰緊時(shí)間段查詢；

通過輸入產(chǎn)品序列號(hào)（條碼編號(hào)）查詢；

通過擰緊工位或工序查詢；

通過擰緊狀態(tài)查詢；

對裝配錯(cuò)誤的工位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等。

（4）統(tǒng)計(jì)分析部分：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制直方圖、XR圖和計(jì)算工藝能力系數(shù)（Cpk）等結(jié)果。

（5）其他說明：本項(xiàng)目按照不少于100臺(tái)工作站流量設(shè)置，傳輸速度快，具有可拓展的接口。

擰緊過程流程圖見圖5。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成圖

圖5 擰緊過程流程圖

3 現(xiàn)場運(yùn)用

本文研究開發(fā)的制動(dòng)夾鉗單元緊固件擰緊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后主要運(yùn)用于制動(dòng)夾鉗單元關(guān)鍵緊固件的連接安裝，主要運(yùn)用對象為閘片托連接副、制動(dòng)杠桿連接副、制動(dòng)缸連接副、連接桿連接副和缸體連接副等，設(shè)計(jì)過程中選擇了扭矩控制—轉(zhuǎn)角監(jiān)控的策略進(jìn)行控制。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：

（1）主要安裝對象：M12螺釘，包括圓柱頭內(nèi)六方螺釘（SW10）、六角螺釘（SW17）；

（2）次要安裝對象：M5～M20螺紋緊固件；

（3）主要扭矩范圍：（50±7%）Nm；

（4）次要扭矩范圍：20～100Nm；

（5）扭矩控制精度：≤±3﹪；

（6）擰緊復(fù)位精度（扭矩值）：≤±3%；

（7）角度控制精度：≤±2°；

（8）空轉(zhuǎn)速度：200～600r／min（轉(zhuǎn)速可調(diào)、轉(zhuǎn)向可調(diào)）；

（9）Cpk值不低于1.67。

系統(tǒng)構(gòu)架圖見圖6。

鑒于生產(chǎn)工位分布不集中的情況，車間的網(wǎng)絡(luò)安裝示意圖如圖7。

圖6 系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖7 車間網(wǎng)絡(luò)安裝示意圖

對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行如下配置，即可滿足工作站聯(lián)網(wǎng)要求

（1）掃描槍1把；

（2）交換機(jī)1臺(tái)（1～3臺(tái)工具共用一臺(tái)）；

（3）網(wǎng)線100m（平均計(jì)算）；

（4）電源插板一個(gè)；

（5）交換機(jī)安裝盒一個(gè)；

（6）每個(gè)螺栓對應(yīng)的維修條碼；

（7）擰緊機(jī)。

該系統(tǒng)在運(yùn)行試驗(yàn)中根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和工藝要求，調(diào)整控制參數(shù)，建立起適合本系統(tǒng)的控制模型，最終達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文探討的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，不同于通常的單一扭矩控制方法，而是考慮到螺紋擰緊過程的漸變性，通過扭矩和轉(zhuǎn)角兩個(gè)指標(biāo)對擰緊過程進(jìn)行監(jiān)控，在數(shù)據(jù)處理階段運(yùn)用了現(xiàn)代質(zhì)量管理SPC的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能夠及時(shí)對工藝能力（Cpk）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用該系統(tǒng)可以避免手工操作帶來的隨意性和偶然性，通過該系統(tǒng)的使用工藝和質(zhì)檢人員能夠及時(shí)獲取質(zhì)量信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，條形碼的運(yùn)用使產(chǎn)品生命周期（PLM）的數(shù)據(jù)管理成為可能。本系統(tǒng)可以同樣適用于制動(dòng)盤組裝等工序。當(dāng)加入限位開關(guān)等元件的設(shè)置后，對螺紋連接部件進(jìn)行組裝可以起到定序、定量的作用。

［1］檀學(xué)瑩.噴油器緊帽自動(dòng)擰緊機(jī)的系統(tǒng)分析［J］.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2011，（9）：26-29.

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第二卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.