車載充電機擰緊工藝缺陷與解決方案綜述

錢彬彬

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110000）

近幾年，在國家政策的支持下，新能源汽車產銷量保持較快增長，國內龍頭汽車廠商已有宣布停產燃油車，全面切入新能源汽車賽道。而車載充電機（OBC）是固定安裝在電動汽車上用于控制和調整蓄電池充電的電能轉換裝置，功率國內小功率居多，如2～4 kW。國外目前大功率充電機居多，如9.6 kW、22 kW 等。充電機裝配目前國內多以手工裝配或半自動裝配為主，個別工藝如某工序螺釘較多會采用自動打釘，但大部分都是人工手持氣動扳手完成螺釘初擰，產線最后一個工序，再采用專用電動擰緊軸復擰。這樣易導致螺釘鎖緊一致性不好，螺釘出現浮鎖，充電機內有掉落的螺釘顆粒，生產效率低，質量不可追溯等系列問題。為應對智能電動車對充電機的高質量要求，需要不斷優化充電機自身的結構，符合自動化需求，同時行業提升其自動化裝配比例，保證質量，完成擰緊力矩采集，信息質量追溯等多維度需求。

1 充電機擰緊工藝分析

1.1 充電機裝配工藝

充電機含擰緊、涂膠、裝配3 大工藝，而緊固件對充電機的生產、使用都是相當重要的。由于電動擰緊軸精度高、性能穩定，并具有防錯和可追溯性等功能，所以電動擰緊軸的應用可以有效保證充電機裝配質量。充電機裝配工藝80%為螺栓緊固操作，并且其中對于擰緊檢測大部分為扭矩檢測，電動擰緊軸可以對擰緊螺栓記錄扭矩大小，有效地提升了擰緊質量。

使用自動擰緊過程的情形，主要考慮因素如下。

1）規劃總產能及產線節拍。

2）工藝排布考慮柔性線生產，適合多型號混流生產。

3）單工序螺釘種類集中，數量較多。

4）擰緊精度等級與質量管理級別。

擰緊系統需要針對擰緊位置的情況進行分析，以此確認擰緊類型。擰緊干涉類型通常有平面無干涉、單邊干涉、多邊干涉和沉孔干涉。擰緊位置周邊的干涉情況是決定采用何種擰緊模塊的關鍵因素。

1.2 擰緊工藝實例

自動擰緊工位，具備螺釘種類唯一、螺釘數量較多，要求精度等級高、質量管控可追溯等要求。此處以充電機中PCB 板擰緊過程為例，如圖1 所示，充電機在PCB 板零件裝配到位后，需要用標準螺釘對其進行鎖緊，螺釘鎖緊要采用十字交叉，順時針方向逐次擰緊到位，自動化動作見表1。擰緊工藝可以按照工藝實驗結果進行，如選用自攻釘、彈墊螺釘、耐落螺釘和平螺釘等，從而保證裝配工藝的質量。

圖1 OBC 實物圖

2 自動擰緊方法分析

2.1 氣吸釘

氣吸方式，三軸機器人帶動吸釘模組，如圖2 所示。采用負壓方式，從固定供釘位置取釘，并移至打釘位置進行螺釘鎖緊。不同材質（如不銹鋼、碳鋼等）的螺釘均可以完成螺釘的取料，并且較為適合精益化生產。過程中可對每顆螺釘進行長度檢測、氣吹洗螺釘表面異物。通過對選用伺服型擰緊軸，可對擰緊螺釘進行扭矩和行程進行監控和數據采集。此種方式動作流程較多，適合精益化生產管理，節拍占用時間長。

圖2 單軸吸釘擰緊站

2.2 磁吸釘

螺釘材質屬于碳鋼系列，且具備被磁化，則可考慮磁吸方式，當單個工位螺釘較多（大于8～10 顆），可采用多頭打釘方式，一次性完成8～10 顆釘吸取，并逐一打釘，省去擰緊與取釘位置多次往返時間，綜合節拍快、效率高。打釘頭運動執行機構通常有2 種方式選擇，直角坐標機器人及SCARA 機器人方式，如圖3所示。

圖3 多頭磁吸擰緊站

2.3 吹釘方式

吹釘適合于高效送釘，節拍快的產線，由于其端部有鴨舌型夾頭，故適用擰緊周邊無干涉的情況。但對螺釘最大直徑和螺釘總長有一定幾何尺寸要求，最終檢驗標準為螺釘在送釘管內夾角不小于30°，如圖4 所示。螺釘被吹送入槍頭后，夾持塊能夠很好地扶持住螺釘螺紋段，確保螺釘能夠在擰緊時保持良好的姿態。結構較為堅固耐磨，可以適應一定的位置偏差。無需工具可以直接將螺釘從槍頭中取出，如圖5 所示。

圖4 螺釘氣吹判據夾角

圖5 氣吹擰緊軸末端機構圖

2.4 吹加吸釘方式

吹釘適合于高效送釘，節拍快的產線，且螺釘周邊有干涉結構的狹小空間擰緊，如凸起、沉孔、過孔等，如圖6 所示。螺釘吹送至槍頭后，夾持塊能很好地扶持螺釘，保證真空吸取時處于較好的姿態。吸釘管頭部根據螺釘頭部定制，與螺釘頭部吻合，保證吸取螺釘時良好的氣密性和螺釘垂直度。夾持塊由氣缸驅動開閉，這樣避免了吸釘管和批頭與夾持塊的摩擦，防止螺釘吹送氣過大導致螺釘掉落，提高使用壽命，如圖7 所示。自制吸釘管和批頭，結構緊湊，通用連接端口，易集成到工作站流水線等系統中。

圖6 氣吹加吸判據間隙圖

圖7 氣吹加吸擰緊軸末端機構圖

S＞D/2+2，其中D 代表螺釘最大直徑；S 代表螺絲刀中心至干涉壁垂直距離；不滿足此條件，則需要選用吹加吸釘方式。

3 手動擰緊工藝分析

手動擰緊（如圖8 所示），通常由智能平衡臂固定數控擰緊軸后，進行打釘。智能龍門臂，可以進行位置和順序防錯，如圖9 所示。螺釘采用螺釘排列機進行自動供料，排列機通常包含2 種類型，一類是自定位后，擰緊軸模組去固定位置吸取，另一類是自動吐釘，取出來后，放置在擰緊槍批頭末端。

圖8 手動擰緊標準站

圖9 智能龍門臂

4 擰緊質量管理

4.1 防螺釘護罩

螺釘打釘站，為防止螺釘掉落在殼體腔體內，造成質量事故，需要在螺釘安裝工位配置防護罩。在螺釘安裝位置正上方，開一個過孔，即使螺釘掉落，也落在防護罩上，不直接落在產品腔體內，不同產品通過更換防護罩過孔板即可完成兼容，如圖10 所示。

圖10 方螺釘蓋板

4.2 扭矩和行程點檢

擰緊軸在經歷長久的生產過程中，難免會有螺釘松動、設備自身故障、精度丟失等現象。為讓擰緊工藝始終保證質量，需要對擰緊工藝參數、扭矩及行程進行定期點檢，按大規模產線生產，通常按照生產要求在生產前進行點檢。

扭矩點檢，采用扭矩檢測儀固定在標準托盤上，自動從線首運行至線尾，逐個接受擰緊軸的擰緊動作，從而采集額定扭矩，超差則報警。

行程點檢，在點檢托盤上設置一個高精度的臺階塊，如臺階高度差為5±0.01 mm，通過收集擰緊軸接觸臺階表面記錄數據，自動運算△值，超差則報警，行程精度不符合規范要求，進行記錄和提醒。

4.3 擰緊曲線

擰緊曲線是扭矩隨著螺栓旋入角度的增大而變化的過程，包含扭矩、角度、時間及轉速等信息，通過對曲線分析客戶看出擰緊是否合格，如圖11 所示。可實時跟蹤記錄螺釘初期旋入階段、中期擰入階段、尾器擰緊階段各扭矩值。將數據曲線上傳至服務器，可進行后端的數據分析和不合格品溯源。

圖11 角度-扭矩曲線圖

4.4 防錯功能

擰緊結果防錯，在正常擰緊情況下，有可能出現扭矩和轉角不合格情況。

這些情況有可能發生在最終擰緊階段，也可能發生在任一中間階段。對此特別需要設計幾種糾錯動作。

1）自動擰松不合格的螺栓并停止，同時對應的指示燈給出不合格報告。

2）全部螺絲自動擰松并停止，同時對應的指示燈給出不合格報告。

3）對于不合格的螺栓，自動擰松后重新開始，合格后和其余的合格螺栓一起進入下一擰緊步驟。

4）全部螺栓自動擰松，然后擰緊步驟跳轉到其他動作，或者重新開始擰緊。

5 結束語

現代工廠電動擰緊供釘方式有多種，螺釘自動擰緊的工藝選擇，涉及因素較多，如節拍、螺釘材質、螺釘尺寸和螺釘鎖緊孔位周邊特征等因素。目前，自動擰緊已經廣泛應用于電控產線裝配生產過程中。隨著國內新能源汽車不斷發展，智能制造、黑燈工廠需求不斷顯現。對螺釘擰緊追索要求成為核心要素。從而規避人工打釘無序、丟件、管理不規范問題，通過對螺釘擰緊進行規范化、標準化、模塊化設計，使設備在滿足使用功能的基礎上，能夠極大限度地符合人機工程要求，降低員工勞動強度，提高操作安全性和生產效率，助力汽車制造自動化、智能化水平提升。