角度监控在拧紧防错中的应用

摘要：介绍了拧紧角度监控手段的原理，并据此阐述了该手段在生产防错中的应用及举例，说明了在发动机螺栓装配过程中，拧紧角度监控作为一种重要的防错手段，将被广泛重视和应用。

    近年来，随着我国汽车市场的发展，人们对车辆的需求也更加多元化，推动了发动机行业逐渐加快了新产品的开发。进而不同排量、不同的发动机产品实施共线生产的模式，已成为未来轿车制造工业的发展趋势。在单线多品种的制造过程中，可能因产品的差异，混装、漏装、漏加工、加工错误等造成的错误风险，也随之产生。

    拧紧作为发动机重要的装配工艺环节，同样存在螺栓安装错误、拧紧过程错误等风险。然而，我们可以通过零件自身特点或零件之间的差异，利用拧紧设备本身的控制特性，实现一些零件的漏装和混装防错。

    本文将基于Bosch 拧紧系统，对拧紧中的一些防错手段进行说明和例证。

1 防错概述

    防错是指对于不利于客户并且造成浪费的错误进行预测、防止的过程。在发动机制造过程中，如果没有防错控制，那么产品的制造过程就可能会导致较低的产品合格率和较高的制造成本。较好的防错控制，需要有合理的加工工艺和高精度的专用设备，通过合理使用防错手段，来预防或发现错误以减少浪费[1]。

    拧紧技术，是针对螺纹连接，使用拧紧工具，将紧固件旋入连接件中并达到一定额定扭矩，通过扭矩在紧固件中发生的夹紧力，实现零件连接的装配技术[3]。该技术目前在发动机装配工艺中广泛应用，是主要的连接方法。针对不同的拧紧需求，我们会采用不同的拧紧控制方法，其方法主要有：扭矩控制法、扭矩- 转角控制法、屈服点控制法。针对各种拧紧方法的特点，可以制定不同的防错计划。而在各种拧紧的控制方法中，扭矩控制法在发动机装配中的应用是最多的。

1.1 拧紧防错的种类

    在拧紧工艺中，防错的种类有很多种，一方面，可以通过零件本身特性及电枪的控制单元实现；另一方面，则是通过电枪的控制单元与PLC 逻辑控制总线的信息通讯实现[2]。

    常见的拧紧防错主要有以下几类：

（1）拧紧计数防错。主要是通过生产线总线逻辑控制程序（PLC 程序）实现，当电枪完成一次拧紧动作并确认合格后，将向PLC 系统发送一次OK 状态信号，PLC 系统则通过对OK 信号的计数，实现对漏拧紧这种错误的防错。可见，如果PLC 接受到的某工位拧紧OK 信号数比规定的数量少，则发动机不能放行到下一工位继续装配。该防错措施，在每一拧紧工位均有采用。

（2）套筒防错。是对不同型号螺栓的套筒进行定置放置，并对每个位置安装感应传感器，每次套筒完成拧紧的次数后，必须将套筒归回原位，使该位置的传感器接通，否则不允许进行下一组螺栓的拧紧。该防错措施主要是用于实现对各螺栓实施正确的扭矩拧紧程序的防错。这种方法在同一工位需要拧紧不同扭矩的螺栓时，使用最为广泛。

（3）角度防错。主要是通过电枪控制单元记录的实际监控角度，与监控极限进行对比的防错。这种防错措施，需要收集在使用正确合格的零件的前提下，电枪正常执行拧紧操作得到的角度监控数据，通过数理统计结合实际生产情况，给出监控极限。一般硬连接的监控角度数据分布较集中，而软连接离散性

稍差。因此在设置角度监控时，需要综合考虑连接的类型和螺栓的状态，才能更准确的实施该防错方式。以下，我们将展开讨论角度监控在发动机拧紧工艺防错中的应用。

2 角度监控在发动机拧紧工艺防错中的应用

2.1 角度监控

    拧紧的原理，是通过旋转紧固件，将拧紧工具作用在紧固件上的扭矩一部分转化为零件夹紧力，进而实现对零件装配的目的。电枪传感器，可以同时记

录拧紧的扭矩和角度。虽然在多数情况下，我们以扭矩作为目标值对拧紧的结果进行控制，但同时可以利用电枪的这一功能，对实现目标扭矩时螺栓所转过的角度，进行监控。在规模生产中，紧固件和连接零件是一致性很高的零件，拧紧的角度可以高度接近，而对于状态异常的零件拧紧的监控角度，可能与正常零件的数据偏差较多。利用这个差异，我们可以简单辨识异常物料和异常操作，实现生产防错，达到保证生产正常进行的目的。

（1）当正常零件进行装配拧紧时。以T0 为监控起点，当实现目标扭矩时，拧紧的监控角度值，会落在正常的监控区间A 之内；

（2）因零件异常，过早达到目标扭矩时。以T0 为监控起点，当达到目标扭矩时，拧紧监控角度低于正常范围，落在区间B 之内，此时拧紧设备会因该次拧紧的监控角度，未达到设定的正常范围下限而进行报警。一般导致这种报警的情况，有错用了螺纹副过短的零件或者螺纹加工深度不足，或者对已拧紧完毕的螺栓进行重复拧紧等。

（3）因零件异常，过迟达到目标扭矩时。以T0 为监控起点，当达到目标扭矩时，拧紧监控角度高于正常范围，落在区间C 之内，此时，拧紧设备同样会因该次拧紧的监控角度，超出设定正常范围上限而报警。一般导致这种报警的情况，有使用了螺纹副过长的零件，或者漏装垫片或者密封圈等零件。

2.2 角度监控可实现的防错模式

（1）防止重复拧紧。对于需要拧紧多颗螺栓的工位，有时会发生对已经完成拧紧的螺栓重复拧紧的错误。角度监控则可以防止这种错误的发生。对已经完成拧紧的螺栓进行重复拧紧，由于拧紧后的螺栓已经达到目标扭矩，如果再次施加扭矩重复拧紧，达到目标扭矩需要转过的角度将落在图1 的B区间，角度值甚至远远小于正常监控角度极限。通过这种方法，我们可以实现对螺栓重复拧紧的控制。这种方法简单易行，在各拧紧工位有广泛应用。但是需要注意在给定极限时，要求正常拧紧情况（正确的零件，正确的拧紧程序）下收集到的样本容量尽量大，进而对样本进行尽量准确的数理统计。    这样不仅可以更准确地捕捉重复拧紧的错误操作，也能避免大量的拧紧误判。

（2）防止螺栓错装。对于螺栓错装的错误，角度监控的方法同样可以进行捕捉。针对通过角度监控捕捉螺栓错装的情况，首先需要分析螺纹长度差异，进而了解拧紧时所需的转角差异，通过将该差异控制在监控角度的极限之外，实现不同螺栓的混装防错。如图2 所示，在同样达到拧紧目标扭矩T 的情况下，如果使用了错误螺栓，则其拧紧的监控角度小于正确螺栓拧紧角度的监控范围之外，此时拧紧枪会报警。

    该方法对于零件防错的局限性在于，要求不同零件间差异明显，如果在监控角度的公差带之内，则可能无法实现100 %防错。

3 应用举例

3.1 在防止重复拧紧方面的应用

    以发动机吊钩螺栓为例，根据程序角度监控的起点为10 N·m，即从10 N·m起电枪开始监控拧紧角度。图3 为发动机吊钩螺栓监控角度数据分布曲线及正态分布图，该样本容量为647，根据数据的分布及对上下标准差的计算，数据分布的上下公差为10°～60°。对于此类连接，当发生重复拧紧的时候，角度落在0°～10°区间内，电枪因此发出不合格报警。

    该方法针对不同种类的螺栓连接，其监控角度的范围需要视具体情况而定。例如针对硬连接，可以适当降低监控起点扭矩；而软连接，则可以将监控期待设置得据目标扭矩更近一些。

3.2 在防止螺栓混装方面的应用

    关于角度监控在螺栓混装方面的应用，我们以发动机缸盖螺栓为例进行说明。在混线生产过程中，我们将会对不同的机型使用两种不同的缸盖螺栓，图纸如图4 所示：两种螺栓外形相似，极易发生混装的错误，并且不易检测，而

不同之处在于A 螺栓比B 螺栓长5 mm 左右，螺纹宽度为1.25 mm，由此我们可以推算出理论上A 比B多拧紧的角度为

    根据以上计算可知，拧紧A 螺栓时将比B 多拧紧1 440°，只要准确设置监控角度，就可以实现两种螺栓的混装防错。我们将两种螺栓拧紧的总角度数据收集并进行分析。

    根据Q- DAS 数据分析统计系统，A 螺栓的拧紧总角度在4 510°～5 172°，B 螺栓则在3 776°～4 433°。可见B 螺栓的监控角度上限，比A 螺栓监控角度下限还低近180°，而该差异足以帮助我们正确区分A 和B 类螺栓的混装错误。我们据此可以将该参数设置在拧紧程序中，对螺栓的拧紧过程总角度进行监控。

4 结束语

    综上所述，角度监控的手段以设计简单和执行稳定的优点，在柔性生产线装配中，将得到更加广泛的应用。但是同时我们必须指出，针对差异性很小的螺栓等零件，该手段可能不能起到作用，因此在拧紧中应用角度监控的手段之前，需要分析清楚零件特征、准确找出零件差异，再实施拧紧程序中的角度监控，对于因差异过小而不易通过采用角度监控的方法进行防错时，需要结合其他防错手段，进行有效防错。

参考文献：

[1] 李科维. 装配防错系统在汽车混装生产线的应用[J]. 中国仪器仪表，2010，(10)：54- 55.

[2] 徐光华. 混合装配线防错系统的研究与开发[J]. 工业工程，2006，(6)：124- 125.

[3] 冯德富. 汽车装配的螺栓拧紧[J]. 现代零部件，2009，(12)：45- 46.