智能化在线扭矩防错在工程机械装配线的应用

李凤娥 孙德春 苗璐滟

（1.雷沃工程机械集团有限公司 山东省青岛市 266500 2.山东财经大学 山东省济南市 250000）

随着经济和科技的不断发展，传统的工程机械制造技术已无法满足社会需求，依托网络技术和智能技术的工程机械智能化适应了大势所趋。工程机械挖掘机回转支撑连接结构为软连接，不同机型有不同的工艺要求，螺栓数量32～44 个之多，传统的螺栓装配扭矩控制方式不能区分不同机型扭矩值选择错误、漏紧、错误螺栓、螺纹损坏等质量问题（如图1 所示）。也无法实现数据实时监控、防漏防错报警及数据分析追溯功能。特别是装配后无法抽检控制部位，即便是1000 台只有一台出现问题，也可能造成几万甚至几十万的质量损失。将基于PLC 控制的在线扭矩防错[1][2]系统应用在装配过程，实现在线智能化防错控制，是提高工程机械装配过程螺栓紧固工序质量和效率的关键所在。

图1

本文介绍了由工控机、PLC、阿特拉斯电动定扭工具、编码传感器等组成的回转支撑装配扭矩自动检测系统[3]，进行实时监控控制，在员工未按照规定操作或操作失误的第一时间内发生报警提醒，提高操作过程的准确性、可靠性，强低人员工作强度及人力成本。

1 硬件配置

该系统主要由工控机、触摸显示屏、PLC、阿特拉斯电动定扭工具、定柱悬臂吊、位置、角度传感器、扫码枪、报警器等附属装置组成，见图2 示意图。

图2

1.1 工控机

配置一台研华科技工控机用来存储相关产品、工艺信息，负责根据各扫描器、传感器、操作键盘等终端输入进行运算判断，对各操作部件进行过程监控，与PLC 进行信息互传，以组态软件的形式输出紧固画面以及读取和存储所有的信息数据，如员工信息、产品信息、工具信息、异常信息、装配作业数据等。

1.2 触摸显示屏

图形化工作界面，以数据、曲线、图形等方式反应PLC 的内部状态，存储器数据，展示工位信息，操作指引。

1.3 PLC

接受工控机的操作命令，完成数据的采集、运算，执行扭紧程序、检测运行状态，实现对扭紧工具的控制。接收传感器、按钮、行程开关信息，并实时将控制状态反馈工控机。

1.4 阿特拉斯电动定扭工具

包括电动扭紧机、扭矩控制器、齿轮箱组合及附属装置。

电动扭紧机充分考虑人机工程，减轻体位疲劳，满足使用操作的方便性，满足拧紧轴角度精度、扭矩精度要求。

电动扭紧机与齿轮箱组合的工装根据回转支承安装情况，配有可调的定位装置，以便工人安装螺栓后，使工具绕回转支承周圈滑动时方便将套筒套到相应螺栓上，同时起到可靠的反作用力臂作用。

2 软件设计

包括基础管理模块、产品管理模块、流程控制模块、数据采集模块，报警模块、日志模块、报表模块和系统交互模块组成。实现记数防错、力矩声光提示、数据传输、螺栓的防漏、防呆、防紧固不到位的功能。

2.1 基础管理模块

涉及产线工位、员工、权限、系统等方面的管理功能。实现软件运行环境的配置和登录系统的用户及工位操作人员的管理，实现定岗定位，精准追溯到每一环节的具体操作人。实现连接产线拧紧抢和扫码枪等功能。

2.2 产品管理模块

涉及产品的管理，添加多种产品的具体信息，支持多种产品切换。根据读取不同产品的具体信息，制定不同的操作流程，灵活配置每个工位操作顺序，实现特殊产品特殊操作。

2.3 流程控制模块

将整个工艺流程进行电子化作业，对每种产品配置一套流程，当混线生产时自动切换对应的流程，主要实现对员工操作顺序的严格、精准把控，流程防错。当漏紧或错紧时，软件会报警提示，并控制拧紧枪的使用。

2.4 数据采集模块

接收扫码枪扫描的数据，依据接收到的数据选择对应流程控制模块设定的业务流程。接收通过机械臂上的位置角度传感器采集的位置信息及扭紧机采集的力矩信息数据，进行记录、判断、显示、追溯以及上传MES。采集设备状态信息，实时显示或报警。

2.5 报警模块

实现错误报警功能。数据采集模块采集的信息经过判断，提供错误时，软件界面弹框报警，并提示解决方法，同时驱动报警灯声光报警。

2.6 日志模块

提供精确的操作日志记录功能，日志查询功能。操作人员、设备管理人员、工艺人员可查询近半年每天的操作实时记录，方便追溯及分析。

2.7 报表模块

根据不同的条件查询所有拧紧枪的拧紧数据，可将查询的拧紧数据导出为EXCEL 文件，查询的数据项灵活可配。

2.8 系统交互模块

实现与其他系统实时交互。

3 系统工作原理

如图3 所示。

图3

3.1 程序调用

扫码枪扫码识别零部件上的二维码信息，获取机型信息，取得作业产品的螺栓力矩数据、螺栓的分度圆直径和数量信息，计算所有螺栓的坐标和工件中心，调用拧紧程序，自动匹配对应的电子化作业工艺流程，按工艺要求给出螺栓拧紧顺序，自动配给当前机型需要拧紧的螺栓力矩、顺序和数量等参数。同时输出至显示屏，在显示屏上显示作业的主要参数，显示员工当前需要进行的作业和进度。如图4 示例。

图4

3.2 作业过程

控制系统根据悬臂吊上的位置、角度传感器输入的位置信息，计算电动扭紧机扭紧轴位置，对扭紧轴进行定位，操作工依据电子作业顺序提供的信息进行操作，显示屏上作业螺栓点屏幕闪烁，未扭紧点、作业点、扭紧完成点以不同颜色区分显示。当操作工不按照顺序拧紧时，控制系统识别扭紧轴位置与系统要求不符，对扭紧轴输出不启动控制信息，同时控制系统输出声光报警信号，启动声光报警。

控制系统根据位置传感器、角度传感器输入信息和扭紧轴力矩信息反馈，每拧紧一颗螺栓，输出信息至显示屏显示拧紧结果，同时对力矩值和螺栓数量进行计算控制，力矩值不符的显示错误信息，重复拧紧操作的螺栓自动排除计数，以确保紧固螺栓的数量及力矩值准确。

控制系统在拧紧过程随时采集紧固数据，自动计算拧紧合格的数量，自动判断当前螺栓是否已经拧紧完成。按要求全部拧紧结束，并经系统确认后，输出信息至显示屏，显示拧紧完成，发出完成信号，允许工件放行，从而实现防漏目的。如果有漏紧或扭矩不合格，系统控制不能进行下个工件的拧紧。如需放行，需经系统授权人解锁后，放可进行。

控制系统自动进行数据存储及报表生成，方便后续报表查询和数据导出。

4 工作流程

工作流程如图5 所示。

图5

5 结束语

回转支撑定扭控制系统应用以来，装配过程的可靠性、效率显著提升，常见的装配错误有效避免，操作工劳动强度和培训周期大幅降低，产品质量提高的同时，增进了生产力和生产灵活性。

这一案例的成功应用，为装配过程扭矩的在线控制提供了良好的借鉴，目前在生产装配螺栓扭矩控制工位已全面推广使用。