車載充電機(jī)擰緊工藝缺陷與解決方案綜述

錢彬彬

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)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(chǎn)銷量保持較快增長，國內(nèi)龍頭汽車廠商已有宣布停產(chǎn)燃油車，全面切入新能源汽車賽道。而車載充電機(jī)（OBC）是固定安裝在電動(dòng)汽車上用于控制和調(diào)整蓄電池充電的電能轉(zhuǎn)換裝置，功率國內(nèi)小功率居多，如2～4 kW。國外目前大功率充電機(jī)居多，如9.6 kW、22 kW 等。充電機(jī)裝配目前國內(nèi)多以手工裝配或半自動(dòng)裝配為主，個(gè)別工藝如某工序螺釘較多會(huì)采用自動(dòng)打釘，但大部分都是人工手持氣動(dòng)扳手完成螺釘初擰，產(chǎn)線最后一個(gè)工序，再采用專用電動(dòng)擰緊軸復(fù)擰。這樣易導(dǎo)致螺釘鎖緊一致性不好，螺釘出現(xiàn)浮鎖，充電機(jī)內(nèi)有掉落的螺釘顆粒，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不可追溯等系列問題。為應(yīng)對(duì)智能電動(dòng)車對(duì)充電機(jī)的高質(zhì)量要求，需要不斷優(yōu)化充電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)，符合自動(dòng)化需求，同時(shí)行業(yè)提升其自動(dòng)化裝配比例，保證質(zhì)量，完成擰緊力矩采集，信息質(zhì)量追溯等多維度需求。

1 充電機(jī)擰緊工藝分析

1.1 充電機(jī)裝配工藝

充電機(jī)含擰緊、涂膠、裝配3 大工藝，而緊固件對(duì)充電機(jī)的生產(chǎn)、使用都是相當(dāng)重要的。由于電動(dòng)擰緊軸精度高、性能穩(wěn)定，并具有防錯(cuò)和可追溯性等功能，所以電動(dòng)擰緊軸的應(yīng)用可以有效保證充電機(jī)裝配質(zhì)量。充電機(jī)裝配工藝80%為螺栓緊固操作，并且其中對(duì)于擰緊檢測大部分為扭矩檢測，電動(dòng)擰緊軸可以對(duì)擰緊螺栓記錄扭矩大小，有效地提升了擰緊質(zhì)量。

使用自動(dòng)擰緊過程的情形，主要考慮因素如下。

1）規(guī)劃總產(chǎn)能及產(chǎn)線節(jié)拍。

2）工藝排布考慮柔性線生產(chǎn)，適合多型號(hào)混流生產(chǎn)。

3）單工序螺釘種類集中，數(shù)量較多。

4）擰緊精度等級(jí)與質(zhì)量管理級(jí)別。

擰緊系統(tǒng)需要針對(duì)擰緊位置的情況進(jìn)行分析，以此確認(rèn)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(guān)鍵因素。

1.2 擰緊工藝實(shí)例

自動(dòng)擰緊工位，具備螺釘種類唯一、螺釘數(shù)量較多，要求精度等級(jí)高、質(zhì)量管控可追溯等要求。此處以充電機(jī)中PCB 板擰緊過程為例，如圖1 所示，充電機(jī)在PCB 板零件裝配到位后，需要用標(biāo)準(zhǔn)螺釘對(duì)其進(jìn)行鎖緊，螺釘鎖緊要采用十字交叉，順時(shí)針方向逐次擰緊到位，自動(dòng)化動(dòng)作見表1。擰緊工藝可以按照工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行，如選用自攻釘、彈墊螺釘、耐落螺釘和平螺釘?shù)?，從而保證裝配工藝的質(zhì)量。

圖1 OBC 實(shí)物圖

2 自動(dòng)擰緊方法分析

2.1 氣吸釘

氣吸方式，三軸機(jī)器人帶動(dòng)吸釘模組，如圖2 所示。采用負(fù)壓方式，從固定供釘位置取釘，并移至打釘位置進(jìn)行螺釘鎖緊。不同材質(zhì)（如不銹鋼、碳鋼等）的螺釘均可以完成螺釘?shù)娜×希⑶逸^為適合精益化生產(chǎn)。過程中可對(duì)每顆螺釘進(jìn)行長度檢測、氣吹洗螺釘表面異物。通過對(duì)選用伺服型擰緊軸，可對(duì)擰緊螺釘進(jìn)行扭矩和行程進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。此種方式動(dòng)作流程較多，適合精益化生產(chǎn)管理，節(jié)拍占用時(shí)間長。

圖2 單軸吸釘擰緊站

2.2 磁吸釘

螺釘材質(zhì)屬于碳鋼系列，且具備被磁化，則可考慮磁吸方式，當(dāng)單個(gè)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(shí)間，綜合節(jié)拍快、效率高。打釘頭運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常有2 種方式選擇，直角坐標(biāo)機(jī)器人及SCARA 機(jī)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(jié)拍快的產(chǎn)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(duì)螺釘最大直徑和螺釘總長有一定幾何尺寸要求，最終檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為螺釘在送釘管內(nèi)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(shí)保持良好的姿態(tài)。結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)固耐磨，可以適應(yīng)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(jù)夾角

圖5 氣吹擰緊軸末端機(jī)構(gòu)圖

2.4 吹加吸釘方式

吹釘適合于高效送釘，節(jié)拍快的產(chǎn)線，且螺釘周邊有干涉結(jié)構(gòu)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(shí)處于較好的姿態(tài)。吸釘管頭部根據(jù)螺釘頭部定制，與螺釘頭部吻合，保證吸取螺釘時(shí)良好的氣密性和螺釘垂直度。夾持塊由氣缸驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致螺釘?shù)袈?，提高使用壽命，如圖7 所示。自制吸釘管和批頭，結(jié)構(gòu)緊湊，通用連接端口，易集成到工作站流水線等系統(tǒng)中。

圖6 氣吹加吸判據(jù)間隙圖

圖7 氣吹加吸擰緊軸末端機(jī)構(gòu)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(dòng)擰緊工藝分析

手動(dòng)擰緊（如圖8 所示），通常由智能平衡臂固定數(shù)控?cái)Q緊軸后，進(jìn)行打釘。智能龍門臂，可以進(jìn)行位置和順序防錯(cuò)，如圖9 所示。螺釘采用螺釘排列機(jī)進(jìn)行自動(dòng)供料，排列機(jī)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(dòng)吐釘，取出來后，放置在擰緊槍批頭末端。

圖8 手動(dòng)擰緊標(biāo)準(zhǔn)站

圖9 智能龍門臂

4 擰緊質(zhì)量管理

4.1 防螺釘護(hù)罩

螺釘打釘站，為防止螺釘?shù)袈湓跉んw腔體內(nèi)，造成質(zhì)量事故，需要在螺釘安裝工位配置防護(hù)罩。在螺釘安裝位置正上方，開一個(gè)過孔，即使螺釘?shù)袈?，也落在防護(hù)罩上，不直接落在產(chǎn)品腔體內(nèi)，不同產(chǎn)品通過更換防護(hù)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(diǎn)檢

擰緊軸在經(jīng)歷長久的生產(chǎn)過程中，難免會(huì)有螺釘松動(dòng)、設(shè)備自身故障、精度丟失等現(xiàn)象。為讓擰緊工藝始終保證質(zhì)量，需要對(duì)擰緊工藝參數(shù)、扭矩及行程進(jìn)行定期點(diǎn)檢，按大規(guī)模產(chǎn)線生產(chǎn)，通常按照生產(chǎn)要求在生產(chǎn)前進(jìn)行點(diǎn)檢。

扭矩點(diǎn)檢，采用扭矩檢測儀固定在標(biāo)準(zhǔn)托盤上，自動(dòng)從線首運(yùn)行至線尾，逐個(gè)接受擰緊軸的擰緊動(dòng)作，從而采集額定扭矩，超差則報(bào)警。

行程點(diǎn)檢，在點(diǎn)檢托盤上設(shè)置一個(gè)高精度的臺(tái)階塊，如臺(tái)階高度差為5±0.01 mm，通過收集擰緊軸接觸臺(tái)階表面記錄數(shù)據(jù)，自動(dòng)運(yùn)算△值，超差則報(bào)警，行程精度不符合規(guī)范要求，進(jìn)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(shí)間及轉(zhuǎn)速等信息，通過對(duì)曲線分析客戶看出擰緊是否合格，如圖11 所示。可實(shí)時(shí)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(shù)據(jù)曲線上傳至服務(wù)器，可進(jìn)行后端的數(shù)據(jù)分析和不合格品溯源。

圖11 角度-扭矩曲線圖

4.4 防錯(cuò)功能

擰緊結(jié)果防錯(cuò)，在正常擰緊情況下，有可能出現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)角不合格情況。

這些情況有可能發(fā)生在最終擰緊階段，也可能發(fā)生在任一中間階段。對(duì)此特別需要設(shè)計(jì)幾種糾錯(cuò)動(dòng)作。

1）自動(dòng)擰松不合格的螺栓并停止，同時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈給出不合格報(bào)告。

2）全部螺絲自動(dòng)擰松并停止，同時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈給出不合格報(bào)告。

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

4）全部螺栓自動(dòng)擰松，然后擰緊步驟跳轉(zhuǎn)到其他動(dòng)作，或者重新開始擰緊。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代工廠電動(dòng)擰緊供釘方式有多種，螺釘自動(dòng)擰緊的工藝選擇，涉及因素較多，如節(jié)拍、螺釘材質(zhì)、螺釘尺寸和螺釘鎖緊孔位周邊特征等因素。目前，自動(dòng)擰緊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電控產(chǎn)線裝配生產(chǎn)過程中。隨著國內(nèi)新能源汽車不斷發(fā)展，智能制造、黑燈工廠需求不斷顯現(xiàn)。對(duì)螺釘擰緊追索要求成為核心要素。從而規(guī)避人工打釘無序、丟件、管理不規(guī)范問題，通過對(duì)螺釘擰緊進(jìn)行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，使設(shè)備在滿足使用功能的基礎(chǔ)上，能夠極大限度地符合人機(jī)工程要求，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高操作安全性和生產(chǎn)效率，助力汽車制造自動(dòng)化、智能化水平提升。