浅析发动机装配过程中电枪的防错控制

蒙国全，李敏虔

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

在发动机生产车间中，螺栓拧紧是装配过程中非常重要的环节，也是许多工位工作量最大的部分。由于螺栓种类多数量大且相似性高，所以员工在操作时很容易出现失误，引发质量问题[1]。根据我公司的质量问题清单和返修记录表，我公司某车间在2011年9月、10月和11月出现的螺栓拧紧问题数分别占发动机下线质量问题总数的13.11%、8.47%和5.39%，其中滑牙问题分别1.64%、5.93%和3.00%，螺栓漏装错装问题分别占3.28%、0.85%和0.60%，螺栓松脱问题分别占4.92%、0.85%和0.60%，其它分别占3.28%、0.85%和1.20%.虽然我公司通过自检互检、抽检等方式一定程度上降低了这些问题发生的概率，但是由于人员的差异性和流动性及抽检的不全面性，问题一直没有得到根本性解决。

这些问题很大程度上是由于员工在操作过程中出现重复拧紧、漏拧紧及不完全拧紧等过失造成，虽然通过一定的培训和长期的操作能使犯错的概率有所降低，但由于人本身的局限性，不可能做到百分之百的不犯错。因此，要从根本上解决问题，光靠对员工的严格要求是不够的，还必须从设备上着手，想方设法实现防错功能的全覆盖。

1 电枪简介

目前螺栓拧紧的设备多种多样，使用较为普遍的有风枪、电枪和拧紧机三种，而电枪因其较高的性价比被普遍应用于发动机装配工位。

电枪有多种样式，装配车间中最为常用的是直柄电枪（见图1）和枪式电枪（见图2）。其中直柄电枪比较适合实现大扭矩拧紧，能在工件各个角度上工作，而枪式电枪更适合实现小扭矩拧紧，在工件的水平方向上操作比较方便。不论是直柄或是枪式电枪，都可实现多种扭矩拧紧，而这一功能是通过套筒选择器进行电枪拧紧程序的切换（见图3）。套筒选择器上的每个套筒孔位与电枪上的扭矩是一一对应的。

图1 直柄电枪

图2 枪式电枪

图3 套筒选择器

电枪本身具有输出扭矩、拧紧角度和拧紧次数的检测功能，这是它能进行防错控制的基础。但是由于生产过程及紧固件配合的复杂性，这些参数的上下限监控范围不能单靠以往经验来确定，也没有相关标准可查，因此，要真正发挥好电枪的防错功能仍需做出更多努力。

2 重复拧紧防错的难点及解决办法

要判断一颗螺栓是否被重复拧紧，可以通过它转过的角度来识别。在正常情况下，螺栓从开始旋转到拧紧结束，需要转过几圈甚至十几圈，而重复拧紧一颗螺栓，如果施加的扭矩一样，那么螺栓转过的角度会非常小，几近于零。从这方面讲，要识别一颗螺栓是否正在被重复拧紧可通过监控其拧紧角度来实现。作业过程中，只要给电枪监控系统设置一个拧紧角度的下限值，在拧紧过程中检测到螺栓转过的角度小于下限角，就说明这颗螺栓正在被重复拧紧，电枪监控系统发出警告。然而，如图4所示，由于电枪计算角度时必须考虑两个重要的参数：触发扭矩（trigger）和临界值。触发扭矩是电枪进行精确控制的开始，扭矩值不能设得太小，否则会引起拧紧转速和检测数据的不稳定；临界值是角度计算开始时的扭矩，必须大于或等于触发扭矩，而螺栓在被拧紧时的绝大部分时间扭矩达不到触发扭矩，更不用说临界值了。因此，即便在正常拧紧的情况下，电枪计算出来的螺栓的拧紧角度也是非常小的，通常小于100°.这就严重地压缩了重复拧紧角角度下限的设置范围，即如果重复拧紧角度下限设定得太高，电枪就会大量误报。而由于现场操作过程中人员、工件和螺栓材质硬度、电枪反作用力及工件间垫圈有无软硬等差异使重复拧紧的角度千差万别：有的接近于零，有的能达到三四十度甚至更高。这就要求必须提高重复拧紧角的角度下限值，否则重复拧紧防错功能将形同虚设。从这两个相互对立的限制条件上看，实现重复拧紧防错的最大困难在于如何界定其角度下限。

根据供应商提供的经验及工件、螺栓的工艺参数，按表1对公司某条新生产线上的30把电枪的重拧防错下限角度进行设置，经50台套发动机走线验证后发现：有3把电枪将正常拧紧误报成重复拧紧，10把电枪在重复拧紧螺栓时没有报警，其余17把虽未报错，但是其中大部分拧紧角度与预想中的相差甚大。从这个结果上讲，仅靠经验以及硬性参数推测出的角度下限值很不可靠。要得到可靠的值，必须经过细致的现场考察和大量的数据分析。

表1 第一次设定的防错角度参数值

笔者对上述50台套发动上的螺栓拧紧数据进行采集和分析后初步确定新的重复拧紧角下限角度，同时根据现场人员腕力大小、螺栓和工件材质硬度、电枪的大小弯直、工件间垫片厚薄软硬的不同对角度进行了微调，按工位顺序形成了如表2中的数据，并根据表2中的数据对电枪重新进行设定，经300多台发动机生产及质控部验证后，未发现有误报或是漏报的情况。

表2 第二次设定的防错角度参数值

3 漏拧紧防错的介绍

漏拧紧防错主要是通过计数功能来实现。比如，一台发动机上在某个工位装配时需要拧紧10颗相同的螺栓，那么电枪就会累积计数10次；若计数少于10次，则生产线线体或是相关设备作出反应，限制托盘放行或报警；若计数已经达到10次，那么电枪就会自锁，不允许员工再往下拧紧，直到有新发动机流入后才会解锁。实现这种控制方式必须满足两个前提条件：第一，电枪能自动识别新发动机；第二，重复拧紧防错完全有效[2]。

对于上述第一个前提条件，目前有两种方式可以满足：第一种是改进线体，通过线体上的读写头和托盘自动识别不同的发动机；第二种是通过人工录入信息的方式识别不同的发动机。

如图5所示，对于第一种方式，线体上安装有读写头，托盘对应位置上安装有标志模块（即tag），每台发动机上线时，员工都会通过读写头将发动机的流水号写入托盘的tag中，由于发动机在生产线上始终与托盘绑定，因此可认为托盘上的流水号即是发动机的唯一标志。当托盘流入一个工位时，就会刷掉前面托盘的流水号信息，并且通过读写头将自己的流水号上传，这样电枪就能很快地判断是否有新发动机流入。

图5 线体上的托盘和读写头

对于第二种方式，线体旁边设有扫描设备，如图6所示，这种方式的工艺顺序是：发动机流入工位→扫描枪扫描条形码/二维码→电枪控制器刷新发动机信息→拧紧螺栓→计数合格放行→新发动机流入工位。由于增加了人工扫码的工序，因此这种方式相对于第一种方式生产效率较低。

图6 线体旁的扫描枪

对于上述第二个前提条件，由于重复拧紧一颗螺栓后如果被误报为合格，那么后面少拧紧一颗就能满足计数要求，员工只要稍不注意，就可能造成漏拧紧的情况。因此，要解决漏拧紧的问题，必须先保证重复拧紧防错功能全部实现。

4 扭矩不合格防错实施过程的介绍

电枪拧紧工位螺栓扭矩不合格主要由以下几点引起：

（1）员工在还没完全拧紧的情况下就松开电枪开关，致使扭矩不足；

（2）电枪的转速过高，拧紧时惯性过大，造成扭矩超出合格范围；

（3）对于多扭矩电枪，由于有些工位套筒一样扭矩不同，员工选择套筒时容易混淆，进而引起扭矩混淆，导致拧紧后超差。

由于电枪本身有良好的扭矩判断功能，因此在绝大部分拧紧扭矩不合格的情况下，电枪都会发出报警信号，提醒员工纠正错误。然而，由于电枪本身没有声音提示，员工在匆忙时很可能忽略了报警信息。因此，在不合格扭矩出现后，必须使电枪触发更加严格可靠的反应来限制员工下一步的操作，才能百分之百地避免疏忽遗漏事故的发生。解决的办法是，在电枪控制器内设置一种程序，使电枪的报警功能与反转功能联系到一起，当电枪控制器收到不合格扭矩信号时，就会触发该程序，即如果员工不反转电枪，就不能再继续往下拧。这个方法实施后，有效地避免了上述（1）和（2）所带来的隐患和风险。

对于（3），由于在选错扭矩的情况下电枪仍会“将错就错”地拧紧至该扭矩的合格值，电枪不会报警，因此上述的防错程序也就无法触发。对此，应从套筒选择器上着手，方法是，根据螺栓拧紧的工艺要求安排各个套筒的选择顺序和拧紧次数。每把电枪的拧紧顺序和次数都是唯一的，如果选错了套筒，电枪就不会动作，如果一个套筒的拧紧次数够了，电枪就不能再继续往下拧紧，直到更换新的套筒为止。这个方案实施以后，既有效地规范了员工的操作行为，又消除了因选错扭矩而引发的质量问题，取得了良好的效果[3]。

5 结束语

本文浅析了电枪拧紧过程中常见的几种可能引起质量问题的操作行为，并提出了对应的防错方案，这些方案经实际生产验证后取得了令人满意的效果。但值得注意的是，发动机生产过程中的防错控制既非一蹴而就，亦非一劳永逸，必须根据产品的质量要求制定出行之有效的控制计划，并严格地根据控制计划对生产线进行周期性的验证，以保证防错功能的长期有效性。

[1]赵华坚，奚立峰．应用防错技术实现质量零缺陷[J]．工业工程与管理，2002（4）：46-49.

[2]刘高鹏，张根宝．面向制造的防错设计研究[J]．机械设计与制造，2002（10）：235-236.

[3]陈丽华，周炳海．PFMEA与防错技术在汽车行业中的应用[J]．机械设计与制造，2007，45（517）：61-64.