作者：朱正德（上海大众汽车有限公司,上海　）

1　螺栓拧紧设备的双重属性与评定方式的关系

　　如何评定设置在车间现场、用于批量生产的螺栓拧紧设备(器具),是一个无论对新购的拧紧枪进行验收,还是对在用的设备做周期校准时都必然会遇到的问题。眼下,各大企业的实际做法,正如同一些文献中所介绍的那样,均侧重其控制精度、即对扭矩或转角的控制精度进行评价。其中,模拟工况的动态校准法比较理想、也是采用得较多的一类。动态校准法常常被称为“过程法”,尽管根据具体做法的不同,它(们)又可分成几种,但基本思路相同,都是将拧紧枪的输出扭矩值与用作测量标准的扭矩传感器的读数值加以比对。

不同种类的螺栓拧紧设备的精度有高低,在汽车行业,通过传感器实施扭矩控制的拧紧枪的精度指标a往往采取相对误差形式表示,一般为±5%,也有达

到±3%的。若MA表示所设置扭矩值,即额定值,而以MW表示拧紧设备的输出值,可从其显示器上读出,以MS表示用作测量标准的扭矩传感器上的显示值。则应有如下关系:

但必须指出,无论是简单的手持式扭矩板手,或复杂的半自动、自动拧紧设备,都既不属于检测器具范畴,也不属于通常的制造设备(工具)范畴,而是兼有前者的计量特性和后者的装配功能。但就其本质而言,它们应该归于后者,乃是一种对联接特性参数具有控制作用的装配器具。对于前面提到的用于汽车等行业的那些通过传感器实施扭矩控制的拧紧枪,更是应纳入高效、高精度专用装配设备的范畴,它们也是本文涉及的重点。因此,在遇到需对这类设备进行验收、确认时,若对它们只进行单纯的精度评定是很不够的。

2　机器能力概念及其评定方法

现代机械制造业为提高批量生产企业的产品质量,已从昔日主要检验实物质量,转到如今强调对工艺过程的控制。这是因为组成工艺过程的各道工序是制

造零部件的基本环节,是保证产品质量的基础,如果每道工序的质量都很好,那么产品质量也就有了保证。所谓工序质量是指在稳定状态下所具有的保证质量的能力,它取决于设备、材料、操作者、工艺方法和环境等5项相互独立因素的影响。工序能力的表述建立在对质量特性值———受控参数,如尺寸、扭矩、硬度等———离散程度的研究的基础上,采用“过程能力指数Cp”这

一评定指标来定量地反映工序能力满足产品质量的要求的程度。其计算公式为

而机器能力指数是指在工序稳定情况下,上述五项影响因素中的机器设备所具有的保证产品质量的能力。机器能力是工序能力的重要组成部分,对于自动化程度很高的批量生产过程显得尤为重要。在技术上,它与前述工序能力分析一样,都是建立在数据统计基础上,以质量特性值分布的标准偏差s来表征,但前者是对5项因素之一的专项分析,而后者是综合了诸项因素的影响,因此,在具体处理上有区别。详见表1。

由表1可知,测评机器能力与测评工序能力的区别就在于前者在评定过程中最大程度地排除了人、料、法、环四项因素的影响,突出了机器因素一项对产品质量的影响。在表1的五栏中,最重要的“抽样方式”一栏就最鲜明地体现了测试机器能力的特点。具体地说,在测评工序能力时,乃是以一班、一天甚至更长时间作为一个评定周期,然后间隔相同时间(一般取1小时)抽取样本,例如5件,测出它们的质量特性值。然后,以一个周期内的这些样本作为总体,求出总体的标准偏差Sp,再由上述式(1)测得工序能力指数Cp。而求取机器能力指数Cm的具体做法为:将被评定的专用机器设备、如前面提到的用于装配的拧紧机,调整至规定状态,经过若干小时无故障运转,再完成一定数量的零部件制作,如通过拧紧机实施的螺栓装配联接,然后取50个连续生产出来的工件作为样本。至于对质量特性值的检测,一般利用附属于设备的在线测量仪器,或借助外界的精度更高的检测装置。由此获得一组或二组质量特性值的实测数据,并按熟知的方法求出平均值x和标准偏差Sm。如果面对的是螺栓拧紧

设备,这时扭矩作为质量特性值,其实测数据既可以通过拧紧枪自身配置的检测化表获得,也能从用作测量标准的外接扭矩传感器的对应显示值中读取。

Cm反映了机器制造设备自身所具有的满足产品质量的能力,与反映工序能力的过程能力指数Cp相似,Cm的数学表达形式为:

如何根据测算出的Cm或Cmk值对被检机械制造设备进行机器能力评定,各主要工业国家、各大企业集团执行的评定原则并不完全一致,即使同一企业集团在不同类型的设备之间,规定的Cm、Cmk的指标也可能有高低。如德国大众汽车(集团)公司,对螺栓拧紧设备应该具备的机器能力要求参见表2。

　但同样是德国大众汽车公司,对于那些机加工设备———主要指高效专用机床———机器能力的评定指标就有所不同,象新设备验收过程中,要求Cm和Cmk都必须达到2.0,高于螺栓拧紧设备的指标。当然,还需要指出的一点是,为了确保螺栓拧紧设备的计量特性能满足装配工艺规定的要求(扭矩、转角等主要参数),在实施周期性校准时,机器能力指数的评定并不象精度测试那样是必须进行的一项工作,企业可以根据实际情况选择不定期的评定方式。只有表2中的前二种情况,即对新设备和经过检修、改造后的设备进行验收时,测定机器能力才是必不可少的一项工作。

通过以下实例,我们将会对螺栓拧紧设备的校准,尤其是对其机器能力的评定有一个更全面、更形象的了解。

3　应用实例

被评定的固定式螺栓拧紧设备置于一轿车总装线上,装配工艺规定,连接扭矩为55Nm±5Nm,而该设备的扭矩控制精度为±3%。对它的校准和评定采用第1节提到的在现场进行的“动态过程法”,即借助专用的支架,将高精度扭矩传感器直接连在动力头与螺纹副之间,操作时可同时读出拧紧枪的输出扭矩值Mw和用作测量标准的扭矩传感器的读数值Ms。作为新设备验收的重要内容之一,必须进行精度和机器能力测试,方法是遵循第2节所描述的步骤,在该螺栓拧紧设备处于稳定状态后,连续模拟装配50次,从而获得二组实测扭矩值:Mwi和Msi,如表3所示。表3中的第3列是这二个扭矩值之差,其数值大小反映了被检设备的精度。按本文第一节给出的定义和该设备所规定的精度指标±3%,可求出受控扭矩的上下极值:

±3%×55=±1.65(Nm)

与表3中第3列(Mw-Ms)的数值进行对比,均在±1.65的范围之内,故可以确认,这台固定式螺栓拧紧设备的精度是合格的。

然后,再根据表3中的二组连续测出的实测数据,进行该设备的机器能力评定,结果如表4所示。参照本文第2节所述德国大众汽车(集团)公司的标准,在新设备验收时,必须满足Cm≥1.67和Cmk≥1.67,故对被检螺栓拧紧设备的测评表明,其机器能力不仅达到要求,而且绰绰有余。

　在新设备验收阶段,制造厂商有时候为了让用户更清晰、更直观的了解设备的精度和能力状况,除了进行前述这些测评外,有时候还会提供根据实测数据和处理结果绘制的曲线图。图1、图2就是按表3、表4中的数据绘制的,分别表征了拧紧力矩Mw和测量标准值Ms的走势和分布。图中,横坐标是时间,此处代之以测量次序,从第1次到第50次。纵坐标是扭矩值,每1Nm用一条水平的点划线表示。根据实际读出的Mwi和Msi的数值在坐标系中打点,再连成曲线,即反映了所测得扭矩的走势和波动情况。统计学知识告诉我们,一列数据的平均值X表示它们的集中趋势,而标准偏差s则表示它们的离散程度。众所周知,区间±3s的置信概率达到99.73%。在图1、图2中,处于曲线中央的细直线代表平均值x,两条曲线则被包容在间隔为6s、相对平均值x对称分布的两条平行(细直)线之间。

由上节介绍可知,机器能力主要取决于工件制造公差T和样本实测结果的标准偏差s。正是它们之间的比值决定了被评定设备机器能力的大小。从图1、图2可看到,在纵坐标为50Nm和60Nm处,绘出两条平行(粗直)线,其间距就定为工件的装配扭矩公差T。由T和上述±3s间距的对比,即可以直观地看出设备的机器能力的大小。无疑,图1、图2所代表的那台螺栓拧紧设备的机器能力相当大,这也是绘制这类曲线图的本意。

[参考文献]

[1]陆耀祖,吴佩明.扭矩型扭力板手验收的探讨.组合机床与自动化加工技术,(3):39～42

[2]朱正德.谈检测器具的测量能力指数.工具技术,(11)

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