如何用±0.1%精度实现自动装配线螺纹紧固的实时扭矩与角度监测？【工业自动化】

提升自动装配线螺纹紧固精度至±0.1%

第1部分：螺纹紧固的基本结构与技术要求

自动装配线上的螺纹紧固，本质上是将一个带螺纹的零件（如螺钉、螺栓）拧入另一个带有螺纹的零件（如螺母、螺孔）中，并达到预设的紧固状态。这个过程的关键在于“紧固状态”的精确定义，通常以扭矩（Torque）或角度（Angle），或者两者的组合来衡量。

技术要求可以概括为： - 精确的终值控制：确保每个紧固件都达到预设的扭矩值（例如，目标扭矩为10 N·m，允许误差±0.1%）。

• 一致性：在连续的大批量生产中，每个紧固件的扭矩或角度应保持高度一致，以确保产品质量和可靠性。

• 过程监控：能够实时监测拧紧过程中的扭矩和角度变化，以便及时发现异常，如卡牙、滑牙、漏拧等。

• 高效性：在自动化生产线上，紧固过程必须快速完成，以满足生产节拍要求。

第2部分：螺纹紧固的相关技术标准简介

螺纹紧固件的应用涉及多个层面的标准。在评价紧固件的紧固状态时，我们主要关注以下监测参数：

• 扭矩（Torque）：描述施加在螺纹件上的旋转力的大小，单位通常为牛·米（N·m）。这是衡量紧固程度最直接的参数。评价方法是测量最终达到的扭矩值，并与目标值进行比对。

• 角度（Angle）：描述螺纹件在拧紧过程中旋转的角度，单位为度（°）。角度测量可以与扭矩结合，形成“扭矩-角度”曲线，用于分析螺纹件的拧紧过程，如预紧扭矩、屈服扭矩、滑丝扭矩等。评价方法是测量总的旋转角度或特定扭矩下的角度值。

• 紧固件的拧紧状态：指螺纹件是否按照设定参数（扭矩、角度）被成功拧紧。评价方法是基于设定的参数范围，判断实际测量值是否在允许的公差区间内。

• 拧紧过程的稳定性/一致性：衡量连续多个紧固件在相同设定参数下的测量结果离散度。评价方法通常是统计分析（如计算标准差、变异系数）批量紧固件的扭矩或角度数据。

第3部分：实时监测/检测技术方法

为了实现±0.1%的紧固精度，关键在于能够精确、实时地测量和控制紧固过程中的扭矩和角度。以下是几种主流的技术方案：

1. 基于电阻应变片的旋转扭矩测量技术

这类技术是目前工业界最普遍、最成熟的扭矩测量手段，其核心原理是利用电阻应变片在受力变形时电阻值发生变化的特性。

• 工作原理与物理基础：当一个带有应变片的旋转轴受到扭矩作用时，会发生微小的扭转形变。在轴上粘贴的电阻应变片会随着这种形变而伸长或压缩，导致其电阻值发生相应改变。通常采用全桥（Full Bridge）惠斯通电桥的配置，将四个应变片串联或并联，以提高灵敏度并抵消温度等无关因素的影响。当电桥通电后，扭转形变会引起电桥输出电压（或电流）的微小变化，这个变化量与施加的扭矩大小成正比。

  • 关键公式：应变片电阻变化 $Delta R$ 与应变 $epsilon$ 的关系为 $Delta R = R_0 cdot G cdot epsilon$，其中 $R_0$ 是原始电阻， $G$ 是应变片的应变灵敏度系数。在惠斯通电桥中，输出电压 $Delta V$ 与施加的扭矩 $T$ 大致呈线性关系： $Delta V propto T$。

• 核心性能参数：

  • 额定扭矩 (FSD)：传感器设计的满量程，例如 0.175 N·m 至 20 N·m。

  • 综合精度：通常在 ±0.1 % FSD 范围内，包含非线性（±0.05%）和滞后（±0.05%）。

  • 角度分辨率：如果集成角度编码器，分辨率可达 0.009°。

  • 每转脉冲数 (PPR)：编码器可达 10,000 pulses/rev。

  • 采样率：数字端可达 4000 samples/s，保证了对快速变化的扭矩信号的捕捉能力。

  • 安全机械过载：高达 400 % FSD，这意味着传感器在短期过载时不易损坏，大大提高了工业应用中的可靠性。

  • 接口灵活：通常集成了RS232与USB，可选配CANbus与Ethernet，可以直接输出工程单位数据，简化了系统集成。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 精度高：±0.1% FSD 的精度是实现高精度的基础。

    • 成熟可靠：经过长期发展，技术稳定，产品类型丰富。

    • 动态测量能力强：高采样率和高角度分辨率使其非常适合精确的“扭矩-角度”同步测量，能捕捉到螺纹紧固中的关键峰值和微小变化，例如螺纹啮合瞬间的扭矩波动。

    • 非接触传输：现代产品多采用射频（R.F.）非接触技术传输信号，避免了传统滑环的磨损、噪声和维护问题，就像无线耳机取代有线耳机一样，大大提升了系统的稳定性和免维护性。

    • 高过载能力：400%的机械过载能力在小量程产品中非常罕见，能有效防止因安装失误或瞬间冲击导致的传感器损坏，大大降低了实验室或生产线的长期持有成本。

    • 接口灵活：通常集成了RS232与USB，可选配CANbus与Ethernet，可以直接输出工程单位数据，简化了系统集成。

  • 缺点：

    • 安装要求：需要精确的轴对中，以避免因径向或轴向力引起测量误差。

    • 成本：高精度、集成角度编码器的型号价格相对较高。

• 适用场景：螺纹紧固、瓶盖测试、启动摩擦分析、发动机测试等需要精确扭矩和角度数据的场景。

2. 基于光学测量的红外热成像技术（非接触式）

这种技术并非直接测量扭矩，而是通过测量紧固过程中产生的温度变化来间接评估紧固状态。

• 工作原理与物理基础：当螺纹件被拧紧时，螺纹之间的摩擦和材料的塑性形变会产生热量。这些热量在紧固件表面累积，形成“热斑”。通过红外热成像仪捕捉这些热斑的温度、大小和分布，可以推断出螺纹的紧固程度和均匀性。

  • 物理基础：热传导、摩擦生热、材料形变发热。红外相机探测物体发出的红外辐射，并通过黑体辐射定律等进行定量分析。

• 核心性能参数：

  • 温度测量范围：如 -20°C 至 +350°C。

  • 空间分辨率：可达 0.1mm，能够分辨细微的温度分布。

  • 测量精度：±0.1°C。

  • 测量速度：高达 120 帧/秒，适合高速生产线的在线检测。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式：完全避免了与被测物的物理接触，不会干扰拧紧过程，也无需对现有设备进行改造。

    • 在线、高速检测：可以实现对生产线上每一个螺纹件的即时监控。

    • 评估拧紧一致性：通过温度分布的均匀性，可以间接评估批量紧固件的扭矩一致性。

  • 缺点：

    • 间接测量：不是直接测量扭矩，其精度受材料导热性、表面状态、环境温度等多种因素影响，需要进行复杂的标定和算法模型。

    • 受表面影响大：表面涂层、氧化等都会影响红外辐射，可能导致测量误差。

    • 无法直接控制扭矩：更多用于质量检查和状态评估，而非闭环的精确扭矩控制。

• 适用场景：难以进行直接扭矩测量的场景，如微小扭矩、特殊材料、高压环境下的螺纹紧固件批量在线质量检测。

3. 基于机器视觉的紧固件状态监测

机器视觉技术主要通过捕捉图像来识别和分析紧固件的外观、位置和状态，从而辅助或间接判断紧固质量。

• 工作原理与物理基础：高分辨率的工业相机拍摄紧固件或装配区域的图像。通过图像处理算法，如边缘检测、模式匹配、特征提取等，可以识别螺栓是否到位、螺纹是否完整、拧紧角度是否正确（如果结合外部标记）、是否有异物等。

  • 物理基础：光学成像原理，结合数字图像处理和模式识别算法。

• 核心性能参数：

  • 分辨率：高达 1200 万像素，确保图像细节清晰。

  • 定位精度：可达 ±0.01mm，实现精确的空间识别。

  • 通信接口：以太网/IP、PROFINET等，方便与PLC或上位机通讯。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式：无需物理接触。

    • 信息丰富：可以提供关于螺栓外观、位置、姿态的多维度信息。

    • 易于集成：可以方便地集成到现有自动化线上，进行在线检查。

  • 缺点：

    • 无法直接测量扭矩：仅能提供间接信息，如是否漏拧（视觉上判断螺栓未拧入），或通过与编码器结合来判断拧紧角度，但扭矩值仍需其他传感器测量。

    • 受光照、表面影响：图像质量受光照条件、被测物表面反光、污垢等影响。

• 适用场景：辅助判断螺栓是否就位、是否正确安装、是否漏拧、拧紧深度是否达标等。常与力传感器或扭矩传感器配合使用，形成更完善的监控系统。

4. 基于伺服电机控制的智能拧紧系统

这类系统通常集成了伺服电机、编码器和力/扭矩传感器，实现对拧紧过程的闭环控制。

• 工作原理与物理基础：系统通过精确控制伺服电机的输出扭矩和转速，配合高精度的角度编码器实时监测旋转角度。当达到预设的扭矩和角度目标时，系统停止拧紧。内置的力传感器（通常基于应变片）或外部连接的扭矩传感器提供实时的扭矩反馈。

  • 物理基础：电磁力驱动、角度测量（通过编码器）、力/扭矩测量（应变片）。

• 核心性能参数：

  • 扭矩范围：如 0.1Nm - 1000Nm。

  • 精度：±1% of final torque value（这是一个综合控制精度，实际传感器精度更高）。

  • 角度精度：±0.01°。

  • 通信接口：Ethernet, Profinet, EtherNet/IP。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度闭环控制：能够实现“零缺陷”的螺纹紧固，直接控制并验证扭矩和角度。

    • 过程参数可追溯：记录完整的扭矩-角度曲线，便于质量追溯。

    • 集成度高：将拧紧工具、传感器和控制器集成在一起，简化了系统设计。

  • 缺点：

    • 成本较高：伺服电机和高精度传感器组合的成本相对较高。

    • 系统复杂性：需要更复杂的控制算法和系统集成。

• 适用场景：汽车制造、航空航天等对紧固质量要求极高的行业，需要精确的扭矩和角度控制，并实现过程全记录。

市场主流品牌/产品对比

为了达到±0.1%的紧固精度，核心在于采用高精度的基于电阻应变片的旋转扭矩测量技术，尤其需要集成高分辨率的角度编码器。

• 德国西门子：其 SIWAREX 系列产品，虽然主要应用于称重测量，但通过集成高精度应变片传感器，并配合适当的测量电路和算法，也可以间接用于测量螺栓拧紧过程中的反作用力，进而推算出扭矩。其优势在于与西门子整体自动化系统的深度集成，适合大型生产线。但 SIWAREX 本身更侧重于力的测量，直接作为扭矩传感器在精度和动态性能上可能不如专业扭矩传感器。

• 德国E+H：其 TCC225 系列是一款专业的转矩测量传感器，采用应变片原理，精度可达±0.1% of measured value。它内置高精度应变片，通过内部电子元件进行补偿和放大，输出标准的 4-20mA 信号。该产品坚固耐用，适用于严苛的工业环境，能直接、精确地测量扭矩，为自动装配提供可靠数据。但其输出信号可能需要额外的变送器来适应标准总线协议。

• 瑞典海克斯康：其 RPA-2000 智能拧紧系统，采用伺服电机配合高精度编码器和内置力/扭矩传感器，可以实现±1% of final torque value 的综合控制精度。它提供闭环控制，实时监控扭矩和角度，实现“零缺陷”装配。海克斯康的优势在于提供完整的解决方案，将测量、控制和数据追溯集成在一起，非常适合高要求的自动装配应用，其核心扭矩测量部分也是基于应变片技术，并有角度监测功能。

• 日本基恩士：其 SR-1000 系列图像传感器本身不直接测量扭矩，而是用于视觉检测。它通过高分辨率摄像头捕捉拧紧工具姿态、螺栓就位情况等，需要配合外部传感器（如扭矩传感器、编码器）来辅助扭矩控制。基恩士的优势在于易用性和强大的图像处理能力，非常适合作为辅助监控手段，用于提高装配自动化水平和视觉检查。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

要实现±0.1%的紧固精度，以下技术指标至关重要：

1. 综合精度 (Accuracy)：这是最核心的指标，直接决定了最终测量