Automobile Technology & Material
电动拧紧工具辅助力臂在汽车总装的应用
（广汽乘用车有限公司，广州511434） 摘要：电动拧紧工具辅助力臂是汽车制造总装车间装配生产的常用设备，合理的设计能更好的满足人机工程要求。结合应用实例，从电动拧紧工具辅助力臂设备的形式和特点出发，阐述了辅助力臂的规范化设计和功能要求，并从其未来发展趋势作了延伸说明。辅助力臂的种类较多，实际应用时需要根据紧固点工况进行综合分析、选用和设计。未来结合自动化辅助设备，能够大大降低员工劳动强度，提高生产效率，提升汽车智能制造水平。 关键词：辅助力臂 设计 功能 安全 中图分类号：U468.2 文献标识码
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汽车总装车间进行紧固点装配过程中会产生和扭力方向相反的作用力，扭矩越大，反作用力越大，员工劳动强度越大。特别是采用电动拧紧工具作业
70 N·m
时，一般超过 以上的作业需要靠辅助力臂操作。拧紧工具辅助力臂设备，就是利用抗扭力臂和电动拧紧工具配合使用，从而达到克服反作用力的效果，减轻员工劳动强度。常见的拧紧工具辅助力臂形式有悬挂上下伸缩式、悬挂随行四连杆式、悬挂固定四连杆式、落地上下伸缩式、落地四连杆式、专用工装、集成式设备等形式。其中车间普遍使用的是悬挂四连杆式和悬挂上下伸缩式辅助力臂。
2辅助力臂简介
悬挂式四连杆悬挂式四连杆分为随行式与固定式，适用于
作者简介：温应维（1989—），男，工程师，学士学位，研究方向为汽车制造总装规划。流动主线，配合导轨安装于两侧钢构，不占用线边空间。随行式四连杆包含轨道系统、移动小车、随行电机、反力臂立柱臂杆、机械力臂、拧紧工具夹
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持工装等组成，具体如图 所示。
移动小车 随行电机 现场工字梁 轨道系统电控箱
立柱臂杆工具控制器
机械力臂后臂
四连杆臂
刹车气缸
拧紧工具夹持机构前臂2.1轨道系统
2.1.1
轨道布置轨道系统用于实现设备能够沿着输送线运动方向进行移动。一般采用双固定导轨与现场工字梁进行连接，固定导轨与生产线平行。设备移动
范围需覆盖一个工位间距。
2.1.2
轨道要求
a.为保证整个吊挂系统稳定，导轨前后两端需
要有固定横梁；
b.纵向轨道两端设置机械限位停止器，同时须
有缓冲块，以保证行走安全；
c.为防止导轨机构突然松脱造成的坠落危险，
导轨整体需配置防坠钢丝绳安全装置。包含轨道保护装置、横梁保护装置和滑车保护装置；
d.
如果因为轨道过长而需要几段轨道拼接在一起使用时，在单根轨道联接处使用专用接头组件，保证设备运行安全、无振动，可顺利过渡移动；
e.为保证操作者前后移动设备灵活省力，轨道
优先采用摩擦系数低的铝轨，同时轨道安装时需
保证其水平度≤4/1 000，操作者运行时拉力≤30 N
为准。
2.2 移动小车
移动小车用于连接轨道系统和机械臂之间的机构，包含行走小车、移动小车框架。其中行走小
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车与移动轨道相配合，单侧导轨至少布置 套行走
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小车组，总共至少需要 套小车组。
2.3 机械臂
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机械臂整体由立柱臂杆与机械力臂 大部分组成。其中立柱臂杆与移动小车连接，机械力臂一般由后臂与四连杆臂组成，上下升降气缸布置在四连杆臂上。后臂与立柱臂杆、四连杆臂与后臂之间通过气动刹车气缸连接。特别的，一些紧固点方向比较特殊的，可以通过补充前臂实现更大的力臂摆动自由度。克服拧紧作业时产生的反作用力是机械臂基本功能。
其中，拧紧工具控制器一般采用支架挂靠在立柱臂杆上，方便操作者实时近距离观看操作结果；工位套筒选择器采用支架固定在机械力臂上，方便随时切换套筒；同时为了方便移动设备，需要在机械力臂前端设计辅助手柄供操作者使用。
除了以上功用，机械臂从上到下布置有电动拧紧工具与控制器之间的通讯线缆、套筒选择器线缆以及气控和电控所需的气管及电缆等，采用线夹依次固定在机械臂上。
2.4 拧紧工具夹持机构
拧紧工具夹持机构主要用于固定电动拧紧工具，使其在进行拧紧装配作业时能够适应紧固点的作业方向，同时实现作业时产生的力的传递。一般布置在四连杆臂末端或者前臂末端。
常规夹持机构可分为固定式、旋转式、切换式3 2
种形式，具体样式如图 所示。2.4.1
固定式夹持机构固定式夹持机构结构中，拧紧工具不可绕工具中心线旋转，一旦安装角度确定便不再转动，常用于固定角度的、不需要切换方向的紧固点。
连接关节用于连接夹持机构与机械臂，是所有类型夹持机构一般都有的关节，可采用调节螺栓预留角度微调，也可固定该角度。
2.4.2
旋转式夹持机构旋转式夹持机构结构中，拧紧工具可绕工具中心线旋转，获得不同的拧紧角度和方向，同时可通过限位螺栓限定一定范围的转动角度。该类夹持机构内部类似轴承结构，其外圈与机构贴合，内
圈与工具贴合，实现可旋转功能。
2.4.3
切换式夹持机构切换式夹持机构结构中，拧紧工具和工具夹持机构整体可通过插销插拔形式，获得不同的拧紧角度和方向，特别是水平方向与竖直方向切换，具体的切换角度可在插销开孔盘中开不同的孔
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位，作业时通过插拔销切换即可，典型的有如下种紧固工况。
a.水平紧固点。
配合弯头式电动拧紧工具，工具本体竖直放置，工具输出头水平对准紧固点。结合旋转式夹持机构夹头，工具本体绕夹持机构中心旋转可满
360°方向的紧固，如图3
足水平面 所示。b.竖直紧固点。
当水平紧固点切换为竖直向上的紧固点时，采用切换机构将拧紧工具由竖直状态变为水平状态，工具输出头向上。切换机构由插销孔盘与插
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销及连接支架组成。插销孔盘上对角布置 个插销孔。切换方向时，将插销拔出，连接支架包含夹
180°
持机构整体绕插销孔盘中心旋转 之后，插销
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插入另一插销孔，完成方向切换，如图 所示。
c.倾斜紧固点。
对应倾斜紧固点，可在水平紧固点及竖直紧固点的结构基础上操作。如果倾斜角度较小，可以在夹持机构与切换机构的连接支架之间的关节设计一定角度范围的调整量，对工具输出可实现一定的角度调整；如果倾斜角度较大，可以在竖直紧固点的作业状态上将工具绕着夹持机构旋转并对准倾斜紧固点，即可获得所需要的倾斜角度，如
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图 所示。
1
通过以上不同形式的快速切换，可在 个岗位
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个设备上快速对应不同角度的紧固点，实现柔性生产。
以上所有的夹持机构不能包含拧紧工具的电机部位，否则容易引起电机损坏。
2.5 气动系统
悬挂式四连杆辅助力臂气动系统用于有效安全控制力臂的灵活移动，以方便人员作业，具体需
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包含以下 个功能。
a.平衡功能。
保证机械臂在工作时在空间任意位置平衡静止，处于浮动状态；
b.刹车功能。
系统在主回转关节以及次回转关节配有刹车装置，防止在工作时机械力臂各关节随意摆动[1] ；各关节的刹车气缸控制各关节的状态，当操作人员移动机械臂进行作业时，刹车气缸关闭，机械臂
可随意摆动，以便员工进行灵活对位，在进行紧固作业时则开启刹车气缸，使机械臂各关节固定成一体，否则拧紧产生的作用力会使机械臂摆动。
c.断气保护功能。
配备有断气保护装置，当主气源意外断气或者气压出现异常时，辅助力臂不会突然掉落。
2.6 电气控制
电气控制主要实现设备随线运行、控制设备前进后退运行、设备与线体的安全联锁等。
2.6.1
随行功能
a.由电机带动设备整体跟着线体流动，当作业完
毕后，将设备收回，设备能够自动返回原点，等待作业；
b.电机需带气动离合机构，可实现电机与导轨
松开后人员手动拉动设备前后移动；
c.在距离操作者合适位置放置操作控制盒，控
制盒上分布的功能按钮包含但不仅限于“快进”、“快退”、“随行”、“急停”、“离合”等，用以控制设备的动作。
2.6.2
安全联锁
a.极限位联锁。
为了防止操作人员在当前工位作业流岗时操作设备到达极限位可能造成设备或车辆损坏，在导轨末端需要布置二级安全保护开关。第一级开关为预警检测开关，设备报警不停线，设置在
80%～90%行
程的位置；第二级用作限位检测，在辅助力臂到达极限位置时，极限位行程开关与生产线联锁，设备报警且使线体停止运行。
b.原位联锁。
作业完毕后，将机械臂本体放回原位，在此状态位置需要有感应开关感应机械臂放置到位，如果机械臂没有检测到机械臂放回原位，则车辆在出工位的时候报警停线，可防止设备与车辆未分离而产生拉扯，对车辆和设备造成损坏。
固定式四连杆辅助力臂不需要随行导轨，其余要求与随行式四连杆反力臂一致。
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悬挂上下伸缩式助力臂悬挂上下伸缩式辅助力臂，主要应用于底盘分装线及分装台，不占用线边空间。主要由轨道系统、上下伸缩臂、拧紧工具夹持机构等组成，如
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图 所示。3.1轨道系统
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导轨由固定导轨和移动导轨构成“”型导轨。其中固定导轨与工厂工字梁进行连接，移动导轨与固定导轨连接。其余导轨的要求与随行式四连杆辅助力臂的轨道要求一致，包含各类导轨附件和安全要求。
3.2 移动小车
移动小车作为连接移动导轨与伸缩臂的机
4小
构，要求有足够的强度，与移动导轨部分采用车组连接，与上下伸缩臂部分采用螺纹连接。
3.3 伸缩臂
a.手动操作的辅助力臂伸缩臂采用平衡吊实现上下平衡升降，带有半自动要求的伸缩臂采用气缸等机构辅助实现升降；
Q235，上
b.伸缩臂材料一般采用碳钢 下升降末端需要设计缓冲块和机械限位；
c.伸缩形式有伸缩杆、直线滑轨等，伸缩杆内
部设置防坠销等保护措施。
3.4 拧紧工具夹持工装
上下伸缩式反力臂拧紧工具夹持机构与悬挂式四连杆反力臂夹持机构一致，也存在固定式、旋
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转式、切换式 种形式。
3.5 电气要求
移动导轨末端需有到位检测开关，当作业完毕后移动导轨移动回原位，碰到检测开关，并将该
PLC，线体方可放行，如果检测不到信号发给线体该信号，线体不予放行。
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落地式四连杆设备适用于定点作业的岗位，如合车底部定点作业，分装线定点作业以及分装台定点作业，相对于悬挂式辅助力臂，没有轨道系统和小车系统，其余的力臂、机械臂及拧紧枪夹持机构与悬挂式的辅助力臂要求一致，其中对于在线作业的设备同样需要设置到位检测开关检测设备放置到位，与线体进行联锁。5
落地式上下伸缩式辅助力臂和落地式四连杆辅助力臂一样较适用于定点作业的岗位，相对于悬挂上下伸缩式辅助力臂，同样没有轨道系统和小车系统，除了上下伸缩杆及平衡吊、安全带基本要求外，落地式上下伸缩式辅助力臂还需要有垂直上下伸缩杆的机械臂，同时该机械臂可前后伸缩，可绕伸缩杆方向转动一定角度，以实现一定范围内的作业点紧固。6
落地式四连杆
落地上下伸缩式辅助力臂
工装式工具辅助力臂
工装式工具辅助力臂，根据产品的特点设定特定的固定工装与相应的产品结构配合，以便拧紧工具作业的时候将产生的力传递到产品本身，克服反作用力。此类工装特点是结构简单，但适应性单一，只能用于特定的车型，一旦产品结构改变或者差异较大，则原有工装无法适应，需切换工装。设计工装时，需要注意以下原则。
a.工装与相应的非紧固点配合，工装需要考虑保护产品，避免对工件造成损伤；
b.工装与相应的紧固点配合，可以考虑采用防转套筒；
c.工装与工具整体需采用平衡吊与安全带吊装，以实现作业平衡，降低员工劳动强度。7
集成式工具辅助力臂
集成式工具辅助力臂，一般采用伺服机构、机器人等设备，并配置一些非标机构，有的还配置了视觉系统，实现拧紧作业的半自动或自动装配。总装常见的设备有轮胎自动装配、前后悬合车自动拧紧装配等。该类设备对线体、工件托盘、产品的定位精度要求较高。
采用伺服机构集成式辅助力臂，受限于直线滑轨、非标机构等空间布置，其运动范围有限，柔性化程度较低，如果不同平台车型紧固点差异不大，可考虑导入该类型机构。采用机器人集成式机构，其生产柔性高，可适应多平台的车型，该类形式的设备能够提高车间自动化和智能化水平，实现省人化，同时提升经济效益，是目前智能制造的一大趋势。8
案例说明
以汽车前下摆臂与前副车架紧固点为例，不同车型情况下该紧固点的紧固方向差异比较大， 7包括竖直、水平、倾斜方向，如图 所示。
针对该类型紧固点，在采用电动拧紧工具的情况下，需要重点考虑辅助力臂的选型以及拧紧工具夹持工装的设计。结合前副车架在分装线分装的特点，适合采用悬挂上下伸缩式辅助力臂。铝型导轨上部的钢结构选择需要满足该设备的承
250 kg 14#
重范围，一般在 以内，钢构一般采用 工字钢。轨道采用”#”型布置，其
X、Y向长度需覆盖
该工位的各车型紧固点的范围并且单侧至少各预
500 mm
留 长度，机械臂的上下行程除了需要覆盖紧固点的上下限位置之外，也需要预留操作空间距离，其余形式遵循常用上下伸缩辅助力臂要求；对于拧紧工具夹持工装，需要结合其紧固点方向，采用切换式夹持结构，插销切换机构布置在机械臂下端，从而实现拧紧不同车型不同方向的紧固
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点，如图 所示。
泛应用于总装车间生产中。未来为了实现汽车智能制造，拧紧装配技术也会往自动化、智能化方向发展。例如在拧紧辅助力臂上安装位置检测传感器实现力臂空间位置定位，最终可以实现拧紧点的紧固顺序智能防错。以后越来越多的拧紧工位采用工业机器人或协作机器人作业，也将逐步应用并取代传统辅助力臂实现全自动拧紧，最终实现柔性智能装配、高效高质量生产。不管是传统的辅助力臂还是后续的智能拧紧辅助设备，实际应用时需要根据各紧固点的工况进行综合分析并进行规范化设计，使得辅助力臂或者辅助机器人设备在满足使用功能的基础上，能够极大限度的符合人机工程要求，降低员工劳动强度，提高操作安全性和生产效率，助力汽车制造自动化、智能化水平提升。
参考文献：
[1] 张金枝, 肖立军.
助力机械手在汽车制造业中的应用
[C] // 企业应用集成系统与技术学术研究会论文集,
2006.