面向装配质量管控的错拧触发自动锁屏无线扭力扳手与MES对接技术研发与应用

面向装配质量管控的错拧触发自动锁屏无线扭力扳手与MES对接技术研发与应用

一、研究背景与需求分析

在离散制造业装配生产环节中，螺栓拧紧是直接决定产品结构稳定性与使用安全性的核心工序，错拧、漏拧、扭力不达标等质量问题一直是行业长期存在的痛点。传统装配过程中，大多依赖人工手持普通扭力扳手操作，依赖作业人员的经验与责任心管控质量，存在三大核心缺陷：第一，无法实时判定拧紧顺序错误，多个螺栓装配时作业人员跳拧、错序后无法及时制止，只能依靠后续全检或客户使用阶段暴露问题，质量追溯成本较高；第二，扭力数据人工记录易篡改、易遗漏，无法形成可追溯的质量档案，出现质量问题后无法定位到具体工位、具体人员与具体时间；第三，传统扭力扳手与制造执行系统（MES）脱节，装配数据无法实时同步到生产管控平台，生产调度与质量管控部门无法实时掌握工序质量状态，难以实现全流程的透明化管控。

随着汽车、工程机械、装备等领域对装配质量要求的不断提升，行业对智能化拧紧工具提出了明确需求：要求扭力扳手能够实时采集拧紧扭力、角度数据，能够根据预设的装配工艺判定拧紧顺序、扭力是否合格，在出现错拧、扭力不达标时自动锁止工具避免不合格品流入下工序，同时能够将所有装配数据实时上传至MES系统，实现装配过程的全数据管控与全链路追溯。目前市场上的进口智能化拧紧设备价格高昂，中小制造企业难以承担，国内现有无线扭力扳手大多仅具备数据采集功能，不具备错拧自动锁屏与MES深度对接功能，因此开展面向装配质量管控的错拧触发自动锁屏无线扭力扳手与MES对接技术研发，具有明确的行业应用价值与市场推广空间。

二、总体技术方案设计

2.1 总体架构设计

本项目技术体系分为四层架构，分别是工具终端层、无线通信层、边缘网关层与MES应用层，各层功能分工明确，数据流转顺畅：

· 工具终端层：集成扭力传感器、角度传感器、微控制单元（MCU）、无线通信模块与锁止执行机构，负责完成拧紧操作的 data采集、错拧逻辑判断、异常触发锁屏，将合格与异常数据通过无线传输发送至边缘网关。

· 无线通信层：采用低功耗蓝牙BLE 5.0技术实现工具终端与边缘网关的通信，满足车间复杂电磁环境下的稳定传输要求，通信延迟控制在100ms以内，保证异常触发锁屏的实时性。

· 边缘网关层：负责汇聚多个无线扭力扳手的数据，完成数据预处理、协议转换，按照MES系统要求的接口格式将数据上传，同时下发MES下发的工艺参数与拧紧任务到对应扳手终端。

· MES应用层：在现有MES系统中开发装配质量管控模块，实现拧紧工艺参数配置、任务下发、实时数据展示、质量异常告警、质量报表生成与全链路追溯查询功能。

2.2 核心功能指标设计

结合行业实际应用需求，本项目产品设定核心功能指标如下：

三、关键技术研发

3.1 错拧识别与自动锁屏技术研发

错拧识别的核心是基于工位螺栓位置编码的顺序匹配算法。首先在工位工艺设计阶段，将当前工位需要拧紧的所有螺栓按照工艺要求的拧紧顺序编号，每个编号对应的螺栓位置与预设扭力值、角度阈值，将工艺参数下载到扳手终端存储。作业人员拧每个螺栓前，需要通过扳手末端的感应头读取螺栓位置的RFID编码标签，扳手终端将读取到的编号与当前工艺要求的顺序编号比对，如果编号不匹配（提前拧了后序螺栓或者重复拧已完成螺栓），立即判定为错拧，触发锁止信号。

自动锁屏机构采用电磁锁止方案，设计了集成在扳手输出轴的电磁锁止组件，正常工作状态下电磁锁处于通电吸合状态，不影响输出轴正常转动，当错拧或扭力不合格触发锁止信号后，立即断电，锁止销在弹簧作用下弹出卡入输出轴的定位槽，输出轴无法转动，实现工具立即锁止，作业人员无法继续操作，只有工艺管理人员通过权限验证解除异常后才能重新解锁，从工具层面杜绝了错拧不合格品流入下工序。

针对扭力不合格的场景，本技术也支持触发锁屏：当作业人员完成拧紧后，扳手终端采集到的扭力值低于工艺预设的下限或者高于上限，自动判定为扭力不合格，同样触发自动锁屏，需要作业人员排查问题后经管理人员解锁才能继续操作，实现了错拧、不合格拧紧的双重拦截。

3.2 低功耗无线数据传输技术优化

针对车间多扳手同时作业的场景，本项目采用BLE 5.0的广播信道跳频技术，避免多个工具之间的信号干扰，每个扳手终端分配的设备ID，边缘网关通过设备ID区分不同扳手的数据，实现最多32台扳手同时接入同一个网关，满足大工位多人员同时作业的需求。同时优化了数据传输策略，正常拧紧完成后才打包上传数据，异常状态下优先传输异常告警数据，保证异常信息能够第一时间上传到MES系统，既降低了无线带宽占用，又保证了核心数据的传输实时性。

为了提升工具的连续工作时长，对MCU与通信模块的功耗进行了优化，空闲状态下进入低功耗休眠模式，只有当感应头读取标签或者有拧紧操作时才唤醒进入工作模式，静态功耗降低到1mA以下，配合大容量锂电池，实现单日8小时连续作业的续航要求，满足生产线一班制生产需求。

3.3 与MES系统对接技术研发

为了适配不同企业现有MES系统的对接需求，本项目设计了标准化的对接接口方案，支持两种对接模式：

第一种是RESTful API接口模式，边缘网关将预处理后的拧紧数据按照约定的JSON格式，通过HTTP/HTTPS请求推送给MES系统指定的接口地址，同时支持从MES系统接口拉取当前工位的拧紧工艺任务与参数，实现双向数据交互。这种模式适用于MES系统具备开放接口能力的企业，对接开发工作量小，实施周期短。

第二种是中间数据库交互模式，对于部分不支持开放API的老旧MES系统，通过配置中间表的方式实现数据交互：边缘网关将拧紧数据写入中间数据库的指定数据表，MES系统从中间表读取数据，MES下发的工艺参数写入中间表，边缘网关定时读取同步到扳手终端，这种模式不需要修改MES系统核心代码，适配性更强，降低了对接改造的难度。

在数据交互内容方面，实现了三类核心数据的对接：第一是工艺数据下行，MES根据生产订单与BOM信息，将当前工位对应的螺栓拧紧顺序、每个螺栓的扭力范围、角度范围下发到扳手终端，实现不同产品装配工艺的自动切换，不需要人工在扳手端重新设置，避免了人工设置错误；第二是装配数据上行，每个螺栓拧紧完成后，将螺栓编号、作业人员ID、拧紧时间、扭力值、角度值、是否合格这些核心数据实时上传到MES，存入产品的质量档案；第三是异常信息上行，当出现错拧、扭力不合格触发锁屏时，立即将异常信息上传MES，MES系统触发工位声光告警，通知质量管理人员及时到现场处理，同时记录异常信息与处理结果，实现异常过程的可追溯。

四、功能模块实现

4.1 无线扭力扳手终端功能模块

扳手终端核心功能模块包括：

· 传感数据采集模块：实时采集拧紧过程中的扭力与角度数据，完成数据滤波与温度补偿，保证测量精度，扭力数据采集频率达到1000Hz，能够捕捉拧紧过程中的峰值扭力。

· 错拧判断模块：读取螺栓RFID标签编号，与预设工艺顺序比对，实时输出错拧判断结果。

· 自动锁止控制模块：接收错拧或扭力不合格信号，控制电磁锁止机构动作，实现输出轴锁止，接收解锁指令后控制电磁锁吸合，恢复工具正常使用。

· 无线通信模块：完成与边缘网关的数据交互，接收下行工艺参数，上传上行拧紧数据与异常信息。

· 人机交互模块：配备OLED显示屏，显示当前需要拧紧的螺栓编号、预设扭力、实际扭力、当前状态等信息，配备操作按键与权限刷卡区，支持作业人员刷卡登录、管理人员解锁验证。

4.2 MES端装配质量管控模块

在MES系统中新增的装配质量管控模块包含五个子功能模块：

· 工艺参数管理模块：支持按照产品型号、工位维护螺栓拧紧工艺，设置每个螺栓的编号、顺序、扭力范围、角度范围，保存为工艺模板，生产调度时直接调用对应模板，支持工艺版本管理，方便工艺变更后的追溯。

· 生产任务下发模块：根据生产工单自动匹配对应产品的拧紧工艺，将工艺参数下发到对应工位的扳手终端，支持手动调整任务参数。

· 实时质量监控模块：在车间生产监控大屏展示各个工位的拧紧进度、合格数量、异常数量，异常发生时自动弹窗告警并推送消息到对应管理人员的移动端。

· 质量追溯查询模块：输入产品编号可以查询该产品所有螺栓的拧紧数据，包括每个螺栓的拧紧时间、作业人员、扭力值、角度值、是否合格、异常处理记录，支持导出质量追溯报告，满足主机厂对供应商的质量追溯要求。

· 统计分析报表模块：自动生成按日、周、月的装配质量统计报表，统计错拧发生率、不合格率，分析不同工位、不同作业人员的质量数据，为工艺优化与人员管理提供数据支撑。

五、应用效果与效益分析

5.1 应用效果

本项目技术成果已经在某工程机械企业的结构件装配车间进行试点应用，该车间原有装配工序错拧漏拧发生率约为2.3%，采用本技术之后，错拧、扭力不合格在工序内直接拦截，错拧漏拧发生率降低到0.1%以下，装配一次合格率从96.2%提升到99.7%，后续整车出厂后的螺栓质量投诉降低了90%以上。同时，所有装配数据自动上传MES系统，取消了原来人工记录扭力数据的环节，每台产品记录时间节省约15分钟，生产线作业效率提升了3%，质量追溯时间从原来的平均4小时缩短到1分钟以内，大幅提升了质量问题处理效率。

5.2 效益分析

经济效益方面，本技术开发的错拧触发自动锁屏无线扭力扳手，价格仅为进口同类智能化拧紧设备的1/3~1/5，中小制造企业能够以较低成本完成装配质量智能化改造，以一个拥有100个装配工位的车间计算，改造投入仅为进口方案的20%左右，年减少质量损失与返工成本可达数百万元，投资回收期不到1年。

管理效益方面，实现了装配过程从“人控”到“技控”的转变，错拧不合格工具自动锁止，不需要现场质检人员全检，降低了人工质检的成本与管理难度，同时全数据可追溯的质量档案满足了客户对产品质量的合规性要求，帮助企业提升了市场竞争力。

社会效益方面，从源头提升了装备产品的装配质量，降低了产品使用过程中因为螺栓松动、错拧引发的安全事故风险，同时推动了国内装配工具的智能化升级，逐步替代进口产品，降低了制造业智能化改造的成本。

六、推广应用前景

本技术成果适用于汽车零部件、工程机械、装备、家用电器等所有存在螺栓装配工序的制造行业，尤其是对装配质量要求高、需要满足质量追溯要求的企业，具有广泛的推广应用前景。下一步可以针对不同行业的应用需求，开发更小量程与更大量程的产品系列，优化与主流MES系统的预制对接插件，进一步降低对接实施成本，推动技术成果的规模化推广，助力离散制造业装配环节的数字化智能化转型。

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