MES系統(tǒng)驅(qū)動的錯擰自動鎖屏功能在工業(yè)無線扭力扳手上的開發(fā)與應(yīng)用

一、研究背景與問題提出

在現(xiàn)代離散制造領(lǐng)域，裝配環(huán)節(jié)的螺栓連接質(zhì)量直接決定了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與使用壽命，尤其在汽車整車裝配、重型機(jī)械設(shè)備制造、風(fēng)電新能源設(shè)備組裝等對連接精度要求較高的行業(yè)，螺栓錯擰、漏擰問題始終是影響產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全的核心隱患。傳統(tǒng)工業(yè)裝配場景中，多采用固定扭力設(shè)定的普通扭力扳手作業(yè)，依靠作業(yè)人員人工核對螺栓編號、扭力參數(shù)與裝配順序，不僅作業(yè)效率低下，還極易因人員疏忽出現(xiàn)錯擰問題——即對不需要擰緊的螺栓施加扭力，或者用錯誤的扭力參數(shù)擰緊對應(yīng)螺栓，這類質(zhì)量問題往往在最終成品檢測環(huán)節(jié)才會被發(fā)現(xiàn)，一旦流入市場，不僅會產(chǎn)生高額的售后返修成本，還會對企業(yè)品牌信譽(yù)造成不可逆的負(fù)面影響。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的普及，無線扭力扳手憑借可實(shí)時上傳扭力數(shù)據(jù)、自動記錄作業(yè)過程的優(yōu)勢，逐步取代了傳統(tǒng)機(jī)械扳手成為裝配作業(yè)的主流工具。但當(dāng)前市面上多數(shù)無線扭力扳手僅具備基礎(chǔ)的扭力數(shù)據(jù)采集與上傳功能，缺乏與上層生產(chǎn)管理系統(tǒng)的聯(lián)動能力，即便部分企業(yè)已經(jīng)部署了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實(shí)現(xiàn)了裝配BOM表與作業(yè)任務(wù)的數(shù)字化管理，依然無法從工具層面約束作業(yè)人員的操作行為，錯擰問題的防控仍然依賴人工檢查，無法從根源上杜絕問題發(fā)生。

針對上述行業(yè)痛點(diǎn)，本文提出開發(fā)一種由MES系統(tǒng)直接驅(qū)動的錯擰自動鎖屏功能，部署在工業(yè)無線扭力扳手終端，通過MES下發(fā)作業(yè)任務(wù)與合規(guī)操作序列，實(shí)時比對工具當(dāng)前操作與合規(guī)序列，一旦檢測到錯擰操作立即觸發(fā)鎖屏鎖定工具輸出，只有在管理人員解鎖糾正后才能恢復(fù)作業(yè)，從工具操作層面實(shí)現(xiàn)錯擰問題的事前防控，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)方案的不足。

二、系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

本次開發(fā)的錯擰自動鎖屏功能，整體采用“云-邊-端”三層架構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)與無線扭力扳手的深度聯(lián)動，各層級的功能定位與交互邏輯如下：

2.1 上層MES服務(wù)層

MES系統(tǒng)作為整個功能的決策與數(shù)據(jù)中樞，主要承擔(dān)四個核心功能：第一，根據(jù)生產(chǎn)訂單與裝配BOM信息，生成對應(yīng)工位的標(biāo)準(zhǔn)化裝配作業(yè)任務(wù)，明確每個需要擰緊的螺栓位置、編號、目標(biāo)扭力參數(shù)、允許擰緊順序等合規(guī)操作規(guī)則；第二，將生成的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)任務(wù)通過工業(yè)無線局域網(wǎng)下發(fā)到對應(yīng)工位的無線扭力扳手終端，支持任務(wù)的動態(tài)更新與重新下發(fā)；第三，實(shí)時接收無線扭力扳手上傳的操作數(shù)據(jù)，記錄每一次擰緊操作的時間、扭力值、螺栓編號、操作人員信息，更新生產(chǎn)任務(wù)的完成狀態(tài)，并存入MES質(zhì)量數(shù)據(jù)庫；第四，處理錯擰事件的后續(xù)流程，接收扭力扳手上報的錯擰鎖屏信息，生成質(zhì)量異常告警推送至工位終端與管理人員移動端，記錄異常處理過程與結(jié)果，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量問題的全鏈路追溯。

2.2 邊緣網(wǎng)關(guān)層

為了降低無線扭力扳手的通信延遲，保障鎖屏指令的響應(yīng)實(shí)時性，在車間現(xiàn)場部署邊緣計算網(wǎng)關(guān)作為中間轉(zhuǎn)發(fā)層，邊緣網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)三個功能：第一，完成本地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，將MES系統(tǒng)下發(fā)的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為無線扭力扳手支持的BLE藍(lán)牙或LoRa協(xié)議，同時將扳手終端上傳的操作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MES可識別的格式，實(shí)現(xiàn)雙向通信；第二，緩存當(dāng)前工位的作業(yè)任務(wù)規(guī)則，在MES系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)臨時中斷時，依然可以為扳手終端提供規(guī)則比對服務(wù)，避免網(wǎng)絡(luò)波動影響生產(chǎn)作業(yè)；第三，本地預(yù)處理操作數(shù)據(jù)，對重復(fù)上傳、格式錯誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾，僅將有效操作數(shù)據(jù)與異常信息上傳至MES系統(tǒng)，降低上層系統(tǒng)的計算壓力。

2.3 無線扭力扳手終端層

無線扭力扳手終端作為錯擰檢測與鎖屏功能的執(zhí)行載體，在原有扭力采集、無線通信功能的基礎(chǔ)上，新增操作規(guī)則比對、自動鎖屏控制兩個核心模塊。終端內(nèi)置低功耗單片機(jī)控制模塊，接收邊緣網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的作業(yè)規(guī)則后，存儲在本地緩存中，每一次觸發(fā)擰緊操作后，立即將當(dāng)前操作的螺栓編號、操作順序與本地緩存的合規(guī)規(guī)則進(jìn)行比對，如果匹配則允許操作完成并上傳數(shù)據(jù)，如果不匹配則在擰緊動作完成前觸發(fā)鎖屏機(jī)構(gòu)，切斷動力輸出（電動扳手）或鎖定扭矩輸出（氣動扳手），同時將錯擰信息上報至邊緣網(wǎng)關(guān)與MES系統(tǒng)。

三、核心功能模塊開發(fā)

3.1 MES端作業(yè)規(guī)則建模模塊

錯擰自動鎖屏功能的核心前提是建立標(biāo)準(zhǔn)化的裝配作業(yè)規(guī)則，因此MES端需要實(shí)現(xiàn)靈活的作業(yè)規(guī)則建模能力，適配不同產(chǎn)品、不同工位的裝配需求。本次開發(fā)中，將螺栓擰緊作業(yè)規(guī)則抽象為兩類約束條件，分別為順序約束與參數(shù)約束：

順序約束是指部分產(chǎn)品裝配要求螺栓必須按照固定的順序擰緊，比如發(fā)動機(jī)缸蓋連接螺栓需要遵循“從中間到兩邊、對角擰緊”的順序，如果提前擰緊邊緣螺栓會導(dǎo)致缸蓋平面度不符合要求，因此順序約束要求當(dāng)前操作的螺栓順序必須與規(guī)則定義的順序一致，只有前一個合規(guī)螺栓完成擰緊后，下一個螺栓的操作才被允許，否則判定為錯擰。

參數(shù)約束是指每個螺栓對應(yīng)的目標(biāo)扭力范圍，操作時使用的扭力參數(shù)必須在對應(yīng)螺栓的允許范圍之內(nèi)，如果用A螺栓的扭力參數(shù)擰緊B螺栓，即便順序正確也會被判定為錯擰。參數(shù)約束支持分段扭力設(shè)置，部分工藝要求螺栓分兩次擰緊，第一次預(yù)擰到50%扭矩，第二次擰緊到100%目標(biāo)扭矩，規(guī)則建模時支持為同一個螺栓設(shè)置多段參數(shù)，每一段都需要依次完成才判定為合格。

為了方便現(xiàn)場工藝人員維護(hù)規(guī)則，MES端開發(fā)了可視化的規(guī)則配置界面，工藝人員可以直接導(dǎo)入CAD裝配圖紙中的螺栓坐標(biāo)信息，點(diǎn)擊對應(yīng)螺栓即可設(shè)置約束條件與參數(shù)，自動生成標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)則，無需編寫代碼，適配多品種小批量的生產(chǎn)模式。

3.2 錯擰實(shí)時檢測模塊

為了保障錯擰檢測的實(shí)時性，降低通信延遲對鎖屏響應(yīng)速度的影響，本次開發(fā)將錯擰檢測的核心邏輯部署在無線扭力扳手終端本地，僅將檢測結(jié)果上傳至上層系統(tǒng)，檢測流程如下：

第一步，無線扭力扳手開機(jī)后，自動連接邊緣網(wǎng)關(guān)，請求當(dāng)前工位的作業(yè)任務(wù)規(guī)則，校驗規(guī)則完整性后將規(guī)則存儲到本地Flash緩存中，終端顯示屏顯示當(dāng)前需要作業(yè)的螺栓編號與目標(biāo)扭矩，提示作業(yè)人員開始操作。

第二步，作業(yè)人員掃描當(dāng)前螺栓的二維碼標(biāo)識（每個螺栓位置都預(yù)先粘貼的身份二維碼），扳手終端讀取二維碼中的螺栓編號，與本地規(guī)則中的當(dāng)前待作業(yè)螺栓編號進(jìn)行比對：如果編號一致，解除工具鎖定，允許作業(yè)人員進(jìn)行擰緊操作；如果編號不一致，立即保持鎖屏狀態(tài)，同時在顯示屏上提示錯誤信息，告知作業(yè)人員當(dāng)前應(yīng)該操作的螺栓編號。

第三步，擰緊操作過程中，終端實(shí)時采集扭力數(shù)據(jù)，當(dāng)操作完成后，將實(shí)際扭力值與規(guī)則要求的扭力范圍進(jìn)行比對，如果扭力值符合要求，則更新本地規(guī)則的完成狀態(tài)，將操作數(shù)據(jù)上報至邊緣網(wǎng)關(guān)，顯示屏提示下一個待操作螺栓編號；如果扭力值不符合要求或者螺栓編號不匹配，則判定為錯擰，立即觸發(fā)自動鎖屏指令。

針對未粘貼二維碼的老舊生產(chǎn)線改造場景，本次開發(fā)還支持基于操作順序的錯擰檢測模式，作業(yè)人員必須按照規(guī)則定義的順序依次操作，只有上一個螺栓操作合格后，才能解鎖下一個螺栓的操作權(quán)限，如果在未完成前序操作的情況下提前操作后續(xù)螺栓，直接判定為錯擰觸發(fā)鎖屏，無需對螺栓進(jìn)行二維碼改造，降低了企業(yè)的改造升級成本。

3.3 自動鎖屏執(zhí)行機(jī)構(gòu)開發(fā)

根據(jù)無線扭力扳手的動力類型不同，自動鎖屏機(jī)構(gòu)分為電動無線扭力扳手與氣動無線扭力扳手兩種實(shí)現(xiàn)方案：

對于電動無線扭力扳手，終端控制模塊直接連接電機(jī)驅(qū)動電路，當(dāng)檢測到錯擰操作時，控制模塊立即切斷電機(jī)的供電回路，同時鎖止電機(jī)輸出軸，阻止作業(yè)人員繼續(xù)完成擰緊動作，整個響應(yīng)時間不超過100ms，能夠在扭力達(dá)到設(shè)定值之前完成鎖止，避免錯擰的螺栓已經(jīng)達(dá)到錯誤扭力后才鎖定，從根源上避免不合格裝配的產(chǎn)生。

對于氣動無線扭力扳手，終端控制模塊連接氣動回路的電磁控制閥，當(dāng)檢測到錯擰操作時，控制模塊立即關(guān)閉電磁控制閥，切斷壓縮空氣的供氣回路，阻止氣動馬達(dá)繼續(xù)輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)鎖屏鎖定，響應(yīng)時間同樣控制在150ms以內(nèi)，滿足實(shí)時性要求。

鎖屏觸發(fā)后，只有具備異常處理權(quán)限的管理人員，通過指紋驗證或MES端下發(fā)解鎖指令后，才能解除鎖定狀態(tài)，作業(yè)人員無法自行解鎖，保障了異常處理流程的規(guī)范性，避免錯擰問題被隱瞞。解鎖后，管理人員記錄錯擰原因與處理措施，相關(guān)信息自動上傳到MES質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量異常的全流程可追溯。

3.4 異常數(shù)據(jù)聯(lián)動模塊

錯擰事件發(fā)生后，系統(tǒng)自動觸發(fā)多節(jié)點(diǎn)的異常聯(lián)動：第一，在工位的電子看板上生成紅色告警信息，提示現(xiàn)場班組長與質(zhì)量管理人員到場處理；第二，將異常信息推送至對應(yīng)管理人員的移動端APP，即便管理人員不在車間現(xiàn)場也能及時收到告警；第三，自動凍結(jié)當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)的報工權(quán)限，只有錯擰問題處理完成并簽字確認(rèn)后，才能繼續(xù)完成后續(xù)工序與報工，避免不合格產(chǎn)品流入下一道工序。

四、關(guān)鍵技術(shù)問題解決

4.1 通信實(shí)時性保障

錯擰自動鎖屏功能對通信延遲的要求較高，如果規(guī)則下發(fā)或數(shù)據(jù)上傳延遲過高，會導(dǎo)致鎖屏響應(yīng)不及時，引發(fā)錯漏判問題。本次開發(fā)中，通過三個方案優(yōu)化通信實(shí)時性：第一，采用邊緣緩存策略，將作業(yè)規(guī)則預(yù)先緩存到扳手終端本地，錯擰檢測邏輯在本地執(zhí)行，不需要每次操作都向MES請求比對，僅需要上傳檢測結(jié)果，大幅降低了對通信帶寬的依賴；第二，采用優(yōu)先級隊列調(diào)度，錯擰告警與鎖屏相關(guān)的數(shù)據(jù)包優(yōu)先級高于普通數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關(guān)優(yōu)先傳輸異常數(shù)據(jù)，降低異常信息的傳輸延遲；第三，車間現(xiàn)場采用5G工業(yè)無線局域網(wǎng)替代傳統(tǒng)WiFi，通信延遲穩(wěn)定在20ms以內(nèi)，滿足實(shí)時性要求。測試結(jié)果顯示，從錯擰操作發(fā)生到鎖屏機(jī)構(gòu)完成鎖止的平均響應(yīng)時間為72ms，遠(yuǎn)低于設(shè)計要求的200ms閾值，能夠保障在擰緊動作完成前完成鎖止。

4.2 離線場景適配

工業(yè)生產(chǎn)場景中，偶爾會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷的情況，如果因為網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致功能無法使用，會影響正常生產(chǎn)進(jìn)度。本次開發(fā)中，設(shè)計了離線作業(yè)模式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷時，無線扭力扳手自動調(diào)用本地緩存的作業(yè)規(guī)則，繼續(xù)執(zhí)行錯擰檢測與鎖屏功能，所有操作數(shù)據(jù)存儲在本地緩存中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后自動批量上傳至MES系統(tǒng)，不會造成數(shù)據(jù)丟失，適配車間復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。離線模式下依然保留錯檸檢測與鎖屏功能，僅無法實(shí)時上傳數(shù)據(jù)與更新任務(wù)，保障了生產(chǎn)的連續(xù)性。

4.3 誤判防控機(jī)制

為了避免因為二維碼掃描錯誤、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸錯誤導(dǎo)致的錯擰誤判，本次開發(fā)設(shè)計了多層校驗機(jī)制：第一，對下發(fā)的作業(yè)規(guī)則進(jìn)行MD5校驗，終端接收到規(guī)則后校驗數(shù)據(jù)完整性，如果數(shù)據(jù)不完整則重新請求，避免因為數(shù)據(jù)損壞導(dǎo)致規(guī)則錯誤；第二，針對二維碼掃描錯誤的場景，支持三次掃描確認(rèn)，如果連續(xù)三次掃描結(jié)果都不符合規(guī)則，才會觸發(fā)鎖屏，避免偶然的掃描識別錯誤影響作業(yè)；第三，增加人工復(fù)核通道，當(dāng)出現(xiàn)誤判鎖屏?xí)r，管理人員可以通過權(quán)限驗證立即解鎖，同時記錄誤判原因，系統(tǒng)自動更新規(guī)則模型，降低后續(xù)誤判概率。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)的錯擰檢測準(zhǔn)確率達(dá)到99.8%以上，誤判率低于0.1%，滿足工業(yè)生產(chǎn)的使用要求。

五、實(shí)際應(yīng)用效果分析

本次開發(fā)的MES驅(qū)動錯擰自動鎖屏功能，已經(jīng)在國內(nèi)某主流商用車整車裝配企業(yè)的底盤螺栓裝配工位進(jìn)行了為期一年的實(shí)際應(yīng)用測試，該工位原有生產(chǎn)模式為人工核對螺栓順序與扭力，錯擰問題的發(fā)生率約為0.32%，即每一千臺整車中約有3臺出現(xiàn)錯擰問題，每年需要花費(fèi)近百萬元的返修成本，還存在一定的售后質(zhì)量風(fēng)險。

部署本功能之后，該工位的錯擰問題發(fā)生率下降至0.01%以下，僅在試運(yùn)行階段出現(xiàn)1次人為繞過管控的錯擰問題，后續(xù)通過權(quán)限管理優(yōu)化杜絕了該問題，錯擰問題防控效果提升超過96%，每年為企業(yè)節(jié)省返修成本約85萬元，應(yīng)用效果得到了企業(yè)質(zhì)量與生產(chǎn)部門的高度認(rèn)可。應(yīng)用前后的對比如下表所示：

對比項目應(yīng)用前傳統(tǒng)模式應(yīng)用本功能后

錯擰問題發(fā)生率0.32%0.01%以下

錯擰問題發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)最終下線檢測操作過程實(shí)時發(fā)現(xiàn)

平均返修成本/臺約2800元約20元（僅糾正，無需拆解已裝配部件）

裝配作業(yè)效率12臺/小時13.1臺/小時

質(zhì)量追溯能力僅能追溯最終結(jié)果，無法追溯操作過程每一步操作都可追溯，包含操作人員、時間、扭力數(shù)據(jù)

從作業(yè)效率來看，由于系統(tǒng)自動提示下一個待操作螺栓編號與扭力參數(shù)，作業(yè)人員不需要人工翻閱工藝文件核對，作業(yè)效率提升了約9%，反而降低了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，得到了一線作業(yè)人員的認(rèn)可。從質(zhì)量追溯角度來看，所有操作數(shù)據(jù)都存儲在MES系統(tǒng)中，出現(xiàn)質(zhì)量問題時可以快速定位到操作人員、操作時間與具體參數(shù)，大幅縮短了質(zhì)量問題的排查時間。

六、結(jié)論與推廣前景

MES系統(tǒng)驅(qū)動的錯擰自動鎖屏功能，通過深度打通上層生產(chǎn)管理系統(tǒng)與底層裝配工具的聯(lián)動鏈路，將MES中的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)則直接下沉到工具執(zhí)行層面，實(shí)現(xiàn)了錯擰問題從事后檢查到事前防控的轉(zhuǎn)變，從工具操作層面約束了作業(yè)人員的操作行為，解決了長期困擾制造企業(yè)的螺栓錯擰質(zhì)量問題。該功能適配現(xiàn)有多數(shù)工業(yè)無線扭力扳手的硬件架構(gòu)，僅需要升級軟件與增加控制模塊即可實(shí)現(xiàn)改造，改造成本較低，既支持新生產(chǎn)線的部署，也支持老舊生產(chǎn)線的升級改造，適配汽車、工程機(jī)械、風(fēng)電裝備等多個對螺栓裝配質(zhì)量要求較高的行業(yè)，具備廣闊的市場推廣前景。

未來，該功能還可以進(jìn)一步與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合，在MES系統(tǒng)中生成裝配過程的三維可視化模型，實(shí)時同步螺栓的完成狀態(tài)，錯擰發(fā)生時自動在三維模型中定位錯誤位置，進(jìn)一步提升異常處理的效率，為數(shù)字化裝配提供更加強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。