基于PLC 控制的氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

許 歡，張 楠，冉啟勇

（上汽通用汽車(chē)有限公司武漢分公司，武漢 430070）

在汽車(chē)整車(chē)裝配過(guò)程中，大部分零部件的聯(lián)接都是通過(guò)螺栓、螺母等緊固件聯(lián)接而成，緊固件的聯(lián)接在汽車(chē)裝配制造中的工作量約為31%[1]。緊固件聯(lián)接質(zhì)量的好壞也直接影響著駕乘人員的生命、財(cái)產(chǎn)安全，關(guān)系到企業(yè)的信譽(yù)，是總裝裝配過(guò)程中的“生命線”。而我國(guó)對(duì)于汽車(chē)質(zhì)量安全高度關(guān)注，對(duì)于存在質(zhì)量缺陷的汽車(chē)，根據(jù)國(guó)家有關(guān)法律的規(guī)定需要依法進(jìn)行召回，并對(duì)缺陷車(chē)輛進(jìn)行調(diào)查。

在總裝車(chē)間汽車(chē)裝配過(guò)程中，對(duì)于所有涉及安全、法規(guī)的緊固件及大部分涉及功能的緊固件，均采用傳感器式電動(dòng)工具進(jìn)行緊固。傳感器式電動(dòng)工具精度高，穩(wěn)定性好，緊固精度可高達(dá)3%，能有效保證零件緊固質(zhì)量；同時(shí)，電動(dòng)工具通過(guò)電纜與控制器的連接，并利用串口實(shí)現(xiàn)PLC 信號(hào)輸入和輸出，最終實(shí)現(xiàn)扭矩的精準(zhǔn)控制。

總裝車(chē)間零件的安裝分為在線工位安裝和離線工位安裝。在線工位的緊固件緊固可以通過(guò)動(dòng)力工具控制器與暗燈相連來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩控制；當(dāng)工具緊固合格時(shí)，動(dòng)力工具將通過(guò)控制器輸出合格信號(hào)給暗燈系統(tǒng)，系統(tǒng)將正常運(yùn)行；當(dāng)工具緊固的扭矩不合格時(shí)，動(dòng)力工具的控制器將無(wú)法輸出合格信號(hào)給暗燈系統(tǒng)，暗燈系統(tǒng)未接收到合格信號(hào)將流水線暫停，車(chē)輛將停于線尾，需要重新將緊固件緊固至合格或者利用鑰匙將開(kāi)關(guān)解鎖，流水線才會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，這保證了緊固件扭矩的控制質(zhì)量。但離線工位無(wú)法直接與暗燈系統(tǒng)相連，員工只能通過(guò)觀察動(dòng)力工具信號(hào)燈和控制器顯示屏判定扭矩是否合格，質(zhì)量漏出風(fēng)險(xiǎn)較大，無(wú)法有效保證扭矩準(zhǔn)確性。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，PLC 控制技術(shù)取得了重大的突破，這使得PLC 控制技術(shù)成為了工業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)，有效滿足了各種工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的控制要求。PLC 控制系統(tǒng)因其編程簡(jiǎn)單、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單和控制功能易于修改等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代接觸式繼電器控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造行業(yè)[2]。本文以某工廠總裝車(chē)間離線工位氧傳感器緊固為例，引進(jìn)PLC 控制系統(tǒng)對(duì)扭矩緊固進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)扭矩的有效管理，PLC控制系統(tǒng)的使用對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率的提升和智能制造升級(jí)具有里程碑式的意義。

1 氧傳感器緊固控制要求

氧傳感器又被稱為排氣氧傳感器，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，作用就是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣中氧離子的含量以此計(jì)算獲取混合氣體的空燃比信號(hào)，并將獲得的空燃比信號(hào)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU，Engine Control Unit）可識(shí)別的電信號(hào)，通過(guò)汽車(chē)線束傳遞給ECU。ECU 會(huì)根據(jù)氧傳感器輸入的信號(hào)，對(duì)汽車(chē)的噴油量進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)空燃比的逆向反饋控制。當(dāng)實(shí)際空燃比高于理論空燃比時(shí)，減少噴油量；當(dāng)實(shí)際空燃比低于理論空燃比時(shí)，增加噴油量，從而有效地將過(guò)量空氣系數(shù)λ 控制在0.98~1.02 的理論最佳范圍內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能持續(xù)得到最佳濃度的混合氣，有效降低一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化合物（NOx）等有害氣體的排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃油、保護(hù)環(huán)境的目的[3]。

氧傳感器屬于法規(guī)零件，產(chǎn)品要求采用PS1 特殊特性代碼進(jìn)行控制，需采用傳感器式電動(dòng)工具進(jìn)行緊固，并實(shí)現(xiàn)暗燈停線控制。由于車(chē)間工藝排布的要求，氧傳感器安裝至前節(jié)排氣管的工藝操作無(wú)法在主線進(jìn)行，只能在離線工位進(jìn)行操作，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)暗燈停線，緊固質(zhì)量無(wú)法保證，只能利用人工進(jìn)行識(shí)別。

按照過(guò)程控制要求及車(chē)間現(xiàn)有工藝順序，員工取排氣管放置定位托臺(tái)并預(yù)擰氧傳感器，取電動(dòng)工具緊固氧傳感器至工具亮綠燈，目視氧傳感器緊固到底，并畫(huà)漆筆進(jìn)行確認(rèn)，后道工位員工進(jìn)行二次目視檢查并畫(huà)二次漆筆進(jìn)行確認(rèn)，如圖1 所示。使用的動(dòng)力工具型號(hào)為APEX 48EAE58AM3，緊固精度為3%，配套使用MPro4000GC 控制器，可利用串口實(shí)現(xiàn)PLC 信號(hào)輸入和輸出，最終實(shí)現(xiàn)扭矩控制。

圖1 原氧傳感器緊固工藝

產(chǎn)品釋放的氧傳感器緊固標(biāo)準(zhǔn)扭矩為D46+/-4 Nm S42-50 Nm，當(dāng)緊固扭矩過(guò)高或過(guò)低時(shí)，存在氧傳感器在車(chē)輛行駛過(guò)程中松脫的情況，當(dāng)氧傳感器松脫后，電子燃油噴射系統(tǒng)將無(wú)法收到排氣管中氧濃度的信息，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比的精準(zhǔn)反饋控制，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗將會(huì)明顯提升，一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化合物（NOx）等有害氣體的排放量也會(huì)顯著提升，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)出現(xiàn)怠速不穩(wěn)、缺火和喘振等故障現(xiàn)象，直接影響汽車(chē)駕乘人員的行駛安全。

“人都是會(huì)犯錯(cuò)的”，現(xiàn)使用的氧傳感器離線工位安裝工藝無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)扭矩的精準(zhǔn)控制，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制有較大影響。利用PLC 控制系統(tǒng)與APEX MPro4000GC 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)氧傳感器緊固扭矩控制，一方面可以實(shí)現(xiàn)離線工位扭矩控制質(zhì)量的不斷提升，另一方面還可以減少操作浪費(fèi)，減少工時(shí)，提升生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理

氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)基本工作原理如圖2 所示。員工取排氣管放置于定位托臺(tái)，取氧傳感器并預(yù)擰氧傳感器至前節(jié)排氣管，固定式掃描槍自動(dòng)掃描排氣管自帶零件標(biāo)簽，同時(shí)位置傳感器檢測(cè)零件放置到位，員工方可雙手按下氣缸夾緊按鈕，此時(shí)電磁閥通電，氣缸鎖緊，PLC 給電動(dòng)工具控制器輸入使能信號(hào)，工具方可工作，員工取電動(dòng)工具緊固氧傳感器至工具亮綠燈，控制器輸出合格信號(hào)給PLC，PLC 控制氣缸松開(kāi)，員工檢查氧傳感器緊固到位后，員工取出排氣管。

圖2 氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)工作原理

2.2 系統(tǒng)硬件

2.2.1 掃描槍、定位及夾持機(jī)構(gòu)選型

由于車(chē)間同平臺(tái)多車(chē)型共線柔性化生產(chǎn)，不同車(chē)型之間使用的排氣管結(jié)構(gòu)不同，故定位托臺(tái)需滿足多個(gè)車(chē)型同時(shí)使用。根據(jù)不同排氣管之間相同結(jié)構(gòu)，采用凹槽式托臺(tái)并配以固定銷進(jìn)行定位。為防止緊固過(guò)程中排氣管受力后頭部翹起，故采用氣缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊。

為防止前節(jié)排氣管未放置到位，員工便按下啟動(dòng)按鈕，造成安全事故，本系統(tǒng)采用KEYENCE ED-118U 獨(dú)立型金屬接近傳感器，可檢測(cè)到最遠(yuǎn)11 mm 的物體接近并輸出信號(hào)。只有當(dāng)傳感器檢測(cè)到前節(jié)排氣管完全放置到位，電磁閥才能導(dǎo)通給氣缸供氣，員工雙手按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，夾頭才能夾緊排氣管。

本系統(tǒng)選用ZEBRA DS457 固定式掃描器，此掃描器具備充分的全向掃描功能，無(wú)須將條碼與閱讀器精確對(duì)齊。同時(shí)，通過(guò)集成掃描觸發(fā)器，可在投射模式下實(shí)現(xiàn)免持自動(dòng)掃描，減少了員工操作。通過(guò)位置調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了不同車(chē)型間排氣管的掃描。

2.2.2 PLC 選型

PLC 是氧傳感器緊固防錯(cuò)控制系統(tǒng)的核心，在選擇PLC 時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮CPU 的性能、指令系統(tǒng)的可靠性、輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和物理結(jié)構(gòu)的類型等。

通過(guò)分析氧傳感器緊固防錯(cuò)控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理，制定了PLC 的地址分配表（表1），本系統(tǒng)共需7 個(gè)輸入端子及2 個(gè)輸出端子來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效控制。

表1 氧傳感器緊固防錯(cuò)PLC 地址分配表

通過(guò)對(duì)比選型，由西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200 系列PLC 硬件可實(shí)現(xiàn)氧傳感器緊固防錯(cuò)控制系統(tǒng)PLC 地址的分配[4]。S7-200（CPU224）型號(hào)的PLC 內(nèi)存為5 KB，有6 個(gè)計(jì)數(shù)器和256 個(gè)定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)14 個(gè)信號(hào)輸入和10 個(gè)信號(hào)輸出。

圖3 為氧傳感器緊固防錯(cuò)控制系統(tǒng)PLC 和相關(guān)信號(hào)的接線圖。

圖3 PLC 外部接線圖

2.3 系統(tǒng)軟件

順序控制是PLC 控制技術(shù)中的一個(gè)重要控制方法，其原理是根據(jù)制造過(guò)程中生產(chǎn)工藝順序需求，在不同的輸入信號(hào)作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間順序，各執(zhí)行單元在生產(chǎn)制造過(guò)程中自動(dòng)、有序地實(shí)現(xiàn)工藝操作。

順序功能圖（Sequential Function Chart，簡(jiǎn)稱SFC）是一種專門(mén)用來(lái)描繪控制系統(tǒng)的控制過(guò)程、功能及特性的圖形。在使用PLC 控制技術(shù)進(jìn)行順序控制時(shí)，程序的設(shè)計(jì)思想常常用順序功能圖來(lái)準(zhǔn)確、形象地進(jìn)行描述，然后再根據(jù)順序控制指令編寫(xiě)符合程序設(shè)計(jì)思想的程序[5]。

本文根據(jù)氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)的工作原理及相應(yīng)的控制要求，按照每個(gè)輸出量不同的狀態(tài)變化，將防錯(cuò)系統(tǒng)一個(gè)運(yùn)行工作周期有效地分為5 個(gè)執(zhí)行步，5個(gè)執(zhí)行步順序相連（M0—M4），最終實(shí)現(xiàn)氧傳感器的有效緊固。如圖4 所示，即利用PLC 設(shè)計(jì)的氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)的功能流程圖。

圖4 氧傳感器緊固防錯(cuò)功能流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 控制的氧傳感緊固防錯(cuò)系統(tǒng)，可用于氧傳感器在離線工位的緊固。該系統(tǒng)將動(dòng)力工具與PLC 系統(tǒng)相結(jié)合，并利用機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)保證了扭矩的有效性和準(zhǔn)確性。

氧傳感器緊固防錯(cuò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，上線使用后，現(xiàn)場(chǎng)返工次數(shù)降為0，質(zhì)量溢出風(fēng)險(xiǎn)降為0，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)此系統(tǒng)的工作原理可推廣至眾多離線工位緊固件的緊固，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量有巨大的理論意義和實(shí)際價(jià)值。