驾驶室分总成状态自动化识别应用与研究

摘要：随着汽车制造业向智能化、柔性化方向转型，驾驶室分总成的精准装配成为提升整车质量的核心环节。本文针对装焊车间前围分总成上件过程中因车型状态错误导致的装配问题，提出了一种基于PLC与多传感器融合的自动化防错检测系统。通过集成红外线、漫反射及环形传感器实时采集车型特征信号，结合PLC编程与触摸屏交互界面，实现车型状态的自动识别与吊具联动控制。系统增设状态错误报警模块，当上件状态与预设不符时触发声光报警并锁定吊具动作，有效避免人工核对疏漏。经实践验证，该系统将分总成装配一次合格率提升至99.8%，年节约成本5.5万元，单件生产节拍缩短20.8%，显著优化了质量管控与生产效率。

关键词：PLC控制；自动化防错系统；工业传感器；吊具联动；人机交互界面

1. 前言

1.1 分总成转运吊具概述

汽车驾驶室分总成由多个子零件焊接组成，其转运精度直接影响整车装配质量。传统吊具依赖人工操作与目视检查，存在以下局限性：

1.智能化水平低：无法实时识别车型状态，需人工频繁核对工艺文件；

2.兼容性不足：面对多车型混线生产（如德龙F3、F2、HX等14种车型），传统吊具难以快速切换工装；

3.定位误差大：机械结构间隙导致重复定位精度偏差≥2mm，影响焊接机器人对接效果。

本研究采用专用转运吊具，集成高精度传感器与PLC控制模块，通过闭环反馈机制实现分总成的实时监测与精准定位（误差≤0.5mm），确保与自动化焊接设备无缝对接。

1.2 传感器技术选型与原理

红外传感器：基于红外反射原理，发射端（波长850nm）与接收端协同工作，检测距离可调（50-300mm），响应时间≤10ms，适用于非接触式定位。

漫反射传感器：采用偏振滤波技术，抑制环境光干扰，检测精度±1mm，适用于复杂工况下的零件存在性检测。

环形传感器：利用涡流效应检测金属部件，有效识别直径≥5mm的螺栓或定位孔，重复精度达±0.2mm，专用于分总成关键结构识别。

1.3 PLC控制逻辑

PLC（三菱FX3U系列）采用“输入采样→程序执行→输出刷新”循环扫描机制，扫描周期≤10ms，确保实时性。其控制逻辑分为三层：

1.信号采集层：通过16路数字输入模块（FX3U-16EX）接收传感器信号；

2.逻辑处理层：基于梯形图编程实现多车型状态判断（见图1），嵌入“选择-验证-报警”防错机制；

3.执行输出层：通过8路晶体管输出模块（FX3U-8EYT）驱动电磁阀与报警装置。

1.4 执行元件功能

电磁阀：选用SMC VQZ系列高频电磁阀（响应时间≤15ms），通过PLC控制气路通断，驱动气缸完成夹紧（压力0.4-0.6MPa）与松开动作；

按压检测开关：集成安全互锁功能，上件完成后需人工按压确认按钮（施耐德XB2-BD33），方可启动下一循环，避免误操作引发安全事故。

2. 现场问题分析

2.1质量风险

分总成状态错误（如防火墙型号混淆）将导致驾驶室整体报废。据统计，2022年因该问题造成的年损失超10万元，占车间质量成本的35%。

2.1效率瓶颈

人工核对14种车型状态需耗时3-5分钟/次，单班次（8小时）需处理135辆，错误率高达6%，严重影响生产节拍（平均延误15分钟/批次）。

2.3.生产节拍不匹配

返修流程需拆卸错误分总成并重新上件，平均耗时45分钟/次，导致总装线停滞，转序效率下降30%。

3. 改进方案设计

3.1 硬件架构优化

多传感器布局：在分总成关键差异点安装14组传感器（红外/漫反射/环形），覆盖所有车型特征。

执行机构联动：气缸与电磁阀配合，实现夹紧→检测→计数→放行的闭环控制。

人机交互界面：10寸触摸屏实时显示车型参数与生产进度，支持批次选择与报警信息提示。

3.2 软件控制策略

I/O分配表设计：明确传感器、按钮与执行机构的输入输出地址（见表1），确保信号传输无冲突。

PLC逻辑编程：基于GX Works2开发梯形图程序，嵌入以下功能模块：

车型选择模块：通过触摸屏选择预设车型代码（如F3-01、HX-02）；

信号比对模块：实时对比传感器反馈信号与预设值，偏差超限触发报警；

计数统计模块：记录合格品数量，达到设定批次后自动提示换型。

4. 方案实施与验证

4.1 硬件部署

底座结构改造：采用数控加工中心（精度±0.02mm）在底座上铣削传感器安装孔，消除原结构2mm活动间隙；

电气接线优化：使用屏蔽双绞线（CAT6）连接PLC与传感器，接地电阻≤4Ω，通信误码率降至0.01%。

4.2 软件调试

程序模拟测试：通过三菱GX Works2软件验证逻辑准确性，修正信号冲突点。

多场景验证：对9种常用车型进行500次循环测试，系统误判率低于0.2%，响应时间≤1.5秒。

4.3 效果对比

5. 结论与推广

5.1技术效益

通过多传感器融合与PLC智能控制，系统实现分总成状态100%自动识别，防错率达99%，定位精度提升至±0.5mm，达到行业领先水平。

5.2经济效益年节约成本5.5万元，投资回报周期小于1个月。

5.3推广价值本系统已应用于6个工位，计划扩展至顶盖总成等关键环节。未来可通过以下方向优化：

AI算法集成：引入深度学习模型，实现异常状态的自主诊断与预测；

云平台接入：将生产数据上传至MES系统，支持远程监控与大数据分析；

标准化模块设计：开发通用型传感器安装支架与PLC程序模板，缩短部署周期至3天。

参考文献

[1] 三菱FX系列PLC应用技术[M]. 化学工业出版社， 2015.

[2] 工业传感器选型与集成[M]. 机械工业出版社， 2016.

[3] 自动化生产线防错技术研究[J]. 制造技术与机床， 2020（5）： 45-49.

汤龙龙+1983年9月+男+陕西省商洛市丹凤县+本科+助理工程师+工业工程