高度集成的全自動(dòng)車載控制元件觸覺測試裝置

總部位于德國Inglheim的 Borrmann 工程咨詢有限公司和總部位于德國 Sommerloch 的 Schuhriemen Maschinenbau 有限公司采用了Beckhoff 基于 PC 的控制技術(shù)，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)極為緊湊和高性能的全自動(dòng)汽車駕駛控制元件測試裝置。科技自動(dòng)化理念將控制技術(shù)與非?？焖佟⒏呔鹊臏y量技術(shù)結(jié)合在一起，具有顯著優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有的解決方案相比，最多可以節(jié)省 70 % 的成本。該方案另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它使用總線端子模塊 I/O 形式的緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器，可以大大節(jié)省空間。

由于采用了基于 PC 的高性能控制技術(shù)并集成了高端測量技術(shù)，下線測試儀的結(jié)構(gòu)非常緊湊

自動(dòng)測試設(shè)備是一臺(tái)下線測試儀，用于為駕駛員進(jìn)行車輛內(nèi)控制元件的綜合測試。駕駛員可以使用這些功能來操作照明設(shè)備、收音機(jī)、空調(diào)導(dǎo)航系統(tǒng)及其它設(shè)備。通過按壓、推動(dòng)、傾斜、旋轉(zhuǎn)或觸摸可以選擇各種車載功能。Borrmann 工程咨詢有限公司總經(jīng)理 Andreas Borrmann 解釋道：“測試系統(tǒng)的主要任務(wù)是全自動(dòng)觸覺測試。大量傳感器測量執(zhí)行不同開關(guān)功能時(shí)所涉及到的力量和扭矩。轉(zhuǎn)盤應(yīng)用通過最多八個(gè)獨(dú)立的操作站實(shí)施。”其中，全自動(dòng)裝置是市場上集成度最高的觸覺測試裝置，采用了非常緊湊的控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。再加上功能特別強(qiáng)大的測量技術(shù)，這些功能在提供一個(gè)堅(jiān)固耐用、功能強(qiáng)大的解決方案中發(fā)揮了重要作用。Borrmann 繼續(xù)說道：“過去，我們需要使用專用的測量技術(shù)才能同步采集力/路徑或扭矩/角度數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在，我們可以使用倍福的標(biāo)準(zhǔn)組件。此外，標(biāo)準(zhǔn) I/O 端子模塊甚至能夠從設(shè)備同步采集總線報(bào)文（如 CAN 或 LIN） 。”一臺(tái)工業(yè) PC 負(fù)責(zé)完成八個(gè)工位的所有控制和測量任務(wù)。每個(gè)操作控制元件最多有 450 個(gè)測試參數(shù)，這并不罕見。轉(zhuǎn)盤循環(huán)的典型周期時(shí)間為 20 秒，這相當(dāng)于每年生產(chǎn) 300,000 多套駕駛員控制元件。

AM81xx 系列單電纜伺服電機(jī)確保了多達(dá) 7 軸的高精度運(yùn)動(dòng)

簡化復(fù)雜測試程序

在測試周期開始時(shí)，操作人員主觀檢查工位 1 中待測試的組件，以檢查是否有明顯的機(jī)械缺陷和表面缺陷，如劃痕。一旦將組件放入測試設(shè)備，它就會(huì)被自動(dòng)夾緊并與之接觸。在設(shè)備手動(dòng)切換和操作人員感觀檢查確認(rèn)后，升降機(jī)門關(guān)閉，轉(zhuǎn)盤周期開始。

LED 指示照明的亮度變化可以超過 30%。在工位 2 中，LED亮度通過攝像機(jī)測量的方式進(jìn)行校準(zhǔn)，亮度控制的校正值通過 CAN 報(bào)文寫入到正在測試的設(shè)備的 EEPROM 中。在工位 3 中，使用抽吸夾持器進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試，以確保裝飾蓋罩被正確膠粘。電感式模擬量傳感器檢查螺栓是否在，并使用多個(gè)傳感器確保所有按鈕的正確顏色組合。以轉(zhuǎn)矩測量形式出現(xiàn)的第一次觸覺測試隨后在工位 4 中完成。一個(gè)采用壓電效應(yīng)的轉(zhuǎn)矩傳感器以最大每秒 180 度的速度旋轉(zhuǎn)，采集分辨率最小為 0.1 Nm 的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)。這一測試的目標(biāo)是確定開槽以及最小和最大齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩超出所允許的限值表明被測設(shè)備在裝配過程中出現(xiàn)了故障。Andreas Borrmann 解釋道：“我們使用系數(shù)為 20 的超采樣功能，當(dāng)任務(wù)周期為 1 毫秒時(shí)，每秒鐘可測量高達(dá) 20000 次。因此，每個(gè)角度都采集了超過 25 組轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)。”

工位 5 專門用于測試車輛壓力。在這里也使用了一個(gè)高精度的壓電式傳感器。由于采用了超采樣功能，在 10 毫米/秒的速度下可以實(shí)現(xiàn) 0.02 N 的力分辨率，位置分辨率為 0.002 毫米。同時(shí)，由于任務(wù)周期時(shí)間只有 1 毫秒，自啟動(dòng)開始就記錄 CAN 和 LIN 報(bào)文，同時(shí)這些報(bào)文與運(yùn)行的位置精確匹配。工位 6 和 7 用到了與工位 5 中相同的測量技術(shù)，用于測量水平傾力。由于傾斜，水平運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生橫向力，這些力必須通過精心制作的機(jī)械平衡組件來補(bǔ)償。最后，諸如零件號(hào)、序列號(hào)、生產(chǎn)日期及其它產(chǎn)品具體信息等數(shù)據(jù)在工位 8（最后一個(gè)工位）中被寫入到 EEPROM 中。如果所有測試參數(shù)（最多 450 個(gè)）的結(jié)果都在規(guī)定的限制范圍內(nèi)，被測試設(shè)備的激光標(biāo)簽通過認(rèn)證。標(biāo)簽中包含純文本和二維碼（DMC）格式的信息。DMC 閱讀器掃描編碼并檢查內(nèi)容和質(zhì)量。在隨后的轉(zhuǎn)盤步驟中，經(jīng)過所有的檢查步驟后的模塊被輸送到工位 1，操作人員在那里將它搬走并打包。

速度和精度都需要 PC 控制解決方案

如果沒有倍?；?PC 的控制技術(shù)，下線測試儀的開發(fā)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。據(jù) Andreas Borrmann 說：“只有基于 PC 的控制技術(shù)才能讓我們能夠滿足測量和驅(qū)動(dòng)技術(shù)在速度和精度方面極為嚴(yán)格的要求。由于過去使用的帶測量和控制卡的 PC 缺乏可擴(kuò)展性，現(xiàn)有解決方案在性能上也很有限。而模塊化、分布式的倍福技術(shù)不再受這種限制，與現(xiàn)有的采用獨(dú)立測量技術(shù)的解決方案相比，硬件成本降低了 70% 之多。”

Andreas Borrmann 看到，整個(gè)測量和控制系統(tǒng)可以使用一臺(tái)工業(yè) PC 集中、方便地控制等更多好處?，F(xiàn)有系統(tǒng)中不再需要另外使用 PLC ，由于使用不同制造商的測量技術(shù)而涉及到的大量驅(qū)動(dòng)程序安裝工作已經(jīng)成為過去：“集成式系統(tǒng)解決方案在這方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如，基于 PC 的控制還包括高性能、高精度和超高速測量技術(shù)。此外，可以輕松地集成車輛內(nèi)使用的 CAN 協(xié)議，以便根據(jù) ISO 15765 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)操作元件與控制裝置之間的通訊。協(xié)議是通過 7 個(gè) CANopen 主站端子模塊 EL6751 在 TwinCAT PLC 中建模。與過去使用的技術(shù)相比，這樣可以節(jié)約 80% 的成本。除此之外，現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)地讀取和分析 CAN 協(xié)議，與被測試設(shè)備的全自動(dòng)同步。以前，這只有使用高度專業(yè)化和復(fù)雜的電子測量系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。觸覺數(shù)據(jù)由三個(gè)元素組成 — 通過模擬方式采樣的力、通過電機(jī)直接測定的位置以及通過一個(gè) CANopen 主站端子模塊測定的觸點(diǎn) — 現(xiàn)在都可以輕松確定。”

通過 7 個(gè) CANopen 主站端子模塊 EL6751 實(shí)現(xiàn)與測試設(shè)備之間的通訊（符合ISO 15765 標(biāo)準(zhǔn)），與現(xiàn)有的解決方案相比，成本降低了 80%

具有最小空間需求的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

Beckhoff的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也直接集成在 I/O 系統(tǒng)中。各個(gè)測試工位中的高精度運(yùn)動(dòng)通過 7 根伺服軸組成，每個(gè)伺服軸由寬度僅為 24 毫米的 EL7211-0010 伺服驅(qū)動(dòng)模塊控制。除了可以驅(qū)動(dòng)額定扭矩為 0.5 Nm 和 0.8 Nm 的 AM812x 系列單電纜伺服電機(jī)，這些端子模塊還集成了單電纜技術(shù)，最大輸出電流為 4.5 ARMS。Andreas Borrmann 繼續(xù)說道：“如果沒有以結(jié)構(gòu)非常緊湊的總線端子模塊形式出現(xiàn)的伺服驅(qū)動(dòng)器，將不可能實(shí)現(xiàn)占地面積如此小的機(jī)器。這些產(chǎn)品讓我們能夠最大限度地減少安裝尺寸，且無需使用額外的控制柜。單電纜技術(shù)也非常有幫助，因?yàn)樗谥本€和旋轉(zhuǎn)式套管基礎(chǔ)上，大大簡化了原本復(fù)雜的電纜布局。絕對(duì)值反饋技術(shù)也帶來了很大優(yōu)勢，因?yàn)樗辉傩枰褂靡郧八璧膮⒖奸_關(guān)，因此顯著降低了驅(qū)動(dòng)技術(shù)的復(fù)雜性。”

來自 Schuhriemen Maschinenbau 公司的 Jasmin Schuhriemen、總經(jīng)理 Hans-Julius Schuhriemen 與 Stefan Schuhriemen； Borrmann 工程咨詢公司的總經(jīng)理 Andreas Borrmann；以及來自倍福法蘭克福區(qū)域辦事處的 Jörg-Michael Vetter（從左至右）

倍福的I/O 系統(tǒng)集成先進(jìn)的測量技術(shù)

除了伺服電機(jī)和 CANopen 主站端子模塊，其余的 I/O 系統(tǒng)利用 16 個(gè)數(shù)字量輸入端子模塊 EL1008 和 12 個(gè)數(shù)字量輸出端子模塊 EL2008，每個(gè)模塊有 8 個(gè)通道。測量技術(shù)通過相應(yīng)的 EtherCAT 端子模塊直接集成。4 個(gè)超采樣系數(shù)為 20 的 2 通道模擬量輸入端子模塊 EL3202 確保時(shí)間同步、高精度地采集壓力、位置、轉(zhuǎn)矩及角度數(shù)據(jù)。7 個(gè) 4 通道模擬量輸入端子模塊 EL3104 負(fù)責(zé)完成電流、溫度和信號(hào)測量任務(wù)。數(shù)字量萬用表端子模塊 EL3681 也可以測量電流，高精度的 2 通道電阻測量端子模塊 EL3692 可以測定觸點(diǎn)電阻值。

概覽:

針對(duì)汽車行業(yè)的解決方案

用于車載控制元件的下線測試裝置

為客戶帶來的好處

最小化的機(jī)器占地面積和集成經(jīng)濟(jì)高效的測量技術(shù)

倍福的PC 控制結(jié)構(gòu)

– 分布式和集成式測量和控制解決方案降低了 70% 的成本

– CANopen 主站端子模塊 EL6751 降低了 80% 的通訊（符合 ISO 15765 標(biāo)準(zhǔn)）成本

– EtherCAT 模擬量輸入端子模塊 EL3702 確保通過超采樣高精度測量壓力和轉(zhuǎn)矩

– 伺服電機(jī)端子模塊 EL7211 和 Am81xx 系列單電纜伺服電機(jī)大大降低了空間需求

采用了單電纜技術(shù)的伺服電機(jī)端子模塊 EL7211-0010 是實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)和精確運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵組件