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高度集成的全自動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，生產結構極為緊湊和高性能的全自動汽車駕駛控制元件測試裝置。科技自動化理念將控制技術與非常快速、高精度的測量技術結合在一起，具有顯著優點。與現有的解決方案相比，最多可以節省 70 % 的成本。該方案另一個優點是它使用總線端子模塊 I/O 形式的緊湊型伺服驅動器，可以大大節省空間。

由于采用了基于 PC 的高性能控制技術并集成了高端測量技術，下線測試儀的結構非常緊湊

自動測試設備是一臺下線測試儀，用于為駕駛員進行車輛內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備、收音機、空調導航系統及其它設備。通過按壓、推動、傾斜、旋轉或觸摸可以選擇各種車載功能。Borrmann 工程咨詢有限公司總經理 Andreas Borrmann 解釋道：“測試系統的主要任務是全自動觸覺測試。大量傳感器測量執行不同開關功能時所涉及到的力量和扭矩。轉盤應用通過最多八個獨立的操作站實施。”其中，全自動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動技術。再加上功能特別強大的測量技術，這些功能在提供一個堅固耐用、功能強大的解決方案中發揮了重要作用。Borrmann 繼續說道：“過去，我們需要使用專用的測量技術才能同步采集力/路徑或扭矩/角度數據，而現在，我們可以使用倍福的標準組件。此外，標準 I/O 端子模塊甚至能夠從設備同步采集總線報文（如 CAN 或 LIN） 。”一臺工業 PC 負責完成八個工位的所有控制和測量任務。每個操作控制元件最多有 450 個測試參數，這并不罕見。轉盤循環的典型周期時間為 20 秒，這相當于每年生產 300,000 多套駕駛員控制元件。

AM81xx 系列單電纜伺服電機確保了多達 7 軸的高精度運動

簡化復雜測試程序

在測試周期開始時，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械缺陷和表面缺陷，如劃痕。一旦將組件放入測試設備，它就會被自動夾緊并與之接觸。在設備手動切換和操作人員感觀檢查確認后，升降機門關閉，轉盤周期開始。

LED 指示照明的亮度變化可以超過 30%。在工位 2 中，LED亮度通過攝像機測量的方式進行校準，亮度控制的校正值通過 CAN 報文寫入到正在測試的設備的 EEPROM 中。在工位 3 中，使用抽吸夾持器進行剝離強度測試，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，并使用多個傳感器確保所有按鈕的正確顏色組合。以轉矩測量形式出現的第一次觸覺測試隨后在工位 4 中完成。一個采用壓電效應的轉矩傳感器以最大每秒 180 度的速度旋轉，采集分辨率最小為 0.1 Nm 的轉矩數據。這一測試的目標是確定開槽以及最小和最大齒槽轉矩。齒槽轉矩超出所允許的限值表明被測設備在裝配過程中出現了故障。Andreas Borrmann 解釋道：“我們使用系數為 20 的超采樣功能，當任務周期為 1 毫秒時，每秒鐘可測量高達 20000 次。因此，每個角度都采集了超過 25 組轉矩數據。”

工位 5 專門用于測試車輛壓力。在這里也使用了一個高精度的壓電式傳感器。由于采用了超采樣功能，在 10 毫米/秒的速度下可以實現 0.02 N 的力分辨率，位置分辨率為 0.002 毫米。同時，由于任務周期時間只有 1 毫秒，自啟動開始就記錄 CAN 和 LIN 報文，同時這些報文與運行的位置精確匹配。工位 6 和 7 用到了與工位 5 中相同的測量技術，用于測量水平傾力。由于傾斜，水平運動中會產生橫向力，這些力必須通過精心制作的機械平衡組件來補償。最后，諸如零件號、序列號、生產日期及其它產品具體信息等數據在工位 8（最后一個工位）中被寫入到 EEPROM 中。如果所有測試參數（最多 450 個）的結果都在規定的限制范圍內，被測試設備的激光標簽通過認證。標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容和質量。在隨后的轉盤步驟中，經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

如果沒有倍福基于 PC 的控制技術，下線測試儀的開發幾乎是不可能實現的。據 Andreas Borrmann 說：“只有基于 PC 的控制技術才能讓我們能夠滿足測量和驅動技術在速度和精度方面極為嚴格的要求。由于過去使用的帶測量和控制卡的 PC 缺乏可擴展性，現有解決方案在性能上也很有限。而模塊化、分布式的倍福技術不再受這種限制，與現有的采用獨立測量技術的解決方案相比，硬件成本降低了 70% 之多。”

Andreas Borrmann 看到，整個測量和控制系統可以使用一臺工業 PC 集中、方便地控制等更多好處。現有系統中不再需要另外使用 PLC ，由于使用不同制造商的測量技術而涉及到的大量驅動程序安裝工作已經成為過去：“集成式系統解決方案在這方面具有顯著的優點，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。此外，可以輕松地集成車輛內使用的 CAN 協議，以便根據 ISO 15765 標準實現操作元件與控制裝置之間的通訊。協議是通過 7 個 CANopen 主站端子模塊 EL6751 在 TwinCAT PLC 中建模。與過去使用的技術相比，這樣可以節約 80% 的成本。除此之外，現在可以實時地讀取和分析 CAN 協議，與被測試設備的全自動同步。以前，這只有使用高度專業化和復雜的電子測量系統才能實現。觸覺數據由三個元素組成 — 通過模擬方式采樣的力、通過電機直接測定的位置以及通過一個 CANopen 主站端子模塊測定的觸點 — 現在都可以輕松確定。”

通過 7 個 CANopen 主站端子模塊 EL6751 實現與測試設備之間的通訊（符合ISO 15765 標準），與現有的解決方案相比，成本降低了 80%。

具有最小空間需求的伺服驅動技術

Beckhoff的伺服驅動技術也直接集成在 I/O 系統中。各個測試工位中的高精度運動通過 7 根伺服軸組成，每個伺服軸由寬度僅為 24 毫米的 EL7211-0010 伺服驅動模塊控制。除了可以驅動額定扭矩為 0.5 Nm 和 0.8 Nm 的 AM812x 系列單電纜伺服電機，這些端子模塊還集成了單電纜技術，最大輸出電流為 4.5 ARMS。Andreas Borrmann 繼續說道：“如果沒有以結構非常緊湊的總線端子模塊形式出現的伺服驅動器，將不可能實現占地面積如此小的機器。這些產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。單電纜技術也非常有幫助，因為它在直線和旋轉式套管基礎上，大大簡化了原本復雜的電纜布局。絕對值反饋技術也帶來了很大優勢，因為它不再需要使用以前所需的參考開關，因此顯著降低了驅動技術的復雜性。”

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

更多信息：

倍福的I/O 系統集成先進的測量技術

除了伺服電機和 CANopen 主站端子模塊，其余的 I/O 系統利用 16 個數字量輸入端子模塊 EL1008 和 12 個數字量輸出端子模塊 EL2008，每個模塊有 8 個通道。測量技術通過相應的 EtherCAT 端子模塊直接集成。4 個超采樣系數為 20 的 2 通道模擬量輸入端子模塊 EL3202 確保時間同步、高精度地采集壓力、位置、轉矩及角度數據。7 個 4 通道模擬量輸入端子模塊 EL3104 負責完成電流、溫度和信號測量任務。數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 可以測定觸點電阻值。

概覽:

針對汽車行業的解決方案

用于車載控制元件的下線測試裝置

為客戶帶來的好處

最小化的機器占地面積和集成經濟高效的測量技術

倍福的PC 控制結構

– 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 標準）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矩

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

采用了單電纜技術的伺服電機端子模塊 EL7211-0010 是實現緊湊型設計和精確運動控制的關鍵組件