科技自动化和紧凑型驱动技术应用于汽车行业

寂静回声

总部位于德国Inglheim的Borrmann工程咨询有限公司和总部位于德国Sommerloch的Schuhriemen Maschinenbau有限公司采用了Beckhoff基于PC的控制技术，生产结构极为紧凑和高性能的全自动汽车驾驶控制元件测试装置。科技自动化理念将控制技术与非常快速、高精度的测量技术结合在一起，具有显著优点。与现有的解决方案相比，最多可以节省70%的成本。该方案另一个优点是它使用总线端子模块I/O形式的紧凑型伺服驱动器，可以大大节省空间。
由于采用了基于PC的高性能控制技术并集成了高端测量技术，下线测试仪的结构非常紧凑
自动测试设备是一台下线测试仪，用于为驾驶员进行车辆内控制元件的综合测试。驾驶员可以使用这些功能来操作照明设备、收音机、空调导航系统及其它设备。通过按压、推动、倾斜、旋转或触摸可以选择各种车载功能。Borrmann工程咨询有限公司总经理Andreas Borrmann解释道：“测试系统的主要任务是全自动触觉测试。大量传感器测量执行不同开关功能时所涉及到的力量和扭矩。转盘应用通过最多八个独立的操作站实施。”其中，全自动装置是市场上集成度最高的触觉测试装置，采用了非常紧凑的控制和驱动技术。再加上功能特别强大的测量技术，这些功能在提供一个坚固耐用、功能强大的解决方案中发挥了重要作用。Borrmann继续说道：“过去，我们需要使用专用的测量技术才能同步采集力/路径或扭矩/角度数据，而现在，我们可以使用倍福的标准组件。此外，标准 I/O 端子模块甚至能够从设备同步采集总线报文（如CAN或LIN）。”一台工业PC负责完成八个工位的所有控制和测量任务。每个操作控制元件最多有450个测试参数，这并不罕见。转盘循环的典型周期时间为20秒，这相当于每年生产300,000多套驾驶员控制元件。
简化复杂测试程序
在测试周期开始时，操作人员主观检查工位1中待测试的组件，以检查是否有明显的机械缺陷和表面缺陷，如划痕。一旦将组件放入测试设备，它就会被自动夹紧并与之接触。在设备手动切换和操作人员感观检查确认后，升降机门关闭，转盘周期开始。
LED指示照明的亮度变化可以超过30%。在工位2中，LED亮度通过摄像机测量的方式进行校准，亮度控制的校正值通过CAN报文写入到正在测试的设备的EEPROM中。在工位3中，使用抽吸夹持器进行剥离强度测试，以确保装饰盖罩被正确胶粘。电感式模拟量传感器检查螺栓是否在，并使用多个传感器确保所有按钮的正确颜色组合。以转矩测量形式出现的第一次触觉测试随后在工位4中完成。一个采用压电效应的转矩传感器以最大每秒180度的速度旋转，采集分辨率最小为0.1Nm的转矩数据。这一测试的目标是确定开槽以及最小和最大齿槽转矩。齿槽转矩超出所允许的限值表明被测设备在装配过程中出现了故障。Andreas Borrmann解释道：“我们使用系数为20的超采样功能，当任务周期为1毫秒时，每秒钟可测量高达20000次。因此，每个角度都采集了超过25组转矩数据。”
AM81xx系列单电缆伺服电机确保了多达7轴的高精度运动
工位5专门用于测试车辆压力。在这里也使用了一个高精度的压电式传感器。由于采用了超采样功能，在 10毫米/秒的速度下可以实现0.02N的力分辨率，位置分辨率为0.002毫米。同时，由于任务周期时间只有1毫秒，自启动开始就记录CAN和LIN报文，同时这些报文与运行的位置精确匹配。工位6和7用到了与工位5中相同的测量技术，用于测量水平倾力。由于倾斜，水平运动中会产生横向力，这些力必须通过精心制作的机械平衡组件来补偿。最后，诸如零件号、序列号、生产日期及其它产品具体信息等数据在工位8（最后一个工位）中被写入到EEPROM中。如果所有测试参数（最多450个）的结果都在规定的限制范围内，被测试设备的激光标签通过认证。标签中包含纯文本和二维码（DMC）格式的信息。DMC阅读器扫描编码并检查内容和质量。在随后的转盘步骤中，经过所有的检查步骤后的模块被输送到工位1，操作人员在那里将它搬走并打包。
速度和精度都需要PLC控制解决方案
如果没有倍福基于PLC的控制技术，下线测试仪的开发几乎是不可能实现的。据Andreas Borrmann说：“只有基于PLC的控制技术才能让我们能够满足测量和驱动技术在速度和精度方面极为严格的要求。由于过去使用的带测量和控制卡的PLC缺乏可扩展性，现有解决方案在性能上也很有限。而模块化、分布式的倍福技术不再受这种限制，与现有的采用独立测量技术的解决方案相比，硬件成本降低了70%之多。”
通过7个CANopen主站端子模块EL6751实现与测试设备之间的通讯（符合ISO 15765标准），与现有的解决方案相比，成本降低了80%。
Andreas Borrmann看到，整个测量和控制系统可以使用一台工业PC集中、方便地控制等更多好处。现有系统中不再需要另外使用PC，由于使用不同制造商的测量技术而涉及到的大量驱动程序安装工作已经成为过去：“集成式系统解决方案在这方面具有显着的优点，例如，基于PC的控制还包括高性能、高精度和超高速测量技术。此外，可以轻松地集成车辆内使用的CAN协议，以便根据ISO15765标准实现操作元件与控制装置之间的通讯。协议是通过7个CANopen主站端子模块EL6751在TwinCAT PC中建模。与过去使用的技术相比，这样可以节约80%的成本。除此之外，现在可以实时地读取和分析CAN协议，与被测试设备的全自动同步。以前，这只有使用高度专业化和复杂的电子测量系统才能实现。触觉数据由三个元素组成—通过模拟方式采样的力、通过电机直接测定的位置以及通过一个CANopen主站端子模块测定的触点—现在都可以轻松确定。”
具有最小空间需求的伺服驱动技术
Beckhoff的伺服驱动技术也直接集成在I/O系统中。各个测试工位中的高精度运动通过7根伺服轴组成，每个伺服轴由宽度仅为24毫米的EL7211-0010伺服驱动模块控制。除了可以驱动额定扭矩为0.5Nm和0.8Nm的AM812x系列单电缆伺服电机，这些端子模块还集成了单电缆技术，最大输出电流为4.5ARMS。Andreas Borrmann继续说道：“如果没有以结构非常紧凑的总线端子模块形式出现的伺服驱动器，将不可能实现占地面积如此小的机器。这些产品让我们能够最大限度地减少安装尺寸，且无需使用额外的控制柜。单电缆技术也非常有帮助，因为它在直线和旋转式套管基础上，大大简化了原本复杂的电缆布局。绝对值反馈技术也带来了很大优势，因为它不再需要使用以前所需的参考开关，因此显著降低了驱动技术的复杂性。”