作者：張寶剛 顧飛 （北京中科泛華測控技術(shù)有限公司 系統(tǒng)開發(fā)工程師）
摘要：點火線圈的質(zhì)量直接影響汽車的整體性能，本文從系統(tǒng)構(gòu)成、測試原理、工作狀況、軟件實現(xiàn)及應(yīng)用等方面介紹了一種基于“柔性測試”技術(shù)并結(jié)合虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的汽車點火線圈測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備測試效率高、性能可靠、測量精確、自動化程度高等特點，可滿足實際生產(chǎn)線的終檢需要。
關(guān)鍵詞：柔性測試技術(shù)；虛擬儀器技術(shù)；點火線圈；測試系統(tǒng)
隨著汽車工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，汽車電子制造業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的黃金時期，汽車制造廠商對于汽車電子產(chǎn)品的測試要求也從簡單的合格與否轉(zhuǎn)向多性能指標(biāo)綜合測試過渡。點火線圈作為汽車點火控制系統(tǒng)的重要組成部分，其指標(biāo)將直接影響汽車的動力學(xué)性能和整體性能。
點火線圈測試需求分析
中國將逐漸成為點火線圈在全球的制造中心，預(yù)計未來幾年內(nèi)點火線圈年產(chǎn)量將會超過一千萬只。與此同時，國內(nèi)點火線圈測試設(shè)備比較落后，自動化水平低且智能化程度不高，難以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的需要，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化點火線圈測試設(shè)備，具有重要的現(xiàn)實意義。
對于汽車點火線圈生產(chǎn)線，要求其設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)、高效、自動、靈活等特點，而且需要高產(chǎn)能和高可靠性。同時由于點火線圈性能指標(biāo)繁雜，生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，這都使得單一的測試工作站無法兼顧如此多樣的指標(biāo)測試。生產(chǎn)廠家希望設(shè)備一次投入使用后，能夠最大限度地得到收益，使設(shè)備資本投入的有效性更加充分。同時為了保證生產(chǎn)質(zhì)量，設(shè)備需要具有一定的生產(chǎn)過程統(tǒng)計穩(wěn)定性，從而最大程度減少由于操作人員的人為因素對生產(chǎn)質(zhì)量的影響。
綜合考慮上述因素可以看出，汽車點火線圈測試所需要的不單是幾個簡單的測試儀器，而是一套機電軟結(jié)合、自動化水平高、運用靈活的測試系統(tǒng)，這便是“柔性測試”技術(shù)所倡導(dǎo)的。實踐證明，以“柔性測試”技術(shù)為核心設(shè)計的汽車點火線圈測試系統(tǒng)能夠滿足汽車行業(yè)對點火線圈終檢的要求，推動行業(yè)測試水平的發(fā)展和提高。
“柔性測試”技術(shù)
隨著社會的發(fā)展，技術(shù)的更新和客戶需求的不斷進(jìn)步，測試要求也在不斷變化。這導(dǎo)致測試系統(tǒng)除了需具備精確性和可靠性等基本要求外，還要更多的考慮到系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性和擴(kuò)展性。“柔性測試”技術(shù)就是在這種情況下提出的，它的提出為測試測量行業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
“柔性測試”技術(shù)是集虛擬儀器技術(shù)、測試測量技術(shù)、機電一體化技術(shù)、軟件技術(shù)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等于一身，專注于研究測試測量系統(tǒng)整體功能及性能的專業(yè)測控技術(shù)。它以測試測量系統(tǒng)的精確性、可靠性、靈活性、適應(yīng)性和擴(kuò)展性為研究和開發(fā)目的，為用戶提供充分滿足其需求的、可信賴的系統(tǒng)。
系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)外觀如圖1，該系統(tǒng)以“柔性測試”技術(shù)位核心理念，采用模塊化、系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動、高壓屏蔽等技術(shù)，實現(xiàn)了對筆式點火線圈的各項功能、電氣性能指標(biāo)的全面測試。系統(tǒng)由美國NI公司的硬件產(chǎn)品、西門子的PLC系統(tǒng)及配合泛華測控自主開發(fā)的高性能軟件和配套電氣附件組成。它是全自動化的測試流水線，測試過程和被測件的傳遞過程全部自動完成。此系統(tǒng)主要由點火工位、通斷測試工位、性能測試工位、激光打碼工位組成，可以完成點火線圈的點火測試、初級線圈通斷、次級線圈電阻、初級線圈電流和次級線圈電壓等內(nèi)容的同期檢測，如表1所示。
表1 系統(tǒng)典型指標(biāo)
|
名稱
|
典型測量范圍 |
精度 |
|
節(jié)拍 |
|
30S/4只 |
|
點火次數(shù)計數(shù) |
0-10000次 |
±1次 |
|
初級線圈電流 |
0~20A |
±0.05 A |
|
次級線圈電阻 |
0~10kΩ |
±0.1Ω |
|
次級線圈電壓 |
0~40KV |
±0.05KV |
圖1 系統(tǒng)正面外觀
系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
系統(tǒng)硬件構(gòu)成
筆式點火線圈綜合測試工作站的核心是基于PXI總線的虛擬儀器技術(shù)。PXI系統(tǒng)是將CompactPCI的集成式觸發(fā)功能與Windows操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，比臺式PC機具有更高的可靠性和性能，也更適用于工業(yè)系統(tǒng)。內(nèi)建有高端的定時和觸發(fā)總線，可配以各類模塊化的I/O硬件和相應(yīng)的測試測量開發(fā)軟件，方便建立完全自定義的測試測量方案。本系統(tǒng)通過采用定時、觸發(fā)設(shè)備及最佳的LabVIEW軟件開發(fā)平臺，結(jié)合PXI的虛擬儀器，簡化并加速了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)過程。
系統(tǒng)組成如圖2所示，系統(tǒng)采用上下位機設(shè)計。上位機核心是PXI系統(tǒng)，主要由PXI機箱、控制器、數(shù)字I/O模塊、示波器模塊、萬用表模塊、計數(shù)器、信號調(diào)理和編程電源等模塊組成。PXI系統(tǒng)內(nèi)部通過PXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，由于此系統(tǒng)是全自動化測試流水線，運動過程全部由汽缸控制完成，所以下位機采用了西門子S7300系列PLC系統(tǒng)，主要完成對氣缸的動作控制以及狀態(tài)監(jiān)測。上下位機通過數(shù)字I/O握手方式進(jìn)行通訊。
控制器通過顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤實現(xiàn)人機交互。
數(shù)字I/O模塊的功能是上下位機通訊、報警系統(tǒng)的控制、各工位狀態(tài)、光電傳感器、急停按鈕、鼠尾開關(guān)等的檢測；從而實時地將系統(tǒng)中各傳感器統(tǒng)一結(jié)合起來，為系統(tǒng)時效性和安全性提供了有力保障；
示波器模塊主要完成初級線圈電流和次級線圈電壓波形采集、顯示工作；
萬用表模塊主要測量點火線圈的初級、次級線圈電阻，判斷點火線圈的通斷情況；
計數(shù)器模塊在點火線圈初級線圈上產(chǎn)生頻率、占空比可調(diào)的EST激勵信號，控制點火線圈次級線圈產(chǎn)生高壓。另外，點火波形通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號，并通過計數(shù)器對點火成功次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計；
GPIB儀器通信模塊主要完成可編程電源的控制；
可編程電源模擬車載蓄電池，向系統(tǒng)提供點火能量；
此外，系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路包括高壓限幅電路和繼電器切換電路模塊，主要實現(xiàn)點火波形調(diào)理、電壓衰減、整形、高壓限幅、保護(hù)、繼電器切換等功能。
圖2 測試系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)工作原理介紹
本系統(tǒng)是全自動化檢測系統(tǒng)，待測工件安放完畢后，撥動鼠尾開關(guān)給系統(tǒng)以開始信號之后系統(tǒng)將自動完成工件的傳遞和全部工位的指標(biāo)檢測，并最后根據(jù)檢測結(jié)果判斷工件的優(yōu)劣對其進(jìn)行打碼，回收或是廢棄處理。系統(tǒng)設(shè)計過程中綜合考慮了該系統(tǒng)測試的特殊性，最終對每一個測試工位均制定了合理的測試方法和設(shè)計方案，系統(tǒng)整體工作流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)工作流程圖
點火工位主要完成點火線圈的點火檢測。系統(tǒng)可以同時完成四路點火測試。點火線圈采用很高的次初級線圈匝數(shù)比，利用電磁感應(yīng)原理接受變化的低壓激勵，并產(chǎn)生高達(dá)40Kv以上的高壓放電。高壓高頻測試和電磁干擾是這個工位的主要技術(shù)難題。測試過程中將被測件放置在卡具上，撥動鼠尾開關(guān)，機械手自動運行，壓緊被測件，系統(tǒng)自動打開編程電源，產(chǎn)生EST激勵信號，進(jìn)行點火測試。為了避免高壓高頻放電過程產(chǎn)生的噪音對其他工位的影響和干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，點火測試在密閉的屏蔽箱內(nèi)完成，系統(tǒng)采集高壓點火波形，經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，通過計數(shù)器對點火成功次數(shù)的計數(shù)，判斷測試件是否合格。
點火測試完成后，機械手自動將被測件抓取到通斷測試工位。通斷工位主要完成初級線圈通斷和次級線圈電阻的測試。這里采用了單通道萬用表模塊，所以需要配合繼電器切換控制電路依次完成四個線圈的測試。
通斷測試完成后，機械手自動將被測件傳遞到性能工位，此工位完成初級線圈電流和次級線圈電壓的測試。系統(tǒng)控制Counter計數(shù)器模塊產(chǎn)生EST信號，并自動打開程控電源，控制點火線圈完成充放電過程。電流信號通過電流鉗探測并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號。電壓信號檢測在綜合考慮成本的基礎(chǔ)上使用較經(jīng)濟(jì)的高壓電阻分壓方案，通過示波器完成波形的采集。
測試內(nèi)容完成后，機械手將被測件傳遞到打碼工位，并且根據(jù)測試結(jié)果程控改變打碼機打碼內(nèi)容，完成打碼操作。合格件被放置在傳送帶上，自動運輸?shù)讲僮鲉T工位。不合格件機械手自動扔進(jìn)廢品箱，并通過傳感器對成品和廢品個數(shù)分別計數(shù)并加以統(tǒng)計。
系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)
軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部分，也是“柔性測試”技術(shù)的核心元素之一。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計或調(diào)用合理的程序模塊，可以高效地創(chuàng)建人機交互軟件。
系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選擇NI公司的LabVIEW標(biāo)準(zhǔn)圖形化開發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，既提供強大的測控功能，同時還保證了系統(tǒng)靈活性和開發(fā)高效性。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個環(huán)境中，可以方便快捷地集成一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)。并且在以后的系統(tǒng)維護(hù)、功能擴(kuò)展及系統(tǒng)移植上有著突出的優(yōu)勢。
由于LabVIEW采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動編程技術(shù)，對實現(xiàn)并行流程處理有著天然的優(yōu)勢。本測試系統(tǒng)中采用自動傳遞結(jié)構(gòu)，四工位并行測試，主程序框圖如圖4所示。采用LabVIEW為開發(fā)環(huán)境可以在整體上提高系統(tǒng)的工作和開發(fā)效率。
圖4 主程序框圖
軟件在功能實現(xiàn)上采用模塊化設(shè)計，特定的模塊實現(xiàn)特定的功能。主要由用戶管理、參數(shù)配置、自動測試、數(shù)據(jù)查詢、調(diào)試工具及幫助文檔等模塊組成。其中調(diào)試工具模塊又分為調(diào)試面板、手動調(diào)試、單步調(diào)試和樣件調(diào)試4個模塊，如圖5所示。
圖5 軟件組成模塊
為了生產(chǎn)安全和質(zhì)量保證的需要在軟件中設(shè)計了用戶登陸與權(quán)限管理模塊，可以分配管理員與一般操作者兩種權(quán)限，一般操作者只有操作權(quán)限，系統(tǒng)自動屏蔽參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查詢等功能。管理員可通過參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對編程電源電壓、EST信號頻率、占空比、判斷閾值等參數(shù)的設(shè)置、加載、保存等功能。自動測試模塊為本系統(tǒng)核心模塊，此模塊完成系統(tǒng)的主要測試和統(tǒng)計記錄功能，程序可自動根據(jù)各工位上有無工件的變化，從上位機發(fā)送相應(yīng)命令給下位機，令其自動完成被測件在各工位間傳遞、測試、數(shù)據(jù)顯示、保存和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等工作。雖然本系統(tǒng)為全自動測試系統(tǒng)，但為了系統(tǒng)調(diào)試方便以及應(yīng)用的靈活性，專門設(shè)計了調(diào)試工具模塊，在這里可以完成單工位測試、氣缸動作單步測試、傳感器檢測、報警燈調(diào)試等功能。
筆式點火線圈綜合測試系統(tǒng)界面采用Windows XP風(fēng)格設(shè)計，如圖6所示，整個軟件界面簡潔、美觀、操作方便。主界面由測試結(jié)果統(tǒng)計區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、測試結(jié)果顯示區(qū)組成。測試結(jié)果統(tǒng)計區(qū)可實時顯示每個工位的測試總數(shù)、通過率等情況。狀態(tài)顯示區(qū)可顯示各工位的暫停、測試中、測試結(jié)果等狀態(tài)。并且在測試過程中以綠色顯示表示該工位檢測合格，以醒目的紅色顯示表示工件未通過檢測，簡單明了。同時軟件界面采用中英文雙語設(shè)計，在進(jìn)入主界面前系統(tǒng)將會提示操作人員選擇操作語言，使得系統(tǒng)操作簡單方便。
圖6 測試系統(tǒng)軟件界面
結(jié)語
汽車筆式點火線圈綜合測試系統(tǒng)是以“柔性測試”技術(shù)為核心，并基于虛擬儀器技術(shù)的綜合測試系統(tǒng)。它成功地將PXI和PIC溶于一身，實現(xiàn)了機電軟一體化、多工位、多性能指標(biāo)同時檢測的設(shè)計目的，達(dá)到了系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。該系統(tǒng)具備測試效率高、性能可靠、測量精確，自動化和智能化程度高的特點。在測試過程中無需人工干預(yù)，極大地減少了人工操作對系統(tǒng)性能和生產(chǎn)效率的影響。在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和抗干擾能力上都有著最優(yōu)的表現(xiàn)，并且測試精度穩(wěn)定，滿足GR&R測試要求。此系統(tǒng)已成功應(yīng)用于美國德爾福汽車筆式點火線圈生產(chǎn)線上的終檢測試。
參考文獻(xiàn)
[1]廖傳書,韓屏.基于職能控制的汽車點火檢測系統(tǒng)[M].微計算機信息,2005.
[2]李令舉.汽車工程電子新技術(shù)[M].人民交通出版社,1999.
[3]寇國璦,楊生輝.汽車電氣與電子控制系統(tǒng)[M].人民交通出版社，2003.
