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    Vogelsang & Benning 是一家專業(yè)生產(chǎn)全自動(dòng)和/或半自動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品下線檢測(cè)設(shè)備的公司。自 1983 年成立以來(lái)，該公司已經(jīng)為眾多工業(yè)應(yīng)用、傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械工程的實(shí)施提供了專門的檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)為轉(zhuǎn)向助力器電機(jī)最新研發(fā)的裝配和檢測(cè)線，Vogelsang & Benning 選用了 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的自動(dòng)化解決方案。
  
                  
                                     圖1：完整的裝配線

   傳統(tǒng)的汽車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正逐漸被電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所取代。一套完整的伺服裝置（SU）由一臺(tái)永久勵(lì)磁同步電機(jī)和電子控制單元（ECU）組成，電機(jī)在出廠前必須進(jìn)行綜合檢測(cè)。整套裝配和檢測(cè)線由一個(gè)螺釘緊固模塊、閃存程序下載模塊和一個(gè)集成了搬運(yùn)模塊的氣密性與性能檢測(cè)模塊。電子控制單元和電機(jī)通過(guò)螺釘模塊擰在一起，應(yīng)用軟件閃存程序下載模塊下載到的電子控制單元（ECU）中。然后進(jìn)行氣密性檢測(cè)和性能與噪聲檢測(cè)。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)系到汽車行駛安全的重要零部件，因此，必須特別注意數(shù)據(jù)的備份與存檔，所有的檢測(cè)參數(shù)、設(shè)定值和測(cè)量數(shù)據(jù)必須都是可追溯的。必須保證每個(gè)檢測(cè)試件標(biāo)識(shí)的唯一性，并將其相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)獨(dú)立的中央文件服務(wù)器中。

   檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化改造要求通過(guò)不同的接口將來(lái)自不同制造商的組件集成在一起：檢測(cè)模塊負(fù)載組有一個(gè) PROFIBUS 接口。檢測(cè)試件的控制裝置通過(guò) FlexRay 總線系統(tǒng)激活，而 FlexRay 網(wǎng)關(guān)則通過(guò) Ethernet 激活。諸如掃描儀、閃光器或氣密性檢測(cè)儀等其它設(shè)備則通過(guò)串口與主控計(jì)算機(jī)通訊。
  
               
                         圖2：靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，種類繁多的總線接口

   EtherCAT 用作上位總線系統(tǒng)

除了 EtherCAT具有高性能和過(guò)程值的精確分布式時(shí)基同步的特點(diǎn)之外，選擇它作為基本總線系統(tǒng)的另外一個(gè)主要原因是前面所提到的接口可用作本地分布式 EtherCAT 設(shè)備。此外，最終用戶的一個(gè)重要要求是：在設(shè)備數(shù)量增加時(shí)能夠通過(guò)擴(kuò)展總線的方式添加新的模塊。通過(guò)分布式配置上述接口（見(jiàn)圖 1），能夠在僅增加少量布線和安裝成本的前提下滿足這一要求。過(guò)去所采用的多通道接口卡需要敷設(shè)數(shù)米長(zhǎng)的串行電纜，而現(xiàn)在，所需的電纜長(zhǎng)度被大大縮短，從而也極大限度地降低了干擾敏感度。

               
                        圖3

     裝配和檢測(cè)流程詳情

   在第一階段，電機(jī)和控制單元通過(guò)螺釘擰在一起，聯(lián)接主軸和螺絲刀通過(guò) PROFIBUS 控制。帶串口的掃描儀檢測(cè)試件的 DMC 代碼，以便進(jìn)行必要的材料跟蹤和數(shù)據(jù)庫(kù)存檔。在下一階段，固件通過(guò)閃存模塊（也是串行）加載到電子控制單元（ECU）中，而搬運(yùn)系統(tǒng)（PROFIBUS）則將被轉(zhuǎn)移到下一個(gè)模塊。材料跟蹤通過(guò)串行掃描儀實(shí)現(xiàn)。該階段使用了一個(gè) EtherCAT 交換機(jī)端子模塊，通過(guò)一個(gè)可選的 FlexRay 網(wǎng)關(guān)直接設(shè)置 ECU。之后，與網(wǎng)關(guān)的連接在 EtherCAT 系統(tǒng)的非循環(huán)通訊插槽內(nèi)作為純 TCP/IP 通訊建立。

   檢測(cè)模塊檢測(cè)轉(zhuǎn)向助力器電機(jī)的下列主要特性：

| 螺紋緊固件相互之間的緊密度
| 各種轉(zhuǎn)矩負(fù)載檢測(cè)和速度檢測(cè)
| 不同運(yùn)行條件下的噪聲檢測(cè)
| 所有參數(shù)和完整的 ECU 功能檢驗(yàn)

   使用標(biāo)準(zhǔn)的 EtherCAT 端子模塊記錄測(cè)量值

   試件通過(guò) FlexRay總線設(shè)定一個(gè)默認(rèn)的轉(zhuǎn)矩，即使是在有負(fù)荷（變頻器控制負(fù)載測(cè)試機(jī)）的情況下也要保持較高的測(cè)量精度。在恒定的速度下以每秒 1000 個(gè)測(cè)量值的采樣速率不斷地對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，并利用快速傅里葉變換（FFT）分析轉(zhuǎn)矩偏差。為了確保分析的可靠性，必須在絕對(duì)時(shí)間和/或角度同步期間記錄測(cè)量數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)矩）。以前，記錄該測(cè)量值需要昂貴的專用儀器，但現(xiàn)在，該過(guò)程可以通過(guò)具有分布式時(shí)鐘功能的標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT 端子模塊（計(jì)數(shù)器端子模塊和模擬量輸入）實(shí)現(xiàn)。分布式時(shí)鐘能夠使測(cè)量同步，并能夠精確到納秒，從而為快速傅里葉變換提供必要的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間相關(guān)性。轉(zhuǎn)矩偏差然后在頻率-振幅頻譜中以圖形方式顯示。測(cè)試結(jié)果和 DMC 代碼一起保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

   帶有分布式時(shí)鐘的 EtherCAT系統(tǒng)的性能詳見(jiàn)圖 2，詳細(xì)記錄了兩個(gè) EtherCAT 同步的邊緣變化。兩個(gè)裝置的分離通過(guò) 300 個(gè) EtherCAT 節(jié)點(diǎn)和長(zhǎng)度為 120 m 的電纜實(shí)現(xiàn)。同步控制邊緣變化的同時(shí)性約為 15 納秒（ns），抖動(dòng)為 ±20 ns。
  
               
                   圖4：通過(guò)分布式時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)精度和同步；長(zhǎng)期記錄兩個(gè)設(shè)備的信息

   ADS 能夠在幾毫秒時(shí)間內(nèi)傳輸所有的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

   首先對(duì)測(cè)量值和校準(zhǔn)值進(jìn)行分析和可視化，再通過(guò)由 Vogelsang & Benning 用 C++ 編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和實(shí)施的 METIS 軟件進(jìn)行測(cè)試，然后存檔測(cè)試結(jié)果。TwinCAT 控制器的接口是 ADS，是一個(gè)方便的路由器接口，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、控制和診斷。與以前 PLC 中的數(shù)據(jù)模塊處理不同，它具有良好的集成性能和方便的命令接口（如用于切換運(yùn)行方式），能夠更輕松、更高效地實(shí)現(xiàn)通訊。所有的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄都由 PLC 在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)傳輸給 METIS 軟件。ADS 嵌入在 TCP/IP 協(xié)議中，便于遠(yuǎn)程維護(hù)，METIS 軟件的必要設(shè)置被減至最低。
  
                       
                                圖5

   一項(xiàng)具有開(kāi)拓性意義的解決方案

    “我希望我們能夠讓更多的客戶安裝我們采用了 Beckhoff 技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)。”上述檢測(cè)線的項(xiàng)目經(jīng)理和程序員 Robert Biletic 先生如此說(shuō)道。“與過(guò)去采用的方案相比，這個(gè)方案給我們帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的好處。首先，采用上述分布式現(xiàn)場(chǎng)總線接口（EtherCAT 設(shè)備）能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備選擇。另外，由于采用高級(jí)語(yǔ)言（結(jié)構(gòu)化文本，ST）和實(shí)例概念提升了軟件模塊的復(fù)用性，PLC 編程變得更加高效和經(jīng)濟(jì)。TwinCAT 系統(tǒng)管理器和內(nèi)置實(shí)時(shí)示波器軟件具有很強(qiáng)的診斷功能。集成的在線可視化軟件能夠更加快速、輕松地找出并修正布線錯(cuò)誤，甚至是在沒(méi)有 PLC 程序，只有系統(tǒng)管理器的情況下。示波器軟件有助于調(diào)整和優(yōu)化各種控制器。EtherCAT 是一種非常有效的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，讓我們能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)的 I/O 端子模塊用作高精度測(cè)量值的記錄層。這不僅節(jié)約了成本，而且所有測(cè)量操作都可以通過(guò)軟件完成。該技術(shù)已為我們所專有，只需簡(jiǎn)單調(diào)整，即可方便地應(yīng)用到其它檢測(cè)設(shè)備中。”
   除了 EtherCAT具有高性能和過(guò)程值的精確分布式時(shí)基同步的特點(diǎn)之外，選擇它作為基本總線系統(tǒng)的另外一個(gè)主要原因是前面所提到的接口可用作本地分布式 EtherCAT 設(shè)備。此外，最終用戶的一個(gè)重要要求是：在設(shè)備數(shù)量增加時(shí)能夠通過(guò)擴(kuò)展總線的方式添加新的模塊。通過(guò)分布式配置上述接口（見(jiàn)圖 1），能夠在僅增加少量布線和安裝成本的前提下滿足這一要求。過(guò)去所采用的多通道接口卡需要敷設(shè)數(shù)米長(zhǎng)的串行電纜，而現(xiàn)在，所需的電纜長(zhǎng)度被大大縮短，從而也極大限度地降低了干擾敏感度。