高精度测量端子模块在转向系统最终检验中的应用
没人想在开车时听到自己的座驾发出爆裂声、刮擦声、 卡嗒卡嗒声或嗡嗡声。但如何客观量化和测量噪声主观感知？蒂森克虏伯普利斯坦（thyssenkrupp Presta）通过在汽车下线检测期间（终检线）测量结构噪声的方式来测试这一点，Joachim Sutterlüty、Karsten Mauersberger、Michael Sauerwein 和 Julius Ellmann 用 ELM 系列高端测量端子模块和 TwinCAT Scope 代替了之前的外置电子元器件。这个新方案不仅能够为蒂森节省大量的工程工作和时间，还能够节省很多资金。
thyssenkrupp Presta （蒂森）在进行汽车下线检测时，也会在试验台中对转向系统使用寿命中的几个重要方面进行测试。除了测试转向系统的各种功能之外，还要测试其产生的噪音。“噪声声学测试可确保驾驶员驾驶车辆时不会感觉到任何恼人的噪音。”thyssenkrupp Presta 自动化主管 Joachim Sutterlüty 解释道。thyssenkrupp Presta 卓越声学中心专家们的主要工作就是将这些噪声感知转化为可测量的数值。他们与客户一起，从样机和试品系列的开发阶段就开始分析和定义噪声特点，并以客观的方式测量主观声学特性。噪声分布图及其允许限值随后构成在生产中测量结构噪声的基础。
如果转向系统的噪声频谱超出此数值范围，它就会从试验台返回到返工台，使用测量出的结构声频谱确定是返工还是拆卸部件。Joachim Sutterlüty 说道：“通过我们的传感器，再加上倍福的测量端子模块和基于 PC 的控制技术，我们可以非常精确地评估噪声，工人可以根据显示的频谱准确地缩小噪声问题的范围。”
结构声是一个复杂的问题
在开发这种类型的噪声分布图之前，需要对样机进行大量测试。因此，thyssenkrupp Presta 在用于设计转向系统声学结构的样机车间有大量的试验台已投入使用。全自动装配车间内必须遵守这些声学设计要求。“由于开发过程总是会存在一些未知变数，修修改改是常有的事，因此我们需要非常高的灵活性。”Joachim Sutterlüty 说道。这也是为什么 Presta 完全自主设计并实现了所有试验台的自动化，只购买一些机械部件和电气元件。对于后者，这家汽车零部件供应商 20 年来一直采用的都是倍福控制组件。公司目前还采用 EtherCAT 高端测量端子模块 ELM3604 和 TwinCAT Scope 采集测量数据。
高端测量端子模块替代独立系统
thyssenkrupp Presta 以前使用的方案基于外置的声学测试系统，这就需要为实际的试验台控制系统提供复杂的接口和信号分配器。电气工程师 Michael Sauerwein 解释道：“仅这一台设备就需要一个单独的控制柜，并且在调试过程中也容易反复出现问题，比如复杂的 EMC 屏蔽、双重校验和接线错误。”还需要额外考虑项目规划、配置和编程单独的系统。有了基于 PC 的控制技术、EtherCAT 和高端测量端子模块，就不再需要使用这些接口，因此能够显著减少复杂性并降低成本，同时提升灵活性，节约时间。“粗略地说，每个测试模块可以节省约 5% 的投资成本。”Joachim Sutterlüty 说道。
2020 年，新的解决方案在位于埃申的初始测试设备进行了集中测试和检验。倍福技术被集成在试验场内，并以与之前的系统并行的方式获取传感器信号以验证结果。倍福的高端测量技术能否支持外部系统？声学专家 Julius Ellmann 评论道：“我们想看看，我们是否可以用具有相同测量质量的方案替代旧系统。”毕竟，有部分传感器信号必须以 24 位的高分辨率和高达 20 ksamples/s 的采样速率同步记录。它满足了测量学复杂性的所有要求，并且性价比更高。这是因为 ELM360x 系列 EtherCAT 测量端子模块直接集成在 EtherCAT 系统中。它们在通道数量方面也非常灵活，并且可以通过 TwinCAT Scope 非常快速地配置数据采集。“作为向 ELM 测量技术转换的一部分，考虑到价格上的优势，我们还能够增加测量通道数量。此外，我们还能够通过优化后的测量传感器提高测量质量。”Julius Ellmann 解释道。
解决软件接口的瓶颈问题
转换的成功在很大程度上要归功于基于 PC 的控制技术的灵活性和开放性。TwinCAT 被成功集成到第三方评估软件中就很好地证实了这一点。Joachim Sutterlüty 不愿意也不可能放弃之前制造商提供的评估软件，因为各个部门都在使用该软件。“但倍福的 TwinCAT Scope API 是一个性能强大的数据读出接口。”倍福销售工程师 Maurus Kaelin 说道。然而，评估软件的接口变成了瓶颈。“我们必须优化软件接口，才能够快速接收和分析数据包。”试验台软件开发负责人 Karsten Mauersberger 回忆道。
TwinCAT 产品经理 Pascal Dresselhaus 带着他的 Scope 开发团队，与 thyssenkrupp Presta 和评估软件供应商合作，最大限度地提高了应用性能。“Joachim Sutterlüty 以及他的团队提出他们需要强大、先进的数据采集接口。”Pascal Dresselhaus 回忆道。很多 TwinCAT 用户只知道 TwinCAT Scope 集成在 Microsoft Visual Studio 中，用于分析测量数据和调试设备。但除了位于 TwinCAT 开发环境中的前端之外，还有一个用于 TwinCAT Scope（TE1300）的应用程序编程接口（API）。尤其是在 .NET 环境下，它可以用来将 Scope View 的图表作为控件集成到用户自己的可视化系统中。这样即可完成所有图表绘制工作，包括带 Scope Server 的后端。很多 Scope 功能可以根据需求定制化地使用，因此在某些情况下，用户甚至可能无法发现倍福的 TwinCAT Scope 发挥了作用。
但在这个案例中，API 并没有常规用于可视化显示，而是用于转发 ELM3604 端子模块中记录的测量数据。使用带复杂数据缓冲区的样本代码，可以确保顺利集成第三方软件。“在功能方面，可以直接基于 Scope API 的当前状态实现该应用。我们支持编写一种用于使用高分辨率数据的最佳实践。”TwinCAT Scope 与 Analytics 产品经理说道。
软件解决方案的开放性对于 thyssenkrupp Presta 来说是一项重要标准。这对于整合评估软件以及多种输出格式极为有利。同时，thyssenkrupp Presta 还保留了使用 TwinCAT 中的分析功能选项的能力。“所有功能选项都可以使用，尤其是与 TwinCAT Analytics 有关的功能选项。”Pascal Dresselhaus 强调道：“我们拥有具有超过 100 种算法的 Engineering 产品可用于数据分析。从试验台的周期时间到噪声的频率分析，只要有 Scope 格式 svdx 的数据，TwinCAT Analytics 就可以用来在数据中寻找到合适的样本。”这位产品经理在强调可为 thyssenkrupp 带来的额外可能性时说道。
全球推广进行时
约在两年前开始的初始方案现在已经经过了实践验证：第一批系统除了在埃申公司总部的试验台上使用之外，也已经在匈牙利的生产车间投入正常使用。“更多的系统目前正在前往中国和墨西哥的途中，或者已经搭建完成。”自动化专家说道。EtherCAT 高端测量端子模块方案不仅具有测量精度高和测试速度快的优点，而且实施和调试也非常简单，因此成为所有其它声学测量模块的基础。未来，thyssenkrupp 生产中使用的所有新的声学测试系统都将配备此款模块。这是因为基于 PC 的控制技术具有无与伦比的优势，Joachim Sutterlüty 解释道：“我们可以用它完全替代掉所有昂贵的第三方测量硬件。”