基于“柔性测试”技术的笔式点火线圈综合测试系统

摘要：点火线圈的质量直接影响汽车的整体性能，本文从系统构成、测试原理、工作状况、软件实现及应用等方面介绍了一种基于“柔性测试”技术并结合虚拟仪器技术设计的汽车点火线圈测试系统。该系统具备测试效率高、性能可靠、测量精确、自动化程度高等特点，可满足实际生产线的终检需要。

关键词：柔性测试技术；虚拟仪器技术；点火线圈；测试系统

随着汽车工业现代化进程的加快，汽车电子制造业正处于蓬勃发展的黄金时期，汽车制造厂商对于汽车电子产品的测试要求也从简单的合格与否转向多性能指标综合测试过渡。点火线圈作为汽车点火控制系统的重要组成部分，其指标将直接影响汽车的动力学性能和整体性能。

点火线圈测试需求分析

中国将逐渐成为点火线圈在全球的制造中心，预计未来几年内点火线圈年产量将会超过一千万只。与此同时，国内点火线圈测试设备比较落后，自动化水平低且智能化程度不高，难以满足现代化大规模生产的需要，研制具有自主知识产权的自动化点火线圈测试设备，具有重要的现实意义。

对于汽车点火线圈生产线，要求其设备具有经济、高效、自动、灵活等特点，而且需要高产能和高可靠性。同时由于点火线圈性能指标繁杂，生产环境要求苛刻，这都使得单一的测试工作站无法兼顾如此多样的指标测试。生产厂家希望设备一次投入使用后，能够最大限度地得到收益，使设备资本投入的有效性更加充分。同时为了保证生产质量，设备需要具有一定的生产过程统计稳定性，从而最大程度减少由于操作人员的人为因素对生产质量的影响。

综合考虑上述因素可以看出，汽车点火线圈测试所需要的不单是几个简单的测试仪器，而是一套机电软结合、自动化水平高、运用灵活的测试系统，这便是“柔性测试”技术所倡导的。实践证明，以“柔性测试”技术为核心设计的汽车点火线圈测试系统能够满足汽车行业对点火线圈终检的要求，推动行业测试水平的发展和提高。

“柔性测试”技术

随着社会的发展，技术的更新和客户需求的不断进步，测试要求也在不断变化。这导致测试系统除了需具备精确性和可靠性等基本要求外，还要更多的考虑到系统的灵活性、适应性和扩展性。“柔性测试”技术就是在这种情况下提出的，它的提出为测试测量行业的发展奠定了坚实的技术基础。
“柔性测试”技术是集虚拟仪器技术、测试测量技术、机电一体化技术、软件技术、通信及网络技术等于一身，专注于研究测试测量系统整体功能及性能的专业测控技术。它以测试测量系统的精确性、可靠性、灵活性、适应性和扩展性为研究和开发目的，为用户提供充分满足其需求的、可信赖的系统。

系统简介

系统外观如图1，该系统以“柔性测试”技术位核心理念，采用模块化、系统协调联动、高压屏蔽等技术，实现了对笔式点火线圈的各项功能、电气性能指标的全面测试。系统由美国NI公司的硬件产品、西门子的PLC系统及配合泛华测控自主开发的高性能软件和配套电气附件组成。它是全自动化的测试流水线，测试过程和被测件的传递过程全部自动完成。此系统主要由点火工位、通断测试工位、性能测试工位、激光打码工位组成，可以完成点火线圈的点火测试、初级线圈通断、次级线圈电阻、初级线圈电流和次级线圈电压等内容的同期检测，如表1所示。

表1 系统典型指标

图1 系统正面外观

系统构成及工作原理

系统硬件构成
笔式点火线圈综合测试工作站的核心是基于PXI总线的虚拟仪器技术。PXI系统是将CompactPCI的集成式触发功能与Windows操作系统结合在一起，比台式PC机具有更高的可靠性和性能，也更适用于工业系统。内建有高端的定时和触发总线，可配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，方便建立完全自定义的测试测量方案。本系统通过采用定时、触发设备及最佳的LabVIEW软件开发平台，结合PXI的虚拟仪器，简化并加速了复杂系统的开发过程。

系统组成如图2所示，系统采用上下位机设计。上位机核心是PXI系统，主要由PXI机箱、控制器、数字I/O模块、示波器模块、万用表模块、计数器、信号调理和编程电源等模块组成。PXI系统内部通过PXI总线进行数据传输。另外，由于此系统是全自动化测试流水线，运动过程全部由汽缸控制完成，所以下位机采用了西门子S7300系列PLC系统，主要完成对气缸的动作控制以及状态监测。上下位机通过数字I/O握手方式进行通讯。

控制器通过显示器、鼠标、键盘实现人机交互。
数字I/O模块的功能是上下位机通讯、报警系统的控制、各工位状态、光电传感器、急停按钮、鼠尾开关等的检测；从而实时地将系统中各传感器统一结合起来，为系统时效性和安全性提供了有力保障；

示波器模块主要完成初级线圈电流和次级线圈电压波形采集、显示工作；
万用表模块主要测量点火线圈的初级、次级线圈电阻，判断点火线圈的通断情况；
计数器模块在点火线圈初级线圈上产生频率、占空比可调的EST激励信号，控制点火线圈次级线圈产生高压。另外，点火波形通过信号调理电路转化为标准TTL电平信号，并通过计数器对点火成功次数进行统计；

GPIB仪器通信模块主要完成可编程电源的控制；
可编程电源模拟车载蓄电池，向系统提供点火能量；
此外，系统中的信号调理电路包括高压限幅电路和继电器切换电路模块，主要实现点火波形调理、电压衰减、整形、高压限幅、保护、继电器切换等功能。

图2 测试系统构成

系统工作原理介绍
本系统是全自动化检测系统，待测工件安放完毕后，拨动鼠尾开关给系统以开始信号之后系统将自动完成工件的传递和全部工位的指标检测，并最后根据检测结果判断工件的优劣对其进行打码，回收或是废弃处理。系统设计过程中综合考虑了该系统测试的特殊性，最终对每一个测试工位均制定了合理的测试方法和设计方案，系统整体工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程图

点火工位主要完成点火线圈的点火检测。系统可以同时完成四路点火测试。点火线圈采用很高的次初级线圈匝数比，利用电磁感应原理接受变化的低压激励，并产生高达40Kv以上的高压放电。高压高频测试和电磁干扰是这个工位的主要技术难题。测试过程中将被测件放置在卡具上，拨动鼠尾开关，机械手自动运行，压紧被测件，系统自动打开编程电源，产生EST激励信号，进行点火测试。为了避免高压高频放电过程产生的噪音对其他工位的影响和干扰，保证系统稳定性，点火测试在密闭的屏蔽箱内完成，系统采集高压点火波形，经过信号调理电路转换为标准TTL电平，通过计数器对点火成功次数的计数，判断测试件是否合格。

点火测试完成后，机械手自动将被测件抓取到通断测试工位。通断工位主要完成初级线圈通断和次级线圈电阻的测试。这里采用了单通道万用表模块，所以需要配合继电器切换控制电路依次完成四个线圈的测试。

通断测试完成后，机械手自动将被测件传递到性能工位，此工位完成初级线圈电流和次级线圈电压的测试。系统控制Counter计数器模块产生EST信号，并自动打开程控电源，控制点火线圈完成充放电过程。电流信号通过电流钳探测并转化为标准电信号。电压信号检测在综合考虑成本的基础上使用较经济的高压电阻分压方案，通过示波器完成波形的采集。
测试内容完成后，机械手将被测件传递到打码工位，并且根据测试结果程控改变打码机打码内容，完成打码操作。合格件被放置在传送带上，自动运输到操作员工位。不合格件机械手自动扔进废品箱，并通过传感器对成品和废品个数分别计数并加以统计。

系统软件的实现

软件是虚拟仪器技术中最重要的部分，也是“柔性测试”技术的核心元素之一。使用正确的软件工具并通过设计或调用合理的程序模块，可以高效地创建人机交互软件。

系统软件开发平台选择NI公司的LabVIEW标准图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，既提供强大的测控功能，同时还保证了系统灵活性和开发高效性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，可以方便快捷地集成一套完整的应用系统。并且在以后的系统维护、功能扩展及系统移植上有着突出的优势。

由于LabVIEW采用数据流驱动编程技术，对实现并行流程处理有着天然的优势。本测试系统中采用自动传递结构，四工位并行测试，主程序框图如图4所示。采用LabVIEW为开发环境可以在整体上提高系统的工作和开发效率。

图4 主程序框图

软件在功能实现上采用模块化设计，特定的模块实现特定的功能。主要由用户管理、参数配置、自动测试、数据查询、调试工具及帮助文档等模块组成。其中调试工具模块又分为调试面板、手动调试、单步调试和样件调试4个模块，如图5所示。

图5 软件组成模块

为了生产安全和质量保证的需要在软件中设计了用户登陆与权限管理模块，可以分配管理员与一般操作者两种权限，一般操作者只有操作权限，系统自动屏蔽参数配置、数据查询等功能。管理员可通过参数配置模块实现对编程电源电压、EST信号频率、占空比、判断阈值等参数的设置、加载、保存等功能。自动测试模块为本系统核心模块，此模块完成系统的主要测试和统计记录功能，程序可自动根据各工位上有无工件的变化，从上位机发送相应命令给下位机，令其自动完成被测件在各工位间传递、测试、数据显示、保存和数据统计等工作。虽然本系统为全自动测试系统，但为了系统调试方便以及应用的灵活性，专门设计了调试工具模块，在这里可以完成单工位测试、气缸动作单步测试、传感器检测、报警灯调试等功能。

笔式点火线圈综合测试系统界面采用Windows XP风格设计，如图6所示，整个软件界面简洁、美观、操作方便。主界面由测试结果统计区、状态显示区、测试结果显示区组成。测试结果统计区可实时显示每个工位的测试总数、通过率等情况。状态显示区可显示各工位的暂停、测试中、测试结果等状态。并且在测试过程中以绿色显示表示该工位检测合格，以醒目的红色显示表示工件未通过检测，简单明了。同时软件界面采用中英文双语设计，在进入主界面前系统将会提示操作人员选择操作语言，使得系统操作简单方便。

图6 测试系统软件界面

结语

汽车笔式点火线圈综合测试系统是以“柔性测试”技术为核心，并基于虚拟仪器技术的综合测试系统。它成功地将PXI和PIC溶于一身，实现了机电软一体化、多工位、多性能指标同时检测的设计目的，达到了系统性能的最优化。该系统具备测试效率高、性能可靠、测量精确，自动化和智能化程度高的特点。在测试过程中无需人工干预，极大地减少了人工操作对系统性能和生产效率的影响。在系统的稳定性、灵活性和抗干扰能力上都有着最优的表现，并且测试精度稳定，满足GR&R测试要求。此系统已成功应用于美国德尔福汽车笔式点火线圈生产线上的终检测试。