（机械电子工程专业论文）一种汽车线束检测系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：煎日期：丝! 厶哆 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：圣灸导师。签名 武汉理工人学硕士学位论文 摘要 伴随着我国经济的快速发展，人们对生活质量的要求越来越高，对出行工 具汽车的需求量也就越来越大。同时，汽车的安全性又是人们必须考虑的 一个重要问题，汽车线束作为汽车电路的网络主体，如何保证它在出厂时不存 在故障，就成了人们必须面对的问题。目前，美国、日本等发达国家在汽车线 束检测技术方面的研究处于领先地位，他们生产的汽车线束检测仪器功能齐全， 但其价格十分昂贵，性价比较低，且无法依据客户需求订制系统功能，而且在 本土化方面还有一些不足之处；而国内一些厂家生产的线束检测仪虽然价格较 便宜，但在功能性、美观性和人性化方面都需要进一步提升。因此，有必要设 计一种能满足国内线束生产厂家要求的功能齐全，样式美观，人性设计并且可 定制性强的汽车线束检测系统。 本文旨在研究汽车线束故障类型和检测原理，通过分析汽车线束检测系统 的功能需求和性能需求，在此基础上提出汽车线束检测系统的总体构架，并依 此设计系统的硬件和软件，最终实现对汽车线束检测系统的安装和调试。 本文从提高检测速度、增强系统柔性、减轻检测工人劳动强度、方便人机 交互并可实现数据跟踪和检测结果打印等方面着手进行研究，根据汽车线束检 测系统需求，以三菱f x 2 n 型p l c 为核心部件，g xd e v e l o p e r 、f a m e v i e w 组态 软件和s q ls e r v e r 数据库为软件开发平台，并应用气动技术和模块化设计方法， 对汽车线束检测系统进行研制。 汽车线束检测系统不仅可以精确检测汽车线束断路、短路、错接等故障类 型，定位故障发生位置，还可以对检测过程进行实时监控，对检测结果进行储 存记录和实时打印，并可选择单个线束或多个线束共同检测方式以及针对不同 汽车线束的模块化设计。 根据实际应用的需要，本文对所设计的汽车线束检测系统进行了安装和调 试。依据安装标准流程，对汽车线束检测系统各个零部件进行安装；再依据系 统调试操作流程对气动夹具模块、上位机监控系统和系统检测结果进行调试， 并针对具体汽车线束进行测试，测试结果表明系统运行可靠稳定，符合预期的 设计目标。 关键词：汽车线束，检测，p l c ，f a m e v i e w 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y , p e o p l e sr e q u i r e m e n tf o r q u a l i t yo fl i f ei sh i g h e ra n dh i g h e r , a n df o rt r a v e lt o o l s ，a u t o m o b i l e ，i si n c r e a s i n g l y b i g g e r , t o o a tt h es a m et i m e ，a u t o m o b i l e ss a f e t yi sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a th a st o b ec o n s i d e r e d a n da u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s s e sa r et h en e t w o r ks u b j e c t so f a u t o m o t i v ec i r c u i t ，h o wt og u a r a n t e et h e i rq u a l i t yi so n ep r o b l e mm u s tb ef a c e d t h e r e s e a r c ho fw i r i n gh a r n e s sd e t e c t i o ni nt h eu n i t e ds t a t e s ，j a p a na n do t h e rd e v e l o p e d c o u n t r i e si si nal e a d i n gp o s i t i o n t h ea u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s sd e t e c t i o n i n s t r u m e n t sp r o d u c e di nt h e s ec o u n t r i e sh a v em o r ef u n c t i o n s ，b u tt h e ya r ev e r y e x p e n s i v e ，l e s sf l e x i b l ea n dh a v es o m es h o r t a g e si nl o c a l i z a t i o n w h i l es o m e d o m e s t i cm a n u f a c t u r e r s ，t h e i rw i r i n gh a r n e s sd e t e c t i o ni n s t r u m e n t sa r ec h e a p e r , b u t h a v es o m es h o r t a g e si nf u n c t i o n ，a e s t h e t i c sa n dh u m a n i z a t i o n t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt od e s i g na na u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s sd e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hc a nm e e t d o m e s t i cm a n u f a c t u r e r s r e q u i r e m e n t s ，h a sm o r ef u n c t i o n s ，a r t i s t i cs t y l e ，h u m a n i t y d e s i g n ，a n df l e x i b i l i t y t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ef a u l tt y p e sa n dd e t e c t i o np r i n c i p l e so fw i r i n gh a r n e s s ， a n a l y z e dt h ed e m a n do fa u t o m o t i v ew i r i n gh a m e s sd e t e c t i o ns y s t e m ，p r e s e n t e d o v e r a l ls t r u c t u r eo fa u t o m o t i v ew i r i n gh a m e s sd e t e c t i o ns y s t e m ，d e s i g n e ds o f t w a r e a n dh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，a n df i n a l l yi n s t a l l e da n dd e b u g g e dt h es y s t e m t h es y s t e md e v e l o p e df r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：i m p r o v i n gd e t e c t i n gs p e e d ， e n h a n c i n gs y s t e mf l e x i b i l i t y , r e l i v i n gd e t e c t i n gw o r k e r sl a b o ri n t e n s i t y , a n dr e a l i z i n g h u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，d a t at r a c k i n ga n dd e t e c t i o nr e s u l t sp r i n t i n g b a s e do nt h e d e m a n do fa u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s sd e t e c t i o ns y s t e m ，u s e dm i t s u b i s h i sf x 2 nt y p e p l ca sc o r ep a r t ，a n dg xd e v e l o p e r , f a m e v i e wc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n ds q l s e r v e rd a t a b a s ea ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m w h a t sm o r e ，t h es y s t e ma p p l i e d p n e u m a t i ct e c h n o l o g ya n dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，a n dd e v e l o p e da u t o m o t i v ew i r i n g h a m e s sd e t e c t i o ns y s t e mf i n a l l y a u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s sd e t e c t i o ns y s t e mc a nn o to n l ya c c u r a t ed e t e c tf a u l t t y p eo fa u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s s ，s u c ha so p e nc i r c u i t ，s h o r tc i r c u i t ，m i s c o n n e c t i o n a n ds oo n ，b u ta l s or e a l t i m em o n i t o rd e t e c t i n gp r o c e s s ，s t o r ea n dp r i n td e t e c t i n g n 武汉理工大学硕士学位论文 r e s u l t s ，a u t oc h o o s eo n ew i r i n gh a r n e s so rm u l t i w i r i n gh a m e s s e sd e t e c t i o n ，a n d m o d u l a r i z e dd e s i g na i m e da td i f f e r e n ta u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s s e s a c c o r d i n gt oa c t u a la p p l i c a t i o n ，t h i st h e s i sf o r m u l a t e di n s t a l l i n ga n dd e b u g g i n g p r o c e s sf o rt h es y s t e m i n s t a l l a t i o ne a c hp a r to f t h es y s t e ma n dd e b u g g i n gp n e u m a t i c f i x t u r em o d u l ea n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n du s i n gs p e c i f i cw i r i n gh a r n e s st ot e s tt h e s y s t e m ，t e s t i n gr e s u l t ss h o w st h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，c o r r e s p o n d i n gt o t h ee x p e c t e dg o a l k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s s ，d e t e c t i o n ，p l c ，f a m e v i e w i i i 武汉理工大学硕十学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 论文的研究背景_ 一1 1 2 论文主要工作的国内外研究现状3 1 3 论文的研究目的和意义4 1 4 论文的主要研究内容5 第2 章汽车线束检测系统的总体设计6 2 1 汽车线束检测系统的需求分析6 2 2 汽车线束的检测原理7 2 3 汽车线束检测系统总体结构设计一1 2 2 3 汽车线束检测系统夹具模块的方案设计一1 3 2 5 本章小结1 5 第3 章汽车线束检测系统的硬件设计1 6 3 1 汽车线束检测系统关键硬件选型1 6 3 2 汽车线束检测系统的硬件设计2 4 3 3 本章小结31 第4 章汽车线束检测系统的软件设计3 2 4 1 汽车线束检测系统软件开发工具3 2 4 2 汽车线束检测系统p l c 程序设计3 3 4 3 汽车线束检测系统上位机监控程序设计4 2 4 4 本章小结5 4 第5 章汽车线束检测系统的安装和调试5 5 5 1 汽车线束检测系统的硬件安装5 5 5 2 汽车线束检测系统的调试5 9 5 3 本章小结6 4 第6 章总结与展望6 5 6 1 全文总结6 5 6 2 研究展望6 5 i v 武汉理工人学硕士学位论文 致谢6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间所发表的论文7 l v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科技的不断创新和发展，特别是计算机、可编程控制器、监控软件和 信息通信等技术的发展和应用，计算机极大地简化了工人的劳动，将原本繁琐 复杂的工作变得迅速，并已经应用到了许多的工程生产领域。自动化检测系统 的发展和应用，使人们从大量、重复、耗时、易错的工作中解放出来，使检测 效率和检测性能成倍提高，成为大多数企业争相选择和应用的技术。本章内容 主要包括：论文的研究背景、论文主要工作的国内外研究现状、论文的研究目 的和意义以及论文的主要研究内容等。 1 1 论文的研究背景 1 1 1 汽车线束 当今的汽车已经进入了电子控制的时代，而汽车上的控制信号主要通过汽 车线束或车用总线来传输，因此汽车线束也随之增多。如果把汽车比作一个人 的话，e c u 就相当于人的大脑，传感器相当于人的感觉器官，执行机构相当于 人的运动器官，那么线束就相当于人的血管和神经了。 汽车电线属低压电线，其构造和家用电线不尽相同。家用电线大都是单芯 电线，内芯以铜为材料制成，硬度较大；而汽车电线都是多芯电线，内芯也以 铜为材料制成，但很柔软。很多汽车电线非常细，几条甚至几十条电线包裹在 用聚氯乙烯制成的绝缘管中，柔软且不易折断。 汽车线束连接着汽车上的各种电子元器件，是汽车电路的主体，如果没有 了汽车线束，也就没有汽车电路了。目前，无论是高档轿车或是经济性汽车， 内部的线束结构大体都是一致的，均由铜质多芯电线、接插件和包裹绝缘管组 成，这些汽车线束在汽车内不仅要准确传输各种控制信号，还要保证所连接电 路的正确性和可靠性，并且要尽可能防- 【e 和降低其自身和周围电器间的电磁干 扰。 1 1 2 汽车线束检测的需求 由于汽车产量的大幅提升，汽车线柬的检测工作势必也将大幅增长。为了 武汉理工大学硕士学位论文 尽可能减轻检测工人的工作强度、缩短检测时间、降低误检率，汽车线束检测 系统的作用也就变得尤为重要。 汽车线束检测系统可广泛应用于汽车线束生产企业和整车生产企业。前者 可应用该系统对出厂前的线束进行全面检测；后者可用该系统对供应厂商提供 的汽车线束进行抽样检测。 1 1 3 汽车线束检测系统的特点 汽车线束检测系统除需要实现对汽车线束可能出现的所有故障类型进行准 确检测，例如：线束短路、断路、接触不良、错接等故障以及几种故障同时出 现的复杂情况外，还应具有如下特点： 1 人机交互：系统需要将出现故障的线束位置和故障类型实时显示，方便 检测工人查看； 2 存储打印：系统需要实现检测结果的储存和报表打印等功能，方便日后 整理和研究； 3 快速便捷：系统需要尽可能减轻检测工人工作强度，提高工作效率； 4 通用性强：系统需要满足各种不同类型汽车线束的检测要求，并可较为 方便的升级并适应厂家新型号线束的检测需要。 1 1 4 汽车线束检测系统的实现思路 根据以上需求和特点分析，系统功能可由上位机和下位机组合实现，主要 控制程序可在上位机和下位机中编写完成的。 上位机和下位机之间的通讯方式为：上位机首先对下位机发出命令，下位 机再根据所接收到的命令，翻译成相应的时序信号用来控制相应的设备。下位 机在运行过程中不断读取设备状态数据开关量信号或者模拟量信号，并最终转 化为数字信号再反馈给上位机。 汽车线束检测系统的上位机监控程序采用北京杰控科技有限公司的 f a m e v i e w 组态软件开发平台，它是一种图形化人机接口，并且面向对象的应 用软件，基于w i n d o w s 环境，通常在工业自动化领域使用的监控平台：系统下 位机采用三菱f x 2 n 型可编程控制器，f x 2 n 型p l c 是三菱f x 系列p l c 中最 高级的一个类型，非常适合在复杂的环境下进行在线检测和实时控制，并且也 是速度最快、功能最强的微型可编程控制器之一。 2 武汉理工人学硕士学位论文 系统实现对汽车线束检测的思路是，首先f a m e v i e w 发出检测指令给p l c ， p l c 根据接收到的指令对线束一端依次上电而在另一端同时检测，每次对线束 另一端的检测结果都将被存储在p l c 的数据寄存器d 中，f a m e v i e w 通过分析 不同数据寄存器d 中的数据便可得出线束的具体状况，并可将检测结果以及故 障位置和类型实时显示在f a m e v i e w 监控界面上。报表功能可以通过在 f a m e v i e w 中内嵌入s q ls e r v e r 来实现。 汽车线束的接插件需要通过专门设计的气动夹具进行夹紧和松开。气动技 术是以压缩的空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。由于其具有节能、 无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各种机械和 生产线上。气动夹具具有减轻工人劳动强度、可靠性高、使用寿命长、可频繁 动作等优点，很好的满足了大批量汽车线束检测的要求。而且线束夹具应采用 模块化设计，模块具有专用性和可更换性，如需检测其它类型的线束只需更换 夹具模块即可。 1 2 论文主要工作的国内外研究现状 汽车线束检测技术是紧紧伴随着汽车制造和研发水平的发展而提高的。在 过去，对汽车线束传统的检测方法是借助于蜂鸣器、万用表和指示灯等工具， 由操作工人按照逐条线束进行人工搭接的方式进行检测，观察这些线束是否有 声、电、光等信号，以此判断汽车线束是否存在故障。该检测方式效率低下， 还容易误操作和漏检，并且操作工人很容易疲劳。 随着科学技术的发展，近年来国外公司相继研制出各种线束检测仪器，用 以实现对汽车线束快速、准确、多功能的检测。美国西力思( c i r r i s ) 公司生 产的各种型号和功能的线束测试仪，除可测试线束的短路、断路和错接外，还 可以进行耐高压测试、低压和高压绝缘测试、瞬间短路和断路测试以及测试线 材中含有的电阻、电容、二极管和双绞线等功能。国内很多知名企业，如华为、 中兴、航天航空部所属的科研院所等公司和机构都采用了该公司的线束测试仪。 如该公司研制的1 0 0 0 h + 型线束测试仪就对线束进行导通阻抗测试和绝缘阻抗 测试以及绝缘击穿电压测试，不过该公司的线束检测仪器只有英文界面。日本 耐可( n a c ) 公司也研制出用于自动测试接插件及线束导通、瞬断、绝缘、耐 压等电性能的n m c 、d x 、3 0 x 、n m 等系列的仪器。该公司生产的低端导通 仪也为国内众多企业所使用，尤其是广东、江苏、浙江等沿海地区的线束生产 武汉理工大学硕七学位论文 j 。 在我国，部分公司在线束检测技术上也取得了一定的进展。瑞安维一电器 有限公司生产的w y l 2 8 型线束电脑测试器可以检测出车辆线束和各种连接线 的短路、断路、误配等故障，结果可以显示在屏幕上；重庆扬剑检测设备科技 有限公司生产的c a h 1 2 0 0 型高速导通机，使用带液晶显示器的一体化电脑和 可选择的接口转换单元，检测接口可以根据要求灵活选择；上海瑞啸机电科技 有限公司生产的m c t 系列线束检测仪，提供了手动模块和气动模块两种形式 的导通台，气动模块可以减轻操作工人体力消耗。国内部分科研机构和院校也 在线束检测技术方面进行了研究，哈尔滨工业大学的邓鹏研究了基于v x i 总线 和虚拟仪器( l a b v i e w ) 的线束自动测试系统，所设计的汽车线束测试系统具 备检测线束的短路、断路、绝缘电阻过小、导通电阻过大等功能【2 】；电子科技 大学的聂玉鑫设计了基于三星公司的$ 3 c 4 4 8 0 处理器和u c l i n u x 操作系统的线 束测试仪，在系统中集成了多种接口，通过c p l d 来实现线束测试功能的模块 电路【3 】；武汉科技大学的周恒设计了一种基于a t m e g a l 2 8 单片机的线缆检测系 统，该系统可以将测量结果显示在屏幕上，同时还可以与电脑进行通讯，将检 测结果转存入电脑中，方便对线缆检测结果进行后续的分析【4 j 。 1 3 论文的研究目的和意义 汽车线束的检测具有十分重要的作用：首先，汽车线束生产厂家在线束出 厂前，必须要进行先验性检测，这是生产过程中的必备环节；其次，整车生产 厂也有必要对供应商提供的线束进行预防性抽检，以保证整车质量更为可靠。 国外许多发达国家在汽车线束检测技术方面的研究处于领先地位，他们生 产的汽车线束检测仪器具有阻抗测试的功能，但是由于这种仪器的价格非常昂 贵，故性价比较低，而且无法依据客户需求订制系统功能，且在本土化方面还 有许多不足之处。因此，此类汽车线束检测仪在国内中小企业推广还有一定难 度。而国内一些厂家生产的线束检测仪虽然价格较便宜，但在功能、样式和人 性化方面都需要进一步提升。 综上所述，有必要设计一种能满足国内线束生产厂家要求，功能齐全、样 式美观、人性设计并可实现人机交互的汽车线束检测系统。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 本文主要围绕汽车线束检测系统的设计和调试展开，主要研究内容如下： 1 汽车线束检测系统的总体设计 在对系统进行功能需求分析和性能需求分析的基础上，结合汽车线束主要 故障类型，总结出汽车线束检测原理，并对短路、断路、错位等基本故障类型 的检测方法进行研究，并对比不同的夹具模块设计方案，选定本文所设计的汽 车线束检测系统的夹具类型，并最终对系统进行总体结构设计。 2 汽车线束检测系统的硬件设计 根据系统功能和性能需求分析，对系统关键硬件进行选型，并列出产品的 配置清单。在硬件选型的基础上，首先对p l c 的硬件进行配置，并对系统p l c 控制机构和气动控制机构进行设计，接着对气动夹具模块结构进行设计，最后 对系统台架和台架面板进行设计。 3 汽车线束检测系统的软件设计 根据系统硬件配置，首先对系统软件开发工具选择进行选择。接着设计p l c 和上位机监控软件程序。在对p l c 程序进行设计时，先构建p l c 程序流程图， 再针对具体功能模块进行梯形图程序设计；在对上位机监控程序进行设计时， 先构建上位机监控系统工作流程图，再依次对上位机中各个参数变量和画面进 行配置和设计，实现系统所需功能。 4 汽车线束检测系统的安装和调试 依据硬件安装注意事项和标准流程，对汽车线束检测系统各个零部件进行 安装，再依据系统调试操作流程对气动夹具模块、上位机监控系统和系统检测 结果进行调试，确保汽车线束检测系统功能运行正常。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章汽车线束检测系统的总体设计 2 1 汽车线束检测系统的需求分析 2 1 1 汽车线束检测系统的功能需求 汽车线束检测系统设计之前，先要分析其具体功能需求，确保系统可以应 对不同汽车线束生产厂家所能遇到的不同问题。经过调研和分析，汽车线束检 测系统应实现的功能如下： 1 能够检测汽车线束可能出现的所有故障类型，例如：线束短路、断路、 接触不良、错接等故障，或者几种故障同时出现的复杂情况。 2 尽可能减轻检测工人的工作强度、缩短检测时间；能够实现仪器对受检 线束的自动夹紧，对应端口的自动连接和自动检测等功能，提高线束检测的自 动化程度。 3 能够对汽车线束多种形状和类型接插件的对应匹配进行检测，也能够对 含有多种接插件的复杂线束进行同时检测。 4 能够实时显示汽车线束检测结果，对存在故障的线束做出具体的故障原 因判断，自动生成实时报表并可打印，报表可以对线束错误类型、故障出现的 具体位置进行记录，以便让工人返修时准确迅速地解决问题。每次汽车线束检 测结束后，如果线束存在故障( 不合格) ，工作台上会有指示，并伴有蜂鸣器报 警；如果线束检验合格，工作台上也会有指示。 5 能够实现上位机对系统的实时监控，记录线束检测的相关信息，如汽车 线束型号、线束批次、检验人员以及线束合格率等信息，并将这些信息存储在 数据库中，以方便日后查阅，同时能够打印包含上述信息的实时报表。 2 1 2 汽车线束检测系统的性能需求 汽车线束检测系统需要对不同类型的汽车线束进行检测，应具备如下性能： 1 电源为2 2 0 v 5 0 h z ； 2 工作电压为2 4 v d c 、2 2 0 v a c ； 3 使用环境温度为5 4 5 ； 4 单次检测速度不超过2 秒； 6 武汉理工大学硕士学位论文 5 外观小巧，可由1 人自由搬动： 6 夹具模块可靠性好、寿命长，可重复十几万次检验。 2 2 汽车线束的检测原理 汽车线柬可视为汽车神经，它是汽车用于控制各种电信号的载体。汽车线 束要保证汽车在风雨、高温、严寒等各种恶劣天气以及跋山涉水、翻山越岭等 各种恶劣行驶条件下的安全性和可靠性，这使得汽车线束的生产必须具有很高 的技术，汽车线束检验是其中一个重要环节。合格的汽车线束应满足每条电线 均对应导通，没有错位和断路的现象。常见的汽车线束如图2 1 、2 2 所示。 图2 - 1 汽车的神经线束 图2 2 汽车线束 汽车线束内部结构原理图如图2 3 所示，为便于说明，一般将汽车线束两端 形象的称为根端和叶端。其中根端和叶端为簇线束中一条线的两个端点，若 7 武汉理工大学硕士学位论文 干条根端线和叶端线各被一个接插件连接。 根端 根端 根端 根端 根端 根端 2 2 1 汽车线束故障模型 叶端 叶端 叶端 叶端 叶端 叶端 目前，汽车线束出现故障的原因主要有如下几方面： 1 汽车线束老化 汽车内线束在使用一定期限后必然会有不同程度的老化，出现绝缘层变性 变脆的现象，很容易破裂；进而引起裸露在外的线束金属芯之间发生断路、短 路、搭铁等问题，损坏线柬。汽车线束接插件也可能因为超过使用期限，产生 过性和变形等问题，导致线束接触不良，影响汽车电器正常运行。 2 汽车检修工人误操作 汽车出现其它故障需要检查、维修或者更换零部件时，维修工人可能用锐 利的器具划伤线束的绝缘层；也可能将线束接插件接错位置，或是剪掉了不该 剪掉的线束；还有可能将蓄电池正负极接反，这些误操作均可导致汽车线束出 现故障甚至烧坏汽车线束。 3 汽车电器故障 汽车电器在使用中也可能发生短路、过载、搭铁等故障，进而导致汽车线 束损坏。 在汽车线束企业生产过程中，线束主要存在着断路、短路、一个根端连接 着多个叶端、根端和叶端未按照要求连接和接触不良等故障情况。针对汽车线 束合格情况和常见故障情况进行分析，对以上状况进行分类，可建立四种状况 的模型：无故障模型、短路模型、断路模型、错位模型。 ；：一图 理：一原构结部内 柬线车汽3 一 厶图 武汉理工大学硕七学位论文 以两个端子、两根电线的线束为例，说明汽车线束的四种状态模型如图2 4 所示。 根端a o 根端a l 根端a 0 根端a 1 一i b o 叶端 - 卜ib1 叶端 ； a ? r j - ；b o 叶端 一_ _ 一i b l i 叶端 l j c r + 一 根端a o ；t 一b o 叶端 根端a 1 ：l 一b l 叶端 b ，。_r 羹羹：! 二；：= = ：t ：荨嚣 ；! d 图2 _ 4 汽车线束状态模型 ( a ：无故障模型b ：短路模型c ：断路模型d ：错位模型) ( 1 ) 无故障模型 根端a 0 和叶端b 0 相连，根端a 1 和叶端b 1 相连，则两条线处于无故障状 态。如图2 - 4 中a 所示。 ( 2 ) 短路模型 根端a 0 和叶端b 0 、b 1 相连，根端a 1 也和叶端b 0 、b 1 相连，则两条线 处于短路状态。如图2 4 中b 所示。 ( 3 ) 断路模型 根端a 1 和叶端b 1 没有连接上，则这条线处于断路状态根端a 0 和叶端b 0 连接正常) 。如图2 4 中c 所示。 ( 4 ) 错位模型 根端a 0 和叶端b 1 相连，根端a 1 和叶端b 0 相连，则两条线处于错位状态。 如图2 4 中d 所示。 2 2 2 汽车线束的一般检测原理 汽车线束检测系统对线束的检测原理如图2 5 所示。图2 5 中为上面例子中 提到的两个端子两根电线的检测模型。a 0 、a 1 分别与a o 、a l 相连，b 0 、b 1 分 别与b 0 、b 1 相连，a 0 、a l 、b 0 、b 1 为汽车线束检测系统中用于连接线束端子的 金属探针，这些探针的作用是将系统与线束导通，以便系统信号发生模块可以 发送检测信号到线束，还可以将检测结果输送至判断处理模块。 9 武汉理工大学硕七学位论文 俺鳓di ：蔓孽) l ：i 、信号发生模块，ji 判断处理模块j i 。 。；”- ， ： ； 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一、，：。： ：广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 。：1i f y jo 。? i ： 。： 图2 5 汽车线束检测原理图 系统对汽车线束进行检测时，通过信号发生模块为金属探针a o 发送一个开 关量信号，其余金属探针( 本例中只有a 1 ) 不发送指令。开关量信号通过a o 传 到a o ，如果线束无故障，a o 、 3 0 导通，b o 端产生一个正跳变，b 1 端无反应， 3 0 将信号传递给金属探针b o ，b o 再将检测结果发送到判断处理模块进行处理， 最终将检测结果显示在系统中。 系统所采用的是“一对多”的检测方法，即每次系统对根端一根电线输入开关 量信号，其余线束均不输入信号，并对叶端所有电线进行检测，将检测结果存 储后第一轮检测结束。接着再对根端下一根电线输入开关量信号，对叶端所有 电线进行检测，直到根端所有电线检测完成。检测完成后，检测结果会实时显 示在系统人机交互界面上。 2 2 3 汽车线束短路故障的检测原理 7 j - o 基于汽车线束检测原理，线束间发生短路故障状况的检测原理图如图2 - 6 所 l o 武汉理工人学硕+ 学位论文 ：，一一、，一一一- 、： 璺：竺罂篓，j! ；：、竺竺鼍篓，j 、曩j 二二：一一二：二二：。z ：广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 二，? 图2 - 6 线束短路检测原理图 线束存在短路故障时，信号发生模块为a o 发送一个开关量信号后，因为a 0 和b 0 、b 1 、a 1 均导通，所以b 0 、b 1 、a 1 端均产生一个正跳变，b 0 、b 1 将信 号传递给b 0 、b 1 ，b o 、b 1 再将检测结果发送到判断处理模块进行处理，最终将 检测结果显示在系统中。虽然a 1 端跳变信号无法传输给判断处理模块，但系统 仍然可以判断线束故障状况和故障发生处。 2 2 4 汽车线束断路故障的检测原理 汽车线束发生断路故障状况的检测原理图如图2 7 所示。 图2 7 线束断路检测原理图 线束存在断路故障时，信号发生模块为a o 发送一个开关量信号后， a 0 和b 0 未导通，所以b 0 无跳变， 块根据输入信号情况判断故障原因， b o 也就无信号传送给判断处理模块。 并将检测结果显示在系统中。 因为 该模 武汉理f t 大学硕+ 学位论文 2 2 5 汽车线束错位故障的检测原理 汽车线束发生错位故障状况的检测原理图如图2 8 所示 磊；远i j6 磊矗i 赢j 卜! 孑攀二王一二笺争i i 、一一一 - ，：一。i ，、 ：广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 上j ? 图2 8 线柬错位检测原理图 线束存在错位故障时，信号发生模块为a o 发送一个开关量信号后，因为a o 和b 1 导通，所以b 1 产生一个正跳变，而b o 无跳变。b 1 将信号传递给b 1 ，b 1 再将检测结果发送到判断处理模块进行处理，最终将检测结果显示在系统中。 2 3 汽车线束检测系统总体结构设计 汽车线束检测系统可根据需要设计为整体式框架结构或分体式结构。如果 汽车线束生产厂家检测线束的作业空间充裕，可采用工控机和液晶显示器作为 系统组成部分；如果作业空间有限，可采用工控便携式电脑作为系统组成部分。 其它组成部分还包括：汽车线束检测台架、可编程控制器p l c 、夹具模块、2 4 v 直流电源，并外接有打印机。汽车线束检测系统总体结构示意图如图2 - 9 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 。 受检 线柬 图2 - 9 汽车线束检测系统总体结构示意图 汽车线束检测系统的夹具模块负责夹紧和弹出受检线束，并使得检测系统 的触点和受检线束对应端子接通。检测开始时，受检线束根端和叶端接插件插 入夹具模块，2 4 v 直流电源为p l c 提供电源，p l c 发出指令，令夹具夹紧受检 线束接插件，之后发出检测信号给受检线束，检测信号通过线束根端发出，传 递到线束叶端，然后返回夹具模块，接着反馈给p l c ，p l c 再将反馈结果发送 到便携式电脑，电脑安装有上位机监控软件，监控软件可以最终判断受检线束 状况，将检测结果储存并显示于电脑屏幕上，检测工人还可根据需要将检测结 果进行打印。 2 4 汽车线束检测系统夹具模块的方案设计 汽车线束有各种不同的接插件，其线束数目、形状和尺寸各不相同，检测 系统需设计与之对应的夹具模块。夹具能够放入各接插件的端子，并实现线束 与检测系统导通，再运用线束检测原理进行检测。考虑到线束接插件实际情况， 需要对接插件匹配不同的夹具模块，为此提出以下几种夹具设计方案进行比较。 1 采用对应塑料接插件作为夹具模块 此方案的优点是，夹具模块设计最为简单，可直接采用现有的接插件，避 武汉理工大学硕十学位论文 免重新加工制作。按照这种方案设计的夹具模块完成后，对受检线束对应端子 的导通情况最为良好，接插件本身带有自锁塑料弹片，如图2 1 0 所示，线束中 各条线端子的金属接触弹片也可以相互夹紧，完全实现对线束的夹紧功能并保 证各接触点的良好接通。 此方案的缺点是，在检测过程中，对受检线束的安装和夹紧必须由检测工 人手工完成，还要人工掰开自锁塑料弹片卸下受检线束，这一过程需要耗费整 个检测过程的大部分时间，这与企业对于线束检测系统提出的要求不相符，无 法提高检测效率和减少人工操作，此外塑料弹片不能够频繁使用，而实际中线 束检测是成千上万的数量，此种方案造易成夹具模块的频繁失效，降低了检测 系统工作的稳定性。 图2 1 0 汽车线束塑料接插件 2 采用机械装置，运用弹簧作为夹具模块 此方案的优点是，夹具模块设计制作成本和加工精度要求都比较低，模块 较为简单，能够基本实现检测线束的夹具模块要求。 此方案的缺点是，自动化程度仍然较低，且使用寿命较短，浪费检测时间。 3 采用气动夹具模块 气动夹具模块的功能主要是，在检测过程中，要夹紧受检线束的接插件， 保证探针能够和汽车线束接插件的铜质触点接通良好。在检测结束后能够立即 断开接触，并自动弹出受检线束接插件。 此方案的优点如下： ( 1 ) 可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万次，而一 般电磁阀的寿命大于3 0 0 0 万次，小型电磁阀超过2 亿次。 ( 2 ) 气动夹具模块可实现夹紧并保证受检线路的导通，而气动回路的自动 1 4 武汉理上大学硕士学位论文 化控制可以通过p l c 对电磁阀的电信号控制实现，能够完全实现对线束检测全 过程的自动化设计，大幅提高检测的效率，将线束的检测时间降低到2 秒以内。 ( 3 ) 气动执行元件运动速度高，反应灵敏。 ( 4 ) 空气容易获取并且排气处理简单，不污染环境，用过的空气可就地排 放，无需回收管道。 ( 5 ) 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。 + ( 6 ) 输出压力以及工作速度的控制调节非常容易。 ( 7 ) 气动系统对环境的适应能力强，能在温度范围很宽，潮湿和有灰尘的 环境下可靠工作，稍有漏泄不会污染环境，无火灾爆炸危险，使用安全。 此方案的缺点是，相对前两种方案成本较高，需要增加气动回路设计和电 磁阀控制设计，夹具模块的制作也较为复杂。 方案3 中的夹具模块所实现的效果是最好的，其工作的稳定性和连续性也 是最优的，能够极大的提高检测效率，缩短检测时间，降低检测工人体力消耗， 虽然成本较弹簧夹具高，但相对国外的许多同类设备已经大大降低了成本，方 案3 有着最优的效果和可以接受的成本，并能够满足对检测系统的设计要求。 因此，选择方案3 作为夹具模块。 2 5 本章小结 本章分析了汽车线束检测系统功能需求和性能需求，研究了线束检测原理， 在此基础上设计了线束出现断路、短路、错位等故障模型时的检测方法，并对 比对应塑料接插件、机械装置和气动装置的优缺点，进而选定了本系统夹具模 块的设计方案，最终设计了汽车线束检测系统总体结构。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章汽车线束检测系统的硬件设计 3 1 汽车线束检测系统关键硬件选型 在对系统硬件进行设计之前，首先要根据总体设计方案，分析系统硬件需 求，对系统硬件进行选型。由于本文所设计的汽车线束检测系统还处于功能机 阶段，也就是说所设计的系统硬件仅为了在功能上实现设计者的想法和意图， 并非应用于实际企业检测中，因此，硬件选型的原则是：在保证安全性和功能 性的基础上，尽可能地节约成本，并可适当放宽美观性和耐久性方面的要求， 而且要便于观察系统运行状况。 3 1 1 可编程控制器选型 在汽车线束检测系统中，p l c 主要有如下几个方面的作用： 1 与上位机交互检测信息 汽车线束检测系统需要上位机和p l c 共同协作，才能判断出线束的实际状 况。p l c 需要传递检测信号到上位机，上位机还需要反馈判断结果到p l c ，二 者协同合作，缺一不可。 2 为受检线束提供开关量信号 p l c 在检测