bcm试验台机械系统设计大学论文.doc

目　录

第一部分：我的机械设计制造工程师职业规划 3
1 我的就业意向 3
2 机械行业前景分析 3
3 自我评估 4
4强化职业能力的方案途径 6
第二部分 BCM试验台机械系统设计 8
摘 要 8
前　言 10
第1章 汽车BCM概述及BCM试验台的前景分析 11
1.1 BCM在汽车中应用的必然性 11
1.2 BZ10重卡汽车BCM的结构 11
1.3汽车BCM功能及测试原理 14
1.4汽车BCM试验台的前景分析 17
第2章 BCM试验台机械系统的总体设计方案 19
2.1 BCM试验台的总体布局设计 19
2.2 BCM试验台工作过程分析 20
2.3 BCM试验台主要装备形式的选取 20
第3章 供料装置的设计 21
3.1 供料仓的设计 21
3.2 滚珠丝杠螺母副的设计 22
3.3 驱动电动机的选型与计算 29
3.4 同步带轮的设计 31
第4章 测试装置及输送装置的设计 33
4.1 测试装置的设计 33
4.1.1测试装置的整体结构 33
4.1.2测试装置的主要部件设计 33
4.2 输送装置的设计 33
4.2.1输送装置的结构及工作过程 33
4.2.2输送装置的主要部件设计 34
第5章 试验台的总体装配及部分元件的选择 35
5.1 试验台的总体装配 35
5.2 部分元件的选择 35
结　论 40
谢 辞 41
参考文献 42

BCM试验台机械系统设计
摘 要

本次设计的课题是BCM试验台机械系统设计。本设计首先从研究BCM试验台的意义与目的、国内外BCM试验台的发展现状以及目前存在的问题和今后的发展趋势进行分析提出设计BCM试验台的重要性和必然性。
本设计针对BZ10重卡汽车中央控制模块的测试，参照BZ10重卡汽车中央控制模块实物图，根据实际工程设计的思路、理念和实地参观考察，以运动学分析和力学分析为基础，对能够自动上料、下料、功能检测的BCM试验台的机械系统进行了系统的设计，包括步进电动机型号的选择、传动装置的设计、型材的选择、升降装置的设计、工作台的总体布局、气缸型号的选择。并对各个零部件进行了详细的校核，并用CAD绘制工程图纸，以保证设计出的结构可靠的运作。
与人工测试相比该试验台的操作更加方便，大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，并经测试，其各项技术指标均已达到工业标准，系统运行平稳。

关键词：车身控制模块，自动测试系统，功能检测，机械系统
ABSTRACT

The subject of this graduation project is the mechanical system design of the test bench of BCM. The study proposes the importance and necessity of design of the test bench of BCM, firstly analysis from the meaning and purpose of the test bench of BCM design, the situation of the development of the test bench of BCM at home and abroad and from its major problems in current and development trend in future.
This design according to the test for body control module of BZ10 heavy trucks ,consult the real figure of body control module of BZ10 heavy trucks , in accordance with the actual engineering design ideas, ideas and on-the-spot investigation, basis on kinematics analysis and mechanics analysis design for mechanical system of the test bench of BCM which can be automatic feeding, next makings, functional testing , include selecting stepper motor model, designing transmission device, profile selection, lifting device design, workbench of the general layout, cylinder type of choice. And check of each parts detailed, and drawn engineering drawing by CAD, to ensure the engineering drawings designed structure can operation reliably.
Compared with artificially test, the operation of the test bench is more convenient, greatly reducing the labor intensity of workers, and improving the production efficiency.Though the testing, its technical indexes are reaching the industrial standard,and the system running smoothly.

KEY WORDS: Body control module, Automatic test system,function test,mechanical system

前　言
随着现代汽车工业的发展，对汽车的安全性和可靠性提出了更高的要求。作为汽车中的核心控制装置车身中央控制器（BCM），对它的安全性和可靠性也提出了更高的要求。所以必须针对每一个BCM在出厂前进行完备性测试以保证产品质量。传统的测试仪器是采用单片机作为控制电路，以LED作为指示灯，以各种按钮作为开关量输入的形式，测试人员需要按照车身控制模块的各种功能通过手动的方式一步一步进行测试，测试效率低，可靠性差。因此研究汽车BCM自动测试系统具有十分重要的意义。
目前我国在汽车零部件测试系统方面的研究一直紧跟国外学术动态，并对新理论、新方法和新趋势等方面的把握和研究，逐步取得了一些非常有价值的成果。上海复旦大学教授李旦和上海沪工汽车电器有限公司袁坚提出一种基于虚拟仪器技术的BCM自动化测试方法，可实现对BCM系统的有效功能测试和无效功能测试。以此方法为基础，设计并实现了BCM自动化测试系统。华中科技大学王鹏教授以汽车车身控制器自动测试系统的开发为基础,建立了一种基于功能验证的测试模型。该模型将多输入多输出(MIMO, Multiple Input Multiple Output)结构的被测系统根据不同功能简化为若干多输入单输出(MISO, Multiple Input Single Output)结构的功能块,并根据该模型提出一种用于生成测试序列的最短路径算法。 整个测试系统基于虚拟仪器技术构建。本课题将以基于虚拟仪器技术为指导思想，对BCM试验台机械系统进行设计。以运动学分析为基础，建立测试系统构件运动依存关系；以力学分析为基础，进行测试系统结构设计。
通过对BCM试验台的研究，能大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，降低了测试的成本，提高了汽车BCM的可靠性和安全性。

第1章 汽车BCM概述及BCM试验台的前景分析
1.1 BCM在汽车中应用的必然性
随着汽车电子技术的发展, 越来越多的电控单元被应用到车上, 单在车身电子方面就有电动后视镜控制模块、电动座椅控制器、电动门窗控制器、空调控制器、灯光控制器、中控锁模块、防盗器等等, 这些分离模块的大量使用, 在提高车辆舒适性的同时也带来了成本增加、故障率上升、布线复杂、维修困难、空间短缺等问题。同时, 为了提高电控单元的利用率, 要求大批的数据信息能在不同的电子单元间共享, 汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换, 不同功能电子控制系统单元间的数据通信变得越来越重要, 因此对电子控制系统单元的设计提出了越来越高的要求, 同时要求控制模块上应具备有控制实效性高、空间小等优点。于是, 设计功能强大的控制模块, 对汽车车身上众多的电器进行控制是非常必要的。车身电子控制模块BCM(Body Control Module)就是将一个总成的控制或几个总成的控制集中在一个电子控制单元上。它有很多优点, 例如能减少车身线束、减少处理功能的重复设置、空间占用小、通信网络可靠、通信速率高、准确可靠, 提高整车运行性能和可靠性等。
1.2 BZ10重卡汽车BCM的结构
“BZ10重卡汽车中央控制模块”采用塑料结构壳体，壳体采用ABS阻燃工程塑料制造，耐温度湿度变化性能、耐震性能、高压绝缘性能都符合国家最新标准。
“BZ10重卡汽车中央控制模块”采用CAD三维软件设计，对中央控制模块中的电器功率分配及电流大小进行了优化设计，使得控制模块的结构紧凑、布置合理，安装方便。中央控制模块的三维设计方案如图1-1所示。

(a)三维产品结构图； (b)三维分离结构图
图1-1 BZ10控制模块三维设计方案

中央控制模块从结构上分为：
（1） 电路板：采用双层电路板结构，实现电流功率分配、控制及电路转换、保险片检测等功能；
（2） 上部外壳：设计有与控制模块、继电器、保险片相对应的安装结构，通过上部外壳将控制模块、继电器、保险片与内部电路板相连接；电器盒
（3） 背部下盖：电器盒背部下盖上设计有标准接插件结构，电器盒中电器电路通过标准插接件与线束相连实现对全车电器件进行集中控制；
（4） 控制模块：电器控制模块内部有控制电路，通过其各自接插件安装在电器盒上部外壳上，通过内部电路板及背部接插件实现对电器的控制；
（5） 继电器：控制继电器安装在电器盒上部外壳上，通过内部电路板及背部接插件实现对电器的控制
（6） 保险片：汽车总电源通过底部插体连接到内部电路板上，电路板实现电路转换及分流，安装在外壳上的各个负载保险片实现电路功率分配及短路保护；

(a)上部外壳三维数模造型图 (b)上部外壳产品结构照片图
图1-2 BZ10控制模块上部外壳三维数模造型及产品照片图

(a)背部下盖三维数模造型图 (b)背部下盖产品结构照片图
图1-3 BZ10控制模块背部下盖三维数模造型及产品照片图
（7） 安装支架：通过安装支架将电器盒固定在汽车车身上。
根据三维数模造型，进行注塑模具优化设计，塑料外壳是根据模具加工出来产品。图1-2与图1-3分别是上部外壳与背部下盖的三维数模造型及产品照片图。
1.3汽车BCM功能及测试原理
1.3.1 BCM功能
汽车采用BCM后, 除实现原有汽车分散零件的所有功能外, 还增加了许多其他功能, 如自动关窗、灯光控制、后除霜控制、自动雨刮、延迟照明、诊断等。具体功能如下:
(1)转向闪光器和危险报警闪光器: 同通用闪光器。
(2) 车内灯延迟: 关车门后车内灯延迟熄灭。
(3) 钥匙圈灯光提示: 左前车门打开后点火开关钥匙孔点亮一段时间。
(4) 灯光提示: 点火开关关闭后如果灯光未关闭, 则蜂鸣器报警。
(5) 前雨刮和洗涤器控制器: 同通用的雨刮器控制。
(6) 后雨刮和洗涤器控制器: 同通用的雨刮器控制。
(7) 中央门锁控制: 开关全车门锁。
(8) 遥控锁: 功能齐全的遥控功能。
(9)车辆报警器: 忘记遥控锁车或遥控锁车后车门或点火开关被打开, 激活喇叭报警。
(10) 自动关窗: 遥控上锁后如有车门窗未升到位则执行自动关窗功能, 并有未升到位报警。
(11) 电动车门窗控制: 除具备通用的门窗控制功能外, 还有延时工作功能, 以提高便利性。
(12) 后除霜功能: 控制后除霜加热器工作一段时间后自动断开。
(13) 后雾灯控制: 后雾灯开关点动接通, 根据灯光开启情况激活后雾灯。
(14) 延时照明( 备装) : 停车离车后根据需要让大灯延迟照明一定时间。
(15) 灯光自动开启: 根据环境明亮程度自动开启灯光照明系统。
(16) 倒车雷达: 倒车辅助雷达。
(17) 自动雨刮( 备装) : 根据环境雨水程度自动开启雨刮器并以不同速度动作。
(18) 车速超速自动报警(备装): 行车速度超过某一车速执行提醒功能。
(19) 诊断功能。
1.3.2 BCM测试原理
引起电路故障的因素很多，对于一个只关心故障是否存在的电路系统，其测试原理可采用黑箱理论来进行，即在不清楚电路内部的情况下，给其输入端以某种激励信号，通过检测其输出响应来判断其内部是否存在故障，测试原理如图1-4所示。测试的核心问题是施加怎样的测试信号才能判断该系统是否存在故障，本次测试的主要内容如表1-1所示。对于只判断故障存在性的测试系统来说评价测试模式好坏的标准是测试模式的集合的大小。显然，在能够检测出故障的的情况下，测试模式集合越小越好，根据这一原理针对BZ10重卡汽车中央控制模块设计出如图1-5所示的集合测试板。
待

系

统

测
输

入

激

励
输

出

响

应

图1-4 自动化测试原理图
图1-5 BZ10重卡汽车BCM集合测试板CAD图
表1-1 汽车BCM的测试内容及其信号特征
测试类别
功能名称
信号特征
逻 辑 功 能 测 试
中央控制门锁控制功能
开关量
车窗控制功能
开关量
雨刮器控制功能
开关量
车内灯控制功能
开关量
转向灯控制功能
开关量
安全气囊控制功能
数字量/开关量
防盗报警控制功能
数字量/开关量
电参量测试
玻璃升降器电机堵转电流检测
模拟量
转向灯电流检测
模拟量
顶灯电流检测
模拟量
报警喇叭电流检测
模拟量

1.4汽车BCM试验台的前景分析
1.4.1 BCM需求分析
中国汽车工业协会公布的2011年汽车月度销售变动趋势如表1-2所示。由表1-2可知，2009和2010年我国汽车销售量分别达到1362.16万辆和1803.52万辆，同比增长了32.4%。2011年前四个月的销售量与去年相比也呈增长趋势。
根据汽车工业协会发布的数据分析显示，由于世界经济发展存在诸多的不确定因素，经济复苏仍需要一个较长的时间，这将在一定程度上影响我国汽车工业的发展。作为支柱产业，2011年国家对于汽车工业的支持从根本上没有改变，居民的购车需求依旧十分旺盛，从近15年汽车平均增长速度16.74%看，2011年我国汽车工业仍将呈现较好的发展态势。预计全年汽车产量增速在10%左右，有望达到19800万辆。巨大的购买潜力陆续变成拉动我国汽车工业快速增长的动力，汽车工业成为国民经济的重要支柱产业。预计我国汽车工业在今后的十年里仍将呈现一个快速增长的发展态势。而BCM作为现代汽车不可或缺的电子装备，以一辆汽车装备一套计算，其需求量之大可见一斑。
目前国内BCM市场竞争激烈，外资企业占据了我国轿车BCM配套市场，成为国内主流企业，而本土企业则向客车、商用车BCM市场发展。据奥尔威咨询调查，目前国内有20多家BCM生产企业，其中外资企业占了三分之二。现在我国自主开发的名族品牌正处于起步阶段，以国家对民族品牌的扶持政策，综合考虑劳动力、物流成本所形成的价格因素来看未来市场前景是非常可观的。
表1-2 2011年汽车月度销售变动趋势

1.4.2 开发BCM试验台的必要性
汽车BCM的生产在我国已初具规模，但其测试还停留在传统的人工测试水平上。传统的测试仪器是采用单片机作为控制电路，以LED作为指示灯，以各种按钮作为开关量输入的形式，测试人员需要按照车身控制模块的各种功能通过手动的方式一步一步进行测试，测试效率低，可靠性差。开发一种BCM测试系统是非常有必要的。
由国内外汽车电子行业发展动态来看设计BCM试验台有以下优点：
（1）能大幅度提高生产效率。工厂实验对比发现，完全的手工装卸测试与自动化测试方法相比，自动化测试方法大大的节约了时间，生产效率提高了三倍左右。
（2）减轻劳动强度。BCM上装有许多继电器﹑保险等小部件，给人工测试带来许多不便。使用试验台经过程序设定，准确的定位夹紧零件，迅速找准测试位置，很好的解决了因部件小而且多带来的繁琐工作。
（3）降低了零件测试的成本。从近年来汽车发展趋势来看，BCM的需求量必定稳步增长，所以需要大批量的生产，而BCM试验台能够连续工作大大的了劳动生产效率，从而降低了测试成本。
（4）提高了汽车的安全性。人工测试具有很大的局限性，由于输出端测试模块的资源有限，所以只能对BCM的有效功能进行测试而不能对它的无效功能进行测试。利用试验台能够对BCM的所有输出信号进行动态全过程检测，能够保存BCM的所有输出信号的最终测试结果。
（5）提高我国汽车测试水平。中国的汽车测试技术与发达国家相比还存在一定的差距。一方面表现在检测的自动化程度与水平上；另一方面检测的质量保证上。研究BCM试验台可以提高我国汽车零部件测试的水平，缩小与发达国家的差距。
综上所述，研究BCM试验台是非常必要的。因此研究汽车BCM自动测试系统具有很大的市场前景。

第2章 BCM试验台机械系统的总体设计方案
2.1 BCM试验台的总体布局设计
BCM试验台由实际生产应用要求可大致分为供料装置、上料输送装置、测试装置、卸料输送装置和卸料装置五个部分。由于供料装置及上料传送装置与卸料装置及卸料传送装置的基本工作原理是一样的，因此结构可以设计成一样的。试验台各装置的布置可水平一字形布置（如图2-1a所示）也可将卸料装置与总体垂直布置（如图2-1b所示）。由对被测件尺寸的分析可得，试验台的总宽度不是很大，一字形布置占地面积不是很大，且所有装置在一条直线上相互之间的影响相对较小，对于本试验台垂直布置在长度上减少不是很多，而且增加了宽度，从而增大了试验台的总安装面积，且垂直布置的试验台要比水平布置复杂一些，综合以上因素，选择水平布置的总体布局。

（a）水平一字形总体布局形式

(b)垂直总体布局形式
图1-5 BCM试验台总体布局

2.2 BCM试验台工作过程分析
BCM试验台要求能够自动的上料、装夹、卸料，因此得有相应的连续上料装置、输送装置、夹具和连续的卸料装置。根据前面分析选取的水平一字形布置试验台基本工作过程为：上料装置将被测件送至与输送带等高的位置，由气缸1推至传送带上，传至测试区附近再由双行程气缸2推至测试区，同时双行程气缸3作用将挡板推到预定作用位置，然后侧面夹紧气缸4动作实现三面定位，然后夹紧气缸5动作实现夹紧，同时双行程气缸3进行第二次动作将测试板送到预定位置进行测试，测试完毕后，气缸3、气缸4、气缸5同时返回初始位置，双行程气缸2进行第二次作用，将被测件推至输送带然后返回初始位置，被测件由输送带传送至卸料仓附近，此时气缸6动作，将被测件推至卸料仓，完成一个被测件的测试过程。整个过程气缸动作由延时继电器控制完成。设计实现上料不超过15s、测试不超过30s（含装夹）、卸料不超过10s.
2.3 BCM试验台主要装备形式的选取
2.3.1 供料装置方案的初步确定
供料装置在此试验台中可选取水平导轨，将工件依次排放在导轨上通过导轨的往复运动实现连续供料，该方法结构简单，但是占地面积太大，因此不可取。在此选取供料仓供料方式，利用步进电动机带动带轮，通过带轮传动带动丝杆转动，丝杠与供料仓通过丝杠螺母副的方式传动，从而带动供料仓沿垂直方向运动。这种供料方式不仅实现了连续供料而且减小了试验台的占地面积。
2.3.2 输送方案的初步确定
根据设计方案，工件的输送需要采用连续式输送装置，可以采用回转圆盘、带式输送机、链板式输送机、差速链输送机等输送装置。
由于回转圆盘的空间局限性较大，所以在本方案中不予考虑。因为工件的重量不大，输送距离不远，因此不需要要求输送装置具有很好的横向刚度；由于测试受到精度的约束，需要输送装置具有较高的平稳性，综合上述因素，带式输送机比较适合作为本设计的输送装置。
26
第3章 供料装置的设计
3.1 供料仓的设计
根据BCM的实物图设计出如图3-1的工件夹具。工件与夹具装配如图3-2所示。

图3-1 BCM夹具
图3-2 BCM夹具与工件装配图
从图3-1和3-2可以看出，夹具和工件装配后长300mm，高93mm，宽165.2mm。
由此分析，结合实际选择30F系列30x30 4F标准型材，设计出供料仓的长为300mm,宽为290mm,高为635mm的供料仓。
3.2 滚珠丝杠螺母副的设计
驱动电动机的选型与计算
3.3.1 电动机轴上的负载惯量的计算
1.计算滚珠丝杠的转动惯量。
已知滚珠丝杠的密度 ，则

2.计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量。
已知执行部件的质量大概为，丝杠每转一圈，在轴向移动的距离为0.6cm，则

3.计算各带轮的转动惯量。

4.计算加在电动机轴上总负载转动惯量。

3.3.2 电动机轴上的负载力矩的计算
1.计算折算到电动机轴上的切削负载力矩。
已知在轴向负载力=390，丝杠每转一圈，在轴向移动的距离L=0.6cm,进给传动系统的传动比i=2.5,进给传动系统的总效率，则

2.计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩
已知空载时的导轨摩擦力=120，则

3.计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩。
已知滚珠丝螺母副的效率=0.94，滚珠丝杠螺母副的预紧力则

4.折算到电动机轴上的负载力矩的计算。
（1）空载时，
（2）负载时，
根据以上计算结果和表3-2，选取90BF003型反应式步进电机。
表3-2 国产BF系列反应式步进电动机技术参数表
电动机型号
相数
步距角/º
电压/V
相电流/A
最大静转矩/N·m
最大启动频率/Hz
最大运行频率/Hz
转子转动惯量/10ˉ³kg·m²
线圈电阻/Ώ
分配方式
质量/kg
外形尺寸/mm
外径Φ
长度
轴颈Φ
75BF003
3
1.5/3
30
4
0.882
1250
--
1.568
0.82
三相六拍
1.58
75
75
8
90BF001
4
0.9/1.8
80
7
3.92
2000
8000
17.64
0.3
四相八拍
4.50
90
145
9
90BF003
3
1.5/3
60
5
1.96
1500
8000
—
0.265
三相六拍
4.20
90
125
9

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第4章 测试装置及输送装置的设计
4.1 测试装置的设计
4.1.1测试装置的整体结构
测试装置主要分为定位结构、夹紧结构、测试结构三部分，本次设计采用三面定位，为卸料方便，定位前面做成与气缸相连的挡块形式，上料时气缸作用将挡块送到预定位置进行定位，测试完后随气缸回到原始位置。为保证定位的准确性，侧面设置一辅助定位带夹紧气缸，当被测工件到达预定位置时，侧面气缸推动工件保证工件与侧面紧密结合。主要的夹紧结构是在工件上方安装一气缸进行夹紧。总的来说测试区实现了三面定位和三面夹紧，保证了定位精度。
4.1.2测试装置的主要部件设计
1.挡板与测试板的设计
根据被测件的结构，设计挡板的宽为70mm,高为30mm,为保证挡板的刚度，设计挡板的厚度为10mm。
测试板如图1-5所示，测试板上有许多插针，与所要测试的零件背部小孔对应。插针的引线在测试板底部集合，用一根电线管将其包裹，安装到一个插头上与电源相连。
2.测试区的支撑
整个测试装置由型材和支撑板连接支撑，因为测试区的支撑要保证良好的刚度，所以选用40E系列 4E标准型型材。
4.2 输送装置的设计
4.2.1输送装置的结构及工作过程
本次设计选用带式输送装置，该装置由电动机、带轮、带轮轴以及输送带构成。其工作过程为：电动机动带带轮传动装置转动，从而带动了轴的转动，安装在该轴上的同步带轮随轴转动，同时带动了输送带工作，实现工件的输送。

4.2.2输送装置的主要部件设计
同上一章的计算选择方法一样，通过计算设计，可选择出电动机的型号为75BF003，转动惯量为，外径D=75mm,长度L=75mm,轴径d=8mm.大带轮选用14H型单挡边带轮，其齿数为14，节径56.6mm,.小带轮选用12L型双挡边带轮，其齿数为12，节径为36.38mm.
根据安装结构的要求以及输送装置的稳定性要求，设计转轴的直径为20mm，长530mm。输送过程中轴承既受到了轴向力又受径向力，两端均可选用角接触球轴承，此处选择轴承号为36204 .