一種HUD 測試臺架的實(shí)施方案

丁 浩， 薛 琪

（上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805）

1 背景

隨著HUD產(chǎn)品在車輛上的應(yīng)用越來越多，越來越受到各大車廠的重視，對產(chǎn)品測試臺架的需求也越來越迫切和明確，為了滿足多元化以及多用途需求，滿足HUD臺架經(jīng)濟(jì)性最大化的目標(biāo)，如果建立一套多功能實(shí)用化，并且能夠協(xié)助整車廠輔助進(jìn)行快速開發(fā)和驗(yàn)證的任務(wù)就越發(fā)擺到了整車廠的面前。對于產(chǎn)品的基本需求就是，HUD測試臺架需滿足多元化以及多用途需求，并且能滿足HUD臺架經(jīng)濟(jì)性最大化的目標(biāo)。

由于每個(gè)車型的HUD位置、擋風(fēng)玻璃位置以及理論成像位置均不同，為了滿足臺架能多個(gè)HUD產(chǎn)品和多個(gè)車型進(jìn)行測試的目的，需要在臺架上做到可以切換不同的HUD產(chǎn)品、玻璃以及光學(xué)標(biāo)定板，為此常規(guī)的解決方法就是可以針對每個(gè)車型需要來制作一套專用定位工裝夾具，從而切換的目的。在傳統(tǒng)的實(shí)施方案思維中，需要為每個(gè)車型，每個(gè)產(chǎn)品準(zhǔn)備不同的臺架。不僅效率低下，產(chǎn)品適配性差，還會導(dǎo)致周期長，無法滿足快速應(yīng)用的需要。

常規(guī)方案存在許多普遍問題，例如換裝效率低，換裝部分和固定部分的定位采用過盈配合方式，需要硬性敲打拆裝，一套工裝包含24個(gè)定位銷，固定部分和換型部分通過普通螺絲固定，整個(gè)換裝過程需要60min，換裝效率低；又例如工裝夾具使用壽命短，定位銷采用過盈配合，拆裝定位銷會導(dǎo)致?lián)Q裝部分和固定部分磨損，整套工裝夾具壽命只有2年，且更換的時(shí)候需要整套工裝夾具一起更換等天生的缺陷。

本文介紹一種模擬HUD在整車中的安裝環(huán)境，并且使用高精度定位機(jī)構(gòu)及高精度機(jī)器人來保證整個(gè)測試臺精準(zhǔn)的定位，保證HUD、擋風(fēng)玻璃、人眼（使用高精度攝像頭）之間的位置關(guān)系，并通過控制程序可以完成自動(dòng)的測試序列或手動(dòng)測試來滿足HUD驗(yàn)證的需求的一種高性能復(fù)合型創(chuàng)新性測試臺架，目前該臺架已經(jīng)完成相關(guān)專利批準(zhǔn)，具備非常高的應(yīng)用價(jià)值。

2 臺架的總體結(jié)構(gòu)一覽

在具體方案上，HUD測試臺架由測試主體、工裝設(shè)備、攝像機(jī)以及軟件模塊等構(gòu)成。臺架的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 臺架的總體結(jié)構(gòu)

2.1 安全保護(hù)圍欄措施

人機(jī)的安全保護(hù)設(shè)備使用的雙重保護(hù)。在圍欄上方設(shè)置“開門”和“關(guān)門”的手動(dòng)按鈕，對操作人員起保護(hù)作用，且配合三色燈使用，顯示當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)。圍欄布局Layout如圖2所示。

圖2 圍欄布局Layout

安全門開門操作：①等待機(jī)器人在非移動(dòng)狀態(tài)，把手自動(dòng)旋鈕打到手動(dòng)；②按下門解鎖按鈕，安全門解鎖；③如遇緊急情況，可以按下設(shè)備急停按鈕或控制關(guān)按鈕，安全門也可自動(dòng)解鎖。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備集成控制柜

整套測試設(shè)備的系統(tǒng)集成，包含測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，可在控制柜的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行HUD光學(xué)、電性能、功能等項(xiàng)目的測試以及亮度計(jì)等專業(yè)光學(xué)項(xiàng)的分析與處理。

1） 控制柜的控制按鈕和指示燈的說明：①紅色蘑菇頭按鈕：設(shè)備急停；②復(fù)位按鈕：機(jī)器人急停報(bào)警復(fù)位；③運(yùn)行按鈕：設(shè)備在兩位旋轉(zhuǎn)開關(guān)自動(dòng)位置時(shí)，按下運(yùn)行按鈕，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；④兩位旋轉(zhuǎn)開關(guān)：手自動(dòng)切換；⑤控制開：設(shè)備在急?；騽偵想姾?，激活安全繼電器重新上電；⑥控制關(guān)：設(shè)備停止，機(jī)器人無論手動(dòng)還是自動(dòng)均被限制運(yùn)行；⑦三色燈-紅燈：設(shè)備處于急停狀態(tài)手動(dòng)；⑧三色燈-黃燈：設(shè)備處于非急停非自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；⑨三色燈-綠燈：設(shè)備處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。若設(shè)備在自動(dòng)狀態(tài)，按住運(yùn)行按鈕2s以上，綠燈會被臨時(shí)屏蔽而熄滅。面板按鈕排布示意如圖3所示。

圖3 面板按鈕排布示意圖

2） 設(shè)備開機(jī)操作：設(shè)備通電，打開設(shè)備電源開關(guān)，確保圍欄內(nèi)無人，HUD臺架無異物，關(guān)閉安全門；按下控制開按鈕（若有急停按鈕被按下的，先拉起急停按鈕），若黃色復(fù)位按鈕指示燈閃爍，說明有機(jī)器人在急停狀態(tài)，按下此按鈕復(fù)位機(jī)器人急停狀態(tài)，若不閃爍則跳過此步驟；按下黃色門上鎖按鈕，安全門被鎖住，手自動(dòng)旋鈕打到自動(dòng)，按下運(yùn)行按鈕保持0.3s，運(yùn)行燈點(diǎn)亮，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)三色燈-綠燈點(diǎn)亮，長按超過2s，三色燈-綠燈被屏蔽而自動(dòng)熄滅。

3） 設(shè)備關(guān)機(jī)操作：等待機(jī)器人在非移動(dòng)狀態(tài)，把手自動(dòng)旋鈕打到自動(dòng)，按下控制關(guān)按鈕，如長時(shí)間不使用設(shè)備，切斷設(shè)備電源總開關(guān)。

4） 設(shè)備緊急情況處理：遇到緊急情況，按下設(shè)備急停按鈕或控制關(guān)按鈕，設(shè)備會緊急停止，若需要進(jìn)入圍欄，坐在座椅上觀察HUD時(shí)，按下控制關(guān)按鈕，此時(shí)三色燈-紅燈常亮。這樣即使有人通過示教器手動(dòng)操作，機(jī)器人也不會動(dòng)。

3 臺架組件和工裝模塊介紹

3.1 相機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝方案

搭載視覺檢測的工業(yè)相機(jī)，模擬人眼視角，進(jìn)行HUD圖像光學(xué)檢測作業(yè)，同時(shí)模擬不同視角狀態(tài)下人眼觀察效果，相機(jī)工裝配合的機(jī)器人使用帶有xyz軸向運(yùn)動(dòng)以及uvw角度運(yùn)動(dòng)的功能，重復(fù)定位精度±0.05mm。另外，為了檢測的準(zhǔn)確度，所有測試點(diǎn)均按照入瞳點(diǎn)坐標(biāo)執(zhí)行動(dòng)作。

相機(jī)工裝示意圖見圖4。和相機(jī)適配的工裝定位孔加工精度為0.05mm，在加工中心完成。因相機(jī)自身不帶定位銷孔，故針對入瞳點(diǎn)點(diǎn)位的測量結(jié)合相機(jī)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)測量塊，同時(shí)由于相機(jī)的入瞳點(diǎn)為虛擬點(diǎn)，無法直接通過相機(jī)去測量，故在設(shè)計(jì)的測量塊上直接體現(xiàn)出入瞳點(diǎn)，配合三坐標(biāo)測量儀檢測、校準(zhǔn)45個(gè)要求的坐標(biāo)值。

圖4 相機(jī)工裝示意圖

相機(jī)安裝至工裝后，通過標(biāo)定板的十字線來微調(diào)相機(jī)位置，如圖5所示。適配的相機(jī)工裝確定了機(jī)械手的位置，相機(jī)安裝后再進(jìn)行微調(diào)，從而確定相機(jī)位置。相機(jī)微調(diào)標(biāo)定示意圖見圖6。

圖5 標(biāo)定板十字示意圖

圖6 相機(jī)微調(diào)標(biāo)定示意圖

根據(jù)上述情況說明，相機(jī)本身不帶定位銷孔，故實(shí)物相機(jī)的安裝通過底部安裝螺絲和底部工裝的限位槽（圖7） 來實(shí)現(xiàn)相機(jī)的定位固定。

圖7 限位槽示意圖

3.2 玻璃工裝

玻璃工裝如圖8所示。固定式工裝，正常使用時(shí)無法移動(dòng)，僅對中機(jī)構(gòu)可以在使用前移動(dòng)。模擬整車狀態(tài)下玻璃的姿態(tài)，固定和限位前擋風(fēng)玻璃，滿足HUD成像玻璃的使用需求。因?qū)嶒?yàn)室使用有換型的需求，玻璃工裝均為換型作業(yè)方式。

圖8 玻璃工裝

考慮到快速換型的便捷性和重復(fù)精度等要求，快換機(jī)構(gòu)使用定位銷襯套、快插銷組合的方式。如圖9所示。

圖9 快速換型的示意圖

定位銷和襯套是標(biāo)準(zhǔn)件，制造工藝已經(jīng)能保證較高的尺寸精度以及零件硬度，在正常使用過程中，耐磨性較好。由于是標(biāo)準(zhǔn)件，定位銷和襯套可更加便捷地更換，能快速抑制因磨損而引起的定位精度變差，可保持長時(shí)間的精度穩(wěn)定。

工裝支撐點(diǎn)的定位精度為0.1mm，后期調(diào)試中均用三坐標(biāo)測量并校準(zhǔn)。圖10為玻璃支撐工裝點(diǎn)三坐標(biāo)測量示意圖。

圖10 玻璃支撐點(diǎn)測量數(shù)據(jù)示意圖

3.3 HUD安裝和固定方案

滿足HUD的安裝和固定，并在要求的定位精度公差范圍內(nèi)，模擬HUD在實(shí)車狀態(tài)下的位置姿態(tài)，反饋HUD在模擬狀態(tài)下實(shí)車成像效果。另外，因考慮到實(shí)驗(yàn)室使用，HUD工裝配合機(jī)器人使用帶有xyz軸向運(yùn)動(dòng)以及uvw角度運(yùn)動(dòng)的功能，重復(fù)定位精度±0.05mm。HUD工裝示意圖如圖11所示。因臺架在實(shí)驗(yàn)室使用，HUD工裝可快速換型。

圖11 HUD工裝示意圖

HUD定位方式的選擇是根據(jù)HUD定位需求做適配工裝，選取接觸臺面、定位銷，適配工裝采用精加工完成，孔位和工裝接觸面的加工要求均按照0.1mm精度來執(zhí)行，確保HUD的裝配位置精度。理論數(shù)據(jù)和三坐標(biāo)報(bào)告數(shù)據(jù)比對：實(shí)測和理論數(shù)據(jù)的比對偏差值均在0.1mm以內(nèi)。

3.4 標(biāo)定板

處于HUD理論虛像成像位置處，刻有當(dāng)前HUD圖像理論成像的中心標(biāo)線，用來標(biāo)定相機(jī)的準(zhǔn)確位置，故標(biāo)定板工裝的安裝位置精度要求較高。另外，標(biāo)定板所處位置可直觀感受當(dāng)前HUD成像的位置、效果和理論狀態(tài)下的比對，用于初步判斷和分析。

因是實(shí)驗(yàn)室使用，不同車型的理論成像距離以及角度存在差異，故臺架標(biāo)定板工裝機(jī)構(gòu)做了前后預(yù)留的處理。配合后期換型等需求，標(biāo)定板工裝機(jī)構(gòu)也做了快速換型的處理。

標(biāo)定板的位置精度由機(jī)加工、裝配以及最終的三坐標(biāo)標(biāo)定三者結(jié)合來保證，確保當(dāng)前型號的標(biāo)定板位置的準(zhǔn)確性。標(biāo)定板機(jī)構(gòu)理論數(shù)據(jù)同實(shí)測數(shù)據(jù)比對：實(shí)測和理論數(shù)據(jù)的比對偏差值均在0.1mm以內(nèi)。

4 結(jié)束語

該新型臺架的投入和使用，大大提升了換裝和測試效率，固定部分和換型部分之間的定位套件使用快速插拔銷，可快速完成拆裝，無需敲打，固定部分和換型部分采用快擰把手固定，無需工具便可快速完成拆裝，效率提升4倍以上，使用壽命更長，相比傳統(tǒng)方案，提高了2倍。同時(shí)，維護(hù)成本低，更換時(shí)只需更換定位銷和定位襯套即可，每年的均攤使用費(fèi)用降低了90%，此外，極大降低了操作人員和維護(hù)人員的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，適合作為用于針對多個(gè)項(xiàng)目平行同步開發(fā)的解決方案，響應(yīng)速度快捷，測試結(jié)果準(zhǔn)確高效?？梢哉f，該新型臺架的應(yīng)用，為產(chǎn)品的開發(fā)提供了有利支持，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了有效的應(yīng)用。