一種HUD 測試臺架的實施方案

丁 浩， 薛 琪

（上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805）

1 背景

隨著HUD產品在車輛上的應用越來越多，越來越受到各大車廠的重視，對產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臺架經濟性最大化的目標，如果建立一套多功能實用化，并且能夠協助整車廠輔助進行快速開發和驗證的任務就越發擺到了整車廠的面前。對于產品的基本需求就是，HUD測試臺架需滿足多元化以及多用途需求，并且能滿足HUD臺架經濟性最大化的目標。

由于每個車型的HUD位置、擋風玻璃位置以及理論成像位置均不同，為了滿足臺架能多個HUD產品和多個車型進行測試的目的，需要在臺架上做到可以切換不同的HUD產品、玻璃以及光學標定板，為此常規的解決方法就是可以針對每個車型需要來制作一套專用定位工裝夾具，從而切換的目的。在傳統的實施方案思維中，需要為每個車型，每個產品準備不同的臺架。不僅效率低下，產品適配性差，還會導致周期長，無法滿足快速應用的需要。

常規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個定位銷，固定部分和換型部分通過普通螺絲固定，整個換裝過程需要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，拆裝定位銷會導致換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在整車中的安裝環境，并且使用高精度定位機構及高精度機器人來保證整個測試臺精準的定位，保證HUD、擋風玻璃、人眼（使用高精度攝像頭）之間的位置關系，并通過控制程序可以完成自動的測試序列或手動測試來滿足HUD驗證的需求的一種高性能復合型創新性測試臺架，目前該臺架已經完成相關專利批準，具備非常高的應用價值。

2 臺架的總體結構一覽

在具體方案上，HUD測試臺架由測試主體、工裝設備、攝像機以及軟件模塊等構成。臺架的總體結構如圖1所示。

圖1 臺架的總體結構

2.1 安全保護圍欄措施

人機的安全保護設備使用的雙重保護。在圍欄上方設置“開門”和“關門”的手動按鈕，對操作人員起保護作用，且配合三色燈使用，顯示當前設備的狀態。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等待機器人在非移動狀態，把手自動旋鈕打到手動；②按下門解鎖按鈕，安全門解鎖；③如遇緊急情況，可以按下設備急停按鈕或控制關按鈕，安全門也可自動解鎖。

2.2 系統設備集成控制柜

整套測試設備的系統集成，包含測試系統、控制系統等，可在控制柜的系統內進行HUD光學、電性能、功能等項目的測試以及亮度計等專業光學項的分析與處理。

1） 控制柜的控制按鈕和指示燈的說明：①紅色蘑菇頭按鈕：設備急停；②復位按鈕：機器人急停報警復位；③運行按鈕：設備在兩位旋轉開關自動位置時，按下運行按鈕，設備進入運行狀態；④兩位旋轉開關：手自動切換；⑤控制開：設備在急停或剛上電后，激活安全繼電器重新上電；⑥控制關：設備停止，機器人無論手動還是自動均被限制運行；⑦三色燈-紅燈：設備處于急停狀態手動；⑧三色燈-黃燈：設備處于非急停非自動運行狀態；⑨三色燈-綠燈：設備處于自動運行狀態。若設備在自動狀態，按住運行按鈕2s以上，綠燈會被臨時屏蔽而熄滅。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） 設備開機操作：設備通電，打開設備電源開關，確保圍欄內無人，HUD臺架無異物，關閉安全門；按下控制開按鈕（若有急停按鈕被按下的，先拉起急停按鈕），若黃色復位按鈕指示燈閃爍，說明有機器人在急停狀態，按下此按鈕復位機器人急停狀態，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，手自動旋鈕打到自動，按下運行按鈕保持0.3s，運行燈點亮，設備進入運行狀態。此時三色燈-綠燈點亮，長按超過2s，三色燈-綠燈被屏蔽而自動熄滅。

3） 設備關機操作：等待機器人在非移動狀態，把手自動旋鈕打到自動，按下控制關按鈕，如長時間不使用設備，切斷設備電源總開關。

4） 設備緊急情況處理：遇到緊急情況，按下設備急停按鈕或控制關按鈕，設備會緊急停止，若需要進入圍欄，坐在座椅上觀察HUD時，按下控制關按鈕，此時三色燈-紅燈常亮。這樣即使有人通過示教器手動操作，機器人也不會動。

3 臺架組件和工裝模塊介紹

3.1 相機的設計和安裝方案

搭載視覺檢測的工業相機，模擬人眼視角，進行HUD圖像光學檢測作業，同時模擬不同視角狀態下人眼觀察效果，相機工裝配合的機器人使用帶有xyz軸向運動以及uvw角度運動的功能，重復定位精度±0.05mm。另外，為了檢測的準確度，所有測試點均按照入瞳點坐標執行動作。

相機工裝示意圖見圖4。和相機適配的工裝定位孔加工精度為0.05mm，在加工中心完成。因相機自身不帶定位銷孔，故針對入瞳點點位的測量結合相機數據，設計測量塊，同時由于相機的入瞳點為虛擬點，無法直接通過相機去測量，故在設計的測量塊上直接體現出入瞳點，配合三坐標測量儀檢測、校準45個要求的坐標值。

圖4 相機工裝示意圖

相機安裝至工裝后，通過標定板的十字線來微調相機位置，如圖5所示。適配的相機工裝確定了機械手的位置，相機安裝后再進行微調，從而確定相機位置。相機微調標定示意圖見圖6。

圖5 標定板十字示意圖

圖6 相機微調標定示意圖

根據上述情況說明，相機本身不帶定位銷孔，故實物相機的安裝通過底部安裝螺絲和底部工裝的限位槽（圖7） 來實現相機的定位固定。

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，正常使用時無法移動，僅對中機構可以在使用前移動。模擬整車狀態下玻璃的姿態，固定和限位前擋風玻璃，滿足HUD成像玻璃的使用需求。因實驗室使用有換型的需求，玻璃工裝均為換型作業方式。

圖8 玻璃工裝

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

圖9 快速換型的示意圖

定位銷和襯套是標準件，制造工藝已經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。由于是標準件，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，可保持長時間的精度穩定。

工裝支撐點的定位精度為0.1mm，后期調試中均用三坐標測量并校準。圖10為玻璃支撐工裝點三坐標測量示意圖。

圖10 玻璃支撐點測量數據示意圖

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，模擬HUD在實車狀態下的位置姿態，反饋HUD在模擬狀態下實車成像效果。另外，因考慮到實驗室使用，HUD工裝配合機器人使用帶有xyz軸向運動以及uvw角度運動的功能，重復定位精度±0.05mm。HUD工裝示意圖如圖11所示。因臺架在實驗室使用，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精度來執行，確保HUD的裝配位置精度。理論數據和三坐標報告數據比對：實測和理論數據的比對偏差值均在0.1mm以內。

3.4 標定板

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

因是實驗室使用，不同車型的理論成像距離以及角度存在差異，故臺架標定板工裝機構做了前后預留的處理。配合后期換型等需求，標定板工裝機構也做了快速換型的處理。

標定板的位置精度由機加工、裝配以及最終的三坐標標定三者結合來保證，確保當前型號的標定板位置的準確性。標定板機構理論數據同實測數據比對：實測和理論數據的比對偏差值均在0.1mm以內。

4 結束語

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，相比傳統方案，提高了2倍。同時，維護成本低，更換時只需更換定位銷和定位襯套即可，每年的均攤使用費用降低了90%，此外，極大降低了操作人員和維護人員的數量和勞動強度，適合作為用于針對多個項目平行同步開發的解決方案，響應速度快捷，測試結果準確高效。可以說，該新型臺架的應用，為產品的開發提供了有利支持，并在實際應用中得到了有效的應用。