一种HUD 测试台架的实施方案

丁 浩， 薛 琪

（上汽大众汽车有限公司， 上海 201805）

1 背景

随着HUD产品在车辆上的应用越来越多，越来越受到各大车厂的重视，对产品测试台架的需求也越来越迫切和明确，为了满足多元化以及多用途需求，满足HUD台架经济性最大化的目标，如果建立一套多功能实用化，并且能够协助整车厂辅助进行快速开发和验证的任务就越发摆到了整车厂的面前。对于产品的基本需求就是，HUD测试台架需满足多元化以及多用途需求，并且能满足HUD台架经济性最大化的目标。

由于每个车型的HUD位置、挡风玻璃位置以及理论成像位置均不同，为了满足台架能多个HUD产品和多个车型进行测试的目的，需要在台架上做到可以切换不同的HUD产品、玻璃以及光学标定板，为此常规的解决方法就是可以针对每个车型需要来制作一套专用定位工装夹具，从而切换的目的。在传统的实施方案思维中，需要为每个车型，每个产品准备不同的台架。不仅效率低下，产品适配性差，还会导致周期长，无法满足快速应用的需要。

常规方案存在许多普遍问题，例如换装效率低，换装部分和固定部分的定位采用过盈配合方式，需要硬性敲打拆装，一套工装包含24个定位销，固定部分和换型部分通过普通螺丝固定，整个换装过程需要60min，换装效率低；又例如工装夹具使用寿命短，定位销采用过盈配合，拆装定位销会导致换装部分和固定部分磨损，整套工装夹具寿命只有2年，且更换的时候需要整套工装夹具一起更换等天生的缺陷。

本文介绍一种模拟HUD在整车中的安装环境，并且使用高精度定位机构及高精度机器人来保证整个测试台精准的定位，保证HUD、挡风玻璃、人眼（使用高精度摄像头）之间的位置关系，并通过控制程序可以完成自动的测试序列或手动测试来满足HUD验证的需求的一种高性能复合型创新性测试台架，目前该台架已经完成相关专利批准，具备非常高的应用价值。

2 台架的总体结构一览

在具体方案上，HUD测试台架由测试主体、工装设备、摄像机以及软件模块等构成。台架的总体结构如图1所示。

图1 台架的总体结构

2.1 安全保护围栏措施

人机的安全保护设备使用的双重保护。在围栏上方设置“开门”和“关门”的手动按钮，对操作人员起保护作用，且配合三色灯使用，显示当前设备的状态。围栏布局Layout如图2所示。

图2 围栏布局Layout

安全门开门操作：①等待机器人在非移动状态，把手自动旋钮打到手动；②按下门解锁按钮，安全门解锁；③如遇紧急情况，可以按下设备急停按钮或控制关按钮，安全门也可自动解锁。

2.2 系统设备集成控制柜

整套测试设备的系统集成，包含测试系统、控制系统等，可在控制柜的系统内进行HUD光学、电性能、功能等项目的测试以及亮度计等专业光学项的分析与处理。

1） 控制柜的控制按钮和指示灯的说明：①红色蘑菇头按钮：设备急停；②复位按钮：机器人急停报警复位；③运行按钮：设备在两位旋转开关自动位置时，按下运行按钮，设备进入运行状态；④两位旋转开关：手自动切换；⑤控制开：设备在急停或刚上电后，激活安全继电器重新上电；⑥控制关：设备停止，机器人无论手动还是自动均被限制运行；⑦三色灯-红灯：设备处于急停状态手动；⑧三色灯-黄灯：设备处于非急停非自动运行状态；⑨三色灯-绿灯：设备处于自动运行状态。若设备在自动状态，按住运行按钮2s以上，绿灯会被临时屏蔽而熄灭。面板按钮排布示意如图3所示。

图3 面板按钮排布示意图

2） 设备开机操作：设备通电，打开设备电源开关，确保围栏内无人，HUD台架无异物，关闭安全门；按下控制开按钮（若有急停按钮被按下的，先拉起急停按钮），若黄色复位按钮指示灯闪烁，说明有机器人在急停状态，按下此按钮复位机器人急停状态，若不闪烁则跳过此步骤；按下黄色门上锁按钮，安全门被锁住，手自动旋钮打到自动，按下运行按钮保持0.3s，运行灯点亮，设备进入运行状态。此时三色灯-绿灯点亮，长按超过2s，三色灯-绿灯被屏蔽而自动熄灭。

3） 设备关机操作：等待机器人在非移动状态，把手自动旋钮打到自动，按下控制关按钮，如长时间不使用设备，切断设备电源总开关。

4） 设备紧急情况处理：遇到紧急情况，按下设备急停按钮或控制关按钮，设备会紧急停止，若需要进入围栏，坐在座椅上观察HUD时，按下控制关按钮，此时三色灯-红灯常亮。这样即使有人通过示教器手动操作，机器人也不会动。

3 台架组件和工装模块介绍

3.1 相机的设计和安装方案

搭载视觉检测的工业相机，模拟人眼视角，进行HUD图像光学检测作业，同时模拟不同视角状态下人眼观察效果，相机工装配合的机器人使用带有xyz轴向运动以及uvw角度运动的功能，重复定位精度±0.05mm。另外，为了检测的准确度，所有测试点均按照入瞳点坐标执行动作。

相机工装示意图见图4。和相机适配的工装定位孔加工精度为0.05mm，在加工中心完成。因相机自身不带定位销孔，故针对入瞳点点位的测量结合相机数据，设计测量块，同时由于相机的入瞳点为虚拟点，无法直接通过相机去测量，故在设计的测量块上直接体现出入瞳点，配合三坐标测量仪检测、校准45个要求的坐标值。

图4 相机工装示意图

相机安装至工装后，通过标定板的十字线来微调相机位置，如图5所示。适配的相机工装确定了机械手的位置，相机安装后再进行微调，从而确定相机位置。相机微调标定示意图见图6。

图5 标定板十字示意图

图6 相机微调标定示意图

根据上述情况说明，相机本身不带定位销孔，故实物相机的安装通过底部安装螺丝和底部工装的限位槽（图7） 来实现相机的定位固定。

图7 限位槽示意图

3.2 玻璃工装

玻璃工装如图8所示。固定式工装，正常使用时无法移动，仅对中机构可以在使用前移动。模拟整车状态下玻璃的姿态，固定和限位前挡风玻璃，满足HUD成像玻璃的使用需求。因实验室使用有换型的需求，玻璃工装均为换型作业方式。

图8 玻璃工装

考虑到快速换型的便捷性和重复精度等要求，快换机构使用定位销衬套、快插销组合的方式。如图9所示。

图9 快速换型的示意图

定位销和衬套是标准件，制造工艺已经能保证较高的尺寸精度以及零件硬度，在正常使用过程中，耐磨性较好。由于是标准件，定位销和衬套可更加便捷地更换，能快速抑制因磨损而引起的定位精度变差，可保持长时间的精度稳定。

工装支撑点的定位精度为0.1mm，后期调试中均用三坐标测量并校准。图10为玻璃支撑工装点三坐标测量示意图。

图10 玻璃支撑点测量数据示意图

3.3 HUD安装和固定方案

满足HUD的安装和固定，并在要求的定位精度公差范围内，模拟HUD在实车状态下的位置姿态，反馈HUD在模拟状态下实车成像效果。另外，因考虑到实验室使用，HUD工装配合机器人使用带有xyz轴向运动以及uvw角度运动的功能，重复定位精度±0.05mm。HUD工装示意图如图11所示。因台架在实验室使用，HUD工装可快速换型。

图11 HUD工装示意图

HUD定位方式的选择是根据HUD定位需求做适配工装，选取接触台面、定位销，适配工装采用精加工完成，孔位和工装接触面的加工要求均按照0.1mm精度来执行，确保HUD的装配位置精度。理论数据和三坐标报告数据比对：实测和理论数据的比对偏差值均在0.1mm以内。

3.4 标定板

处于HUD理论虚像成像位置处，刻有当前HUD图像理论成像的中心标线，用来标定相机的准确位置，故标定板工装的安装位置精度要求较高。另外，标定板所处位置可直观感受当前HUD成像的位置、效果和理论状态下的比对，用于初步判断和分析。

因是实验室使用，不同车型的理论成像距离以及角度存在差异，故台架标定板工装机构做了前后预留的处理。配合后期换型等需求，标定板工装机构也做了快速换型的处理。

标定板的位置精度由机加工、装配以及最终的三坐标标定三者结合来保证，确保当前型号的标定板位置的准确性。标定板机构理论数据同实测数据比对：实测和理论数据的比对偏差值均在0.1mm以内。

4 结束语

该新型台架的投入和使用，大大提升了换装和测试效率，固定部分和换型部分之间的定位套件使用快速插拔销，可快速完成拆装，无需敲打，固定部分和换型部分采用快拧把手固定，无需工具便可快速完成拆装，效率提升4倍以上，使用寿命更长，相比传统方案，提高了2倍。同时，维护成本低，更换时只需更换定位销和定位衬套即可，每年的均摊使用费用降低了90%，此外，极大降低了操作人员和维护人员的数量和劳动强度，适合作为用于针对多个项目平行同步开发的解决方案，响应速度快捷，测试结果准确高效。可以说，该新型台架的应用，为产品的开发提供了有利支持，并在实际应用中得到了有效的应用。