乘用车内部凸出物方向盘免除区域的标定装置的制作方法

1.本发明涉及m1类汽车乘用车被动安全测试领域，具体涉及一种乘用车内部凸出物方向盘免除区域的标定装置。
技术背景
2.如何更加精准的进行汽车碰撞安全试验，提高汽车的碰撞安全性能是十分重要的。乘用车内部凸出物作为整车碰撞安全性能的一环非常重要，因此必须满足的法规。其中摆锤冲击吸能性试验是要求最高、最不容易满足法规要求的部分。提高内部凸出物吸能性试验区域画取的准确性是十分关键的。
3.根据《gb11552-2009乘用车内部凸出物》标准要求，方向盘外缘再加127mm的环带水平向前投影的区域，下边界是与方向盘下缘相切的水平面。这个区域的测量难点是如何确保水平向前的投影准确可靠，随着方向盘转动每个按角度均布的投影点的水平位置都需要重新调整。
4.现有技术公开了一种乘用车内部凸出物方向盘豁免区的画取装置，包括连接杆、装夹块、调节杆、万向节、激光笔，所述装夹块数量为两个，相对套设于连接杆上且间距可调，装夹块下部靠近方向盘的一侧设有与方向盘边缘对应配合的装夹槽，下部远离方向盘的一侧设有第一螺纹孔；所述调节杆的一端设有与所述第一螺纹孔对应配合的连接部，另一端设有球头；所述万向节上设有与所述球头对应配合的球头安装座和用于固定激光笔的安装孔。
5.仅通过人工手动调节万向节，然后目测观察激光笔的水平状态，使测量过程难以完全确保激光笔处于水平，造成测量误差，进而造成试验误差；通过转动方向盘实现乘用车内部凸出物方向盘免除区域水平区域投影测量的过程没有角度反馈的控制容易出现误差，无角度反馈，会出现测量区域范围不准确；造成标定区域标定的过大或者过小；如果测量区域误差太大，后期处理的数据与理论值相差太大，失去参考价值，以至于此试验需要重新做；增加了时间和成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，从而提供一种乘用车内部凸出物方向盘免除区域的标定装置，使激光笔在水平方向的调整更准确，同时提高了操作的方便性，提高工作效率。
7.一种乘用车内部凸出物方向盘免除区域的标定装置，包括：用于驱动方向盘旋转的旋转驱动机构，装于待标定车辆主驾驶座椅处，所述旋转驱动机构包括固定底座、立于固定底座上的底座托架、铰链，铰链的第一合页固定于底座托架顶端，第二合页向上翻起，上端装有旋转驱动装置，旋转驱动装置包括可随角度编码器一旋转的主动轮、套接于主动轮及方向盘连接轴外用于传动的皮带；第二合页上设有螺纹孔，螺纹孔内装有用于调节铰链两端部夹角的调整螺栓；
标定装置本体，装于待标定车辆的方向盘上，所述标定装置本体包括光轴、装夹本体，装夹本体为两个，分装于光轴两端部上且相对距离可以调节，两个装夹本体下端部设有用于夹装方向盘的夹装槽，两个装夹本体固定在方向盘上后，光轴与方向盘的外周圆所在平面平行；一个装夹本体外侧固定有过渡固定装置，过渡固定装置下端装有可随伸缩驱动装置伸缩的可伸缩光轴，可伸缩光轴与方向盘外边缘位于同一平面，且顶端设有球头，球头上装有万向节，万向节上装有角度编码器二，角度编码器二的转轴上装有u型支架，u型支架顶端装有可随伺服电机旋转的激光笔套，激光笔套内装有激光笔，激光笔发射端与伺服电机的输出轴轴线平齐；光轴上装有陀螺仪，陀螺仪上装有可检测当方向盘由上一检测位置旋转至当前检测位置时，x、y、z三轴的角度变化值的姿态传感器，姿态传感器与无线信号发射器电连接，用于将姿态传感器检测信号发送给控制器，控制器将接受到的z轴角度的实际变化值与试验要求的相邻两个检测位置的夹角值对比后，控制角度编码器一旋转进行差值补偿；差值补偿后，通过x轴角度的变化值控制伺服电机的旋转角度，通过y轴角度的变化值控制角度编码器二的旋转角度，进而让激光笔发射端水平向前发射出激光。
8.所述装夹本体上端部设有与光轴匹配的通孔、与所述通孔贯通的螺纹沉孔，螺纹沉孔内装有顶端抵住光轴用于防止光轴横移的螺钉一；夹装槽两侧壁设螺纹通孔，螺纹通孔内装有顶端抵住方向盘防止装夹本体移动的螺钉二。
9.所述过渡固定装置为方壳体，上端开设与光轴匹配的过孔一，下端开设与可伸缩光轴匹配的过孔二；伸缩驱动装置包括装于方壳体内的齿轮、用于驱动齿轮旋转的电机，可伸缩光轴一端开设与齿轮相啮合的齿槽。
10.万向节包括套在球头上端部的法兰盘、套在球头下端部的球型托环及用于固定连接法兰盘与球型托环的螺帽；法兰盘为阶梯圆柱型，包括大台阶部、连接在大台阶部下端的小台阶部，小台阶部外壁设外螺纹，内部设与球头匹配的球面孔一；球型托环内设与球头匹配的球面孔二；螺帽内设台阶孔，包括大台阶孔、连接于大台阶孔下的小台阶孔，大台阶孔内设与小台阶部外螺纹匹配的内螺纹，小台阶孔孔径小于球型托环外径；法兰盘的大台阶部、过渡固定装置与激光尺发射头对应位置设有透光孔。
11.激光笔套设于u型支架远离角度编码器二一端，u型支架外壁一端设过孔三，另一端设与过孔三对应的支撑杆，伺服电机的输出轴穿过u型支架的过孔三后与激光笔套外壁一端固定，激光笔套外壁另一端设与支撑杆匹配的轴孔。
12.激光笔套外装有激光尺，激光尺尾端与激光笔发射端平齐，激光尺与控制器电连接用于驱动电机旋转，控制可伸缩光轴伸缩，使激光笔发射端到方向盘之间的距离时刻保持在标准要求的127mm处；激光笔、激光笔套尾部对应位置设螺孔，深度调节螺栓穿过激光笔套、激光笔尾部的螺孔将激光笔固定在激光笔套内。
13.姿态传感器托架下端固定在光轴上，所述陀螺仪包括x方向托盘、y方向托盘，x方向托盘沿光轴长度固定在姿态传感器托架上，y方向托盘通过x方向调平杆垂直装在x方向托盘内，x方向调平杆穿过y方向托盘底部一端与x方向托盘一侧壁通过轴承转动连接，另一端部穿过x方向托盘的另一侧壁，顶端装有x方向从动齿轮，x方向电机输出轴上装有x方向主动齿轮，x方向主动齿轮与x方向从动齿轮相啮合；y方向调平杆垂直装于y方向托盘上，且一端与y方向托盘的一侧壁通过轴承转动
连接，另一端部穿过y方向托盘的另一侧壁，顶端装有y方向从动齿轮，y方向电机输出轴上装有y方向主动齿轮，y方向主动齿轮与y方向从动齿轮相啮合；姿态传感器装于y方向调平杆上，姿态传感器装好后与方向盘连接轴的轴心线平齐；x方向托盘、y方向托盘上分别装有x方向无线信号接收器、y方向无线信号接收器。
14.所述固定底座与待标定车辆主驾驶座椅安装孔相对位置上设有让位孔，两个固定螺栓向下依次穿过对应让位孔、主驾驶座椅安装孔将固定底座固定于待标定车辆主驾驶座椅处。
15.所述角度编码盘一外罩有外壳体，外壳体上设有用于通过角度编码盘一转轴的通孔，角度编码盘一转轴穿过外壳体上的通孔后与主动轮连接；外壳体上设有沿横向延伸的腰型长孔，腰型长孔位于主动轮与方向盘连接轴之间，且内部装有张紧轮，张紧轮下端轴自带张紧膨胀轴套；张紧轴套膨胀后与腰型孔臂过盈配合，产生的摩擦力使张紧轮固定在腰型长孔内；主动轮、张紧轮外周设有与皮带宽度相匹配的凹槽。
16.所述第二合页与底座托架之间装有弹簧，弹簧上端部与第二合页固定连接，下端部固定于拉力弹簧座上，拉力弹簧座固定于底座托架上。
17.本发明技术方案带来的有益效果：1、俯仰和角度的自动检测和控制，使激光笔在水平方向的调整更准确且提高了操作的方便性；2、通过可伸缩光轴的调节实现不同尺寸的方向盘的测量；3、通过激光测距仪实现对127mm的自动调节；4、通过皮带连接拆卸掉万向头的方向盘连接轴13的角度的自动设置并进行精确控制，使免除区域的测量更为准确。
18.本发明相比于现有技术使标定的准确率提升了47.5%；进而使试验的工作效率提升了35%。
附图说明
19.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明标定装置本体的结构示意图；图3是使用本发明进行标定时的示意图；图4是本发明可伸缩光轴的结构示意图；图5是本发明部分结构示意图；图6是本发明万向节的结构示意图；图7本发明陀螺仪的结构示意图；图8本发明旋转驱动机构的结构示意图；图9本发明旋转驱动机构的部分结构示意图；图10本发明旋转驱动机构角度补偿的原理图；图中：1、装夹本体；2、光轴；2.1、可伸缩光轴；3.1、螺钉二；3.2、螺钉一；3.3、螺钉一；3.4、过渡固定装置；3.5、电机；4、螺帽；5、球型托环；6、球头；7、法兰盘；8、激光笔；8.1、激光笔套；8.2、深度调节螺栓；8.3、伺服电机；8.4、u型支架；8.5、角度编码器二；9、激光尺；
10、方向盘；11、y方向托盘、11.1、y方向调平杆；11.2、y方向从动齿轮；11.3、y方向主动齿轮；11.4、y方向电机；11.5、y方向无线信号接收器；12、x方向托盘、12.1、x方向调平杆；12.2、x方向从动齿轮；12.3、x方向主动齿轮；12.4、x方向电机；12.5、x方向无线信号接收器；13、方向盘连接轴；14、底座托架；14.1、主动轮；14.2、张紧轮；14.3、调整螺栓；14.4、皮带；14.5、旋转驱动装置；14.6、铰链；14.7、弹簧；14.8、弹簧座；15、固定底座；16.1、固定螺栓；16.2、固定螺栓；17、姿态传感器托架；17.1、无线信号发射器；17.2、姿态传感器。
具体实施方式
20.图1中，本发明包括旋转驱动机构、标定装置本体，旋转驱动机构用于驱动方向盘旋转，装于待标定车辆主驾驶座椅处，旋转驱动机构包括固定底座15、立于固定底座15上的底座托架14、铰链14.6，铰链14.6的第一合页固定于底座托架14顶端，第二合页向上翻起，上端装有旋转驱动装置14.5，旋转驱动装置14.5包括可随角度编码器一旋转的主动轮14.1、套接于主动轮14.1方向盘连接轴13外用于传动的皮带14.4；第二合页上设有螺纹孔，螺纹孔内装有用于调节铰链两端部夹角的调整螺栓14.3；标定装置本体装于待标定车辆的方向盘10上，标定装置本体包括光轴2、装夹本体1，装夹本体1为两个，分装于光轴2两端部上且相对距离可以调节，两个装夹本体1固定在方向盘10上后，光轴2与方向盘的外周圆所在平面平行；一个装夹本体1外侧固定有过渡固定装置3.4，过渡固定装置3.4下端装有可随伸缩驱动装置伸缩的可伸缩光轴2.1，可伸缩光轴2.1与方向盘10外边缘位于同一平面，且顶端设有球头6，球头6上装有万向节，万向节上装有角度编码器二8.5，角度编码器二8.5的转轴上装有u型支架8.4，u型支架8.4顶端装有可随伺服电机8.3旋转的激光笔套8.1，激光笔套8.1内装有激光笔8，激光笔8发射端与伺服电机8.3的输出轴轴线d平齐；光轴2上装有陀螺仪，陀螺仪上装有可检测当方向盘10由上一检测位置旋转至当前检测位置时，x、y、z三轴的角度变化值的姿态传感器17.2，姿态传感器17.2与无线信号发射器17.1（型号：泽耀2.4g工业无线串口模块）连接，用于将姿态传感器17.2检测信号发送给控制器，控制器将接受到的z轴角度的实际变化值与试验要求的相邻两个检测位置的夹角值对比后，控制角度编码器一旋转进行差值补偿；差值补偿后，通过x轴角度的变化值控制伺服电机8.3的旋转角度，通过y轴角度的变化值控制角度编码器二8.5的旋转角度，进而让激光笔8发射端水平向前发射出激光。
21.图2中，装夹本体1上端部设有与光轴2匹配的通孔、与所述通孔贯通的螺纹沉孔，螺纹沉孔内装的螺钉一（3.2、3.3）将两个装夹本体1与光轴2连接形成一个固定的刚性体；两个装夹本体1下端部设有用于夹装方向盘10的夹装槽，夹装槽两侧壁设螺纹通孔，螺纹通孔内装有顶端抵住方向盘10防止装夹本体移动的螺钉二3.1，过渡固定装置3.4上端连接光轴2，下端连接可伸缩光轴2.1，伸缩驱动装置包括装于方壳体内的齿轮、用于驱动齿轮旋转的电机3.5。
22.图3中，c区域是指方向盘外缘再加127mm的环带水平向前投影的区域；旋转方向盘10方向盘，陀螺仪里的姿态传感器17.2通过无线信号发射器17.1发送出当前位置与上一个检测位置之间的x、y、z三轴的角度变化值给控制器；控制器通过y轴角度的变化值控制角度编码器二8.5并带动u型托架8.4旋转到对应角度；通过x轴角度的变化值控制伺服电机8.3并带动激光笔套8.1旋转到水平位置；通过角度编码器二8.5及俯仰伺服电机8.3的同步连
动，确保激光射线a随着方向盘的旋转始终处于水平位置。
23.图4中，可伸缩光轴2.1一端轴向上加工有与齿轮相啮合的齿槽，伸缩电机3.5输出轴上的齿轮带动可伸缩光轴2.1沿轴向上的齿条，完成可伸缩光轴2.1相对过渡固定装置3.4的伸缩。
24.图5中，激光笔套8.1设于u型支架8.4远离角度编码器二8.5一端，u型支架8.4外壁一端设过孔三，另一端设与过孔三对应的支撑杆，伺服电机8.3的输出轴穿过u型支架8.4的过孔三后与激光笔套8.1外壁一端固定，激光笔套8.1外壁另一端设与支撑杆匹配的轴孔；激光笔套8.1外装有激光尺9，激光尺9尾端与激光笔8发射端平齐，激光尺9与控制器电连接用于驱动电机3.5旋转，控制可伸缩光轴2.1伸缩，使激光尺9向方向盘10发射激光束b，测量激光笔8发射端到方向盘10之间的距离时刻保持在标准要求的127mm处；激光笔8、激光笔套8.1尾部对应位置设螺孔，深度调节螺栓8.2穿过激光笔套8.1、激光笔8尾部的螺孔将激光笔8固定在激光笔套8.1内。
25.图6中，钢球6固定在可伸缩光轴2.1的一端，万向节包括套在球头6上端部的法兰盘7、套在球头6下端部的球型托环5及用于固定连接法兰盘7与球型托环5的螺帽4；法兰盘7为阶梯圆柱型，包括大台阶部、连接在大台阶部下端的小台阶部，小台阶部外壁设外螺纹，内部设与球头6匹配的球面孔一；球型托环5内设与球头6匹配的球面孔二；螺帽4内设台阶孔，包括大台阶孔、连接于大台阶孔下的小台阶孔，大台阶孔内设与小台阶部外螺纹匹配的内螺纹，小台阶孔孔径小于球型托环5外径；法兰盘7的大台阶部、过渡固定装置3.4与激光尺9发射头对应位置设有透光孔。
26.图7中，姿态传感器托架17下端固定在光轴2上，上端放置陀螺仪；姿态传感器17.2安放在陀螺仪的y方向托盘11上，使姿态传感器17.2姿态始终水平；陀螺仪x方向托盘12、y方向托盘11，x方向托盘12沿光轴2长度固定在姿态传感器托架17上，y方向托盘11通过x方向调平杆12.1垂直装在x方向托盘12内，x方向调平杆12.1穿过y方向托盘11底部一端与x方向托盘12一侧壁通过轴承转动连接，另一端部穿过x方向托盘12的另一侧壁，顶端装有x方向从动齿轮12.2，x方向电机12.4输出轴上装有x方向主动齿轮12.3，x方向主动齿轮12.3与x方向从动齿轮12.2相啮合；y方向调平杆11.1垂直装于y方向托盘11上，且一端与y方向托盘11的一侧壁通过轴承转动连接，另一端部穿过y方向托盘11的另一侧壁，顶端装有y方向从动齿轮11.2，y方向电机11.4输出轴上装有y方向主动齿轮11.3，y方向主动齿轮11.3与y方向从动齿轮11.2相啮合；姿态传感器17.2装于y方向调平杆11.1上，姿态传感器17.2装好后与方向盘连接轴13的轴心线平齐；这样的好处角度误差会很小，反之远离方向盘连接轴13姿态传感器的转动惯量增大，测量误差增加；x方向托盘12、y方向托盘11上分别装有x方向无线信号接收器12.5（型号：泽耀2.4g工业无线串口模块）、y方向无线信号接收器11.5（型号：泽耀2.4g工业无线串口模块），x方向无线信号接收器12.5、y方向无线信号接收器11.5分别接收姿态传感器17.2的x、y轴角度的变化值，对应的控制x方向电机12.4与y方向电机11.4根据角度信号进行旋转，使陀螺仪x、y方向始终与水平面平行。
27.图8中，固定底座15有可调孔距的让位孔，通过座椅固定螺栓（16.1、16.2）固定在主驾驶座椅安装螺纹孔上（主架座椅提前拆除）；使固定底座15生根在主驾驶座椅位置；底
座托架14放置在固定底座15上，两者是个整体。
28.图9中，铰链14.6一端连接在底座托架14，另一端装有旋转驱动装置14.5；弹簧14.7一端连接在铰链14.6上端，另一端连接拉力弹簧座14.8，使铰链14.6形成预张紧力；弹簧14.7形成张紧力的目的是防止可调角度铰链14.6翻转；铰链14.6通过安置在其上的调整螺栓14.3调整铰链的俯仰角度；铰链调整的角度与拆卸掉万向头的方向盘连接轴13平行；顺时针或者逆时针旋转调整螺栓14.3，带动铰链14.6张开或者关闭，调整到与铰链14.6与拆掉万向头的方向盘连接轴13平行；旋转驱动装置14.5安装有带角度编码盘的主动轮14.1，皮带14.4一端贴敷在拆卸掉万向头的方向盘连接轴13上，另一端放置在带角度编码盘的主动轮14.1里，通过旋转驱动装置14.5上可调的张紧轮14.2张紧皮带14.4；角度编码盘一外罩有外壳体，外壳体上设有用于通过角度编码盘一转轴的通孔，角度编码盘一转轴穿过外壳体上的通孔后与主动轮14.1连接；外壳体上设有沿横向延伸的腰型长孔，腰型长孔位于主动轮14.1与方向盘连接轴13之间，且内部装有张紧轮14.2，张紧轮下端轴自带张紧膨胀轴套；张紧轴套膨胀后与腰型孔臂过盈配合，产生的摩擦力使张紧轮固定在腰型长孔内；主动轮14.1、张紧轮14.2外周设有与皮带宽度相匹配的凹槽。
29.陀螺仪使姿态传感器17.2与地面是水平状态，当旋转方向盘时，姿态传感器17.2在陀螺仪的控制下，时刻在水平状态下显示出方向盘旋转的角度，使角度反馈的精度更高；姿态传感器17.2是成熟的产品，其内部有电子陀螺仪（建立有绝对坐标系），可以感知xyz的角度变化，姿态传感器17.2的型号为hwt901b。
30.图10中，当旋转驱动装置14.5带动有角度编码盘的主动轮14.1，主动轮14.1带动皮带14.4，使方向盘连接轴13旋转∠1；此时方向盘中心陀螺仪里的姿态传感器17.2检测到实际的方向盘连接轴13旋转的角度∠2，由于存在皮带14.4打滑等因素导致的误差，姿态传感器17.2检测到的∠2的角度小于∠1,角度差值为∠3；控制器已经预先设定好∠1的度数，当姿态传感器17.2检测到的∠2反馈到控制器后，控制器对比∠1和∠2是否一致，如比对出现角度差值∠3，控制器发射控制信号给旋转驱动装置14.5，带动有角度编码盘的主动轮14.1旋转出差值∠3，如此往复，直到姿态传感器17.2检测到的∠2=∠1（预设值）；这时角度差值补偿完成。
31.根据需要的测量点数，得出相邻两测量点之间的夹角，控制器带动旋转驱动装置14.5的角度编码盘一按固定角度旋转，进而使主动轮14.1和方向盘连接轴13上的皮带14.4旋转，并带动方向盘连接轴13按固定角度进行间歇式的旋转，控制器根据理论设定角度与接收到姿态传感器17.2通过无线信号发射器17.1发送出当前位置与上一个检测位置之间的z轴方向角度信号对比，并进一步的调整主动轮14.1进而调整方向盘连接轴13的旋转角度形成一个完整的闭环角度控制系统，使角度不断调整到理论输入的角度；方向盘10旋转过程中，再将方向盘中心陀螺仪里的姿态传感器17.2通过无线信号发射器17.1发送出当前位置与上一个检测位置之间的x、y轴的角度变化值给控制器；其中x轴方向的信号发送给伺服电机8.3，用于控制激光笔套8.1的俯仰；y轴方向信号发送给角度编码器二8.5，用来控制u型支架8.4的旋转，通过角度编码器二8.5及俯仰伺服电机8.3的同步连动，确保激光射线a随着方向盘的旋转始终处于水平位置，直到完成控制器预设的标记点，至此方向盘免除区域测量完毕。