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按键与旋钮手感测试方案对比

1  基本概念
        汽车中控台按键手感测试的常识项目,包括最大力量(FPeak)、按键行程(traveldistance)、摩擦力(friction)等,大部分是基于“力量-行程”曲线得出的。测试的常见项目,包括扭矩起伏(torquedrop)、摩擦力(friction)、形状因子(shapefactor)等,大部分是基于“扭矩-角度”曲线得出的。所以按键与旋钮的手感测试问题,通常可转变为力量与行程、扭矩与角度的同步测试问题,测试设备通常包括驱动及其传动机构、传感器和夹具等部分。
2  按键测试方案介绍与对比
        对于测量“力量-行程”曲线,最常见的方法有使用旋转步进电机带动滚珠丝杆线性模组作为直线传动机构,用小型易集成的半导体压力传感器测力,用光栅尺等位移传感器测行程,同时用光栅尺的位置脉冲边沿作为力量采集的触发,以保证力量和位置的对应关系,选用FPGA或其他高速设备控制运动的执行。优点是各模块选型自由度大,运动控制细节也容易通过软件自由配置。缺点是系统结构较复杂,开发难度和成本较高,半导体压力传感器容易因误操作受径向力损坏且价格不菲。
        近年来,也出现了使用音圈电机(一种直线电机)的测试方案,优点是原生直线方向运动、速度快、运动稳定,通过标定可以使用音圈电机的伺服电流来表征力量,同时内部集成了光栅尺作为位置闭环,可直接读回位置信息,故可以大幅精简系统。缺点是若用伺服电流表征力量则不如传感器准确,位置和力量的同步性受限于伺服电机控制器的工作方式和性能。
        对于不满足于纯音圈电机方案准确性的应用,还可以只把音圈电机作为传动机构,配合传感器使用,便可各取所长,获取最佳性能,当然成本也相对最高。
        通常按键测试需要保证测试时运动加速度为零,以使力传感器测得数据能正确对应按键的反作用力。由于通常有效测试行程只有1~2mm,且受限于经济型ADC的采样速度,为保证有足够的采集点,测试速度通常限速为约1mm/s。由于测试时实际行程零点会随不同产品机械公差而变化,所以通常需要提前一段距离开始测试,再根据测得的力和零点阈值比较,来判定零点,所以每个按键都会有一段慢速且无效的距离。当按键较多时,这段无效距离就会大幅度影响测试时间,所以选取合适的零点定位方法,可以大幅度减少测试时间。另外,测试头在按键间移动时,需要保持一定高度作为保护,尤其是对于有表面起伏以及突出旋钮的中控台,需要更好地规划测试路径、权衡保护高度,以便减少测试时间。以上3种按键测试技术方案对比,如表1所示。
3    旋钮测试方案介绍与对比
        对于测量“扭矩-角度”曲线,需要使用旋转电机经扭矩传感器带动旋钮,并要求同步采集来自扭矩传感器的扭矩和电机旋转编码器的角度信息。3种常见的旋钮测试方案对比,如表2所示。除了旋转方向的传动外,通常还需要考虑对夹紧和释放旋钮的夹持装置的控制,以及夹持装置在垂直方向的伸缩控制。常见方法有垂直气缸控制伸缩,使用三指气爪来夹放旋钮。使用气动设备的好处是成本较低,控制逻辑简单,但通常运动过程比较刚性,不容易根据产品差异,自适应地对夹持位置和异常状态做出响应,通常需要配合其他传感器使用。
        作为改进,有采用电机来控制垂直方向伸缩的方法,尤其是使用兼有直线和旋转2个维度运动能力的特殊电机(如某些型号的音圈电机),可以大幅度精简系统设计。由于这类电机多内建光栅尺、编码器等传感器,并自有伺服控制逻辑,可以直接获得位置、角度、伺服电流等信息,故可通过编程对一些特殊情况(如运动受阻、未放测试件等)作出响应,并可实现自适应地调节夹持位置。对于精度要求不高的场合,还可以用经过标定旋转方向的伺服电流来表征扭矩的大小,这样又可进一步省去扭矩传感器和配套的连接机构。
        此外,使用普通刚性定位的三指气爪时,需要精确调整好和旋钮的同轴度,否则容易出现一个方向的夹指压得过紧,导致电机转不动或测得结果有较大失真,甚至损毁产品。尤其在设计多旋钮并行测试的方案时,旋钮间变化的装配误差,会使多个测试爪难以保证都处于最佳的同轴位置,所以要求夹持装置作自适应设计,否则很容易导致并行测试时运行不良。
4  聚星并行测试方案的优势
        使用并行测试方案,可以复用大部分机械结构,减少硬件成本;同时可以大幅缩短测试时间,以减少后期人力成本,所以对厂商有着巨大的吸引力。不过并行测试也需要考虑更多的协同工作逻辑,并保证多测试位定位的准确性。
       聚星提供了两穴双按键和两穴四旋钮并行测试方案,已成功为多家中控台厂商提供了成套的按键、旋钮手感测试解决方案。
       聚星仪器两穴双按键并行测试方案,实测曲线,曲线逐键实时更新,可独立设置测试不通过的处理逻辑,所有待测参数可实时根据曲线计算得出,并自动生成测试报告。聚星仪器使用音圈电机驱动的、带自适应设计的特殊机械爪,不仅可以适应多个旋钮的机械制造公差,还可以自动均衡机械爪三指上的夹持力,以实现多旋钮并行测试,大幅提高测试效率。
        在对某厂商产品的测试中,流水线使用以上2个系统,可在平均60s内完成对一个产品的按键和旋钮测试,每个产品包含15个按键和2个旋钮,充分体现了并行测试的效率优势。


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