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049 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

2 机器人视觉抓件技术应用中的问题及原因分析

很多汽车厂商在推进机器人视觉抓件技术的时候感到阻力，

主要顾虑点在于机器人抓件技术成本太高或者故障率太高，无法

正常生产或者大规模推广使用，导致机器人视觉技术应用的整体

效果大打折扣。通过日常使用的数据综合来看，抓件技术应用中

的问题可以归纳为以下 3 种情况，笔者对这些问题的内在原因也

进行了分析。

2.1 机器人视觉抓件成功率低，精度不足

机器人视觉抓件技术的应用过程中，视觉识别的精度经常是

影响正常运行的主要问题之一。造成这种原因的主要原因可以分

为 2 类 ：一类是硬件设置的问题，如相机选型、光源布置以及相

机安装方式等不合理，导致视觉成像精度差，从而影响坐标值输

出的准确度，影响到机器人抓件精度 ；另一类是视觉本身的算法

问题、设备参数的调试以及特征点选取等问题，导致输出的坐标

参数与实际的零件坐标差异大，从而影响机器人的抓件精度，频

繁出现零件不进销或者被挤压变形等问题。

2.2 机器人视觉抓件故障率高，稳定性不足

机器人视觉抓件的稳定性问题主要集中在机器人抓手、零件

和零件料框三者之间的尺寸配合问题上，这也往往是机器人视觉

抓件集成过程中难度最大的地方。外协件的料框尺寸在实际投入

使用过程中一致性通常较差，主要由于零件料框由钣金供应商提

供，其尺寸和前期设计均由供应商负责。料框最基本的要求也仅

仅是满足零件的包装运输要求，同时由于成本的控制，其结构强

度不会控制在较高的水平，所以运输过程中经常会出现碰撞变形。

工装抓手的设计往往也仅考虑零件的定位和抓取问题。

所以料框和工装抓手的设计要求出现了脱节，而机器人视觉

抓件技术又需要两者相互配合。这就造成这两者之间的尺寸经常

会出现偏差，导致抓件时抓手与料框干涉、零件与料框干涉等问

题，安全距离设置不足，甚至在后期应用时，抓件识别成功率不

高或者故障率高。

2.3 机器人视觉抓件故障恢复时间长

在机器人视觉抓件项目调试或者生产过程中，由于视觉系统

识别失败或人为操作失误等原因，导致机器人没有按照预设好的

行走轨迹进行零件抓取，造成机器人抓手与料框或零件发生碰撞，

故障严重时抓手完全变形无法进继续进行正常生产。在故障恢复

过程中，除了需要重新校准抓手外，还需要对视觉系统进行重新

校准和标定，整个故障恢复时间相比传统的抓件模式多出 2 h。

长时间的停线影响整体产线的产量输出，对于许多汽车厂商来说

是无法接受的损失。为了应对这种情况的出现，许多汽车厂商在

建设机器人视觉抓件的同时，设有临时人工吊运的旁路。这虽然

能够临时解决停线的问题，但多投入的这些设备和人，在机器人

视觉抓件正常工作时又是一种资源浪费。

3 汽车焊装产线的机器人视觉抓件的优化

针对传统机器人视觉抓件系统存在的问题，要对整个机器人

视觉抓件系统进行优化改进，需要从系统结构、硬件选择、流程

控制以及料框精度和定位等多个方面进行提升，从而实现机器人

视觉抓件系统运行的稳定性。

3.1 机器人视觉抓件系统结构优化

为了提升机器人视觉抓件的成功率和故障率，减少因视觉识

别失败或者料框及零件出现偏差导致设备碰撞引起大的设备故障

停线，需对现有的结构进行优化。在传统的机器人抓件视觉系统

的基础上，增加 2D 的平面相机，融合 2 个传感器数据，建立一

个统一的坐标系，通过融合数据实现轨迹的纠偏，同时也能够实

现视觉系统的快速标定和恢复（图 4）。

整个工艺流程中，当料框到位后，单目相机对料框的标识点

进行拍照，计算出料框的实际中心位姿，并与示教位姿进行对比，

计算出机器人进出料框的轨迹补偿量。同时每次抓件前，单目相

机拍照进行车型的式样差检查，并判断料框物料的托块是否打开

图 3 视觉抓件故障停线占比

螺栓以及小支架自动抓取等。虽然机器人视觉抓件技术的应用范

围越来越广，但实际应用过程中仍然存在着抓件精度不足、故障

率频次高以及故障恢复时间长等问题（图 3），导致整线的生产效

率降低，这对于焊装产线推广应有机器人视觉抓件技术存在着很

大的困扰。如何提升机器人视觉抓件系统的精度和稳定性，成为

各个汽车厂商焊装车间急需要解决的难题 [4]。

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到位，零件是否为可抓取状态，以避免抓手与料架的干涉。机器

人根据视觉系统的补偿量调整轨迹进入料框，在料框内利用 3D

相机对物料进行近距离拍照，获取待抓取物料的位姿，计算出机

器人的轨迹补偿值。机器人调整轨迹抓取物料，抓取零件后机器

人再按照料框的偏差值修正轨迹行走出料框。新的视觉抓件系统

能够降低对零件料框的定位精度以及尺寸一致性的要求，从而降

低零件料框的开发成本。同时，能够最大限度降低故障碰撞发生

的概率，提升机器人视觉抓件系统的稳定性。

3.2 机器人抓件视觉相机的硬件选型

3.2.1 视觉相机参数选择

视觉相机的选取需要根据需要检测对象的视野范围大小，然

后根据现场的工况条件确认拍照距离，以此为基础来确定相机和

镜头的型号。对于汽车焊装产线来说，主要有小件抓取、大件抓

取和测量等的视觉应用场景。其主要应用 3D 结构光相机的选择[4]，

常用的相机配置选择参数推荐如表 1。

3.2.2 机器人视觉抓件光源和布置方式选择

光源的选择应根据不同的应用场景选择不同的型号，常用

的有 LED、荧光灯和卤素灯。其中，LED 照射形状、大小和颜

色种类丰富，转换特性良好，寿命约 3 万 h ；荧光灯可实现大

范围照射、较为便宜，使 10 kHz 以上的高频型式，寿命约为

2 000 h ；卤素灯具有高辉度、光纤传导和冷光照明等特性，寿

命约为 1 000 h。

机器人视觉光源布置的方式，不同的光照类型对视觉拍照成

像的影响比较大。机器人视觉一般有以下几种常见的光源布置方

式 ：第一种将平面发光的扩散光线通过半反射镜进行反射后，照

射到与 CCD 相机光轴相同的轴上，有利于着重提取凹凸和平行

度等的变化情况 ；第二种是通过从斜侧方照射以拍摄到阴影的对

比度，有利于对边缘或表面凹凸的识别时 ；第三种是当进行工件

背影宽度等尺寸检测时，使用背光照射方式可得到稳定的检测 [5]。

3.2.3 机器人视觉抓件的安装方式选择

机器人视觉系统的安装常选择以下 2 种方式。

第一种是相机固定的方式，这种方式优势是可以在机器人运

动时拍照，相机连接电缆铺设简易，但该方式的检测区域固定，

如果因外界因素导致相机和机器人间相对位置变更，必须重新示

教标定。

第二种方式是相机固定在机器人上，检测区域可以随机器人

变化，整体检测范围增加。这种方式可以使用较大范围的相机焦

距，可以提升检测精度，且容易拓展再检测功能。但是这种方式下，

机器人无法在运动过程中实现拍照，需要先降速稳定后进行拍照，

拍完照之后再加速运动。同时，这种方式下还须注意光源是否被

机器人或外围设备干涉，注意照相机连接电缆的磨损现象，避免

线缆出现拉扯和磨损影响生产效率。

在实际的机器人抓件场景的使用中，相机安装在机器人六轴

上的应用方式最广，适用性更强，可满足多车型共用，不随抓手

切换。

3.3 料框定位系统精度的提升

为了能够避免料框和机器人抓手在配合上的误差，机器人抓

手在设计初期要同步开始设计料框的形式。抓手设计和料架建议

采用模块化的设计方式，零件的变化仅需要改变部分结构，这样

序号 应用场景 分辨率 视野（长×宽×高）/mm 推荐拍照距离/mm 点云精度 安装方式

1

大目标定位引导，小视野无序抓取引导 2M

460.0×460.0×200.0 1 200.0

0.04～0.08 固定/移动

750.0×750.0×400.0 2 000.0

2

中大视野无序抓取引导 2M

460.0×460.0×200.0 1 200.0

0.20～0.50 固定

1 200.0×1 200.0×1 200.0 4 000.0

表 1 3D 结构光视觉应用参数推荐

图 4 新型机器人视觉抓件系统

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【参考文献】

作者简介 :

韦俊尤，硕士，工程师，研究方向为汽车车身制造。

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术 ,2023,52(01):296-297.

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料 ,2020,21(11):172-173.

[5] 杨人豪 . 工业机器人视觉定位抓取技术的研究 [D]. 广州 : 广东工业大

学 ,2021.

能够快速实现设计到制造的过程，同时也减少很多不必要的变量

影响。对于整个料框的设计有一些最基本的参数要求，例如物料

摆放位置度容差范围 ：X、Y ≤ ±70.0 mm(z 向偏差 )，倾斜角

度≤ ±5°。料框的框架的立柱垂直度需要控制在≤ ±3°的偏差范围

内 ；料框与抓手立柱以及零件支撑块的安全距离设置＞ 50.0 mm，

避免抓手在抓取过程中出现偏差，导致与料框发生碰撞。

3.4 优化机器人视觉抓件系统的处理流程

对以前定点拍照的处理流程进行优化。原流程机器人视觉抓

件的成功率大多需要依靠零件料框定位系统的精度（料框相对机

器人以及零件相对料框的精度）。根据上述分析，料框定位系统

的精度一致性在抓件过程中很难得到保证。所以在零件抓取作业

的整个流程中，如果料框系统的定位精度高，机器人可直接进入

拍照位进行识别抓取 ；但当出现料框系统的定位精度不足时，固

定位置拍照很有可能无法识别到零件的位置，从而影响机器人抓

件成功率。

通过增加对料框位置实时检测识别，可以避免这一情况的出

现（图 5）。机器人需要在高位先对料框的位置进行识别判定，找

到料框的位置后再运动至料框的零件拍照位置，拍照识别零件在

料框中的位置，并判断零件有无、是否为可抓取状态后再进行定

位识别，这样可大幅度提升机器人抓件成功率。

4 机器人视觉抓件系统的测试验证

按优化后的机器人视觉抓件系统对某车型的前地板焊合总成

抓件工位改进，同时对机器人视觉系统进行布置的同时，需要对

系统精度、检测时间以及系统故障率进行操作测试。以某车型前

图 5 机器人视觉抓件技术处理流程优化

表 2 视觉抓件系统优化后测试结果

组号/偏差 ±0.5

mm

±0.4

mm

±0.3

mm

±0.2

mm

±0.1

mm

第1组 98.9% 98.2% 97.3% 96% 72.2%

第2组 100% 100% 99.8% 99.6% 77.8%

第3组 95.9% 93.4% 90.4% 86.3% 56.9%

地板焊合总成作为测试样件，针对测试目标搭建测试平台。要求：

视觉检测的点云模型与数模设计图的尺寸偏差为 ±0.5 mm（孔、边、

面的精度）；定位销的配合公差为 ±0.5 mm，用于检测视觉识别精

度 ；工作距离（即相机的拍照距离）为 1 300.0 ～ 1 600.0 mm ；相

机视野选择 800.0 mm×800.0 mm。选取一块固定位置作为定位

识别区域，以此为基准引导抓取。整个测试分 3 组进行，拍照距离

分别为 1 300.0 mm、1 450.0 mm 和 1 600.0 mm，测试结果如表 2

所示。试验抓件引导共进行 733 次，成功 732 次 ；在 ±0.3 mm 的

识别精度要求下，抓件成功率达 99.8%，满足机器人视觉抓件识

别的成功率要求。

5 结束语

机器人视觉抓件系统结构通过优化后，能以较低的成本提升

整个系统的稳定性，降低系统故障的风险，降低机器人抓件视觉

的故障率。同时，能够缩短其故障恢复时间，保障整个系统的稳

定性和装产线的生产效率。随着机器人视觉抓件技术的发展，机

器人会越来越智能化、视觉识别的精度越来越高、算法越来越成

熟，在系统结构不断的优化下，稳定性也会越高。由此可见，机

器人视觉抓件技术在汽车焊装线将会被广泛应用，不断提升汽车

制造厂商的无人化和智能化水平，在智能制造的舞台上发挥着不

可替代的积极作用。

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052 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

蒋常林、李钟波

摘要 ：文章介绍了新能源汽车装配过程中，由于电机控制器的高压线束紧固螺母间隙过小（9.5 mm），导致普通工具无法完成紧固，需开发特殊

工具满足装配。文中详细阐述了工具设计过程，包含分析零件结构、制定设计需求及开发工具三个阶段。在工具开发后进行实际应用跟踪，分别

从装配空间、扭矩精度、操作节拍以及产品需求上进行小批量验证，通过产品变更及工具优化解决了扭矩衰减问题，该工具已投入车间使用。

关键词 ：电机控制器控制单元 ；小空间 ；拧紧工具 ；扭矩精度 ；操作节拍

中图分类号 ：u468.2+3 文献标识码 ：A

一种应用于新能源车型的小空间电动拧紧工具

0 引言

电机控制器控制单元（MCU）作为电动汽车动力总成的核心

部件，直接控制车辆的扭矩和车速，如果发生失效，将危及到整

车、驾驶员和行人的安全 [1]。汽车总装装配过程主要为紧固拧紧

操作，而 MCU 拧紧的质量及空间是产品工程师和工艺工程师关

注的重点，其拧紧质量直接影响了整车行驶安全。本文针对 MCU

高压线束小空间、非常规的拧紧空间，介绍了如何开发新型的非

标准拧紧工具，并对工具的实际应用做了说明。

1 开发背景

1.1 现有工具分类

在选择螺栓拧紧工具时，应首先了解螺栓拧紧工具的基本原

理及相关参数，再考虑产品结构空间特性及装配效率要求，选择

合适的拧紧工具 [2]。目前市场上销售以及工厂内使用的拧紧工具

从形状上区分主要分为 3 类（图 1）。

（1）如紧固普通的紧固件，空间开阔则可采用枪式拧紧工具，

紧固件轴向 L 空间要求为 230.0 mm 以上（图 1a）。

（2）如紧固件的轴向空间受限，可考虑使用弯头工具，一般

轴向 L 空间需求为 80.0 mm 以上（图 1b）。

（3）如轴向空间小于 80.0 mm，一般会考虑使用棘轮工具。

开口棘轮工具轴向空间要求小，但是紧固件包裹面工具的 B 空间

要求在 15.0 mm 以上（图 1c）。

1.2 现有工具分析

某新能源车电机控制器高压线束与 MCU 连接后，线束外部采

用了密封螺母与 MCU 紧固 , 以使其具有更好的密封性能。螺母对边

尺寸为 30.0 mm，且螺母与螺母之间距离很小，仅为 9.5 mm（图 2）。

从工具使用方法上分析，枪式拧紧工具和弯头拧紧工具的拧

紧方向为紧固件的轴向方向，这 2 类工具适合螺栓与螺母的紧固。

针对厂内 MCU 零件的特殊拧紧结构，拧紧的轴向方向有高压线

束，枪式和弯头工具肯定无法使用。开口棘轮工具本体与紧固件

为垂直方向，满足 MCU 高压线束的出线，但是由于该工具包裹

面的 B 空间为 15.0 mm，不满足 MCU 紧固螺母间距为 9.5 mm

的要求，因此该工具尺寸也不满足零件的装配需求。

2 拧紧工具设计

2.1 简易工具设计

由于本零件紧固暂未开发合适的电动工具，为满足生产造车，

厂内临时使用削薄加工的开口扳手完成手动拧紧（图 3）。因为手

动拧紧不能连续旋转，每一颗螺母需要经过约 8 次拧紧过程（进

入——旋转——退出）才能达到扭矩要求。每一颗密封螺母最

图 1 工厂常用拧紧工具

图 2 MCU 结构示意图

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终完成时间约为 24 s，

MCU 需 要 拧 紧 5 根 高

压线，总共需要约 120

s 完成操作。仅密封螺

母拧紧过程就需要 1 人

/ 班，完成 MCU 所有操

作需要 2 人 / 班。该工

具成本低，但是效率慢，

图 4 电动拧紧工具示意图

图 3 简易拧紧工具结构

需增加生产人员才能满足装配，因此需要根据产品特点设计效率

较高的拧紧工具。

2.2 电动工具设计需求

为了提升拧紧效率，公司决定开发非标的小空间电动拧紧工

具，设计需解决以下问题。

（1）解决零件装配小空间及零件结构特殊性问题。

（2）解决拧紧头快速复位（初始位）问题。

（3）解决拧紧扭矩、复位精度问题，即动态扭矩标定精度为

±1.0 N · m。

（4）解决快速维修问题或切换其他型号拧紧头问题。

（5）解决节拍效率问题，操作者能在节拍内完成装配。

2.3 电动工具设计

按照电动工具的设计需求，对工具进行设计如下。

（1）该工具重点解决的是小空间拧紧，因此需要设计特殊拧

紧头。特殊拧紧头是在普通工具的基础上，延伸一段壁厚小于空

间要求的特殊拧紧头。在套筒上开口，开口尺寸根据高压线束的

大小以及方便线束进入和退出等需求，最终确定为 15.8 mm。另

（5）电动拧紧工具相比开口扭矩扳手效率明显提升。电动

拧紧工具是比较成熟的结构，因此满足基本的拧紧、提醒等功

能即可。

综合以上设计及实际应用场景，整体的工具设计如图 4 所示。

工具分为 8 部分，其中，特殊拧紧头用于螺母端的拧紧 ；工具开

关不仅包含正常拧紧，也包含复位功能，即达到拧紧扭矩后，再

按开关则使拧紧头逆时针复位到初始状态 ；工具电池有 2 块，一

用一备，方便充电和日常使用 ；拧紧头的连接螺栓可以将拧紧头

和枪身快速连接在一起。另外，该工具还具备扭矩调整，工具的

最大扭矩量程为 35.0 N · m，因此可以根据设计要求在量程内进

行调整。扭矩调整以及日常标定工作由工具管理者负责，在厂内

维修间进行，产线装配操作人员不能随意调整。

LED灯号与声响 工具状态 处置方式

红、黄、绿同时亮1 s，伴随长声响1 s 驱动电机已通电 ——

红灯亮1 s，伴随长声响1 s

未达到预紧力（NOK） 重新执行拧紧作业

重复锁紧（NOK） 重新执行拧紧作业

绿灯恒亮 拧紧作业已完成，扭力已达到

默认值（OK） ——

黄灯闪烁5下，伴随短声响5声 电池即将没电 准备充电

黄灯亮5下，伴随长声响5声 电池已经没电，工具无法运转 立即更换充好电的电池

蓝灯恒亮 工具处于逆转状态 ——

红灯闪烁2下 驱动电机温度过高 取出电池，待驱动冷却后重新

插入电池即可使用

红灯闪烁3下 驱动电机异常 请联系特约经销商

红灯闪烁4下 讯号线异常 请联系特约经销商

外根据该零件螺母间的间隙（9.5 mm），套筒壁厚 表 1 LED 显示灯颜色和蜂鸣器响声对应的工具状态

＜ 9.5 mm。

（2）在拧紧枪内部装传感器实现复位，使其拧紧

头无论旋转在任何位置都能快速复位，而且能快速完

成取出并进入下一轮操作。

（3）由于 MCU 的高压线束拧紧为关键控制扭

矩（PF1），因此该工具在拧紧扭矩精度上需满足

±1.0 N · m 内。拧紧枪采用齿轮方式传输动力，可

解决扭矩精度高、复位精确高的问题。

（4）拧紧头与枪身采用精细的螺栓连接，如有

损坏需要更换备件或更换不同尺寸型号的拧紧头时，

可实现快速更换。

该电动拧紧工具还配备了 LED 显示灯以及蜂鸣器，显示灯

根据不同的情况会显示绿、红、黄、蓝 4 种不同的颜色。通过手

指按下电源开关，伴随蜂鸣器的响声，LED 显示灯会马上亮起且

工具开始转动 ；放开时，工具内的驱动电机动力停止，工具会立

刻停止运作，但 LED 灯仍会停留 5 s 才关闭。不同 LED 显示灯颜

色和蜂鸣器响声，将对应不同的工具状态（表 1）。

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054 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

3 工具实际应用跟踪

3.1 工具操作步骤

电动拧紧工具设计完成后，在 MCU 零件装配岗位进行实际

操作。按照工具设计的特点，操作过程主要分为 5 个步骤（图 5）。

（1）准备工作。将工具的拧紧头通过开口放入高压线束处，

因为开口尺寸为 15.8 mm，工具需要先从高压线束端进入。

（2）将工具拧紧头从线束端平移至螺母端，确保特殊拧紧头

部啮合螺母。

（3）按下开关，特殊头套筒带动螺母顺时针旋转紧固，达到

设定的扭矩后，LED 显示灯显示为绿色，此时操作者则可松开开关。

（4）将工具从螺母端平移至线束端，与工具进入的操作步骤

相反，为工具退出零件做准备。

（5）按下开关，特殊头套筒逆时针旋转至初始位置。此时工

具通过开口部位则可退出线束端，工具脱离零件，表示一次拧紧

操作完成。如进行下一个螺母拧紧，则重复如上的操作。

操作节拍 ：该工位熟练员工使用该工具进行螺母拧紧，操作

过程通过秒表计算操作时间。每颗螺母拧紧时间为 8 s，每台车

的 MCU 总共需要拧紧 5 根高压线束，拧紧时间总共为 40 s，在

厂内 30 节拍（114 s）的操作范围内。工具满足节拍需求，因此

可将工具交付到车间进行小批量使用。

3.3 产品验证

在小批量车辆验证过程中，对产品的扭矩信息等各方面进

行综合确认。按照 MCU 高压线束螺母扭矩值 10.0 ～ 13.0 N·m，

工具设定的扭矩中心值为 11.5 N · m，对 MCU 零件拧紧后的

5 min 内进行静态扭矩测量。静态扭矩是指紧固件被拧紧的螺栓

停止后，再继续沿着拧紧方向克服静态摩擦所达到的最大扭矩为

静态扭矩。一般使用表盘式扭矩扳手测量的扭矩值为静态扭矩 [4]。

按照静态扭矩公式，对 30 组静态扭矩进行分析，计算结果静态

扭矩不合格（图 6），因此需要进一步分析。

使用关键扭矩控制图表的过程中，要不断对于拧紧的过程进

行优化与调整 [5]，因此组织产品工程师（PE）、机械工程师（ME）、

车间主管以及供应商质量管控（SQ）对其静态扭矩进行讨论。经

分析，扭矩衰减的主要原因是由于 MCU 高压线束螺母及内部特

图 5 电动拧紧工具操作过程

图 6 优化前静态扭矩计算结果

表 2 拧紧扭矩测量数据

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

动态扭矩

/（N.m） 11.2 10.8 11.4 11.7 12.1 10.9 10.9 11.1 11.5 12.8

10 次测量标定，标定台显示的数据均在 ±1.0 N · m 内，工具满

足扭矩精度需求。具体测量数据如表 2 所示。

图 7 MCU 高压线束紧固螺母内

部结构

3.2 工具操作验证

针对工具的设计需求，对工具在现场应用的情况进行跟踪，

从装配空间、扭矩精度、操作节拍上进行验证。

装配空间 ：工具通过间接式拧紧满足空间要求。由于在普通

工具的基础上开发特殊拧紧头，满足了 MCU 紧固螺母 9.5 mm

的空间要求，现场验证满足装配空间要求。

扭矩精度 ：动态扭矩是指设计人员根据设计的需求和技术的

角度给扭矩设定一个范围值，在汽车装配工具上加设扭矩传感器，

从而对扭矩的峰值进行测量，即为动态扭矩测量值 [3]。在维修间

测试，按照前期的设计要求动态扭矩为 10.0 ～ 13.0 N · m，工具

设定的扭矩中心值为 11.5 N · m。测试中维修管理员对工具进行

殊结构所致。螺母内布置了一个密

封衬垫（图 7），因此在电动工具拧

紧的过程瞬间可以满足 11.5 N · m，

拧紧完成后该螺母扭矩又会发生衰

减。针对其特殊性，经各区域讨论

及验证，制定以下改进措施进行小

批量验证。

（1） 产 品 工 程 师（PE） 更 改

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线规划及各产线班次，厂内涉及 9 条生产线，按照 2 班次计算，

此工具方案可节约 36 人 / 年，节约运行成本约为 432 万元 / 年。

（4）厂内原有 MCU 产品密封采用螺钉式压板结构，每台比现

有螺母密封结构高 20 元 / 台。开发该工具后，既能满足生产制造中

的快速操作，并在产品密封要求的前提下还能降低 20 元 / 台的成本。

4.3 工具进一步优化方向

该电动拧紧工具在装配空间、扭矩精度以及操作节拍上满足

MCU 高压线束螺母的装配需求，并通过设计变更以及增加扭矩扳

手复扳等操作满足设计和质量需求，但是工具仍有部分功能需进

一步优化。如工具只能顺时针拧紧，不能反转退松螺母，返修时

需要使用开口扳手，影响返修效率，后续改进会考虑增加反转功

能。另外，该工具质量约为 2.5 kg，为增加操作灵活性，后续将

在工具重量方面做优化。

5 结束语

本文介绍了一种应用于小空间操作特殊电动拧紧工具的设计

背景、设计过程及应用情况，并对工具在使用过程出现的问题做了

说明及改进。工具设计的最终目的是满足装配、设计及质量需求，

无论什么类型的工具都离不开用户的需求。希望读者通过阅读本文，

能够了解到特殊工具的开发思路，在实际应用上有一定的帮助。

【参考文献】

作者简介 :

蒋常林，本科，工程师，研究方向为机械电子工程。

李钟波，本科，工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化。

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图 8 优化后静态扭矩计算结果

设计扭矩，从 10.0 ～ 13.0 N · m 更改为 11.0 ～ 13.0 N · m，设

计中心值为 12.0 N · m。

（2）机械工程师（ME）结合产品设计更改电动工具扭矩设

定值，工具扭矩从 11.5 N · m 更改为 12.0 N · m。

（3）PE 联合零件供应商对 MCU 高压线束螺母进行密封实验。

实验结果表明，密封螺母静态扭矩在 5.0 N · m 以上可以满足密

封需求，因此静态扭矩抽检按照不小于 5.0 N · m。

（4）为减少静态扭矩衰减，总装车间在使用电动拧紧工具紧

固后，外加开口定扭扳手进行一次复扳操作。

以上措施通过小批量验证并重新收集 30 组静态扭矩。经过

静态扭矩公式分析，扭矩稳定合格（图 8），因此以上措施定为长

期措施执行。

4 工具创新分析及推广

4.1 工具创新分析

特制的电动拧紧工具相对于传统普通的拧紧工具有如下创新点。

（1）工具空间要求小，特制拧紧头开口尺寸，既满足线束进

出要求，也满足拧紧需求。

（2）拧紧速度快，可实现电动拧紧操作代替手动拧紧。

（3）操作方便，设有复位功能，可快速完成拧紧并复位。

（4）精度高，采用齿轮方式传输动力，扭矩精度高、复位精确。

（5）维修方便，可快速完成备用拧紧头或其他车型尺寸拧紧

头的更换。

4.2 效益及推广应用

（1）该工具应用更广泛。通过间接拧紧，该工具可适用于更

小范围空间的特殊零件装配，如线束端或管路端小空间的紧固，

不仅在产线上可以使用，返修及售后维修亦可应用。

（2）该工具采用齿轮传输动力，扭矩精度比棘轮工具高，也

适合关键控制点的应用。

（3）该工具复位精确，操作方便，拧紧速度快，可提升节拍。

相比手动拧紧扳手（120 s），每台紧固时间可减少 80 s。按照产

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056 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007 ；2 . 武汉理工大学，武汉 430070）

张艳 1

、钟毅 2

、刘辉 2

摘要 ：汽车电动车窗现在能实现一键升降、物体防夹等功能，汽车厂商为提高集成度，对于使用电机电流纹波信号实现防夹功能的需求日益增加。

然而电机电流纹波信号包含较多噪声，为有效提取纹波信号作为车窗防夹的判断依据并保留细节特征，本文提出一种基于改进小波阈值去噪和麻

雀搜索算法优化变分模态分解的联合去噪算法。针对纹波信号包含较多噪声的问题，提出一种改进小波阈值去噪算法。该研究使用变分模态分解

对纹波信号进行分解，改善流分量削弱小波阈值去噪效果的问题。同时，利用麻雀搜索算法优化变分模态分解的参数寻优过程，对于高噪的模态

分量使用改进小波阈值去噪算法进行去噪，以改善含直流分量纹波信号的去噪效果。

关键词 ：车窗防夹 ；电机电流纹波 ；小波阈值去噪 ；麻雀搜索算法 ；变分模态分解

中图分类号 ：U463.6 文献标识码 ：A

车窗防夹电机电流纹波降噪检测算法仿真分析

0 引言

汽车良好的驾乘体验包括安全性、舒适性等多方位的要求 [1]。

目前市售车型的电动车窗在正常工作过程中的最大推力可达

500 N，车窗在如此大的推力下若不带有防夹功能，对于儿童

而言更易发生误操作导致的窒息等危险。

目前市场主流防夹方法主要依靠霍尔传感器实现，但需要额

外安装霍尔传感器用于检测车窗电机运动状态，并且每个车门需

要独立的防夹控制器模块。李超提出了电机电流和纹波相结合的

防夹策略，基于电流纹波的防夹控制器能够实现多个车窗的防夹

功能的集中控制，成本更低、集成度更高 [2]。然而车窗电机换向

过程中产生的纹波包含大量干扰噪声，无法直接使用。

综合上述问题，本文主要研究车窗电机电流纹波信号去噪算

法，提出了基于改进小波阈值去噪和麻雀搜索算法优化变分模态

分解的联合去噪算法，有效提取纹波信号作为车窗防夹的判断依

据并保留细节特征。

1 基于车窗防夹的改进小波阈值去噪算法分析

对直流电机运动过程进行分析以研究防夹工作原理，提出

一种以样本熵为参数的改进小波阈值去噪算法。

1.1 车窗直流电机的防夹分析

机电机脉动频率的计算公式如公式（1）所示。

f = pnkc/60 （1）

式中 ：f 为纹波频率，p 为电机极对数，n 为电机转速，k 为

换向器数，c 为奇偶系数。

p、k、c 可视为固定参数，则电流脉动频率正比于电机转速。

根据电流脉冲个数可计算出车窗的运动距离，这是纹波防夹方案

的理论基础。

车窗防夹功能关键在于判断车窗位置以及车窗是否发生加

持。根据上述分析，电机转速与电流纹波频率成正相关，因此纹

波信号可以进行防夹判别。但纹波信号幅值相对直流分量较小，

且存在大量噪声，易受外界环境干扰，需要对原始纹波信号进行

去噪处理才能使用。

1.2 小波阈值去噪原理与影响因素分析

实际工程中采集到的信号一般包含白噪声，并且存在很多

突变或者尖刺。利用 Mallat 算法对其进行小波变换之后呈现

不同的特性 ：真实信号的小波系数模值比较大，噪声或者突变

的小波系数模值比较小。因此小波阈值去噪的主要思想是，对

Mallat 分解后每一分解尺度细节分量中的小波系数做处理。在

这一过程中，目前比较常用的是 Donoho 提出的阈值法，其中

影响小波阈值去噪效果的因素包括 ：小波基、分解层数、阈值

以及阈值函数等。

一般认为，选取的小波基在时域上与实际采集信号越相似，

处理效果越好。分解层数一般取决于对最低频率区间的要求，

Mallat 算法分解最后得到一个近似分量和分解层数个细节分量。

选择合适的阈值，对大于阈值的系数视为真实信号保留，对小于

阈值的系数视为噪声。确定阈值之后选择合适的阈值函数，经典

的阈值处理函数如公式（2）硬阈值函数和公式（3）软阈值函数

所示。

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根据图 1 可知，硬阈值函数在阈值 λ 处跳变，导致重构后的

信号中存在额外振荡，信号平滑度下降。而软阈值函数处理后的

小波系数恒小于原系数，这与小波系数大于阈值时视为有效信号

的原则相违背，也使重构后的信号易丢失细节信息、重构误差较大。

1.3 基于样本熵的改进小波阈值去噪算法分析

本文在阈值函数中引入样本熵，提出了一种改进的小波阈值

去噪方法（Improved Wavelet Threshold，IWT)。得到如公式（4）

所示阈值函数。其中α 表示每一尺度下细节分量小波系数的归一

化样本熵。

（4）

对于改进的小波阈值函数分析可得 ：大于阈值 λ 的部分采

用硬阈值处理。在小于阈值 λ 的部分 ：当所求小波系数样本熵较

大时，信号包含噪声较多，利用指数函数阈值内侧小波系数迅速

收缩，以保证噪声的滤除 ；反之，信号噪声较小，阈值函数收缩

变缓，以最大程度保留信号。基于样本熵改进的小波阈值去噪算

法如图 2 所示。

图 1 阈值 λ=0.5 软硬阈值函数

图 2 改进小波阈值去噪算法

图 3 变分模态分解算法

（2）

（3）

式中 ： 是经过处理的小波系数，ωj，k 为第j 层分解的第k

个小波系数，λ 表示设置的阈值，sgn 为符号函数。

设置阈值λ 为 0.5，绘制软硬阈值函数如图 1 所示。

2 基于车窗防夹的优化变分模态分解和改进小波阈值

联合去噪算法分析

Dragomiretskiy[3] 提出了变分模态分解（Variational Mode

Decomposition，VMD）。考虑到 VMD 分解复杂信号的性能和麻

雀搜索算法搜寻优化问题最优解的特性，使用麻雀搜索算法优化

变分模态分解。

2.1 变分模态分解算法原理分析

变分模态分解处理信号的过程中，将一个实值输入信号

f（t）分解为一系列子信号，即本征模态函数（Intrinsic Mode

Function，IMF）。这些 IMF 在保证能够重构信号的同时拥有一定

的稀疏性特征，并且每个 IMF 紧密围绕着各自的一个中心频率。

VMD 的中心思想是构造一个变分模型，通过寻找变分问题的最优

解以实现输入信号的分解。变分模态分解算法如图 3 所示。

2.2 麻雀搜索算法优化变分模态分解算法分析

VMD 需要人为设定模态个数和惩罚因子，无法自适应分解，

因此本文考虑引入麻雀搜索算法（Sparrow Search Algorithm，

SSA）。SSA 是 2020 年提出的群优化方法 [4]，具有较强的寻优能

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058 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

力，在收敛速度和收敛精度上表现较好，在迭代初期就能够迅速

向全局最优值移动，并且具有一定跳出局部最优解的能力。因此，

本文将该搜索算法应用于变分模态分解的参数确定过程中，选取

样本熵作为适应度函数，将麻雀搜索算法应用于 VMD 分解，即

SSA-VMD，以实现自适应分解。

麻雀搜索算法的主要流程为，首先假设麻雀种群中有 n 只麻

雀，需要解决一个包含 d 维变量的优化问题。按照公式（5）求

适应度值。

（5）

其次，发现者按照公式（6）进行位置更新。

（6）

式中 ：t 为 当 前 迭 代 次 数，j 为 变 量 维 数，α ∈（0，1.0]，

imax 为最大迭代次数，Q 为一个正态分布随机数。R2 ∈ [0，1.0]

为预警值，ST ∈ [0.5，1.0] 为安全值。

接着，对于加入者，按照公式（7）执行位置更新。

（7）

式中 ： 为当前全局最差位置， 为（t+1）代发现者

的最优位置， 为当前全局最优位置。

最后，由于设置了侦查预警机制，按照公式（8）进行位置更新。

（8）

式中 ：β 为随机数，K ∈ [-1.0，1.0]，ε 为极小常数，fi 为当

前麻雀的适应度值，fg 为当前全局最佳适应度值，fw 为当前全局

最差适应度值 [5]。

2.3 基于 SSA-VMD 和 IWT 的联合去噪算法原理分析

结合改进的小波阈值去噪算法，对分解得到的模态分量设定规

则 ：当相关系数r ＜ 0.2 时，利用改进小波阈值去噪算法处理 ；当相

关系数r ≥ 0.2 时，保留分解得到的 IMF ；利用去噪后模态分量和有

效分量重构信号。将该处理过程总结为麻雀搜索算法优化变分模态

分解和改进小波阈值联合去噪算法（SSA-VMD-IWT），如图 4 所示。

图 4 SSA-VMD-IWT 联合去噪算法

图 5 直流有刷电机纹波信号

3 实验结果与分析

3.1 基于五菱某车型改进小波阈值去噪算法对电流纹波信号去

噪测试结果

为了本测试及仿真实验是基于上汽通用五菱某车型的电动车

窗升降电机，在同一工况条件的电机电流纹波信号测量采集和对

比分析 , 用于验证小波阈值去噪算法的去噪效果。采集的信号如

图 5 所示，由于电机固有特性及电压波动等因素，电流纹波信号

尖刺明显、噪声较多。

选择 db3 小波进行 3 层分解，选择硬阈值、软阈值，采用

文献 [6] 提出的对比方法 [6]，以及本文改进阈值的方法，4 种不同

阈值处理结果如图 6 和图 7 所示。

通过观察 4 种阈值函数对电机纹波信号的去噪结果发现，硬

阈值、软阈值和对比方法阈值去噪效果相同。而使用本文提出的

改进阈值函数进行去噪处理时，分层自适应阈值对于不同分解尺

度的细节系数设置与其值有关的阈值，使得即使信号中包含幅值

较大直流分量，也能够在去除噪声的同时保留有效信号。表现在

波形上就是，去噪后信号平滑度不及其他 3 种方法。

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059 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

取对比方法提出的阈值去噪后信号以及本文方法去噪后信

号，分别计算其与原始信号的差值，该差值即表示被去除的噪声。

计算结果如图 8 所示。从图中可以看出，使用本文提出方法去除

的部分，在整个采样时间内分布比较均匀 ；对比方法明显更多地

去除了电机在换向过程中产生的尖刺，然而该行为丢失了一定的

频率信息。对于 2 个电机纹波信号，设置嵌入维度为 2，容限取 0.2

倍信号标准差，计算原始信号、使用对比方法去噪后信号以及使

用本文改进小波阈值去噪后信号的样本熵，结果如表 1 所示。

由表 1 可知，使用 2 种小波阈值去噪后的信号样本熵都明显

下降，并且使用本文提出的方法去噪后，信号样本熵大于对比方

法的结果。这表明本文提出的方法在去除信号噪声基础上，能够

有效保留信号细节特征。

综合考虑噪声去除能力和信号细节保留能力，本文提出的改

进小波阈值去噪算法对于信号中的噪声去除效果，优于传统方法

和文献 [6] 提出的方法。去除的部分更接近白噪声，不会丢失原

信号的细节特征。

3.2 基于五菱某车型 SSA-VMD 和 IWT 的联合去噪算法对电流

纹波信号去噪测试结果

使用上一节采集到的信号，分别使用文献 [7] 中提出的 VMD

表 1 2 个电机纹波信号不同方法样本熵

原始信号 对比方法阈值去噪 本文改进阈值去噪

1.075 3 0.343 9 0.366 0

和 SG 滤波方案 [7]、文献 [8] 提出的 VMD 和软阈值小波去噪方案 [8]

以及本文提出的 SSA-VMD-IWT 联合去噪方案，实验过程中统一

采用 SSA 寻优结果确定的参数。设定种群数量为 20，最大迭代

次数 20 次，最终得到模态分解个数为 4，惩罚因子为 2 483.64。

然后将这 2 个参数代入 VMD 分解（图 9），对分解结果进行采用

3 种不同方法进行去噪，得到去噪结果如图 10 ～图 12 所示。

分析不同的去噪结果可以发现，VMD+SG 去噪方案得到的结

果中仍然包含直流分量，并且其波形是 3 种去噪结果中信号波形

最平滑的。实际电机纹波信号分解得到的 4 个分量，与原信号的

图 6 软硬阈值函数去噪结果

图 7 对比方法与本文改进阈值函数去噪结果

图 8 被去除的噪声

图 9 VMD 分解结果与频谱

图 10 VMD+SG 去噪结果

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【参考文献】

作者简介 :

张艳，硕士，工程师，研究方向为汽车电子技术及数字信号处理。

通信作者 ：

钟毅，博士，教授，研究方向为嵌入式技术及数字信号处理。

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重庆邮电大学 ,2020.

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[8] 孟湘 , 曾洪涛 , 刘冬 , 等 . 基于 VMD-SWT 的降噪方法在转子振动信号中

的应用 [J]. 中国农村水利水电 ,2021(06):164-168.

相关系数分别为 0.0315、0.1294、0.9576 和 0.4984，其中直流

分量即分解结果中 IMF4 与原信号的相关系数为 0.4984，表明其

与原信号相似程度较高，大于设计的相关系数阈值 0.2。

故 VMD+SG 去 噪 方 案 对 IMF2、IMF3 和 IMF4 进 行 SG 滤

波处理，使得最终结果包含直流分量且波形最为平滑。而采用

VMD+SWT 去噪方案和本文提出算法得到的去噪结果，均能在去

噪的基础上保留纹波信号的局部特征，且本文算法得到的去噪后

信号在局部表现上略好于 VMD+SWT 方案。

同样，计算不同方法所得信号的样本熵如表 2 所示。可以

看出，3 种方案所得信号样本熵与原始信号相比明显减少，其中

VMD+SG 方案减小程度最大，与该方案所得信号波形最平滑的表

现相符。本文提出的方案减小程度介于 VMD+SG 和 VMD+SWT 方

案之间。进一步与 3.1 小节结果对比发现，采用 VMD 和小波阈值

去噪结合的方式，去噪后样本熵分别降低 0.020 3、0.029 0。说

明对于含噪较多的纹波信号，VMD 与小波阈值联合去噪方法一定

图 11 VMD+SWT 去噪结果

图 12 VMD+IWT 去噪结果

表 2 4 种去噪方法比较

去噪方法 样本熵

VMD+文献对比方法 0.327 6

VMD+SG 0.314 6

VMD+SWT 0.873 4

VMD+IWT 0.337 0

程度上能够改善改进小波阈值去噪算法对包含直流分量的信号去

噪效果变差的问题。

4 试验结论

试验结果表明，麻雀搜索算法优化的变分模态分解和改进小

波阈值联合去噪算法，能够在有效去除信号噪声的基础上，保留

信号的局部特征。在实际使用中，需要根据实际使用需求选择合

适的去噪算法。如果只需得到纹波信号的主要频率成分，可以直

接根据 VMD 分解结果选择合适的模态分量，如图 9 中的 IMF3。

若需要在去噪基础上保留更多的局部信息，则本文提出的 SSAVMD-IWT 联合去噪算法能有效满足需求。

5 结束语

本文提出了基于麻雀搜索算法优化的变分模态分解和改进小

波阈值联合去噪算法，在实现变分模态分解自适应分解的基础上，

利用相关系数区分含噪程度，以进行改进小波阈值去噪处理。该算

法在保留纹波信号细节特征的同时有效去除噪声，使去噪后的纹波

信号可以用于车窗防夹系统，并设计了车窗纹波防夹测试系统的软

硬件部分进行测试。但由于本文提出的算法引入群优化算法的随机

性，该算法的鲁棒性、适用性还需要大量数据进行更深层次的研究。

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汽车星空顶电动天窗结构设计

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

（芜湖莫森泰克汽车科技股份有限公司，芜湖 241000）

邵文彬

摘要 ：为提升汽车天窗配置多样化，增加整车内饰氛围效果，满足年轻人对天窗功能的多样化需求，在现有天窗的基础上增加星空氛围效果，星

空顶天窗应用而生。本文简要从汽车星空顶电动天窗的结构组成、星空玻璃的结构设计、星空顶实现的效果呈现、实现功能及控制策略等方面，

对汽车星空顶电动天窗的设计结构原理、实现功能进行了梳理，并对作了论述。

关键词 ：汽车星空顶电动天窗 ；结构设计 ；实现功能 ；控制策略

中图分类号 ： U463.83 文献标识码 ：A

棚上依次预穿 800 ～ 1 600 个孔，每一个孔内都需要装入独立光

纤，发光光纤需要通过独立多颗光柱进行效果呈现，在制造及成

本极其昂贵，工艺复杂，不利于返修，在配置有天窗的车型上，

呈现区域只能在汽车顶棚上面，天窗玻璃区域无法进行呈现。

本设计方案在可开启汽车天窗的车型基础上，对天窗玻璃进

行覆合处理。通过油墨印刷工艺，将设计好的图案提前印刷在玻

璃上面，通过灯光呈现图案。相比植入光纤方案，本方案结构和

制造工艺简单，在不改变天窗匹配的情况下，可以通过天窗玻璃

的互换方式进行配置加装，维修便捷 [3]。

1.2 星空天窗主要实现功能

星空顶具有关闭或随整车背光控制功能、单色定义、单色呼

吸、变色呼吸、随音乐变化以及亮度调节等功能，如表 1 所示。

2 天窗布置星空顶的结构设计

2.1 星空顶结构 LED 布置方案

在传统的全景天窗上基础上，不改变整车装配，将前活动玻

图 1 星空顶天窗结构示意图

0 引言

随着国内外汽车零部件产业的迅猛发展，汽车天窗市场的竞

争也逐渐多元化，消费者对汽车天窗的功能配置的价值感在提升，

对生活品质的要求越来越高。尤其年轻人对时尚的追求及个性化

功能的需求井喷发展，因此像星空电动天窗等新型产品应用开始

逐步发展。但传统的星空顶系统中需要将每根光纤插入顶棚并固

定，并且光纤只能固定在没有天窗的部分，而有天窗的部分无法

布置。这对于全景天窗的车型来说，会出现车顶大部分面积都因

无法布置光纤而不能呈现星空图案的问题 [1]。本文从天窗玻璃结

构方面进行开发，解决了天窗无法呈现星空效果的困难，同时以

星空顶电动天窗系统开发为切入点，详细阐述其结构及功能逻辑

等方面的开发设计。

1 汽车星空天窗的主要组成及实现功能

1.1 星空顶天窗的主要组成

星空顶天窗是通过对汽车天窗设计增加照明发光元件组成氛

围灯光系统，暗光环境下可以在车内形成非常独特的高级光晕，

从而提升车内的档次 [2]。其主要由星空玻璃总成、前后玻璃灯带

总成、框架总成、接触开关总成和遮阳帘导风帘等零部件组成，

结构如图 1 所示。

星空顶天窗的前后玻璃需在传统玻璃上覆合星空图案，在前

后玻璃侧边位置增加玻璃灯条，通过两侧 LED 灯光映射实现漫天

星空效果。星空图案可根据客户要求进行定制，其主要技术集中

在前后玻璃图案的集成设计 - 玻璃覆合。

此方案与传统星空顶天窗方案对比 ：传统方案需要在汽车顶

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062 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

采取梯度排布，中间网点不能过于稀疏。通过光谱分析，对车内

环境光照的一般要求如下。

（1）功能照明 ：10 ～ 80 cd/m2

。

（2）背景照明 ：4 ～ 15 cd/m2

。

（3）功能照明亮度 ：≥ 2 倍的背景照明。

（4）星空顶光照建议值 ：4 ～ 15 cd/m2

。

2.2 星空顶星空玻璃复合设计

2.2.1 印刷星空效果图案

星空效果图案主要为复合在原玻璃上的白玻自带印刷图案，

通过反光油墨进行印刷。其印刷方案如下。

（1）图案需印刷在白玻上。白玻是一种超透明低铁玻璃，是

一种高品质、多功能的新型高档玻璃品种，透光率可达 91.5% 以上。

（2）印刷图案根据客户要求进行定制开发，开发印刷网板，

网板上面呈现图案。LED 直接将能量光束传递至导光玻璃，通过

丝印网点进行折射和反射后，实现整个天窗均匀发光，光能利用

率高，整体亮度高。

（3）将印刷网板与白玻进行贴合，将反光油墨均匀上浆，再

通过干燥、晒版等流程生产成成品（图 3）。

图 2 星空灯带光源示意图

界面 功能说明 技术要求

开关

界面

（1）背光控制挡：星空顶开关受组

合开关上的背光开关控制

（2）强制挡：此挡位时星空顶打

开，不受背光开关控制

（3）关闭挡：此挡星空顶关闭，不

受背光开关控制

（4）星空顶亮度调节功能：星空顶

的亮度随着拖动的光标位置变化

当点火开关或一键起动

开关为“OFF”挡时，选中“强

制挡”的星空顶为熄灭状态

静态

设置

（1）单色静态挡：星空顶的颜色静

态显示为采样色

（2）单色呼吸挡：亮度由暗渐变

到亮，再从亮渐变到暗，中间停0.75 s，

反复循环

（3）变色呼吸挡：颜色循环变化

（1）单色呼吸：明暗变

化需平顺

（2）变色呼吸：3种以上

的颜色变化

（3）单色呼吸或变色呼

吸与采样色一致

动态

设置

（1）关闭挡：颜色随蓝牙或USB接

口播放的音乐节奏变化

（2）色条：可选蓝绿红或蓝紫红

色条，颜色会分别随着音乐节奏的高

低进行变化

（3）动态速度：可调节需要的星空

顶颜色变化速度

（1）颜色变化需与音乐

节奏变化同步

（2）颜色变化需较平顺，

不可闪烁

（3）星空顶动态效果

不随音量大小调节的变化

而变化

表 1 星空顶主要功能列表

璃及后固定玻璃设计成复合带有图案的白玻。然后在白玻玻璃上

印刷图案，通过白玻两侧的 LED 灯带向内侧照射光源。两端的

LED 模块提供各种颜色的光源，然后将灯光导入夹层玻璃的内层

中。在夹层玻璃的底部，印刷处可以散射光线的图案层。光线在

玻璃内部经过多次折射散射，最终在玻璃的内表面呈现整面发光

的效果，白玻反射光源显现图案。

LED 灯带需布置在白玻的两侧，灯源选择为多色 RGB 灯珠。

其布置结构如图 2 所示，以侧边的 RGB 灯源为基础，照射在图

案玻璃上面，呈现星空效果。LED 是利用发光二极管把电能直接

转换为光能 [4]。因 LED 发射的能量光束在导光玻璃传递具有衰减

性，折射次数越多，损耗越大。所以在设计印刷网点的时候一般

图 3 星空顶选配图案示例（菱形图案和天使翅膀）

2.2.2 复合成星空玻璃总成

将印刷后的白玻通过复合工艺与天窗灰玻进行复合，生产成

星空玻璃总成，其复合方案如下。

（1）将带图案的白玻及天窗原始玻璃通过复合设备进行结合，

两玻璃在结合中间层放置 SGP 复合胶片（SGP 是美国杜邦公司

研发的夹层玻璃离子聚合物中间膜）。

（2）SGP 胶片厚度为 0.75 mm。在玻璃胶合前，将玻璃切割

成所需尺寸及形状，SGP 胶片的尺寸亦需切割成所需尺寸及形状，

避免胶合完成后再进行切割。复合的白玻尺寸比原始天窗玻璃尺

寸小，Y 向尺寸相差 60.00 mm，主要是白玻的侧边需安装 LED 灯带。

（3）复合抽真空。将 SGP 胶片叠加在一起，夹在玻璃中间，

采用真空袋工艺进行抽真空。合成后的夹层玻璃也可以当作玻璃

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063 AUTO DRIVING & SERVICE 2023 . 03

基片，再深加工成其他各种配置的玻璃，以满足各项性能要求。

2.3 星空顶玻璃与整车线束导通触点设计

因天窗前玻璃为活动玻璃，在天窗打开后，前玻璃星空顶此

时处于断电状态，不呈现放光效果。在前玻璃运行关闭后，此时需

要将前灯条进行导通，即需要导通 LED 灯带和主线束的连接。设

计方案为接触式触点导通结构，即前玻璃 LED 线束需要与主线束

为活动式接触点进行导通（图 4）。接触式导通结构设计方案如下。

星空顶模块与 BCM 通过 LIN 控制可以实现颜色同步调节。

RGB LIN 模块主要由“RGB LED+LIN 通信模块 + 单片机控制”

组成，该模块与传统的 LED 灯控制不同（图 5）。

图 4 星空玻璃触点结构设计

（1）天窗滑轨上设计触点固定点。将触点开关布置在 LED

滑轨 U 型槽位置，当前玻璃关闭后，前玻璃线束触点与滑轨上触

点接触，起导通作用。

（2）触点座集成弹性触点。弹性触点设计有弹簧，在触点导

通时，触点被挤压收缩，滑轨触点座需要天窗总线束进行连接。

（3）触点实现功能 ：在前玻璃关闭位置，触点和前玻璃 LED

灯线束铜片接触，前玻璃 LED 点亮，反之断开。

（4）触点开关为弹片接触，材料为黄铜，可保证产品寿命

和接触力。理论上弹片的预压量设计为 3.00 mm，预压力设计

为 2.0 ～ 3.5 N。弹片接触方向为 Z 向接触，X、Y 轴方向接触面

有 4.50 mm 的空间可调整，可保证天窗前玻璃有 2.00 mm 的调

整余量。

（5）弹片的性能耐久。通过 CAE 机构分析及实际试验验证，

弹片可满足 10 万次的循环耐久试验。试验后弹片的性能衰减在

5% 之内，满足正常的衰减要求。

（6）天窗布置的星空顶线束与整车线束通过插接器连接，传

递信息通过 LIN 线与 BCM 相互通讯。

3 星空顶与车身控制单元（BCM）控制策略设置方案

星空顶灯带通过 LIN 线与 BCM 进行通信，挂载在 BCM 的网

络下，遵循 LIN 功能规范。在星空顶天窗左右的后侧各设置 1 个

模块——星空顶控制模块，使用布置设计的线束进行导光连接 [5]。

图 5 独立控制器通过 LIN 线控制

3.1 RGB 颜色控制

RGB LIN 模块可以直接作为 BCM 或者 ALM 的通信节点，相

关 指 令 对 应 红（R）、 绿（G）、 蓝（B）3 个 颜 色 通 道 的 变 化。

RGB LIN 模块还具有温度补偿功能，保证 RGB 混光颜色保持在定

义的色坐标范围内。RGB 配色颜色计算方式如下。

（1）根据三基色配色原理，只有三角形区域内的颜色才能通

过 RGB 三基色配色实现。

（2）合成光的颜色取决于红光、绿光和蓝光的亮度比例。

（3）合成光的总亮度等于红光、绿光、蓝光各自亮度值的总和。

基于目前的半导体技术，LED 灯珠都以 bin 来区分颜色坐标，

某一个 bin 则表示色坐标在某个范围，而所有颜色都是由红、绿、

蓝三种基色混光出来。以某款 LED 灯珠为例，红光有 3、4 和 5 这

3 个 bin，绿光有 2、3、4、5、6、7、8 和 9 共 8 个 bin，蓝光有 H、J、

K、L、M、N、O、P、Q 和 R 共 11 bin，所以理论上不考虑亮度的

情况下，这款 LED 灯珠有 3×8×11=264 种颜色组合。

3.2 在电子防盗报警系统（IHU）设置功能

在 IHU 中可设置“星空顶功能”，包括开启和关闭。其设置

逻辑关系如下。

（1）整车初次上电后，“星空顶功能”默认设置为“开启”；

BCM 发送周期型信号。

（2）当“星空顶功能”为“开启”时，若在 IHU 中设置为“关

闭”，IHU 发送事件型信号给 BCM，BCM 更新设置后立即反馈周

期型信号给 IHU。

（3）IHU 进行设置后不会立即更新状态，只有收到 BCM 反

馈的状态信号，IHU 才会更新显示状态。

（4）整车重新上电后，记忆上一个点火循环设置状态。整车

电源切换至 OFF，IHU 不记忆设置状态，BCM 记忆当前“星空顶

学术 | 制造研究

ACADEMIC

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【参考文献】

作者简介 :

邵文彬，专科，工程师，研究方向为汽车零部件设计。

[1] 王 莎 . 浅 析 汽 车 内 饰 内 氛 围 灯 的 设 计 和 应 用 [J]. 汽 车 实 用 技

术 ,2019(19):129-130.

[2] 刘晓岩 , 王永丰 , 韩春强 , 等 . 汽车电子控制技术 [M]. 北京 : 化学工

业出版社 ,2009.

[3] 盛红金 , 马良 , 李志刚 , 等 . 汽车内饰氛围灯结构设计和发展趋势 [J]. 汽

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[4] 徐 亦 雅 , 蔡 慧 娟 . 汽 车 内 饰 氛 围 灯 照 明 均 匀 性 研 究 [J]. 中 国 照 明 电

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[5] 万 杰 , 黄 会 明 .LED 汽 车 内 饰 氛 围 灯 技 术 应 用 探 究 [J]. 汽 车 实 用 技

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[6] 孙 亮 .LED 车 内 氛 围 灯 的 现 状 及 发 展 趋 势 [J]. 中 国 照 明 电

器 ,2017,No.387(06):35-37.

功能”（开启 / 关闭）设置状态。重新上电后，BCM 将记忆的设

置状态发送给 IHU 用于显示。

3.3 星空灯 LIN 节点判断逻辑

若星空灯收到 LIN 信号，则根据 LIN 音乐音频信号，由控制

器控制动态改变星空灯的亮度和颜色。星空灯的 RGB 灯按照开

启“动态设置 - 音乐律动”的设置状态点亮。例如，开启“音乐

律动”前，星空灯 RGB 灯设置为红色 ；开启“音乐律动”后 ；

颜色和亮度随音乐发生变化 ；当没有音乐输出时，星空灯的 RGB

灯则按照之前设置的状态执行。

音频信号根据整车要求的音频信号属性执行，星空灯的 RGB

灯根据标定状态将 64 色进行赋值匹配，实现音乐律动时的颜色变化。

4 结束语

汽车星空顶配置天窗，主要是在可开启天窗的基础上增加

LED 灯及星空效果，起到装饰和烘托车内氛围作用。按实现功能

的效果分为氛围灯效果及呈现图案效果，二者相互结合，可以达

到车辆配置以及体现感的提升 [6]。

目前，国内汽车天窗的需求越来越大，本文简述设计的星空

顶天窗在整车上已经得到充分的实测及应用。测试结果表明，星

空顶电动天窗完全能够按照设计要求进行各项功能工作，实际测

试都达到了设计标准。本文提出的相关星空顶开发的主要结构设

计及控制策略，希望更够给更多的汽车设计者借鉴。

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