VR 一体机外壳尺寸定位检测装置的设计与优化

　　孟宪刚 杜纯栋

　　【摘 要】针对虚拟现实（Virtual Reality，VR）一体机外壳的尺寸检测中定位不准和夹持变形的问题，对VR 一体机外壳的结构、注塑工艺和传统夹具存在的问题进行分析，设计了一套内外夹持、压力传感器反馈控制和柔性支撑的结构尺寸定位检测装置，实现了稳定可靠的高精度与低变形的定位，研究结果中可以看出本文尺寸检测装置能有效提高尺寸检测的一致性和准确性，满足多类型塑料外壳的工业检测需求。

　　【关键词】VR 一体机；尺寸检测；定位装置；柔性夹持

　　引言

　　由于虚拟现实技术的飞速发展，VR 一体机被广泛地应用于游戏、教育、医疗等领域，对于其结构精度的要求也日益提高。由于VR 外壳通常采用塑料注塑工艺制作，容易尺寸变形和受力变形，传统检测方法难以保证检测精度和稳定性。本文设计了一种高精度、快速准确定位尺寸的检测装置，以提高检测装置的检测质量，满足工业应用需求。

　　一、VR一体机外壳尺寸检测需求分析

　　（一）VR一体机外壳的结构特点

　　VR 一体机外壳通常为塑料注塑，中空结构，内部空间结构复杂，整体造型多弧线、体现人体工学及舒适度[1]。两端弯曲弧度较大，容易受力不均匀变形。结构尺寸检测要求较高，内外定位需相互对应，检测基准要求高，结构特殊，容易产生尺寸检测误差。

　　（二）尺寸检测的技术要求与公差控制

　　在VR 一体机设计中，机壳作为承载组件的核心，对尺寸的精确度有着极高的要求。在装配公差和使用稳定性的保证下，各配合部位的尺寸必须严格控制。标准的公差控制一般在±0.2 mm 范围内，而对于一些关键的尺寸，其控制标准更为严格。在进行检测时，壳体必须确保处于无变形状态，以保证量测基准面的统一，从而提高检测的重复性和可靠性，减少次品的出现。

　　（三）注塑成型对尺寸的影响

　　注塑成形极易因模板、冷却、收缩等影响造成尺寸与设计值偏差，对于壳体两端或内腔形状较为复杂的部位尤为明显。注塑工艺品极易变形，容易受外力的作用出现弹性变形，尺寸检测极易出现波动，需提前在检测前处理好。

　　（四）定位与夹持中的技术难点分析

　　传统夹具无法同时满足内腔支撑和外部夹紧，塑料夹具受力不均匀容易变形，无法作为测量基准[2]。无定位直接测量容易造成产品移位，多次测量误差较大。现有夹持装置多为刚性夹具，无法提供压力控制与柔性接触，难以满足VR外壳多曲面、多结构部位的稳定夹持与高精度定位。

　　二、装置总体结构设计

　　该装置主要包括工作台、滑轨板、检测固定座、内定位固定部件以及外定位固定部件。其中，工作台作为该装置的载体，固定滑轨板，滑轨板中央为检测固定座，用于承载VR一体机外壳，并且作为固定点。检测固定座上方为内定位固定部件，用于承载和固定外壳内腔下方，滑轨板两端由液压油缸推动滑板连接外定位固定部件，用于外侧可调节夹紧。整体设计合理，内外夹持，可高精度、低变形固定VR 外壳，用于尺寸检测[3]。

　　装置整体设计采用模块化的设计理念，将内定位系统、外夹持系统和检测平台做功能分模块处理，各个模块之间可以单独工作，也可以协调工作，便于进行装置的维修和后期的升级[4]；在布局上采用对称和中间对齐的原则，夹紧过程由于VR 一体机外壳受力，因此需保持整体受力均匀，不能出现偏心受力，导致VR 一体机外壳变形；采用滑轨和滑槽配合的方式，使得外定位部分可以移动，可以适应不同尺寸的外壳，实现外壳尺寸的自适应调节；各个部分采用可装配的结构，便于拆卸和调整。

　　三、内定位固定部件的设计与优化

　　（一）结构组成

　　内定位固定装置包括推板、铰接结构、液压油缸、橡胶推块，是装置内部支撑和固定VR一体机外壳内腔底部的结构。其中，推板2 个，对称分布于检测固定座的两侧，用于支撑和传递受力，每个推板内部铰接1 个铰接结构，液压油缸固定于检测固定座两端，活塞杆铰接于铰接结构，用于驱动铰接结构运动，橡胶推块固定于每个推板外侧，且通过压力传感器中部与推板连接，用于将推板推力控制在合理范围[5]。通过以上结构设计，内定位固定装置将实现对于VR 一体机外壳内腔底部的柔性定位和支撑，在满足固定作用的同时，避免对VR 一体机外壳的塑料壳体造成压痕和变形，为后续的尺寸测量提供定位基准。

　　（二）铰接结构的多段联动原理分析

　　铰接结构是本装置实施精密夹持作业必不可少的部分，由于铰接结构分为上铰接板、中铰接板和下铰接板三部分，这三部分自上而下依次铰接连接多段联动结构，上铰接板和下铰接板分别与两边的推板铰接连接，充当夹持结构的铰接端点，中铰接板与液压油缸的活塞杆铰接连接，当液压油缸工作时，推动中铰接板沿轴线方向移动，带动上下铰接板跟随铰接结构移动并带动推板向内夹紧，上、下、中铰接板在三段式铰接结构中可以起到分散推力、使推板移动平稳、受力均匀、推力方向调节范围大等作用，多段铰接还可以对装配误差和位移差进行一定程度的补偿，提高定位精度和机械响应的柔性，防止局部产生应力集中而引起壳体变形。

　　（三）夹持力控制机制

　　为了防止在夹持力过大时VR 一体机的壳体内腔产生变形，本装置在推板和橡胶推块之间设计压力传感器，用于实时检测橡胶推块对VR 一体机内腔的夹紧力。当液压油缸带动铰接结构夹紧推板时，传感器检测推块对壳体的接触压力大小；当压力达到设定值时，停止油缸动作，保证夹紧力不大于预定值。采取上述措施可以防止传统夹具由于夹持力过大而使壳体内腔产生压痕、变形等[6]。

　　四、外定位固定部件的设计与优化

　　（一）结构组成

　　外定位固定部件包括竖板、滑板、滚筒支架、橡胶滚筒等结构，用于给VR 一体机外壳外部弧面进行柔性支撑和夹持。其中竖板竖向设置于滑板上，滑板横向固定于滑轨板的滑槽处，可在液压油缸的作用下左右移动，在竖板前方对称设置滚筒支架，支架前方安装两个橡胶滚筒，橡胶滚筒转动式贴合于VR外壳的弧面结构。其中橡胶滚筒设置于竖板前方，可提供柔性接触，根据壳体表面的形状不同，滚筒可适当延伸，以降低夹持压力，避免塑壳损伤。

　　（二）滑动与夹紧结构联动实现方式

　　外定位结构通过油缸推动滑板在滑轨板上滑移，对VR外壳外部进行夹紧，竖板下端固定滑板并与滑轨板上的滑槽配合，使得滑板横向移动，竖板背部有转轴板与转轴相连，横板通过滚筒支架滚轴连接橡胶滚筒，液压油缸启动时带动滑板移动使得橡胶滚筒在与VR 一体机外壳两端弧面形滑动接触，对VR 外壳外壁柔性压紧夹紧，使得壳体受力平衡，受力点分散，防止因受力部位点压紧外壳造成壳体形变或滑移。外定位结构的滑轨滑槽使得在进行规格尺寸不同的VR外壳结构调整时更加简便，在适用性、通用性方面具有较好的调整便利性。

　　（三）弹性夹持设计

　　为提高夹持的柔性与安全性，本装置采用在竖板背部设置滑块座的结构，并在滑块座内部设置弹簧杆、滑块、压力传感器，组成弹性夹持反馈结构，弹簧杆横向滑移设置于竖板背部，弹簧杆两端设置有滑块，滑块在滑块座滑槽内滑动，抵抗橡胶滚筒回弹力，弹簧杆后端连接压力传感器，当夹持力逐渐增加，压力传感器检测到，并发出停止信号，停止液压油缸的继续推动，防止夹持力对VR 外壳的过度夹紧；弹簧杆前端连接轴承套、转轴，转轴两端连接滚轮，随橡胶滚筒转动，弹簧杆可做缓冲运动，橡胶滚轮可在转轴的轴心内滑动，起到缓冲作用，当出现过度的夹紧力时，可起到缓冲弹簧作用，防止外壳变形，这是保证检测精度、防变形的重要设计。

　　五、定位与检测精度控制分析

　　（一）定位同轴性设计

　　因此该装置将采用内定位固定件和外部定位固定件，共同组成一个同轴定位的稳定结构，在检测过程中内定位固定件将同时挤压在两个对称橡胶块上，从壳体内部左右两侧发力，使壳体水平方向居中检测，而外定位固定件同时通过两个橡胶滚轮从外部圆弧面方向对称夹紧壳体，使壳体竖直方向居中检测固定座圆心处，通过内外定位夹持件使壳体中心线与检测平台中心线保持同轴，为检测提供同距基准，保证壳体放置位置无偏移，当检测基准发生微小偏差时可通过滑轨滑槽与液压控制自动纠偏测量，实现自动纠偏的精准性与可靠性。

　　（二）夹持力反馈系统

　　为了防止定位过程不牢固，夹持过程受力，在夹持力传感方面，在装置内、外定位部分分别设置了2 个压力传感器，组成了夹持力传感器系统。在内定位部分，一个压力传感器设置在推板中间位置，与橡胶块推板连接在一起，用于检测橡胶推板推着外壳内腔的压力大小；外定位部分，另一个压力传感器设置在滑块座后部分，与弹簧杆相连接，用于检测橡胶块滚筒夹着外壁的压力。两组传感器分别控制两个液压油缸，当检测到压力达到设定限值时，系统停止推进，防止夹持过紧造成塑料壳体变形或破损。

　　（三）防形变设计

　　本装置在夹持接触处大多采用柔性材料和弹性机构进行缓冲保护。内定位的橡胶推块弹性触点起到缓冲作用，避免直接受力导致内腔结构产生应力集中现象；外定位橡胶滚筒通过圆弧面与壳体接触，在壳体弧面顺应结构变形同时起到定位作用、避免局部压强；内部由弹簧杆、滚轮、轴承套组成弹性联动机构，可在夹紧过程额外吸收能量，起到缓冲作用，避免刚性冲击造成壳体压瘪或翘曲。

　　（四）定位重复精度与夹持精度测试方案

　　需要对装置进行定位与夹持精度的测试，确保本装置能够满足精度要求。定位重复精度测试：将同一尺寸的VR 外壳进行重复放置、在相同条件下夹取10 次以上，记录壳体每次夹持后的中心差值，在夹持后的VR 外壳与重复放置前的中心差值，可用高精度位移传感器或摄像识别系统测量偏移量，评价重复定位的一致性[7]。夹持精度测试：记录夹持动作过程中的压力，用压力传感器检测出每次夹持压力与设定值的偏差范围，在夹持力与最终测得值偏差范围内确定反馈系统可达到的控制精度，并可比较每次夹持壳体的变形情况，测试多种型号、不同材质的外壳，确定适用范围和普适性。

　　六、工作原理与操作流程

　　（一）VR一体机外壳放置与初步定位

　　作业人员将待检测VR 一体机设备外部壳体自然放置于检测固定座的上方，壳体底部内腔对准内定位固定装置中间位置。检测固定座为水平固定平台，壳体不会因为未夹紧而滑动或倾斜。此过程为初始位置粗定位过程，通过壳体自身轮廓与检测固定座轮廓完成定位，满足后续自动化夹持作业条件。

　　（二）内部夹持流程与精度设定

　　放置完成后，液压油缸动作，中间铰接板向外运动带动铰接结构驱动推板向内运动，铰接结构上的橡胶推块逐渐靠近并接触VR一体机外壳内腔两侧。在橡胶推块前进的过程中，其中的压力夹持器实时测得与内腔的接触压力大小并自动控制停止油缸动作，完成一次内腔夹持定位过程。如此往复可以对内腔柔性支撑，完成夹持定位的同时也不破坏内腔结构。设置的夹持力大小可以通过控制单元进行设置，并可以适应不同材质或不同厚壁面的外壳。

　　（三）外部夹紧过程与压控反馈

　　内夹板夹持动作完成后，液压油缸自动动作，带动滑板沿着滑轨板缓慢移动，与滑板搭载的竖板及竖板前橡胶滚轮共同向VR 外壳外部两侧弧形面靠拢。当橡胶滚轮接触外壳表面后，在推力作用下自动夹紧。与此同时，竖板背部的压力传感器同时对弹簧杆的反作用力进行检测，防止夹紧过程中出现过大的夹紧力。当压力达到设定值后，油缸自动停止动作，橡胶球轮将固定外壳外壁并完成竖直方向的定位。橡胶材料的软着陆也使夹紧过程更加温和，避免了按压和刮伤外壳表面，夹紧安全。对VR 外壳的夹紧过程完成后，外壳内外定位完成，实现对VR 外壳多方向夹紧。

　　（四）综合定位完成后的尺寸检测准备状态

　　内外定位系统同时完成工作后，将VR 一体机外壳定位在检测固定座正中心位置，内腔底部和外部圆弧表面都被均衡夹持，且中心线和装置中心线重合。此时，外壳在空间中的位置为固定不动的，整体不受松动和受力变形，为高精度尺寸检测提供了条件。使用量具、3D 扫描仪或自动检测装置开展尺寸测量工作。由于采用橡胶材质和压力控制系统，不改变检测时外壳的真实尺寸，且在测量过程中可夹持装置不动作，测量时不产生震动、偏移，且定位时整体稳固可靠。此定位状况适用于批量生产检测、质量抽检或新产品模具验证等，提高了测量的重复性。

　　结语

　　本文针对VR 一体机外壳尺寸检测过程中定位不准、夹持变形等问题，设计了一种内外夹持、柔性支撑及压力反馈控制的尺寸定位检测装置。该装置通过内外协同定位结构、压力传感器实时监测和橡胶柔性接触等结构实现了精密可靠、定位损伤低的检测效果，经实际应用验证，该装置适用范围广且重复精度高，可替代大量其他VR 外壳产品的工业化生产中尺寸检测，具有一定推广应用价值。

　　参考文献：

　　[1] 傅管青.VR一体机辅助下的小学数学课程资源开发模式研究——以“数学VR探险”课程为例[J].中国新通信,2024,26(16):146-148.

　　[2] 黄璜.面向VR一体机终端的目的地主题实景观光应用设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2024.

　　[3] 张宝文,孙楠.基于VR一体机的古生物三维虚拟复原软件系统设计[J].微型电脑应用,2024,40(05):250-252+256.

　　[4] 王志耀.基于机器视觉的小尺寸工件FPC缺陷检测分类和定位方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2024.

　　[5] 谭丽霞.基于立体投影技术的虚拟现实显示系统设计[J].信息与电脑(理论版),2024,36(04):29-31.[6] 阮治江.疲劳裂纹实时检测技术与实现[D].西安:西安电子科技大学,2023.

　　[7] 潘睿志,林涛,李超,等.基于深度学习的多尺寸汽车轮辋焊缝检测与定位系统研究[J].光学精密工程,2023,31(08):1174-1187.