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1、題目：傳感器樣機測量坐標測量臂的接觸力Eduardo Cuesta1, *, Alejandroenti1 , Hector Patio1 , Daniel Gonzlez-Madruga2and Susana Martnez-Pellitero摘要：本文介紹了一種集成了力傳感器原型的便攜式關節(jié)臂三坐標的設計、開發(fā)和評估測試（CMA 或 ACM）。它的發(fā)展是基于位于 CMA 硬探頭表面上的應變計的使用。應變計以及它們的連接電纜和連接器被一個通過添加制造技術（Polyjet 3D）制成的定制容器保護。相同的方法已被選定來制造包含觸發(fā)器和當探測發(fā)生時需要同步觸發(fā)信號的電子組件的工程學手柄。文中還介

2、紹了實時信號，原型程序的校準和驗證測試面向增加手動探測力的認識。幾個實驗讀取了實時力來比較不同的探測方法（不連續(xù)和連續(xù)的接觸），并通過特征從單一的平面到外圓柱，圓錐或球來測量不同類型的幾何特征。探測力被分離成兩個分量，讓這些策略對探針變形的影響變成已知的。這項研究的最終目標是提高探測技術，例如通過使用操作員培訓計劃，允許額外的力峰值和接觸不良被最小化或是僅僅只是為了避免不好的測量。：關節(jié)式三坐標（AACMM；CMA）；接觸力傳感器；探測控制1簡介便攜式三坐標測量臂的發(fā)展（CMA 或AACMM）使得坐標計量更貼近生產，同時引入比任何其他儀器之前更高的精度。通過坐標測量概念，CMA 被設計為便攜式

3、，多功能和靈活的機器以完成滿足幾何尺寸和公差（GD&T）的任務。光學傳感器也可以連接通過非接觸測量的逆向工程。精度在逆向工程有相對較小的重要性，在實踐中，可以通過測量的難易度、速度、掃描復雜幾何體的能力、測量策略適應性和點密度等對其進行補償。無論如何，CMA 都很容易整合到一個生產環(huán)境中并且沒有顯著的訓練時間。CMA 通常用于具有少量測量和少量工件的短期測量活動。例如，它們被用于焊接或螺紋盤的 GDT 的質量控制和在該領域的 GDT 認證，無論是在機床表面或直接在生產工作站作為樣機制造。CMA 最適合公司需要在不同的地方的快速測量，短期的測量活動或幾個相關的測量和尺寸幾何公差的驗證。這也是常見

4、找到的 CMA 中逆向工程結合尺寸度量以用于確定復雜的幾何形狀簡單的幾何形狀的參考。CMA 測量的相關性很高因為他們的不確定性范圍和靈活性，使得其不容易被其他設備覆蓋。在不同的地方和不同的測量任務中使用 CMA 可以避免項目費用或持續(xù)時間的巨大影響，如在該領域中的原型或組件的開發(fā)。由于不同的運動學結構和用法的差異，CMA 的可靠性和可追蹤性不能以和坐標測量機相同的方式（CMM）進行評估。CMA 的具體標準已經眾所周知（ASMEb89.4.22 CMAS， 2 ，VDI/VDE 2617 3 和草案ISO 標準 10360.12 4 ），但它們的可靠性總是需要基礎，如探針類型，使用的旋轉編都要考

5、慮到?；蜻\動學結構 5 - 8 ，坐標測量機的追蹤能力已被廣泛研究，即使在動態(tài)條件下 9 ，它也可以很容易地保證一般測量。考慮到自動坐標測量機點過程，并對影響的控制（溫度控制，相對濕度、潔凈度），對于中小容量，坐標測量機實現亞微米的不確定性是合理的。CMM 針對CMA 的大幅改良不確定性已被使用于比較兩個系統和估計CMA10,11容量。這些工作展示了被測要素和操作的重要性 12 。當測量期間不同接觸力和CMA 方向被允許時，測量的高變異性被發(fā)現。這項工作詳細描述了一個原型傳感器的開發(fā)旨在描述接觸過程中不同的操作者，測量策略和探針幾何結構的測量力的特點。改善測量技術被提議用來提高CMA 可靠性。

6、2了解有關 CMA 的探測力，以往的及改進建議CMA 技術發(fā)展已經通過采用輕質材料減少他們重量，增加他們的性和探頭的剛性，并提高了他們的整體工效，但卻忽略了實際操作技能，它才是從根本上負責所施加的力和最終的探測。當使用 CMA 測量時，一個操作員和另一操作員之間較大的變化，接觸力的變化被預計到。力的參數也受到了被測要素的高度影響。這些變化導致相較于它的潛在性能 CMA 的可靠性會有巨大的損失。最近的研究表明，對力（大小和方向）的監(jiān)測將允許對接觸力進行控制，以降低其對測量精度的影響16,17。在這項工作中，人為或操作員是接觸測量中顯著的的不確定。基于安裝在探頭表面應變計的原始力傳感器（圖1）已被

7、開發(fā) 16 。圖 1.以前的測力計布置測量一個標準套圈時的場景。橋式電路的配置使用六個應變計。它顯示了相關的操作員和在圓筒幾何形狀上的力，并得出了研究這些的必要性的結論。通過操作員之間的巨大差異（力的大小和方向），接觸力被量化在 0.5N 至 5N 的范圍內。它也顯示了測量誤差與接觸測量高度相關。對這些的補償和探針的變形是在CMA 上接觸力進一步研究的關鍵點。由于原始傳感器的局限和增加的關于 CMA 重要的力的認識、測量的策略、結果的計量分析以及信號處理導致設計和制造一個全新的傳感器去獲得相關的數據以便最大化提高CMA 性能。設計一個定制的外殼與當前 CMA 集成是必要的，它并入了改良的和受保

8、護的應變計、同步電路以及觸發(fā)機制可以在一個精確的測量時間內激活信號。最后一個要求是，由于項目有限的年度經濟分配，這些改進必須進行以降低成本。降低成本的解決方案也給出了一個適合制造商的其他CMA 模型以及其合理的融入商業(yè)服務的想法。新的傳感器的集成是符合工程學；因此，傳感器不會改變操作者行為。力信號與通過 CMA獲取的點完全同步。通過這個方法，用輪廓數據處理去確定接觸點是沒有必要的，只提供力分析的相關信息即可。當不同的策略被評估時，這是非常有用的。通過集成的系統信號噪聲被減少，它包括固定的電纜位置以及保護傳感器本身。最后的樣機可以被組裝和拆卸而不影響 CMA 結構或影響其正常工作，避免了任何 C

9、MA 損壞，甚至是新的校準。事實上，新的傳感器發(fā)展自 Sigma 2018 unit 外部一個可連接的配件（表 1）。因此，這項工作介紹了設計、制造（由添加劑技術和其它工藝）、系統調試以及校準和驗證。最后，該系統已被用于研究相同操作員和不同不同操作員的接觸力。表 1.坐標測量臂特征3. 集成力傳感器樣機的研制新的傳感器由粘合在筆尖硬探針上的力傳感器測量裝置（3.1感器與CMA 腕節(jié)之間的信號同步系統（3.2 節(jié)）組成。節(jié)）和位于傳3.1力傳感器安裝和集成考慮到探針16,17變形進量得到的接觸力值是通過應變測量電橋被獲得。力傳感器上共有六個應變計（R1，R6）和兩個應變計橋被用來測量探針上軸向力

10、和彎曲力。R 3，R 4，R 5 和 R 6 是 1-xy11-1.5/350 型（HBM 公司，萬寶路MA，USA），用通電橋測量電路來測量軸向力，而R 1 和R 2 是 1-ly11-1.5/350 型（HBM 公司，萬寶路 MA，USA），用德維創(chuàng)公司，grambach，奧地利）提供內阻（R設備（德維創(chuàng) 3021，）完成的半橋電路測量彎曲力。該傳感器上應用了一個新的剛性探頭（66 毫米長，直徑 10 毫米，具有 4mm 直徑的紅寶石球）。從橋發(fā)送的輸出信號的捕獲頻率為 1000。軸向力和彎曲力兩個信號在系統中單獨使用 2 個分離的輸入通道被檢測和處理。該儀器的Dewesoft）允許信號的

11、配置和作出的一個包括以特定的水平調整信號，坐標測量臂數據規(guī)格制造商型號ROMER Sigma Arm 2018測量范圍1800 mm (球面直徑)可重復性測試范圍0.025 mm可重復性錐測試0.032 mm長度精確度0.044 mm重量5.2 kg/11.5 lbs以匹配零信號與零負載和最大信號與最大負載（測試和校準高達 6N）的主要程序。由于一個在測量過程中固定所有的的自保護結構，傳感器的物理穩(wěn)定性和信號的穩(wěn)定性（不測量期間由電線運動所產生的干擾）已經被保障。前面所述保護測量儀外殼（圖 2），以及在手柄和原型的某些技術（POLYJET 三維添加劑制造技術）被制造。通過快速原型圖 2.測量儀

12、器保護殼的 CAD 細節(jié)設計圖在設計階段，制造系統總是被考慮在內。通過利用快速制造技術，在設計時可以不考慮夾緊位置或除去加工過程所施加的典型幾何約束。其他方面的設計都不需要關心，如恒定厚度，后角或注入點的位置，通常考慮制造注塑件。這種缺乏約束的設計適用于儀表、5）。元件和手柄的外殼，如下部分所示（圖 3 -3.2.同步系統同步系統由一個符合工程學柄和同步力點信號系統組成，它包括點觸發(fā)機制和電路。新手柄有兩個部分，它控制所有要素（機械和電子）允許集成和同步一個不丟失任何 CMA 的元素的新的傳感器。通?？刂?CMA 時，操作員在表面上定位的探頭尖端被測量到、點被到是通過按壓在原始手柄上的 按鈕被

13、確定的。該機構的設計保持它在收集點。通過按下新的觸發(fā)，激活信號， CMA 的點收集機構同時被激活。原始手柄的次要功能也有可能與新的系統有關，例如增加和刪除點。圖 3.同步系統手柄的最終設計支持，并對其他組件提供足夠的保護（圖 3）。它還包含結構，以增加手柄的剛性。觸發(fā)機構被與 CMA 硬件完全集成在一起 柄支撐著。一個綠色LED 被 安裝在在手柄的后部，可以讓操作者在視覺上對觸發(fā)進行控制。系統導線通過手柄被固定到新的機構里面（圖 3 中綠色和黃色的部分），這樣以來，他們的運轉不會產生不穩(wěn)定，干擾或是信號噪音。 一個電子電路（PCB）被設計和實施，用于檢測接觸的時間（圖 4，左）。它系統的另一個

14、信道。共有三個信號被收集：通過 CMA被連接到檢測到的點坐標，通過系統獲得的力（彎曲和軸向）和接觸時間。該電路被小型化，并且被集成到傳感器里，通過控制桿被激活（圖 4，右側）。通過這個系統，可以獲得力的準確時間，所以可以過濾和收集僅僅和力值相關的信息。它可以被設置，使得這系統可以很容易地適應其他商業(yè)的 CMA，實現新一代CMA 探頭傳感器。4. 樣機的制造和總體裝配如上所述，快速原型技術，特別是 Polyjet3D AM 工藝被用于制造大部分部件：傳感器的保護罩和新手柄的。此技術包括在平表面噴射一種丙烯酸系光聚合物層。每次噴射循環(huán)后，每個層用紫外線，從而使材料令額外的層手柄有兩個成對的組件，在

15、組裝時，對傳感器提供了一個符合工程學的圖 4.（左）出發(fā)傳感器的電路設計；（右）觸發(fā)機構的細節(jié)隨后可在Z 方向堆疊?？焖僭图夹g允許定制 3D 制造以解決傳統制造技術無法完成。特別是在Object 30 機（Stratasys 公司，明尼蘇達州Eden Prairie，）中的使用。該模型材料是 Stratasys 公司的 RGD 240 光聚合物，而支撐材料是Stratasys 公司的FullCure 705 光聚合物。這種材料的層厚度是 28 微米。 在 3D 打印的 X、Y 方向上的分辨率高達 600 dpi（約 42 微米）。由于所有試樣的幾何形狀都使用SOLIDWORK設計，并轉換為S

16、TL 文件格式（0.001 公制轉換誤差），該零件的精度已經足夠。圖 5 示出使用 3D 打印制造出來的細節(jié)，并準備將相同的組裝在 CMA 上。圖 5.（左）同步系統的生產；（右）干凈的圖 6 顯示了傳感器的設計以及安裝在該 CMA 上的傳感器。傳感器完全與CMA 幾何結構裝配在一起，并且允許對執(zhí)行時沒有任何變化的 CMA 進行工程學控制。一個低成本原型的經濟要求已經了更優(yōu)的解決方案，即，用更小的，三軸計，更強抵抗力與耐用材料等等。這樣的改進留給制造商，希望未來 CMA時代有這樣的默認或至少作為模塊化選項的 “探測力控制”技術。圖 6，傳感器裝置的細節(jié)，從概念到真實模型5. 校準和驗證測試一旦

17、傳感器已經發(fā)現三個信號（軸向力，彎曲力和觸發(fā)信號），應用程序會去監(jiān)測信號，然后系統就被校準和驗證。校準過程包括使用標準砝碼（符合OIMLR111-1 M1 類），找到到的信號和探頭上力之間的關系。依照以往對力的范 圍的研究，0 到 1000 克的砝碼被使用。這個砝碼模仿在探針上的軸向力和彎曲力，并分別進行獨立的測試。首先，從 10 到 1000 克的幾個標準砝碼，分別位于（懸掛）純軸向位置上。這個測試必然包含十個“增加”和“減少”的裝載周期，以獲得軸向運行狀況曲線和它的不確定性（圖 7，左）。隨后，同樣的標準砝碼和相同的周期被重復，但現在它們位于（再次懸掛）一個純彎曲位置，以獲得并校準彎曲運行

18、狀況曲線（圖 7，右側）。如在圖 7 中可以看出，響應的傳感器信號被發(fā)現是線性在此范圍給出了良好的等級近似為兩個分量。事實上根據以往的研究17，這兩個分力的不確定度用 GUM（JCGM：2008 - 指南測量不確定性表達JCGM100）被計算出。這一包含的幾項貢獻（溫度，分辨率，滯后等）類似于校準傳感器和平衡的情況。通過這個程序，0.06N（軸向）和 0.11 N（彎曲）的不確定度（95置信水平中，k =2）分別被獲得。 普通人的力在 1N 到 6N 之間變動，這些數值通常代表一個在軸向情況下在 1 到6 之間，在的彎曲的情況下在 1.83 到 11 之間的百分比。此外，探測的力越大，這些百分

19、比越小。所以，對于力兩種成分，這些數值表示研制出裝置的成功制造和校準。圖 7.傳感器校準測試：（左）軸向載荷；（右彎曲載荷）6.實驗及結果一旦應變計的原始信號（微米/米）被轉化到實際力的測量（通過校準測試程序），信號最終通過 處理并保存為MS Excel 格式以便處理數據，并分析 CMA 性能。類似圖 8 和圖 9 的圖表被獲取到。觸發(fā)力信號強調了 CMA點時施加的接觸力。 圖 8 顯示了測量有八個點的平面和兩種不同的測量技術的結果。第一種技術 包括測量八個點，同時在整個測量期間保持局部與探頭（類似于用于 CMM 的掃描探頭）之間的接觸，同時包括測量 8 個點之間的接觸（圖 8，左和右）。第二

20、種方法，被稱為“點對點接觸”或離散接觸，探頭接觸工件表面只取各八個點測量。綠色信號表示彎曲力而藍色信號表示的軸向力。對于這種信號，負值對應于壓縮。橙色信號是觸發(fā)信號，它指示該觸發(fā)按鈕被按下（垂直線）的確切時間。 這些圖表顯示探針上的實際的力，它們雖然看起來大小相似，但它們所造成 的變形有很大的不同。在以前的研究中16,17，同時使用這種測量配置和通過有限元方法驗證，探針觸針的變形被發(fā)現有巨大的不同，這取決于力的方向。如果力是在純軸向方向，它比在純彎曲的方向產生的變形少 10 倍，所以雖然圖 8 僅僅展示示出了力的大小，顯然彎曲曲線（綠色）的值和形狀都比軸向（藍色曲線）更加具有決定性。這就是為什

21、么彎曲力高的值總是一個關鍵參數，它應該被控制在某種程度上。一旦傳感器被校準，這個申請發(fā)出，測試會在其它要素上進行。這些元素是：圓筒（和外部），圓錐體（和外部），水平和垂直平面及一個精密球體。圓筒的外部和直徑分別為 60 毫米和 50 毫米。通過嚴密的測量測得圓筒高度大于 36 毫米。錐體的直徑為 84 毫米（外部）到 55 毫米（ ），外部和內 部的角度分別為 45和 30。平面被包含在一個與運動座（所述探針的尖端球可以容納的錐孔）尺寸近似的 5050 毫米的柱狀工件里。球體是由碳化鎢制成，其直徑為 50 毫米。被選的尺寸特性為舒適和方便測量的。最大形狀誤差為 0.010毫米。測量值在溫度被控

22、制為（201）里被。圖 8.（左上）兩個測量方法；（右上）實驗裝備；（下）傳感器獲得的曲線圖：軸向力，彎曲力和觸發(fā)信號該測試包括兩個測量策略、幾個探測方向和操作員等要素的測量。每一個工 件的力和觸發(fā)圖表被獲得（圖 9）。對于每一個曲線圖中，左側部分顯示連續(xù)接觸的結果，右側部分示出點對點測量策略的結果。例如，在圖 9 的上部曲線圖中，一個 30的內錐體的測量被表示出。在其左 側圖中的綠色曲線可以看出在操作中采用連續(xù)接觸策略的彎曲力最高值。在右側圖中，使用的是點對點的策略。這里操作者使用一些準確的力值，其中的一些可圖 9.下續(xù)圖 9.當測量不同工件時關于力讀數的舉例：分別是連續(xù)接觸（左側曲線）和點

23、對點接觸（右側曲線）能比在連續(xù)模式下更高。盡管如此，相比在連續(xù)的策略中，這里的平均力值保持在較低的水平。這是因為，連續(xù)模式下的更充裕的測量位置，容易導致過量的接觸力，從而得到一個高的平均力。所以在需要可靠的方法測量要素的情況下，建 議使用點對點的策略，因為這有助仔細探測?？傊?，關于錐形特征，除非在連續(xù)模式中仔細探索，否則離散（點對點）探測策略是更優(yōu)的。 關于平面，測量在約 90（準垂直），45和 0（準平行）時被進行。在 測量過程中被發(fā)現有顯著差異。在圖 9 中顯示的第二個和第三個圖表，操作者施加類似的力，這種力在應用連續(xù)測量，并且在點對點接觸時產生力的峰值時更加容易控制。圖 9 中的最后一幅

24、圖形顯示了在表面使用水平和垂直探頭測量時力的讀數。 在第一種情況下，幾乎不存在彎曲力，軸向力是相關的力。對于連續(xù)測量，軸向壓縮最大為 5N，而對于點對點最高可以達到 10 N。當測量一個平行于表面的垂直面，連續(xù)測量也是最優(yōu)選擇，盡管它在以前案例上是不清楚的。在這種情況下，通過連續(xù)測量，過量的軸向力和彎曲力可以被避免。但連續(xù)測量并不是制造商最優(yōu)的選擇，因為它可能會導致點;不管怎樣，當前的 CMA 模型會在沒有正確 點時發(fā)出聲音。 運動底座（錐孔）測量是最令人關注的測試之一，因為可以使用快速和簡易 的方法去執(zhí)行它以測試 CMA 的測量狀態(tài)。當 CMA 探頭符合錐形孔的范圍時，由于它是被相同的接觸圓

25、（球體和錐體之間的交叉）支撐，探針理論上始終固定在同一空間位置，所以可以重復性研究。此外，一些研究中使用了幾種定義了一快速檢查 CMA 性能 18-20。還有測試提出標準通過其中運動座和 CMA 關節(jié) 處的幾個點用于研究相同點的可重復性測量，單點鉸接試驗（SPAT）。圖 10 中的圖表顯示對八個運動底座測量的力信號。在第一曲線圖中，運動底座位于一個垂直平面上被測量，第二幅相對應運動底座位于一個水平面上。作為一個的 CMA 測量案例，這兩個圖表顯示出軸向力的值很高，高達 13 N。在水平平面內的情況下，由于由操作者、探針和的 CMA 自身重量所施加的力，力總是大于 9N。本試驗表明，所施加的力比普通要素的測量高得多，如圓筒或平面，其力的值高達其它要素三倍。圖 10.當測量運動學座時力讀數的例子（上）垂直面上的觸發(fā)，軸向和彎曲曲線，（下）在水平面上的個沒有形狀誤差的虛擬圓（三點）或