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1、题目：传感器样机测量坐标测量臂的接触力Eduardo Cuesta1, *, Alejandroenti1 , Hector Patio1 , Daniel Gonzlez-Madruga2and Susana Martnez-Pellitero摘要：本文介绍了一种集成了力传感器原型的便携式关节臂三坐标的设计、开发和评估测试（CMA 或 ACM）。它的发展是基于位于 CMA 硬探头表面上的应变计的使用。应变计以及它们的连接电缆和连接器被一个通过添加制造技术（Polyjet 3D）制成的定制容器保护。相同的方法已被选定来制造包含触发器和当探测发生时需要同步触发信号的电子组件的工程学手柄。文中还介

2、绍了实时信号，原型程序的校准和验证测试面向增加手动探测力的认识。几个实验读取了实时力来比较不同的探测方法（不连续和连续的接触），并通过特征从单一的平面到外圆柱，圆锥或球来测量不同类型的几何特征。探测力被分离成两个分量，让这些策略对探针变形的影响变成已知的。这项研究的最终目标是提高探测技术，例如通过使用操作员培训计划，允许额外的力峰值和接触不良被最小化或是仅仅只是为了避免不好的测量。：关节式三坐标（AACMM；CMA）；接触力传感器；探测控制1简介便携式三坐标测量臂的发展（CMA 或AACMM）使得坐标计量更贴近生产，同时引入比任何其他仪器之前更高的精度。通过坐标测量概念，CMA 被设计为便携式

3、，多功能和灵活的机器以完成满足几何尺寸和公差（GD&T）的任务。光学传感器也可以连接通过非接触测量的逆向工程。精度在逆向工程有相对较小的重要性，在实践中，可以通过测量的难易度、速度、扫描复杂几何体的能力、测量策略适应性和点密度等对其进行补偿。无论如何，CMA 都很容易整合到一个生产环境中并且没有显着的训练时间。CMA 通常用于具有少量测量和少量工件的短期测量活动。例如，它们被用于焊接或螺纹盘的 GDT 的质量控制和在该领域的 GDT 认证，无论是在机床表面或直接在生产工作站作为样机制造。CMA 最适合公司需要在不同的地方的快速测量，短期的测量活动或几个相关的测量和尺寸几何公差的验证。这也是常见

4、找到的 CMA 中逆向工程结合尺寸度量以用于确定复杂的几何形状简单的几何形状的参考。CMA 测量的相关性很高因为他们的不确定性范围和灵活性，使得其不容易被其他设备覆盖。在不同的地方和不同的测量任务中使用 CMA 可以避免项目费用或持续时间的巨大影响，如在该领域中的原型或组件的开发。由于不同的运动学结构和用法的差异，CMA 的可靠性和可追踪性不能以和坐标测量机相同的方式（CMM）进行评估。CMA 的具体标准已经众所周知（ASMEb89.4.22 CMAS， 2 ，VDI/VDE 2617 3 和草案ISO 标准 10360.12 4 ），但它们的可靠性总是需要基础，如探针类型，使用的旋转编都要考

5、虑到。或运动学结构 5 - 8 ，坐标测量机的追踪能力已被广泛研究，即使在动态条件下 9 ，它也可以很容易地保证一般测量。考虑到自动坐标测量机点过程，并对影响的控制（温度控制，相对湿度、洁净度），对于中小容量，坐标测量机实现亚微米的不确定性是合理的。CMM 针对CMA 的大幅改良不确定性已被使用于比较两个系统和估计CMA10,11容量。这些工作展示了被测要素和操作的重要性 12 。当测量期间不同接触力和CMA 方向被允许时，测量的高变异性被发现。这项工作详细描述了一个原型传感器的开发旨在描述接触过程中不同的操作者，测量策略和探针几何结构的测量力的特点。改善测量技术被提议用来提高CMA 可靠性。

6、2了解有关 CMA 的探测力，以往的及改进建议CMA 技术发展已经通过采用轻质材料减少他们重量，增加他们的性和探头的刚性，并提高了他们的整体工效，但却忽略了实际操作技能，它才是从根本上负责所施加的力和最终的探测。当使用 CMA 测量时，一个操作员和另一操作员之间较大的变化，接触力的变化被预计到。力的参数也受到了被测要素的高度影响。这些变化导致相较于它的潜在性能 CMA 的可靠性会有巨大的损失。最近的研究表明，对力（大小和方向）的监测将允许对接触力进行控制，以降低其对测量精度的影响16,17。在这项工作中，人为或操作员是接触测量中显著的的不确定。基于安装在探头表面应变计的原始力传感器（图1）已被

7、开发 16 。图 1.以前的测力计布置测量一个标准套圈时的场景。桥式电路的配置使用六个应变计。它显示了相关的操作员和在圆筒几何形状上的力，并得出了研究这些的必要性的结论。通过操作员之间的巨大差异（力的大小和方向），接触力被量化在 0.5N 至 5N 的范围内。它也显示了测量误差与接触测量高度相关。对这些的补偿和探针的变形是在CMA 上接触力进一步研究的关键点。由于原始传感器的局限和增加的关于 CMA 重要的力的认识、测量的策略、结果的计量分析以及信号处理导致设计和制造一个全新的传感器去获得相关的数据以便最大化提高CMA 性能。设计一个定制的外壳与当前 CMA 集成是必要的，它并入了改良的和受保

8、护的应变计、同步电路以及触发机制可以在一个精确的测量时间内激活信号。最后一个要求是，由于项目有限的年度经济分配，这些改进必须进行以降低成本。降低成本的解决方案也给出了一个适合制造商的其他CMA 模型以及其合理的融入商业服务的想法。新的传感器的集成是符合工程学；因此，传感器不会改变操作者行为。力信号与通过 CMA获取的点完全同步。通过这个方法，用轮廓数据处理去确定接触点是没有必要的，只提供力分析的相关信息即可。当不同的策略被评估时，这是非常有用的。通过集成的系统信号噪声被减少，它包括固定的电缆位置以及保护传感器本身。最后的样机可以被组装和拆卸而不影响 CMA 结构或影响其正常工作，避免了任何 C

9、MA 损坏，甚至是新的校准。事实上，新的传感器发展自 Sigma 2018 unit 外部一个可连接的配件（表 1）。因此，这项工作介绍了设计、制造（由添加剂技术和其它工艺）、系统调试以及校准和验证。最后，该系统已被用于研究相同操作员和不同不同操作员的接触力。表 1.坐标测量臂特征3. 集成力传感器样机的研制新的传感器由粘合在笔尖硬探针上的力传感器测量装置（3.1感器与CMA 腕节之间的信号同步系统（3.2 节）组成。节）和位于传3.1力传感器安装和集成考虑到探针16,17变形进量得到的接触力值是通过应变测量电桥被获得。力传感器上共有六个应变计（R1，R6）和两个应变计桥被用来测量探针上轴向力

10、和弯曲力。R 3，R 4，R 5 和 R 6 是 1-xy11-1.5/350 型（HBM 公司，万宝路MA，USA），用通电桥测量电路来测量轴向力，而R 1 和R 2 是 1-ly11-1.5/350 型（HBM 公司，万宝路 MA，USA），用德维创公司，grambach，奥地利）提供内阻（R设备（德维创 3021，）完成的半桥电路测量弯曲力。该传感器上应用了一个新的刚性探头（66 毫米长，直径 10 毫米，具有 4mm 直径的红宝石球）。从桥发送的输出信号的捕获频率为 1000。轴向力和弯曲力两个信号在系统中单独使用 2 个分离的输入通道被检测和处理。该仪器的Dewesoft）允许信号的

11、配置和作出的一个包括以特定的水平调整信号，坐标测量臂数据规格制造商型号ROMER Sigma Arm 2018测量范围1800 mm (球面直径)可重复性测试范围0.025 mm可重复性锥测试0.032 mm长度精确度0.044 mm重量5.2 kg/11.5 lbs以匹配零信号与零负载和最大信号与最大负载（测试和校准高达 6N）的主要程序。由于一个在测量过程中固定所有的的自保护结构，传感器的物理稳定性和信号的稳定性（不测量期间由电线运动所产生的干扰）已经被保障。前面所述保护测量仪外壳（图 2），以及在手柄和原型的某些技术（POLYJET 三维添加剂制造技术）被制造。通过快速原型图 2.测量仪

12、器保护壳的 CAD 细节设计图在设计阶段，制造系统总是被考虑在内。通过利用快速制造技术，在设计时可以不考虑夹紧位置或除去加工过程所施加的典型几何约束。其他方面的设计都不需要关心，如恒定厚度，后角或注入点的位置，通常考虑制造注塑件。这种缺乏约束的设计适用于仪表、5）。元件和手柄的外壳，如下部分所示（图 3 -3.2.同步系统同步系统由一个符合工程学柄和同步力点信号系统组成，它包括点触发机制和电路。新手柄有两个部分，它控制所有要素（机械和电子）允许集成和同步一个不丢失任何 CMA 的元素的新的传感器。通常控制 CMA 时，操作员在表面上定位的探头尖端被测量到、点被到是通过按压在原始手柄上的 按钮被

13、确定的。该机构的设计保持它在收集点。通过按下新的触发，激活信号， CMA 的点收集机构同时被激活。原始手柄的次要功能也有可能与新的系统有关，例如增加和删除点。图 3.同步系统手柄的最终设计支持，并对其他组件提供足够的保护（图 3）。它还包含结构，以增加手柄的刚性。触发机构被与 CMA 硬件完全集成在一起 柄支撑着。一个绿色LED 被 安装在在手柄的后部，可以让操作者在视觉上对触发进行控制。系统导线通过手柄被固定到新的机构里面（图 3 中绿色和黄色的部分），这样以来，他们的运转不会产生不稳定，干扰或是信号噪音。 一个电子电路（PCB）被设计和实施，用于检测接触的时间（图 4，左）。它系统的另一个

14、信道。共有三个信号被收集：通过 CMA被连接到检测到的点坐标，通过系统获得的力（弯曲和轴向）和接触时间。该电路被小型化，并且被集成到传感器里，通过控制杆被激活（图 4，右侧）。通过这个系统，可以获得力的准确时间，所以可以过滤和收集仅仅和力值相关的信息。它可以被设置，使得这系统可以很容易地适应其他商业的 CMA，实现新一代CMA 探头传感器。4. 样机的制造和总体装配如上所述，快速原型技术，特别是 Polyjet3D AM 工艺被用于制造大部分部件：传感器的保护罩和新手柄的。此技术包括在平表面喷射一种丙烯酸系光聚合物层。每次喷射循环后，每个层用紫外线，从而使材料令额外的层手柄有两个成对的组件，在

15、组装时，对传感器提供了一个符合工程学的图 4.（左）出发传感器的电路设计；（右）触发机构的细节随后可在Z 方向堆叠。快速原型技术允许定制 3D 制造以解决传统制造技术无法完成。特别是在Object 30 机（Stratasys 公司，明尼苏达州Eden Prairie，）中的使用。该模型材料是 Stratasys 公司的 RGD 240 光聚合物，而支撑材料是Stratasys 公司的FullCure 705 光聚合物。这种材料的层厚度是 28 微米。 在 3D 打印的 X、Y 方向上的分辨率高达 600 dpi（约 42 微米）。由于所有试样的几何形状都使用SOLIDWORK设计，并转换为S

16、TL 文件格式（0.001 公制转换误差），该零件的精度已经足够。图 5 示出使用 3D 打印制造出来的细节，并准备将相同的组装在 CMA 上。图 5.（左）同步系统的生产；（右）干净的图 6 显示了传感器的设计以及安装在该 CMA 上的传感器。传感器完全与CMA 几何结构装配在一起，并且允许对执行时没有任何变化的 CMA 进行工程学控制。一个低成本原型的经济要求已经了更优的解决方案，即，用更小的，三轴计，更强抵抗力与耐用材料等等。这样的改进留给制造商，希望未来 CMA时代有这样的默认或至少作为模块化选项的 “探测力控制”技术。图 6，传感器装置的细节，从概念到真实模型5. 校准和验证测试一旦

17、传感器已经发现三个信号（轴向力，弯曲力和触发信号），应用程序会去监测信号，然后系统就被校准和验证。校准过程包括使用标准砝码（符合OIMLR111-1 M1 类），找到到的信号和探头上力之间的关系。依照以往对力的范 围的研究，0 到 1000 克的砝码被使用。这个砝码模仿在探针上的轴向力和弯曲力，并分别进行独立的测试。首先，从 10 到 1000 克的几个标准砝码，分别位于（悬挂）纯轴向位置上。这个测试必然包含十个“增加”和“减少”的装载周期，以获得轴向运行状况曲线和它的不确定性（图 7，左）。随后，同样的标准砝码和相同的周期被重复，但现在它们位于（再次悬挂）一个纯弯曲位置，以获得并校准弯曲运行

18、状况曲线（图 7，右侧）。如在图 7 中可以看出，响应的传感器信号被发现是线性在此范围给出了良好的等级近似为两个分量。事实上根据以往的研究17，这两个分力的不确定度用 GUM（JCGM：2008 - 指南测量不确定性表达JCGM100）被计算出。这一包含的几项贡献（温度，分辨率，滞后等）类似于校准传感器和平衡的情况。通过这个程序，0.06N（轴向）和 0.11 N（弯曲）的不确定度（95置信水平中，k =2）分别被获得。 普通人的力在 1N 到 6N 之间变动，这些数值通常代表一个在轴向情况下在 1 到6 之间，在的弯曲的情况下在 1.83 到 11 之间的百分比。此外，探测的力越大，这些百分

19、比越小。所以，对于力两种成分，这些数值表示研制出装置的成功制造和校准。图 7.传感器校准测试：（左）轴向载荷；（右弯曲载荷）6.实验及结果一旦应变计的原始信号（微米/米）被转化到实际力的测量（通过校准测试程序），信号最终通过 处理并保存为MS Excel 格式以便处理数据，并分析 CMA 性能。类似图 8 和图 9 的图表被获取到。触发力信号强调了 CMA点时施加的接触力。 图 8 显示了测量有八个点的平面和两种不同的测量技术的结果。第一种技术 包括测量八个点，同时在整个测量期间保持局部与探头（类似于用于 CMM 的扫描探头）之间的接触，同时包括测量 8 个点之间的接触（图 8，左和右）。第二

20、种方法，被称为“点对点接触”或离散接触，探头接触工件表面只取各八个点测量。绿色信号表示弯曲力而蓝色信号表示的轴向力。对于这种信号，负值对应于压缩。橙色信号是触发信号，它指示该触发按钮被按下（垂直线）的确切时间。 这些图表显示探针上的实际的力，它们虽然看起来大小相似，但它们所造成 的变形有很大的不同。在以前的研究中16,17，同时使用这种测量配置和通过有限元方法验证，探针触针的变形被发现有巨大的不同，这取决于力的方向。如果力是在纯轴向方向，它比在纯弯曲的方向产生的变形少 10 倍，所以虽然图 8 仅仅展示示出了力的大小，显然弯曲曲线（绿色）的值和形状都比轴向（蓝色曲线）更加具有决定性。这就是为什

21、么弯曲力高的值总是一个关键参数，它应该被控制在某种程度上。一旦传感器被校准，这个申请发出，测试会在其它要素上进行。这些元素是：圆筒（和外部），圆锥体（和外部），水平和垂直平面及一个精密球体。圆筒的外部和直径分别为 60 毫米和 50 毫米。通过严密的测量测得圆筒高度大于 36 毫米。锥体的直径为 84 毫米（外部）到 55 毫米（ ），外部和内 部的角度分别为 45和 30。平面被包含在一个与运动座（所述探针的尖端球可以容纳的锥孔）尺寸近似的 5050 毫米的柱状工件里。球体是由碳化钨制成，其直径为 50 毫米。被选的尺寸特性为舒适和方便测量的。最大形状误差为 0.010毫米。测量值在温度被控

22、制为（201）里被。图 8.（左上）两个测量方法；（右上）实验装备；（下）传感器获得的曲线图：轴向力，弯曲力和触发信号该测试包括两个测量策略、几个探测方向和操作员等要素的测量。每一个工 件的力和触发图表被获得（图 9）。对于每一个曲线图中，左侧部分显示连续接触的结果，右侧部分示出点对点测量策略的结果。例如，在图 9 的上部曲线图中，一个 30的内锥体的测量被表示出。在其左 侧图中的绿色曲线可以看出在操作中采用连续接触策略的弯曲力最高值。在右侧图中，使用的是点对点的策略。这里操作者使用一些准确的力值，其中的一些可图 9.下续图 9.当测量不同工件时关于力读数的举例：分别是连续接触（左侧曲线）和点

23、对点接触（右侧曲线）能比在连续模式下更高。尽管如此，相比在连续的策略中，这里的平均力值保持在较低的水平。这是因为，连续模式下的更充裕的测量位置，容易导致过量的接触力，从而得到一个高的平均力。所以在需要可靠的方法测量要素的情况下，建 议使用点对点的策略，因为这有助仔细探测。总之，关于锥形特征，除非在连续模式中仔细探索，否则离散（点对点）探测策略是更优的。 关于平面，测量在约 90（准垂直），45和 0（准平行）时被进行。在 测量过程中被发现有显著差异。在图 9 中显示的第二个和第三个图表，操作者施加类似的力，这种力在应用连续测量，并且在点对点接触时产生力的峰值时更加容易控制。图 9 中的最后一幅

24、图形显示了在表面使用水平和垂直探头测量时力的读数。 在第一种情况下，几乎不存在弯曲力，轴向力是相关的力。对于连续测量，轴向压缩最大为 5N，而对于点对点最高可以达到 10 N。当测量一个平行于表面的垂直面，连续测量也是最优选择，尽管它在以前案例上是不清楚的。在这种情况下，通过连续测量，过量的轴向力和弯曲力可以被避免。但连续测量并不是制造商最优的选择，因为它可能会导致点;不管怎样，当前的 CMA 模型会在没有正确 点时发出声音。 运动底座（锥孔）测量是最令人关注的测试之一，因为可以使用快速和简易 的方法去执行它以测试 CMA 的测量状态。当 CMA 探头符合锥形孔的范围时，由于它是被相同的接触圆

25、（球体和锥体之间的交叉）支撑，探针理论上始终固定在同一空间位置，所以可以重复性研究。此外，一些研究中使用了几种定义了一快速检查 CMA 性能 18-20。还有测试提出标准通过其中运动座和 CMA 关节 处的几个点用于研究相同点的可重复性测量，单点铰接试验（SPAT）。图 10 中的图表显示对八个运动底座测量的力信号。在第一曲线图中，运动底座位于一个垂直平面上被测量，第二幅相对应运动底座位于一个水平面上。作为一个的 CMA 测量案例，这两个图表显示出轴向力的值很高，高达 13 N。在水平平面内的情况下，由于由操作者、探针和的 CMA 自身重量所施加的力，力总是大于 9N。本试验表明，所施加的力比普通要素的测量高得多，如圆筒或平面，其力的值高达其它要素三倍。图 10.当测量运动学座时力读数的例子（上）垂直面上的触发，轴向和弯曲曲线，（下）在水平面上的个没有形状误差的虚拟圆（三点）或