林煌旭,林侯前,張學(xué)昌,李賢義,何 平,張 煒
(1.浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院,浙江寧波 315100;2.寧波普瑞均勝汽車電子有限公司,浙江寧波 315040)
以特斯拉為代表的新能源汽車搭載的高性能中控屏正在快速普及,可為駕駛者提供多維度沉浸式體驗(yàn)[1]。雖然車載觸控屏集成了多樣化的人機(jī)交互功能,但汽車廠商仍會保留必要的實(shí)體按鍵,如雙閃燈、車窗升降和方向盤輔助開關(guān)等[2]。從視覺體驗(yàn)方面考慮,設(shè)計(jì)實(shí)體按鍵不僅可以豐富內(nèi)飾細(xì)節(jié),而且能提升汽車的品質(zhì)[3-4],因此,實(shí)體按鍵不會完全消失。市場需要更加美觀舒適、符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)體按鍵,這就對其外觀材質(zhì)、性能水平、質(zhì)量評估等方面提出了更高的要求[5]。在產(chǎn)品交付階段,汽車零部件供應(yīng)商需要給整車廠商提供完整的檢測報(bào)告,按鍵手感測試類項(xiàng)目是其中關(guān)鍵的指標(biāo)項(xiàng)。傳統(tǒng)按鍵手感測試設(shè)備通常采用拉伸壓縮試驗(yàn)臺架和電子式萬能試驗(yàn)機(jī),以力傳感器單自由度移動、被測按鍵對中固定操作模式最為常見,但此方式存在以下弊端[6-7]:①多按鍵產(chǎn)品須依次調(diào)整測力點(diǎn)位置并重復(fù)裝夾,勞動強(qiáng)度大,長時(shí)間操作容易導(dǎo)致操作人員疲勞且測試效率也較低;②每次測量都需要操作人員尋找點(diǎn)位,存在定位誤差,造成同一批次產(chǎn)品不同時(shí)間段測量結(jié)果有較大差異,不能滿足產(chǎn)品重復(fù)測量一致性要求;③傳感器主軸無法偏轉(zhuǎn)角度,難以適用于平整表面、弧形表面和撥桿組合按鍵產(chǎn)品,靈活度不高,拓展性不強(qiáng)。
針對傳統(tǒng)設(shè)備自動化程度低、重復(fù)裝夾造成的測量誤差大等現(xiàn)狀,本文設(shè)計(jì)了用于采集按鍵力與行程的機(jī)器人系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)在于測試過程高度自動化,操作人員可將更多精力用于評定按鍵手感差異,而設(shè)備的自動化工作流程可降低手工操作的失誤率,提高按鍵狀態(tài)的一致性;機(jī)器人重復(fù)定位精度高且選配的工業(yè)級精密傳感器可保證系統(tǒng)重復(fù)測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,減少了設(shè)備本身的精度誤差對按鍵手感測試造成的影響;6關(guān)節(jié)機(jī)械手擁有更多的空間自由度,可更換不同類型的夾頭,適用于多種類按鍵產(chǎn)品的手感測試任務(wù),且可控制末端操作器垂直于按鍵表面,確保了采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。整套測控系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室精密測量領(lǐng)域。
測控系統(tǒng)主要由機(jī)械手運(yùn)動控制模塊①、力采集模塊②、行程采集模塊③、NI CompactRIO 控制平臺(cRIO 9039)④和個(gè)人計(jì)算機(jī)⑤組成,總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。模塊①是Epson C4 機(jī)器人系統(tǒng),控制器RC50 提供LAN 網(wǎng)口和USB 端口實(shí)現(xiàn)與個(gè)人計(jì)算機(jī)通信,在控制器開發(fā)軟件界面(EPSON RC +5.0,簡稱RC +5.0)完成示教點(diǎn)位和軌跡編程等操作;模塊②完成系統(tǒng)測力任務(wù),力傳感器檢測到外力變化會輸出電信號到信號放大器,經(jīng)放大濾波處理后傳輸給模擬輸入模塊(NI 9203);模塊③用于測量目標(biāo)對象位移變化量,直線電機(jī)內(nèi)置位置編碼器反饋的位移增量經(jīng)伺服驅(qū)動器內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換輸出到數(shù)字輸入模塊(NI 9401),經(jīng)轉(zhuǎn)換后的力與行程信號統(tǒng)一由模塊④并行控制,最后通過機(jī)箱網(wǎng)口傳輸給個(gè)人計(jì)算機(jī)⑤處理。整個(gè)系統(tǒng)測力與位移測量環(huán)節(jié)都基于上位機(jī)Lab-VIEW軟件來實(shí)施。
圖1 測控系統(tǒng)總體系統(tǒng)框圖
電阻應(yīng)變式力傳感器通過響應(yīng)外界載荷改變電阻值并轉(zhuǎn)換成可測量的電信號來實(shí)現(xiàn)力采集,具有采集精度高、頻響特性好等優(yōu)點(diǎn)[8]。由于受力對象測量范圍小于20 N,且力傳感器安裝在機(jī)械手末端位置,選用德國ME-Systeme公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的S 形鋁合金力傳感器(KD24S 20 N)。安裝方式上,力傳感器通過M5螺紋孔與直線電機(jī)連接的安裝方式,保證力傳感器受壓力方向與電機(jī)位移方向在同一直線上。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,其體積小、質(zhì)量輕,可將拉、壓雙向力集中于中間位置,S形彈性體結(jié)構(gòu)使得應(yīng)變測量不受其他環(huán)境因素干擾,輸出穩(wěn)定且靈敏度高,精度等級為0.1%,相對線性誤差系數(shù)為0.02%F.S.,測力量程廣,最大可承受4 倍的過載力[9],能滿足系統(tǒng)使用需求。
直線電機(jī)模塊帶動力傳感器直線移動并檢測位移值增量,組件包括無刷同步伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器通過配置軟件(LinMot Talk)可以定義運(yùn)動控制模式并設(shè)置電機(jī)的初始位置和上下極限位置;線性電機(jī)作為執(zhí)行元件,接收伺服驅(qū)動器控制信號并做出響應(yīng);而電機(jī)內(nèi)置位移傳感器會實(shí)時(shí)檢測電機(jī)位置信息并反饋給驅(qū)動器。產(chǎn)品選型采用LinMot 系列線性驅(qū)動解決方案,包含伺服驅(qū)動器(B1100-GP)和線性電機(jī)(P01 -48 ×240,最大行程210 mm,重復(fù)性測量精度0.05 mm)[10]。與傳統(tǒng)電機(jī)組合齒輪等傳動方式相比,該驅(qū)動模塊直接將輸入電能轉(zhuǎn)換成直線位移,具有定位精度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長等優(yōu)勢,適用于實(shí)驗(yàn)室自動化精密測量工作場景。
力傳感器的測試數(shù)值與直線電機(jī)行程的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系決定著系統(tǒng)整體采集精度。為保證每次測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用前需要在HBM 單點(diǎn)式稱重傳感器(PW2CC3MR,7.2 kg)平臺上校準(zhǔn)力與行程模塊,兩者數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系以采集電信號為中間變量經(jīng)過換算得到。加載1 N 初始單點(diǎn)力,依次增加,每次增加1 N,最大增加到10 N,得到對應(yīng)力值與電機(jī)位移輸出的關(guān)系,力與行程校準(zhǔn)曲線如圖2 所示,其橫坐標(biāo)為電機(jī)位置式傳感器檢測到的行程,縱坐標(biāo)為力傳感器加載的力值,實(shí)際測試點(diǎn)基本分布在擬合直線上。測試結(jié)果表明,力與行程呈正比例函數(shù)關(guān)系,比例系數(shù)k 接近1,進(jìn)一步說明測控系統(tǒng)采集信號精準(zhǔn),可用于精密測量場景。
圖2 力與行程校準(zhǔn)曲線
LabVIEW是基于“軟件即儀器”核心理念的圖形化編程語言,通過計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)與外圍儀器互聯(lián)通信,可構(gòu)建以軟件儀器為單元、數(shù)據(jù)流為載體的虛擬測控系統(tǒng)[11]。本文基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)以下功能:機(jī)器人控制器RC50 與機(jī)箱cRIO通信、力傳感器數(shù)值采集與直線電機(jī)位置檢測控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。
RC50 控制器(RC +5.0 開發(fā)環(huán)境)依據(jù)編譯點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精準(zhǔn)定位,cRIO 機(jī)箱(LabVIEW 編程環(huán)境)傳送指令給伺服驅(qū)動器從而控制機(jī)械手末端直線電機(jī)移動,兩者通過TCP/IP協(xié)議建立聯(lián)系,以TCP網(wǎng)絡(luò)通信控件傳遞字符串命令完成雙向數(shù)據(jù)發(fā)送與接收,整個(gè)過程為:LabVIEW界面觸發(fā)開始動作,以滿足“Measure_Start”字符串條件語句執(zhí)行RC +5.0 程序從而控制機(jī)械手到達(dá)指定位置,同時(shí)傳送“Robot_In_Pos”字符串通知上位機(jī),然后LabVIEW加載電機(jī)參數(shù)并驅(qū)動LinMot直線電機(jī)完成力與行程檢測;執(zhí)行完測試任務(wù)后,以“Measure_End”字符串返回RC +5.0 程序,由此完成一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位測量。
為滿足力與行程實(shí)時(shí)采集要求,采用cRIO 機(jī)箱及PC端LabVIEW程序獲取高精度、低延時(shí)采樣數(shù)據(jù)。cRIO內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸由門陣列邏輯電路矩陣(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)和實(shí)時(shí)(Real Time,RT)處理器來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW FPGA程序獲取傳感器信號并進(jìn)行濾波處理,而后采集數(shù)據(jù)控件通過握手方式觸發(fā)實(shí)時(shí)處理器RT模塊同步運(yùn)行并將測量數(shù)據(jù)打包上傳至PC 端。PC 端作為上位機(jī)與cRIO機(jī)箱利用以太網(wǎng)建立連接,基于網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù),綁定LabVIEW開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建的共享變量與RT 模塊部署的共享變量,繼而可讀取到目標(biāo)測量值。LabVIEW編程環(huán)境中采用隊(duì)列技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)流采集、分析處理,以及實(shí)時(shí)顯示不同任務(wù),其先入先出(First In First Out,F(xiàn)IFO)數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制保證采集數(shù)據(jù)的完整性,也有利于提高運(yùn)行效率,數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示。
圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖
LabVIEW開發(fā)環(huán)境以前面板為人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動控制、測量數(shù)據(jù)顯示及特征化和對文件系統(tǒng)的操作,LabVIEW人機(jī)交互界面如圖4 所示。測控系統(tǒng)的啟動與急停分別由布爾控件“Start”和“Stop”控制;通過設(shè)置參數(shù)文件可改變直線電機(jī)運(yùn)動速度以適應(yīng)不同的測試項(xiàng)目;實(shí)際測量過程中,波形圖實(shí)時(shí)顯示采集到的力與行程數(shù)據(jù),在得到完整曲線后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到特征值,即實(shí)驗(yàn)曲線的波峰、波谷極值。最后,測得的數(shù)據(jù)以特定文件格式保存在本地路徑以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)追溯與管理。
圖4 LabVIEW人機(jī)交互界面
搭建的測控系統(tǒng)可用于衡量工業(yè)產(chǎn)品按鍵的手感質(zhì)量差異,機(jī)器人力與行程測量平臺如圖5 所示,機(jī)械手各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)空間位置定位,手部末端的力傳感器和直線電機(jī)模塊完成數(shù)據(jù)采集,待測零件用夾具固定裝夾在水平臺面上,力傳感器始終保持垂直姿態(tài)。
圖5 機(jī)器人力與行程測量平臺
設(shè)備自動化是本設(shè)計(jì)的特色之一,闡明自動化調(diào)試過程對熟悉設(shè)備性能具有重要的參考意義。在系統(tǒng)自動運(yùn)行實(shí)現(xiàn)階段,需要完成以下步驟。
(1)手動示教目標(biāo)點(diǎn)位。
在機(jī)器人坐標(biāo)原點(diǎn)與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致的狀態(tài)下,選擇手動模式并依據(jù)圖紙相對尺寸移動機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)位,示教完成的各點(diǎn)信息存儲在控制器中,便于編程使用。
(2)創(chuàng)建下位機(jī)源程序和上位機(jī)應(yīng)用程序。
源程序Main函數(shù)包含機(jī)械手自動運(yùn)行的控制算法,編程內(nèi)容涉及系統(tǒng)初始化、設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)位數(shù)量及相鄰點(diǎn)位運(yùn)動軌跡、TCP/IP 通信等;LabVIEW 應(yīng)用程序等待源程序指令執(zhí)行測試任務(wù)并采集數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)顯示和儲存操作,其通信機(jī)制描述見3.1 節(jié)。
(3)調(diào)試系統(tǒng)達(dá)到自動化測試效果。
切換機(jī)器人系統(tǒng)至自動(Auto)模式,試運(yùn)行并排查機(jī)械手有無碰撞風(fēng)險(xiǎn),直至能安全完成自動化測試任務(wù)。
為驗(yàn)證其自動化測試能力,選取汽車內(nèi)飾件多功能方向盤開關(guān)為測試對象,利用所設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)完成產(chǎn)品面板多個(gè)物理按鍵的集成測試。測試對象屬于自回位按鍵開關(guān),由底座、PCB板、導(dǎo)電橡膠、主體外殼和面蓋構(gòu)成,其中導(dǎo)電橡膠是實(shí)體按鍵產(chǎn)生反饋手感最主要的部件。整個(gè)測試過程中,操作人員只需用夾具固定好產(chǎn)品并點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕即可。機(jī)器人系統(tǒng)接收到用戶指令后進(jìn)行初始化并鏈接數(shù)據(jù)庫示教點(diǎn)位信息,啟動機(jī)械手自動完成測試任務(wù),同時(shí)在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)值并保存數(shù)據(jù)。機(jī)械手末端操作器完成一個(gè)點(diǎn)位測試作業(yè)后,數(shù)據(jù)會自動傳輸?shù)缴衔粰C(jī)緩沖區(qū)暫存,直到完成特定次數(shù)任務(wù)后生成完整的曲線文件。如圖6 所示,得到測試對象所有按鍵測試的曲線集合算作機(jī)器人自動執(zhí)行一次作業(yè)任務(wù)。結(jié)果表明,各按鍵測出的力與行程關(guān)系曲線形狀相似,力值隨行程變化總體呈上升趨勢,各處特征點(diǎn)力的大小基本一致,其中有一段力值隨行程增大而減小[12],這是由于被測按鍵在下壓過程中內(nèi)部導(dǎo)電橡膠斜壁驟然彎曲導(dǎo)致部分壓力滯后損失,這也是判斷按鍵操作手感好壞的依據(jù)。
為進(jìn)一步解釋按鍵手感機(jī)理,選取Key3 結(jié)果分析說明影響按鍵手感的參數(shù)指標(biāo)。如圖7 所示,實(shí)線是按鍵下壓進(jìn)程階段,動力源是機(jī)械手對按鍵施加的作用力;虛線是按鍵松開回程階段,由彎曲導(dǎo)電橡膠形變恢復(fù)提供能量。反映手感性能差異的是進(jìn)程曲線。F1是導(dǎo)電橡膠斜壁在即將彎曲變形時(shí)刻的臨界力,簡稱操作力;F2是導(dǎo)電橡膠剛好下壓到PCB 板的接觸力;F3是導(dǎo)電橡膠被進(jìn)一步擠壓的驅(qū)動力,使行程達(dá)到s3,即之后的按鍵反彈回程。操作力F1與接觸力F2的落差能直觀反映手感好壞,總體而言,差值越大,相應(yīng)手感越佳。式(1)可以定量衡量手感舒適程度,據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)手感值H 大于40%,按鍵手感舒適性較好,當(dāng)s1/s2處于0.4 ~0.6 區(qū)間時(shí),按鍵被按下后可以自恢復(fù)[13]。
圖7 導(dǎo)電橡膠按壓過程原理圖
以Key3 為例,F(xiàn)1=3.212 N,F(xiàn)2=1.857 N,H =46.2%,s1/s2=0.54,表明此按鍵手感較好。為便于操作者直觀判定按鍵手感好壞,進(jìn)程曲線上特征值點(diǎn)由LabVIEW軟件自動提取并鏈接到前面板顯示。
與傳統(tǒng)測量裝置“力傳感器固定、移動工件對中”的操作模式相比,該系統(tǒng)免去了重復(fù)裝夾,可減少二次裝夾引起的定位誤差;通過示教點(diǎn)編程方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手自主尋找多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位,達(dá)到了自動化測試的目的,曲線特征點(diǎn)可以直觀判定按鍵質(zhì)量差異,從生產(chǎn)效率方面考慮,能顯著提升產(chǎn)品測試效率與質(zhì)量。
測控系統(tǒng)重復(fù)測量精度由機(jī)械手重復(fù)定位精度、手部末端傳感器測量精度和不同測試樣件狀態(tài)構(gòu)成,機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的靜態(tài)誤差和由樣件狀態(tài)、環(huán)境溫度造成的動態(tài)誤差都是其影響因素[14]。為減少動態(tài)誤差的影響,選擇同一個(gè)樣件的某個(gè)物理按鍵為測試對象,在短時(shí)間內(nèi)對同一目標(biāo)點(diǎn)位開展6 次重復(fù)檢測實(shí)驗(yàn),每次壓力保持約60 s,得到的6 條高度重合的力與行程關(guān)系曲線如圖8 所示,各條曲線軌跡幾乎重合,變化趨勢也一致。由4.1 節(jié)可知,按鍵手感影響參數(shù)包括H和s1/s2,前者反映按鍵按下時(shí)有無反饋感,后者衡量按鍵能否自恢復(fù)。為進(jìn)一步量化關(guān)鍵參數(shù)差異,依次提取進(jìn)程曲線極大值和極小值特征點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值,引入均值、最大差值和標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)分析以力與行程為獨(dú)立變量的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況。需要說明的是,在分析力指標(biāo)差異時(shí),力數(shù)據(jù)是各曲線以同一行程為基準(zhǔn)得到的Y坐標(biāo)值,而行程數(shù)據(jù)是各曲線在極值點(diǎn)處的極值力所對應(yīng)的行程量。為降低測試數(shù)據(jù)的偶然性,剔除6 組數(shù)據(jù)中的最大值和最小值,以4 組樣本數(shù)據(jù)分析測控系統(tǒng)重復(fù)測量精度指標(biāo)。
圖8 系統(tǒng)重復(fù)測量精度驗(yàn)證結(jié)果
引入式(2)和式(3)說明力指標(biāo)是否達(dá)到所選力傳感器的精度等級和相對線性誤差要求[15-16]。
式中:cA為精度等級(無量綱參數(shù));ΔF為極值點(diǎn)處最大差值;Fmax為力傳感器量程。
式中:eR為相對線性誤差(無量綱系數(shù)),是測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差與力傳感器量程之比;Sx為樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差;n為樣本數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);xi為第i個(gè)樣本數(shù)值;x-為樣本數(shù)據(jù)均值。
極值點(diǎn)力重復(fù)測量差異結(jié)果如表1 所示,可知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在極大值和極小值處的最大差值分別為0.024 N、0.021 N,樣本標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.01 ×10-2N、8.8 ×10-3N,cA分別為0.12%、0.105%,eR分別為0.025%、0.022%。需重點(diǎn)關(guān)注的是極值點(diǎn)處cA、eR的平均值分別為0.112%、0.024%,其數(shù)值與2.1 節(jié)力傳感器精度等級0.1%、相對線性誤差0.02%F.S.兩項(xiàng)指標(biāo)處于同一數(shù)量級,可認(rèn)為該系統(tǒng)力重復(fù)測量的不確定度滿足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。
表1 極值點(diǎn)力重復(fù)測量差異
極值點(diǎn)行程重復(fù)測量差異如表2 所示,行程量在極大值和極小值處的最大差值Δxmax分別為0.029 mm、0.007 mm,通過式(4)計(jì)算的算術(shù)平均誤差值δ-分別為8.75 μm、2.25 μm,極值點(diǎn)處Δxmax、δ-平均值分別為18 μm、5.5 μm,結(jié)合2.2 節(jié)直線電機(jī)重復(fù)性測量精度0.05 mm 性能指標(biāo),可判定滿足系統(tǒng)使用要求。綜上所述,所設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)可適用于工業(yè)產(chǎn)品力與行程測量場景,且結(jié)果具有很好的一致性。
表2 極值點(diǎn)行程重復(fù)測量差異
基于LabVIEW平臺設(shè)計(jì)了一套用于采集按鍵力與行程的機(jī)器人系統(tǒng),對其系統(tǒng)構(gòu)成原理、關(guān)鍵部件選型、軟件功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其高效自動化測試能力和精準(zhǔn)重復(fù)測量性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)相比,該系統(tǒng)能夠自動執(zhí)行多按鍵測試任務(wù)并完成數(shù)據(jù)儲存,操作簡單易上手、自動化程度高、測量精度可靠,可為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程提供技術(shù)支持,也可為精密測量設(shè)備選型提供參考。