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专业英语翻译 传感技术在装配系统中应用 1、 说明 在现代市场需求及越来越多可用的自动化装置和机器人的推动下，一种新型的装配系统在去年应运而生。在两篇关键性的文献中(41，80)，描述了这种在全球化推动下产生的装配系统从1980年以前典型的专一装配机器到应用了机器人和灵活伺服机构的可改装系统的演变。它还指出一种理想的装配系统应该具有较高的生产效率、良好的灵活性和机敏性。后两点说明在传统的收工装配车间中也非常容易实现，且仍然在各个领域和各个国家占有重要的低位，但是在高自动化系统中却较难实现。在特殊的灵巧性装配工作中，i.e人们喜欢由装配机器人来完成装配工作。因此，在工业应用中要求具有可靠高效的感知反馈环节。所以，不论在开发新型装配车间的思想中还是对现有转配车间的自动化改造中和解决最近产生的装配问题中，无不体现了传感器的重要性。 传感器在装配工作中的重要性远比监视机械工具的重要性大，一般的传感器在装配车间经常具有广泛的应用，甚至比在高自动化的机械系统中的应用更加频繁。这是因为在装配操作比一般其它操作都难，经常产生或要求复杂的运动。另外，即使是装配机器人在已规划的工作环境中操作，像工件的形位误差、未知的工件位置等可变因素也经常影响装配进程。而且，装配任务的品质要求使其包含自动检测环节成为必要。 适当传感器的安装也适用于像工业机器人、可操作的气动伺服装置等具有较低的位置精度和顺向的经济优势的的机械。 传感器的另一种优势表现在具体的操作过程阶段。事实上，相同的传感器可以被用于对简单、快速的操作和轨道插入的 过程控制，自从传感器自身可以在操作阶段提供正确路径所必须的信息，一种高位置精度的末端机构不再需要经历自学习阶段。另外，自从传感器能够补偿计算机辅助设计的收搜索精度时，使得线下操作过程更加容易和有效。 自从传感器的重要性在1978年的一篇主旨性文章中(149)被强调以后，装配系统的变革是显著的，很多工厂开始在他们的装配车间使用传感器，在传感技术的影响下机器人的研究也创造出了很多效益各种新型的传感器，各种新型的传感器也已经投入到了市场。正因如此，它在考察和讨论传感技术的发展现状种都非常的重要，不论在工业还是为获得传感器的主要应用、现存问题和发展趋势的研究。 2、装配系统操作 除了像清理、去毛刺等辅助任务外，在装配车需要传感器的主要操作可以分为以下几类: , 部件匹配:径孔匹配，孔径匹配。多孔径匹配是这种需要传感器辅助装配中的典型操作，因为单一或多孔径的配合很容 易受到配合间距、零件误差和装配机器人精度的影响。 , 工件连接:这种工作估计占据了整个装配工作的50%。例如: , 需要监视和检查扭矩的等连接质量的螺栓连接装配。 , 必须控制应力的压力配合。 , 必须检查材料多少及连续性的胶合及密封装配。 , 在航空制造业非常流行的铆接装配。 , 工件处理:自动进给装置和机器人手抓在工件的位置不完全预知或在操作过程中可以自身被改变的时候，经常要求有好 的感知能力。 , 工件识别:对生产线上随即提供工件的位置和角度的识别是不可缺少传感器的典型应用。 , 为较好的控制提供检测:在印刷电路板(PCBs)上焊接电子元器件，必须控制焊点体积和形状，是这种应用的典型例子。 另外，传感器在新兴产业和应用领路也是同样的有用或不可或缺: , SMDs(表面贴片元器件)的自动焊接在现代电子工业，特别是在3-MIDs(摸具器件一体化)领域非常的盛行。 , 在汽车工对装配过程中，对很难控制和处理的易变形工件的装配。 , 为重复利用，在产品状况不可预知条件下的自动拆解工作。 , 尺寸效应可能导致不可预见后果的微型工件组合。 关于传感技术在转配系统中应用的文献是非常广泛的，甚至更为广泛的机器人学领域也包括。这篇文章是在对各种参考文献辩证的分析和对CIRP成员、传感器生产厂家和使用装配车间的工业界的用户以问卷的形式调查后写的。 像机械式、电容式、电感式或微动开关式传感器均不在本文的考虑之列，即使在装配车间有着大量的应用。 2、 装配系统的传感器 根据传感器在上述工作中的典型应用，可以被分为以下3大类: , 应力传感器，能够测量由于两个或更多的工件接触而产生的应力，像测量机器手指抓去物体或孔径接触应力等。它们的 主要操作处理功能单元可以被分作: , 力传感器; , 触觉传感器; 1 , 传感适配器。 , 三维空间传感器，可以测量三维空间量(工件形状、位置识别、定位、或简单判别物体的存在)。按照前面的规则，它们 也可以分作预处理测量(像抓取前的工件识别和定位)或后处理测量(像在装配过程中最后的工件检测) 。这种类型的 传感器主要了一分为: , 光学传感器; , 视觉传感器; , 机械探头; , 位置传感器。 , 其他传感器。其他一些典型的传感器应用在一些专门的试验或其他一些与装配操作相关的检测任务。其中，最最要的一 些是: , 温度传感器; , 压力传感器; , 听觉传感器; , 加速度传感器。 表1 总结了应力和三维传感器在装配操作中应用。 作为对文献资料的分析结果，图1a给出了在装配系统中用到的主要几种类型传感器的图解分布。图1b 显示了力学和视觉传感器在装配操作中的应用分布。 3.1 力学传感器 使用力学传感器的构思是能够产生一个与两个物体接触力相对应的信号，在自动装配系统中采用的第一种解决是获得一个电压信号提供可靠的反馈。 这种类型的传感器可以分作两大类:数字式和模拟式传感器。第二种分类是基于传感器所能测量的力的维数:从一维传感器(如通常我们所知道的称重传感器)到能够测量6个自由度上的力和力矩的力/力矩传感器(F/T 传感器)。再一种分类方式是根据的它们的原理。最普遍的是测量由作用在可形变结构上的外力所引起的拉伸量。这种测量方式通常表现在电子应力计上(由于它们的高可靠性、易操作性和低成本)，但是，其他的一些系统也采用诸如压电式、电感式、电容式或涡电流式传感器，电位器等。力学传感器在装配系统中的重要性同样也体现在操作者对它的选型和安装过程中，如图2所示。传感器的选型，基于不同的考虑，主要涉及到传感器所能测量的力的维数、重量、体积及灵敏度等。 比较常见的应用有: , 用于由程序错误或其它不可预知的情况引出的过载识别。这种应用主要通过安装在关节部位可以测量一到三个方向力的 数字传感器来控制。为防止机构之间的碰撞，这种装置可以与伺服系统集成在一起。 , 抓取，涉及到抓取力的控制，通常由安装在机器手指上的单向力传感器或通过更多传感器测量关节部位的载荷来实现。 , 通过安装在关节部位的力传感器判别工件是否丢失。只要现场的工件对测力传感器有影响，这种操作就具有可行性。通 过对该传感器的输出与一个参考值的比较，丢失的工件将可能被发觉。适用于螺栓连接、压力连接、铆接或插入式操作。 在螺栓连接操作中，力传感器用来测量力矩，通常与电动板手集成在一起。一种典型的配置如图3所示的用涡电流传感器测量力矩的结构。两个有纵向狭缝的空心圆柱被安装在主力矩轴上的同轴线圈上。一套固定在空心圆筒周围的线圈由高频电流供电。通过轴的旋转，在线圈上有一个相对表面面积成比例的感应电流。通过主轴的扭转，对准狭缝发生变化，造成相对表面面积增加，通过测量线圈能量的减少一种变化的涡电流就能被检测到。 在压力配合中，由于没有旋转组件，测量力就相对比较的简单。在市场上可以找得到这种集成了压力传感器的液压系统。这种方式通过控制系统监视压力功能和压头的位置。 在嵌入式配合中，力的测量是成功完成操作的基本测量，一种普通的应用就是在机器人关节部位安装的力矩传感器:在线6自由度的检测允许检测异常，因此，应用在恢复程序和产生新的柔性动作。 3.2 触觉传感器 我们可以这样定义触觉传感器，一种可以测量两个物体之间的接触压力的装置。它和力传感器的不同在于它所提供的功能上，不仅仅测量合力，而且还可以感知力在接触面上的分布，适用于对两个组件接触面更加详细的测量评估。 这种传感器被做成包含一系列敏感单元的矩阵薄片，能够测量整个接触表面的受力情况。为了在处理和转配操作过程中获得详细的接触状况信息，从这种装置输出的数据通过模式识别技术可能被细分。 数种传感变送原理已经在这种传感器中试验。其中一种由导电弹性材料组成敏感单元的传感器，它原理是随作用压力的改变其电阻发生变化(压阻效应)。通过测量每个敏感单元的电阻使评估压力分布成为可能。 当前可用的第二种变送器由聚二乙烯构成敏感单元—影视用来传播和接收超声波。每个基本单元基于一个阴性的衬底并被一层薄薄的橡胶覆盖着。在工作过程中，这些敏感单元发射出超声波脉冲，穿过橡胶层碰到物体表面是再次返回到敏感单 2 元，脉冲的传播时间是和接触压力的大小成比例的(因为橡胶层的厚度是随接触压力的改变而改变的)并且能够被这些敏感单元检测出来。 触觉传感器通常安装在机器手指的指尖表面或直接与被抓取或被装配工件相接处的工作台表面。如图4 所示。 典型的应用涉及到: , 识别工件及其位置判别。这种操作可以通过安装在工作台上的触觉敏感阵列来实现:通过对敏感表面压力分布的分析， 工件及其位置就会被检测到。 , 确认抓取操作(工件是否到位、抓取力控制等)。获取机械手抓和工件之间的接触压力分布及更加详细的信息，如检测 具体的抓取位置，探测工件是否有滑动等。 , 辅助执行高精度的嵌入式配合。与力学传感器相似，触觉传感器也可以用来主动消除前入式配合的偏差。校正可以在检 测手指与被抓取物体的接触压力中执行，如图4a所示;或检测整个工件与工作台的压力功能中实现，如图4b所示。 在使用这些传感器时涉及到的主要问题表现在以下两个方面:敏感单元表面的易损性和为得到可靠的传感器输出而执行的复杂算法。特别是第一个方面是至关重要的，因为它很大程度上限制了这种传感器在工业实践中的应用，如我们熟知的一样，在工业环境中的长时间实用会造成传感器的敏感表面快速的磨损寄传感器输出信号的不稳定。通常用一些可更换的垫子来解决这个问题。 3.3具有感知能力的柔性装置 众所周知， 在轴孔配合操作中，为了能根据装配过程中产生的力量和力矩，修改机器手爪的位置和方向，避免卡死现象，并正确地完成操作，自动控制装置应该遵守一个适当的规则 。这就是伺服装置的工作原理，特别是像RCC设备(远程伺服中心)，这种用以完成轴孔配合检测系统，是最典型、最实用代表。 这些设备.依靠一个适当的结构找到适合于系统的中心，接近于轴和孔之间的一阶接触点， RCC标准配置是基于3个分别被安装在两块板上的能保证适当柔性的弹性轴承，来完成机械关节和抓取器的链接。 其他装备，虽形式不同以往，但都是基于已在各种实验中取得成功的这一原则(4,119) 然而一个RCC不能被视为一个传感器，因为它不生产一个可用于主动控制的操作与主题相关的物理量信号，它可感知变形。这就是熟知的IRCC(仪器化了的RCC) 。它也可以估计设备的变形值和在装配过程中使用多大的力。IRCC的行为像一个力传感器，但此外，它在其它方向上的柔性， 使得它适用于快速插入装配。 具有感知能力的柔性装置通常有两种形式。其一，由传感器与内部装置结构组成一体化的结构器件(64);其二，由各种独立安装的无源器件和安装在机器人关节上的力传感器组成(18，93，157)。 关于第一种方法的例子在文献第33页中所提到的用来感知和执行的气动装置中有相关的说明。该设备由3个简单的气动传感器和三个径向安装的驱动器组成 。横向负荷会导致相应的传感器增加输出的压力，并导致横向驱动器扩充，造成在线装配装置在应力方向上的运动.一种附带F /T传感器的柔性系统被用在了盘行结扎机器人装配系统中。 第二种应用的例子描述在(84页):安装在腕部无源器件是为了在螺旋操作中补偿横向和角偏差，如果误差太大，被动系统不能正确运作;这种情况是由一个光学传感器检测到一个孔洞，检测力传感器能停止插入和激活这个孔洞的搜索程序，一个有趣的研究关于螺栓和洞角度之间的最高容许的偏差，设计这种有用的设备在(51页)中做了相关的介绍。 在 145页中描述了一个特别配置。一个5轴柔性肘节已经被用于在了紧密配合插入中，如图5示。这个装置可以根据两个不同的策略不被用作:在纯粹被动的调整中，通过调整马达的扭矩来设置每个轴向的刚度; 在纯粹纯主动调整中，通过力传感器所产生的信号实现对每个轴的进行闭环控制。 通常来说，有关这些系统主要问题可归纳如下: , 较低的适应性:在大多数例中，根据部件的尺寸，配置一个无源器件要人工设置; , 要正确的使用这些系统，一般需要部件上存在倒角.然而在没有倒角的轴孔配合中就需要辅助的传感器; , 该伺服系统可解决横向或斜插入困难。 3.4 光学传感器 光学传感器可被定义为一个使用光从环境中获得信息的仪器，它们基于两个部分:一个光发射器(灯 发光二极管，低功率激光，等等)和一个接收器如光电三极管，光美电阻，最终排列在单一或二维阵列上的一个PSD(位置敏感设备)。从光源发出的光可被设计成透镜，镜子，光纤维，等的接受器接受。在测量功能方面工作原则的多样性可得到实现。在这里，光学传感器可主要分为以下几类: , 二进制传感器(102) 。他们能感知存在着的通过对象被中断或反射的光束。如果妥善放置.它们能提供一部分位置和 方向的资料; , 位移传感器(109) 。他们测量一个基于参考距离方面对象的小位移，发光体所产生的光经过物体表面的漫反射并聚焦 在PSD上。 如果PSD的表面是移动的.光斑(由PSD截获)的移动与其一致，并产生变化的输出信号(三角原则)。这 3 种传感器通过感知弹型结构的形变也可以用作力的测量。 , 激光扫描仪(132) ，他们激光束主要是对工作区扫描和检测反射光阵列传感器.这些装置通常能够提供关于整体扫描 表面上反射光线的强度的信息，用以侦测异常(用参考地图比较它)或关于在扫描表面中高的部分(三角原则手段) 。 为的是侦测缺陷失踪部件等' , 光学测微机 这些光学传感器能够 识别一部分的尺度和位置。 典型的配置构成是能发出1 束平行的光通量灯和由线性 .一个通量被对象中断的部分的宽度和位置可以很容易地检测出来.这些装置敏感度通常光敏元件所做出的一个接收机 达到1 0时;(高达0.1um)激光扫描测微计可获得更好的价值。 在集成设备中. 这些传感器较为普遍的应用在以下方面 , 部件识别.光学侧微机或二进制传感器可以侦测到的一些部分的特征( 形状. 位置或方向) 。一个有趣的应用是在自 动进给中面向不稳定物体所出现的问题(15.113.137.162) 。在这些位置点.事实上标准装置(滑动片， 叶片，扇贝 等)不足以正确给零件定位;二进制的传感器可应用于侦测沿所假定进给方向部分的位置，相应的，来启用更方便程序 (推出部分，驱动器定位程序.等) 。另一个应用是通过放置在末端二进制传感器阵列确定抓取对象的位置和形状。 , 组装前后的检查。 关于位移传感器的典型应用: 测量电路板的变形.测量电子元件针脚的挠度，现场部分的检测，测 量胶粘物或密封物厚度.典型的优势在于非接触测量(例如 :操作更快. 固定装置安装传感器.等) :相对的.它们的 准确性，受到表面反射性的影响. 也可以通过光学测量机来检查.例如在(150) ，在插入前激光传感器能正确控制几 何螺栓型螺丝。 , 嵌入式误差补偿。 可采取很多的方法来解决这一问题。第一例子 由光学测微机组成的用来检测集成电子系统插入孔的 位置(62.97) : 印刷电路板和机械手之间的定位误差 是通过扩大激光束投影在PSD上的电子板的洞穴的被感知到。 3.5 视觉系统 视觉系统的一个非常强大的装置，它通过在相对较短的时间从图象提取大量的资料，来识别制造环境(140)但是由于其高成本，其方便性需要有适当评估和考虑到与其他更常规传感器，其安装执行情况有差异。 在组装系统中.这一装置已得到广泛的应用(123) 。尤其是最近几年.，其中一个很深刻的印象是精度提高和已获得计算速度:高分辨率CCD相机因合理的成本目前使用的很普遍。 由于一个视觉系统任务是获得一个图象和提取物它的三维信息.它操作使用是有限的，例如部分识别.部件检查和错误补偿. 图.7显示的在电路板检测中一个典型应用。 差动变压位移传感器常常用于在装配过程中需要直线移动的设备的位置控制;一个例子是，1. 引言 由于现代市场需要及自动化、机器人学设备的发展之下，新型装备系统去年得到了一定发展。最近的两场演讲描述了全球化经济大潮下装备系统的发展; P7-10 一些典型装置的例子: 零部件识别。在这领域一个最普通的应用是确定随意放置于托盘中的物体的位置和方向(32，140，152)。(70，121)页:一个特殊系统描叙并涉及基于3D现场模型，用于识别在工业现场中处于任意方向的零部件的灰度标尺系统的开发。其它一些例子是多功能系统关于跟踪和扫描在传送带上，朝自动送料机传送的不稳定物体的工作尺寸的三维测量技术(P140)。举一个有趣的例子，一种定量分析三维几何实体信息的方法是对单一的实体图片及其镜像的描述进行计算。 开机前和使用中组装设备检查. 大量的应用已付诸实践，特别是在电子装配这一领域。一个特例是由SMD元件组分装配而成的，它说明使用视觉系统以在焊接及有墓碑效应的加工等步骤之前查明诸如组分误放或缺少元件等反常现象是有必要的。一个关键的问题是配置的照明系统可以大大简化图像分析;一个商业系统的例子如图8所示:一个可编程的光学系统，周围安放相机的物镜，环绕4个可以产生适当阴影的，独立驱动元件来检测诸如缺少零件，导柱没有核准等问题。光学结构检测常用于获取及整理粘接焊料分布情况的三维图像，色彩使软焊料过量或不足引起的工位确定难的问题变得容易。 插入误差补偿。在这个应用领域，最常见的设备仍然与电路装配有关。例如，一个与机器人手臂联为一体的特殊传感器，其作用就是使确定电容器引脚在电路板上的装配位置变得容易。由于机器人手臂上安装的旋转系统，一个相机能呈现两个图像。这样一个三角立体测量程序在图像上运行。这个问题以前是用使用两台相机来解决的。 使用视觉系统在装配过程中出现的主要问题有:a)测量准确度，它取决与许多参数，例如相机效果，光学透镜效果，光线，测量范围等等;b)系统口径测量，值得一提的是装配为体的关键是操作必须十分准确;c)十分昂贵的软件开发;d)大量三维图像处理时间. 3.6机械探测 众所周知，机械探测能通过探针和物体表面的接触来定位物体上的点。探针一旦接触物体表面就会发生弯曲，一个探测信号 4 就会发送到控制器并即时存储该点的当前坐标位置。 与其它测量传感器(光学传感器和视觉传感器)相比，这种设备的使用需要与敏感元件直接接触，并需探测头与表面有一个相对移动。因此，在装配设备时，如果机器的可控轴已装配在装配区，这个传感器将使用十分方便(例如装配机器人)。在这种情况下，可能的机械构型如下:探测头安装在机器人末端执行器和工作台待测物体上;或者是:探测头装在工作台上，用机械手抓取物体。这种设备的典型装置主要涉及部分检测或部分识别。 3.7位置传感器 这一类的传感器产生一个相对与该点成正比的，以流动元素的形式呈现的信号。他们可以被归类为二进制模拟传感器输出信号相关的性质，或用来测量在直线、角传感器相应的运动。用于装配生产的常用位置传感器是: 差动变压位移传感器(线性微分变量变频器)。这类线性模拟传感器包括一个有一次、二次绕组和一沿轴移动标尺的圆柱体。该标尺的位置通过变频原理编码器检测得出。与其它传感器相比，主要因为高性能/成本比，这些众所周知的传感器通常是应用(解析器，电位器等)的首选。 差动变压位移传感器常常用于在装配过程中需要直线移动的设备的位置控制;一个例子是，监控被施加力量和穿孔位置不充足时紧迫操作正确施行。 差动变压位移传感器的另一设备涉及弹性变形结构的测量，它常于保护抓爪和该操纵免于碰撞。编码器既可用于测量直线移动元件的位置(通过适当的运动链)，又可用于测量旋转元件的运动角度。后一种情况发生在螺旋操作扭曲角的控制时，它代表了最多的执行分散自动螺旋的方法。在这种情况下，该螺旋件配备了扭矩传感器及编码器来测量包括旋转轴插入螺丝钉时的角度在内的角度。该动作由扭曲值驱动:任何螺旋运动都有其极限扭矩，超出极限就会发生角度偏移，对应于每个扭矩值需要正确的拧紧执行操作。允许核查线螺纹的摩擦条件和存在的几何错误或异常的物质来不断监测转矩的角度关系。 4.研究活动的新发展 为了对目前科研趋势有一个更好的了解，我们将文献中的大量细节划分为4.1，4.2，4.3，4.4四个小节，并着重讲述了最近十年的新发展。 4.1现有传感器的改进 前一节讲述了传感器在性能持续改进或是应用程序扩展方面的研究活动。 下面对开发新的力传感器最早期的一些原则作一下说明。一个智能螺杆插入是通过使用一个低成本的扭矩电容式传感器驱动一机电一体化电动螺丝刀的方式来实现的。传感器采用两电容器电路板之间的一个绝缘材料的扭转运动来衡量扭角。 一个新的六组件力矩传感器的配置报道指出。这种新型传感器有两个通过球铰连接的六拉力传感器连接环。力传感器一种十分异常的应用是用于探测出被机械人抓住的零件的正确位置。该物体被机器人手放在一个电磁化的平台上，这一平台在相同工件加工区的顶部。螺线管提供一个初始脉冲以使系统的固有震动开始。应变片安装在该区域以测量在零件重力的负载下其静态变形和整个系统震动时的固有频率。计算机集成块给出输出信号坐标和在平台上接近饱和的零件的方位。 在机器人钣金件装配(例如车身面板)中遇到的两个问题是钣金件在操作中的变形和焊接前钣金件位置的控制。对于第一个问题，建议使用装有应变片传感器的小夹具检测零件的变形并反馈信号给机器人控制单元来修正零件轨迹和方位以减小变形。第二个问题可以用应变片的整体数据和力矩传感器反馈的接触情况来解决。在1.7秒的内，变形辐值能减小45%，而两零件见的角度误差同时减小50%。 自动化引入困难的特殊装配任务现在都是由工人完成的。一个解决自动化困难的设想是测量人的行为，提取人的能力并把他们转移到机器人身上。 可变形管插进刚性塞的最原始的方法是:首先由人在一个工位，力传感器作用下示范测试，然后对各被测状态进行分析并提取受力状况信息。最后将人类运动移植到机器人。 最近几年，我们在机器人抓爪里面的触觉传感器和正在发展中识别和定位算法直接集成方面作了一些探索。其中的一个例子就是用一个结合矩阵驱动探头的，形状十分不常见的兼容装置做手指。该探头在测试物体表面到传感器平面的距离时将产生一个图像，这使三维认证和定位成为可能。 ，160)行由于钉孔插入配合描叙了一个结合了一个被在IRCC装置方面，研究方向为设计多功能、高性能的新型装置。(159 动柔性系统，一个位移传感器，且有必要的位置控制和压力控制模式的装置。这种被动柔性是由包含每传感器连接六连杆的敏感机构的橡胶结构提供的。 为简化IRCC装置，同时使用其它一些工作原理。这些工作原理在(16)描述一个软材料在夹具刚性骨架和硬物之间被夹住时曾用过。定位错误造成了能发挥不同特殊作用的手指间的压力不一。(153)联合“Robohammer”压力机是一个为适当压力设计的柔性系统。该系统由一个加载部分包含在壳体内的半球弹簧构成。定位误差由机床中心点周围的旋转系统补偿。该压力由单位冲击通过代替弹性元件的半球接触表面传递到待安装零件:因此，RCC装置具有很大的角度抗挠性及大误差补偿功能。 Robohammer是通过测量每次打击行程和待安装组件的总冲击行程的涡流趋势和线性感应传感器传感的。 5 新几何关系的IRCC设备已被广泛研究:(95)行基于并联机器人的8自由度力传感器就是一例。这种传感器由两个用六差动变压位移传感器作长度变化测试的六加载弹簧耦合平台组成的。 另一种监测装配生产的方法是对现场预测和机器人握住的部件、固定部件间的意外冲击的跟踪。这种方法使用一个带柔性装置的夹具设备，一个力矩传感器和三个加速表(过荷传感器)(75)。过荷传感器记录了冲击的情况，而力矩传感器被用于钉孔插入:一个电接触装置被同时应用。 一个有趣的通用设计由于准确、细致的装配运作，并能用于不同运行模式而被叫做“魔幻关节”(111)。自激振荡电路(RCC)装置的基础是一个带六个平面绕组线圈，被叫做“flotor”的六角形转子悬浮在一个内含六块永久磁铁的定子上。夹具贴在转子上。该转子相对于定子有具6自由度。该运动允许平移有正负5毫米，旋转有正负5度的误差。它的位置通过测量转子上的3个光束和3个位置敏感装置而得。一个气动对接装置允许转子刚性夹持其中心位置。另一种不同的方法被用于自动生产的大组件的装配(5)。就像图11阐述的那样，使用两个协调机器人，每个机器人都有粗糙而准确的定位装置相连。这两个机器人在平行的位置，同时物体被有柔性系统的抓爪握住。 一个原始案例是用一个线性高精度的驱动元件移动调整引脚来使元素与手指间的相对关系合适作机器人不精确度的能动补偿装置(156)。 原始的被动适应柔性关节被描叙为即使不被传感(90)，基于带用两个偏心旋转盘代替了两连接链的微型驯服装配机器人臂， ):在最后情况下，该耦合也有6自由度并在“开锁”原则下工作:耦合被锁，耦合机器人移动僵硬，耦合在强制运在(138 行期间自由。它是一气浮轴承，一变刚度气垫和一中心闭锁机构的联结为基础的。 最近光传感器特别是由于它众所周知的优点的雷射光传感器的研究增加了。第一个例子就是雷射光传感器被安装到了装配单元的中心点。它使用激光束扫描环境中的所有物体并比较评估漫放射光与预设值。该传感器评估在场零件，防碰撞，装配运输单元译码，零件在托盘的计数的情况。 一个免于碰撞的相似系统由一两轴式扫描单元和一个机器人立轴附近的旋转轴组成(156)。红外脉冲传感器常用于扫描夹具移动所在区域。其示意图如图12所示。激光测距仪常用于引导机器人安装有固定滑轮的胶带。这是一个解决诸如没有任何分析模型的可变形物体的操作等十分复杂装配任务的例子。 包括一个基于距离测量系统的激光器的夹具机构常用于控制装配机器人的位置。 比立体照相机性能更好，扫描时间更短的用于物体识别的三维激光雷达正在研制中。 一个PCB焊接结合光学检测系统能高可靠度，快速的检测镜面物体的三维模型。该系统使用引导激光束入射点的电流计扫描单元，聚集反射光的镜像单元及覆盖了二极管阵列的传感单元。(112)对一个二维拍扑式微飞行器驱动光学扫描进行了描叙。该传感器测量头由一个带有准直棱镜的光学二极管，一个照片探测器，一个电路放大器组成。它的用途是形状匹配，执行所获扫描数据与存储器中储存的原始预输入数据比较。 基于遗传算法的运行系统使形状匹配问题变得更容易(46)。PSD传感器同样被用于有趣的可能性。孔轴位置和它的倾斜度来自于常用于插孔的PSD传感器(81)。当孔位倾斜为椭圆形时考虑出现问题的焦点集中在靠电流差值来检测孔位的PSD传感器上。 PSD传感器常用于测量“孔轴”配合的定位误差和借助二维拍扑式微飞行器补偿传感器中心与夹具轴线间的距离(图13)。据说精度可达1微米。 PCB电路板元件的自动装配是光学传感器的一个典型装置:在(31)行中讲到经典的视屏相机被没有光学透镜的线形阵列所取代(图14)。一个冲针的外形是由诸如线形阵列上的点产生的。使用一个中心光线进行尺寸投影，其效果取决于物光源与检测片面间的距离。通常布局精度为0.01毫米。 不贵的光束常用于物体在装配平面的识别位置的定位(146)。该技术用于通过一系列光束及任何破坏光线的储存和重连接来传递多面体信息。 在视觉传感器研究领域正朝改善三维系统性能或发现新用途方向努力。在三维识别系统光学编码器序列被投影到工作平面平板上。使用二进制图像建立一系列地图。这一系列表面处理数据将与模型元件表面提取的数据相匹配。由于工业应用需要像VPSEE和汽车设备成功一样，出现处理时间短，识别复杂物体高精度和鲁棒性，新硬件和发展算法。 。 11至14页 The system is based on a edge binocular stereo vision able to obtain 3D geometrical primitives both from a depth map and from 2D primitives and then match a scene with previously prepared models. Algorithms have been implemented on specially designed processors in order to reduce computational costs and increase speed. 该系统基于一个以双目立体视觉为基础的优势，即从深度图和二维原始图都能够获得三维几何原始图，然后将先前准备的模式与现场相匹配。计算程序已在专门设计的处理器上付诸实行，以降低计算成本和提高速度。 Triangulation is used in a method for contour tracking by robots(141). In the system, based on structured 6 light, a wide stripe of light is projected onto the contour surface of the part by a miniature slide projector and height along the edges of the stripe is measured using the triangulation method. From very simple computations made between consecutive frames the contour tracking is possible with very good accuracy. 三角学原理被用于机器人轮廓跟踪的方法中。在该系统中，一条基于结构光的宽广的条纹光由一个缩影幻灯机投影到部 分轮廓表面上，条纹边缘处的高度可通过使用三角测量法获得。通过对连帧进行简单的计算，轮廓跟踪有很高的精确性。 In an adhesive dispensing head equipped with a CCD camera is used in PCB production. Vision feedback on the plan area of each dispensed blob is obtained: the plan area is adopted as a measure of the dispensed volume instead of more complex 3D systems。 在PCB的生产中，使用一种粘合剂将一个CCD相机装配在PCB的头部。视觉反馈由配发的每一片规划区域获得:规划区 域用作测量配发的粘合剂的体积，而不是更复杂的三维系统。 A good and reliable in process control of solder joints is based on 3D senor and laser triangulation. It uses a 2D gray level image and a 3D range image. Each pixel carries information on its brightness and its height. The images are used in the inspection system to recognize different types of faults. 在过程控制中，一个良好的可靠的焊点是基于三维传感器和激光三角法。它是用二维灰度级的形象和三维距离图像。每 个像素通过其亮度和高度传递信息。这些图片中被用在检查系统中以检测出不同类型的故障。 126，127). The sensor is based on a laser Contemporary use of laser light and CCD is another sensing method( projecting a double stripe onto the object and a video camera. Optical narrow bandpass filters are used on the camera lens to shield it from the ambient light. In addition an automatic planning and simulation system is proposed to determine the optical location of sensors in case of multisensor system. An important point is that the reference model of the geometry to be checked or the shape to be recognized is a CAD model. 当今使用的激光及CCD是另一个传感方法(126，127)。该传感器是基于一种能将双重条纹投影到物体和摄像机上的激 光。光学窄带滤波器用在照相机的镜头上以筛掉周围的光线。此外，自动规划和仿真系统应该能在复合传感器系统中确定各 传感器的光学位置。其中重要的一点是，几何形状的检查或者形状的确认所参考的模型是一个CAD模型。 The integration with CAD is investigated also in(155)for the recognition of complex 3D objects, very frequent in supervising assembly operations, in case of very small batches where the teach-in step should be avoided for time reasons. The reference data for the vision system are automatically computed from the CAD model: procedures have been developed to generate the artificial reference image and to bring it in coincidence with the real image taken by the camera. A research in the same direction of exploiting CAD potentiality has been made in to detect errors in assembled products. The algorithm is trained on synthetic images generated using the CAD models of the different components of the assembly. In addition the method allows to simulate and optimize the position of the light source and camera, using the component material properties and contact information from the same CAD model. 与CAD的集成在被调查，用于(例如在155页)复杂的3D对象的确认，与对装配生产的频繁监督中，以防避免时间因 素所导致的慢进度的小批量生产。从CAD模型得到的视觉系统的参考数据被自动计算:这一过程用于产生人工的参考图像， 并使之与照相机采集的真实图像相吻合。对同一方向的开发CAD潜在性能的研究已有了成果，它用于查出装配产品的错误。 这种算法被试用于虚拟图像，导致不同零件的装配要使用CAD 模式。另外，这种方法允许模仿和优选光源和照相机的位置， 使用从同一个CAD模型的组分具体性质和联络信息。 A very special use of stereo vision is made to insert a flexible wire into a hole: force acting on the elastically deflected wire are indirectly measured by tracking its shape observed by a stereo vision system. 立体视觉的一个特殊用途是将一根柔软的导线插入孔中:通过追踪用立体视觉系统观察到的导线形状，作用在弯曲弹性 导线上的力能被间接测量。 A recent original use of vision system has been made for quality control in electronic production. This system, named “coherence radar”, is based on Michelson white light interferometer and it is able to perform 3D inspections of components (dimensional anomalies in the range of 30 um can be easily detected). 可视系统的最近的一个新用途是被用于电子生产的质量管理。这个系统，名为“相干雷达”，它是基于迈克尔逊白光干 涉仪，并且能进行零件的三维检查(可以容易地查出30 um范围内的尺寸偏差)。 Vision systems have been used also for guiding the assembly/disassembly robots i.e. as visual guidance. Examples are given in (74,139) in the field of disassembly where it is necessary to sense the presence and conditions of a component and to guide the robot arm towards the selected component to be dismantled. Good results have 7 been obtained in moving the manipulator to a partly occluded battery of old cars. 作为视觉引导，可视系统同样被用于引导装配和拆卸机器人。(74,139)给出了拆卸领域的例子。觉察到一个零件的存在 和条件，以及引导机器人手臂指向的将要被拆散的零件，在这个领域内是很有必要的。将操作器移向一个部分封闭的旧 汽车电池这一试验，获得了好的结果。 4.2 New types of sensors 新型传感器 New sensors working on different principles have been studied and tested like temperature measurement and acoustic methods. 像温度测量和未经电子仪器调声方法那样，根据不同的原理工作的新传感器已经被研究和测试。 Temperature sensing in soldering operation is very important to achieve high quality of assembly of components on PCBs but it is difficult to perform. In an experimental study aimed to obtain a process model for single point soldering a radiation pyrometer is used even if the emission ratio changes during the phase from solid to liquid and vice versa. The sensor measures the temperature over an area and not in a point. 为了使PCB零件的装配达到高质量，焊接操作中的温度感应非常重要，但是很难处理。焊接辐射高温计被使用在一项旨 在得到单个焊接点过程模型的处理模型的实验性研究中，即使放射比率在从固体变为液体和从液体变为固体的阶段会改变。 传感器测量温度的范围在一个区域而不是在一个点。 IR sensors are used for non contact temperature measurement in a monitoring and control system for reflow soldering of components on a PCB. Since the PCB moves at a constant speed through the oven a two dimensional thermal image may be created from the compilation of successive lines of temperature measurements scanned at 90 degrees to the PCB movement. The movement of the measuring spot is achieved by a rotating mirror reflecting the infra-red energy onto a fixed receptor. 红外线传感器被用于非接触性温度测量，以及PCB元件回流焊接的控制系统。由于PCB匀速通过烤箱，与PCB运动相垂 直的温度测量连续曲线被扫描，一个二维热量图像便生成了。旋转镜将红外能反射到一个固定的接收器，这样就得到了测量 点的运动。 Another new promising technique is based on acoustic sensors. The philosophy of such systems is based on the fact that experienced workers on the assembly lines can easily understand the result of some assembly operations by their senses. In some joining processes the noise emitted contains information on the correctness of the process. The systematic analysis of sounds allows an on line reliable quality assessment. 另一个新技术基于音响传感器。这种技术的理论依据这样一个事实——装配线上有经验的工作者通过感觉能很容易地了 解一些装配生产的结果。一些加工过程中的噪声包含了关于过程正确与否的信息。对声音的系统分析允许在线的可靠的质量 评估。 A wide research work has been performed in (87,89). An example is shown in Fig.17 and regards the assembly of an axially symmetrical plastic clip used in automotive industry for body panels. The sound signal is evaluated through a Fast Founer Transformer and the quality characteristics chosen are in the 700-1800 Hz range; incorrect assembly situations give different frequency spectra. (87,89)所指的广泛研究已经形成。图17所示范例，显示了一个轴向对称的塑料夹子在汽车车身装配中的应用。声音信 号通过一台快速的FFT被评估，并且所选的质量特性在700-1800 赫兹范围;不正确的装配条件会导致不同的频谱。 Ultrasonic is used in a low cost device consisting of four 40 kHz transducers mounted around one 200 kHz transducer. By changing the frequency between 40 and 200 kHz of the excitation the range of distance measurements is significantly increased. The system can perform measurements of distance, angles of plane surfaces and object identification among a limited number of possible shapes. 超音波被用于一个低成本装置，四个40千赫兹的转换器安装在一个200千赫兹的转换器的周围，组成了该装置。通过 使励磁频率在40至200 千赫兹之间改变，距离测量的范围得到显著增加。该系统可进行距离测量、平面角度测量，以及基 于一些固定的形状进行物体识别。 An ultrasonic sensor based on a PVDF foil is used in a mechanical assembly process to generate a signal which is very characteristic of the specific faults. 基于PVDF箔的超音波传感器被用于机械装配作业以产生一个信号，这个信号具有特定缺陷的典型特征。 4.3 Sensors in advanced areas 先进领域中的传感器 New sensors or new versions of classical sensors have been used in particularly new and advanced research 8 area. One of these areas is microassembly. 新型传感器或新版本的经典传感器在新的先进研究领域得到了应用。这些区域之一是微型装配。 The assembly of very small components for the development of complex micro-electromechanical devices has very peculiar features like tolerance problems, force scaling problems, interference factors, influence of usually disregarded forces as electrostatic and surface tension forces which require very special sensors. Since the effect of those forces can be roughly estimated, the development of micromanipulation techniques must necessarily use sensors. 为了复杂的微机电装置的发展，微小元件的装配具有独特的特点，比如，公差问题、应力确定问题、干涉要素、由于需 要特殊的传感器而经常被忽视的诸如静电力和表面张力带来的影响。由于那些应力的影响可以粗略估计，微操作技术的发展 必须使用传感器。 A small number of examples can be found in literature since this item is quite recent. 由于这个项目是相当新的，在文献中只能找到一小部分的例子。 A miniature optical positional sensor consists of an optomechanical measuring head, an optoelectronic box and a six fiber optic cable. The physical principle is light intensity modulation. The position of the shadows resulting from the illumination of a pin is determined by two wedge shaped differential detectors. The claimed accuracy is 0.003mm. The sensor uses commercial optoelectronic component and has been tested in automatic microassembling operations of watch driving wheels. 一个微型光学位置传感器由一个光学机械测头、一个光电盒和六根光纤组成。它的物理原理是调制光强度。由针发出的 光而产生的阴影的位置，取决于二台楔形探测器。所需要的精度是?0.003毫米。传感器使用了商业化的光电元件，并且在 手表驱动轮的自动微装配操作中被测试。 A precision positioning system used to assemble SMD components on three dimensional boards uses both a CCD sensor to monitor the assembly tolerances and a triaxial accelerometer to monitor the vibrations of the handling device. 精确定位系统用来将SMD元件装配在三维面板上的。该系统使用了一个CCD传感器来监控装配误差，一个三轴加速器来 监控处理设备的振动。 In micro end effectors adhesive forces must be reduced. A new micro end effector whose grip surface is covered with micropiramids fabricated by micromachining techniques has been experimented. The micro end effector is equipped with an integrated piezoresistive force sensor fabricated with the same techniques. The sensor has good linearity, negligible hysteresis and high accuracy. 微末端执行器必须减少附着力。一种新的微末端执行器已经被实验出来，这种执行器的抓取表面被由微加工技术制造的 micropiramids所覆盖。 微末端执行器装备了基于同样技术制造的压阻传感器。该传感器具有良好线性，微滞后性以及高精 确度。 4.4 Sensor integration, sensor fusion, Artificial Intelligence techniques. Apart from studying new types of sensors or improving the performances of already existing ones, research has been addressed to optimize their use through the concepts of integration，fusion, and artificial intelligence. 除了研究新型传感器和改进现有传感器之外，目前的研究还致力于通过集成、融合及人工智能的概念来完善传感器的应 用。 Systems using sensor integration can be classified in two groups, in function of the methodology of interaction among sensors: 根据传感器间相互作用方法不同，使用组合传感器的系统可以被分为两大类: Parallel interaction. This is the typical situation occurring in screwing, with the contemporary detection of the torque and the angle, or in pressing, with the measurement of the force and punch displacement. Parallel interaction is also used to monitor the same variable with different sensors (sensor fusion), obtaining other advantages such as: contemporary information like in human reality, reduction of uncertainty and increasing of intelligence and flexibility, learning capabilities, etc. 平行相互作用。伴随着扭矩和角度同时产生的拧紧，以及在测量力和冲头偏移量时产生的挤压，都是平行相互作用发生 的典型情况。平行的互作用也被用于监控不同传感器(传感器融合)的相同变化，以获得其他好处。例如:人类现实中诸 如不确定性的减少和智力、灵活性、学习能力的增加等实时信息。 9 Sequential interaction. In this case different sensors are used to monitor the different steps of a process. Peg-in-hole cases are typical examples which could request a sequential interaction of sensors. In a first step when the contact of the peg and the hole does not occur owing to high positioning errors, a vision or optical sensors is used; in a second step ,after the first correction, a force sensors is used to control the final insertion(10,18,45,62). 连续相互作用。 在这种情况下，不同的传感器被用于监控过程的不同阶段。销孔连接是一种需要传感器连续互作用典 型例子。在第一个阶段，当由于位置误差导致的销孔连接不能实现时，就要使用视觉或光学传感器; 第二阶段，在第一 阶段被更正以后，压力传感器就用来控制最后的插入(10,18,45,62)。 The following examples are available: combination of force, torque, proximity and laser sensors on the wrist of a robot(123),combination of force and vision to estimate the contact position of a grasped object(59), combination of accelerometers, force/torque, electrical contact(12),combination of four ultrasonic transducers with two force sensors(20). 以下例子是可用的:机器人腕部的力、扭矩、感应和激光传感器的组合，用于估计被抓取物体接触位置的力和视觉传感 器的组合，加速器、力和扭矩、电子感应传感器的组合，要估计一个被掌握的对象(59个)组合的过载信号器，四个超声波转 换器与两个力传感器的组合。 sing different sensors the problem is to cope with their output in an integrated monitoring system: for U this reason new promising artificial Intelligence techniques are needed like artificial neural networks (ANNs), fuzzy sets theory and so on. 使用不同传感器的问题在于适应它们在联合监控系统的输出——出于这个原因，我们需要人工神经网络、模糊集成理论 等有发展前途的新理论。 ANNs have been used in different ways in sensor technology: to analyze complicate outputs from one sensor only, to analyze signals coming from more than one sensor, to take decisions on robot movement based on signal from one single sensor (typical example is peg-in hole insertion) . 人工神经网络以不同的方式运用于传感器技术:仅分析单个传感器的复杂输出，分析多个传感器的输出，对基于单个传 感器信号的机器人的运动做出决定(典型的例子是销孔插入)。 In an experimental cell (24,36) vision systems are used to check the position of objects, a force sensor detects the success or failure of a grasping, a tactile sensor on the gripper indicates parts orientation. A neural network based on a 2 dimensional Kohonen map is used to process the continuous sensory input and to give a diagnosis of the source of errors. Then a replanning of the assembly operation is made possible based on this feedback. 在一个实验性单元中(24,36)，视觉系统被用于检查对象的位置，力传感器查出一次抓取的成功或失败，握抓上的触觉 传感器显示出零件的方向。基于二维空间Kohonen图的神经网络，被用来处理连续的感觉输出，并对误差源做出诊断。然后 根据该反馈，重新计划装配操作。 An example of a vision-force system is reported in (73); the artificial vision is used to obtain a first correction of the robotic arm, when the peg is completely outside the hole; the force sensor is used to give the final correction, in order to successfully complete the assembly operation 文献(73)对视觉-应力系统的例子做了报告;当销完全位于在孔之外时，人工视觉被用于获得机器臂的第一个校正;为 了顺利地完成装配操作，力量传感器被用于给出最终校正。. A well known problem in electronics is quality control. In(42) ANNs are used in collecting and analyzing data coming from sensor for the monitoring of the following operations: solder paste application, component placement, reflow soldering. 电子学的一个知名问题是质量管理。文献(42)中，人工神经网络用于收集和分析来自传感器的数据，传感器用于监控以 下操作:熔焊的应用，元件的放置以及回流焊接。 Implementing integrated test and quality assurance in production lines in electrotechnical industries is described in (83).Innovative data processing technologies based on ANNs are used both for acoustic signal interpretation as well as for image processing. The acoustic test is performed between assembly and packaging using a special vibration sensor, as reported in Fig.20.Image processing is used for PCB inspection: solder joint images are directly processed by a fully connected feed forward network, consisting in three layers,2x900 input neurons, a hidden layer of 10 neurons and 4 output neurons corresponding to the 4 quality classes. Good results 10 are obtained for the recognition of defects like “blow out ”and “excess of solder” 文献(83)描述了实施在电工产业生产线的联合测试和质量管理。和图像处理一样，基于人工神经网络的处理技术的核心 数据也被用于声音信号采样。如图20所示，装配和包装中的声音实验用到了一个特殊的振动传感器。图像处理被用做PCB 检测:焊点图像通过一个被完全连接的前馈网络被直接地处理。该前馈网络包括三层、2×900个输入神经元，包含10个神 经元的暗层，以及与4个质量等级相对应的4个输出神经元。在对像“熔断”和“焊剂剩余”这样的不足进行识别后，就能 得到好的结果。 A similar method has been used in (125) with a good accuracy of classification of 94.2% of solder joints. 一种通过对94.2%的焊点进行精确的分类的类似方法在文献(125)中得到运用。 An example of sensor fusion in the peg in hole case in a partially unstructured environment is reported in (136).In a first case the fusion is among optical sensors and two cameras: the cameras provide the approximate locations of the hole to the vision, sensors to minimize the searching time. 文献(136)报告了第一个局部非结构化环境下的销孔连接中传感器融合例子。第一个例子是光学传感器和二台照相机的 融合:照相机为视觉提供孔的近似位置，传感器将查寻时间减到最小。 In a second case another fusion is discussed between vision and tactile sensors, to be used when obstacles are near the hole and cannot be detected by vision sensors only. 第二个例子讨论了当障碍在孔附近，并且不可能仅由视觉传感器查出时，视觉和触觉传感器的融合。 A lot of research work has been perform in the field of using ANNs for developing strategies for assembly operations (like peg in hole) using only one sensor in order to solve the problems connected to the unreliable off-line description of the world around the assembly robot. 为了解决对装配机器人周围世界的不可靠的离线描述，很多研究工作都在研究仅使用一个传感器来进行装配的发展方法 这一领域。 ANNs have been widely used to evaluate the correct relation between the measured physical quantities and the corrections to the gripper position (7,22,25,30,47,78,110,134). Fig.21 schematically shows an example of working procedure of such a system(29) divided in 2 phases: a preliminary phase, concerning the collection of data for training and of the neural network, and an operative phase of peg insertion into the hole, using an F/T sensor. 人工神经网络被广泛用于评估被测量的物理量和握爪位置校正之间的正确关系 (7,22,25,30,47,78,110,134)。图21显 示了这样一个系统(29)的工作过程。该过程分为两个阶段:预备阶段涉及到数据的采集和神经网络的生效，运行阶段使用了 一个F/T传感器将销插入孔中。 Combining task level knowledge and sensor based information is the aim of the perception based learning system proposed in (21,23).In this system signals coming from a six-component force sensor are fed in the network which gives a map of the contact states. 使任务级知识与传感器信息相结合，是基于文献(21,23)提出的学习系统的目标。在这个系统中，来自于六元件力传感 器的信号被输入到给出联络状态地图的网络。 Other researchers focus their interest on the strategy for peg-in-hole insertion (48,49,52). Fuzzy logic is here used to search the best position based on signal coming from usual force sensors. 其他学者对销孔插入的方法很感兴趣。模糊逻辑被用来研究基于普通力传感器信号的最佳位置。 In SMD assembly system(19)it is described the use of ANNs connected to a vision system to measure the relative position error between pins and footprint. In the first experiments the learning phase took 10 minutes and estimating the misalignment needs about 1.7ms,with a throughput of about 21,000 components per hour. The system works in presence of noisy and low contrast images. SMD装配系统(19)描述了使用人工神经网络连接到可视系统，来测量针和引脚间的相对位置误差的用法。在第一个实验 中，学习阶段需要10分钟，估计不同心度则需要1.7ms，生产率是每小时21000个元件。系统在喧闹和低对比度图像中运行。 Even if many types of sensors are available on the market, their integration with the control units of robots are not completely achieved; in other words, a control units is not adequately prepared to accept and manage sensor signal(e.g.:a programmed path cannot easily modified according to sensor inputs).various attempts to solve this problem have been made. 即使许多类型的传感器在市场上是可以买到的，他们与机器人控制单元的联合不能完全实现;换句话说，控制单元不能 11 完全接受和管理传感器信号(例如，一个规划好的路径不能轻易地根据传感器输入作出修改) .为了解决这个问题，人们做了 各种各样的尝试。 An intelligent control of an assembly robot (58) uses vision and force sensors, able to modify the planned trajectory in a screwing task. Another example is in (2) with a force control active wrist of a cartesian robot where a hybrid position force algorithm is implemented in the control system. 一个运用了视觉传感器好力传感器的智能控制的装配机器人(58)，可以改变拧紧任务中被规定的轨迹。文献(2)提到了 另一个例子，通过运用卡笛尔机器人灵活的力量控制腕关节，混合位置力运算法则在控制系统中实现。 A hybrid sensor control system has been developed(39,40)where a specific function is assigned to a designated computer component. Fast and slow sensory control have been implemented on a plug in board making use of transputers. Special software tools allow an optimal distribution of the processes to the single processors. Involved assembly tasks require a 6DOF robot to obtain the positioning of each component together with suitable sensor technology like laser scanners or fast vision systems. 一种混合传感器控制系统(39,40)被开发出来，它的一个特定功能是被分配到指定的计算机元件。由于运用了插件，快 或慢的传感控制可以实现。特殊软件工具允许对处理器进行过程的最优分配。所涉及到的装配任务需要一个6DOF机器人， 来获取每个元件的定位以及适当的传感技术，例如激光扫描器或高速视觉系统。 In another recent example (37), the concept of Open Architecture Control is used to have an intelligent assembly with possibilities of trajectory planning, collision detection, sensor integration. Sensors are in this case laser, optical ones and stereo vision. 文献(37)的另一个最近例子中，开放式结构控制的概念被用来获得弹道计划，冲突检测，传感器集成这些智能装配。这 种情况下的传感器是激光、光学和立体可视传感器。 A sensor system must fulfil several requirement(often in contrast to each others) in order to be conveniently applied for the control and monitoring of assembly operations in an industrial plant: high reliability ,accuracy, robustness, low maintenance, easy installation, easy access for maintenance, easy use and processing of the output signal, small dimensions and weight, noise immunity, low cost.. 为了方便的应用于生产车间的装配控制和监测，传感器系统必须具备一些性能(经常与其他的形成对比对比): 高可靠 性、准确性、结实性、维护成本低、安装容易，容易维护，处理输出信号简单、尺寸小、重量轻、抗干扰，成本低。 A complete (or partial) satisfaction of these requirements is achieved in assembly with classes of sensors which can be defined as《mature》or, in other words, sensors based on well-developed technologies. 通过不同的传感器等级，可以达到对这些性能完全或部分满意。这些传感器可以定义为“成熟”，或换句话说，基于发 展良好技术的传感器。 15-18 基于《调制解调技术》技术或者需要合理的运算法则处理输出的传感器(力矩传感器、扭矩传感器、视觉系统等)逐渐在工 业应用越来越广泛，尽管这种传感器的应用还受到一些限制，其要通过特殊传感器与完善的控制策略结合来解决的。 在这个方面图22比较了试验研究和工业车间应用中传感器的不同。相关资料包括作者收集的技术资料和在该领域汇集的创 新的解决方案。特别在实验研究中，传感器，我们可以看到视觉系统和力矩传感器应用很流行，它们与一个重要的采用光学 传感器和红外线反干扰系统装置一样都很流行。工业应用中它们都广泛的应用，这样就很好的证明了视觉系统的优势，证明 了这个改进的技术能满足上述所述的要求。相反，其他的传感器，比如光学的或者F力矩传感器在目前的研究工作中是为了 解决复杂的组装问题的，显然，除过简单应用(检查部件工作、过载情况等)外，在工业应用中却是遇见许多的难题。 在这方面，涉及应用传感器的装行业中(图23)可以得出另一个有意义的比较。以描述工业应用为主题的技术文章中很容易 出现部件的检测和识别。虽然当工作在进行理论研究中出现了许多的问题，这个问题的矛盾是来从理论角度考虑而不是从实 际工业角度考虑。例如在复杂问题的上，目前工业应用的方向是用简单技术实现其功能，其中应用非常完善的算法控制的6 分量力学传感器或阵列的触觉传感器。很明显的原因是工业技术趋于简单化和可靠化，有的时候可能不会采用更加有效的和 灵活的解决方法。 下面的文章是一些工业部门在组装操作中，传感器应用的重要的例子。 5.1 电子工业部门 在这个领域应用主要关注的是通过视觉系统和光学传感器完成部件检查工作情况。印刷电路板(PCB)组装过程的几个阶段 相关的例子: 。在在预焊组装阶段之前PCB的检查(63)。一个摄像装置放置在电路板上以获得12.5*12.5mm的图像。这个摄像装置也可 以放置在两个垂直轴线上以230mm/s的速度移动。该系统在每层板上获得300-500个像素来测量整个电路板。测得的电路板 12 的图像被分析，然后和监测数据库相比较，任何不正确的结果在一分钟内被记录在错误文件中。 。在组装前零件的检查。目前视觉系统通过在定位之前检测零件的方法被用于提供在线质量控制。如果器件不能满足公差要求或出现误差，例如:错误的管脚长度、管脚补偿等等，它就会被检测出来。 。焊接部位的检查。光学移位传感器通过激光发射光束来移动检查PCB电路板垂直方向的装配线。一个控制器同时处理数据是为了获得焊接部位的面积和体积、它的平均高度和实际的连接; 。组装后检查器件。一个传感器在(122)中被总体描述。在此应用中500个不同种类的微型电流接触器在组装后可以用两个摄像装置对其进行检测。 。在一秒的周期内，两个图像用不同的方法(灰水平和光带技术)处理，然后检查不合格的部分，例如:未检测到的部分、未对准部分、检测到其他零件图像等。在这个领域中另外一个例子，主要是在录像机器件(68)组装中检测和设置起始位置。这个系统包括一个为了获得起始位置(相应的有和没有测量边缘)两个图像摄像装置，它用于准确检测计算起始位置误差，调整参数然后转化传送给调整机构。可以用31.5ms时间来处理得到的图像，而整个周期只用30s时间。 。另外主要是误差补偿。PCBs在器件定位的误差补偿中广泛应用视觉系统，非常普遍的解决方案(82，99)是应用如图24的两个摄像装置，为了检测部件的准确位置将第一个摄像装置安装在机械手臂上。这个系统在(82)中有描述，它包括有两个测量装置、还有用来获得?0.2mm的准确度和一个4s的定位时间的被设计正确、更新后的安装程序 5.2 在汽车行业 这个特殊的行业，在汽车部件组装和发动机组装中有一个区别，它的装配工作非常不同主要区别是执行过程、部件尺寸和要求的准确性。在车体组装中，传感器主要完成部件的检测、部件的识别工作、或确定部件在组装过程哪部分不能满足位置的高度精确性。从以下的例子中我们知道传感器通常安装在视觉系统中: 完全适合检测不断移动装配线传送的测量部件(69)。一个摄像装置被安装在一个控制设备中和用于光区原则来检测相邻部件，在一个0.7s的周期内有?0.1mm准确度(图25)这个系统比车辆位置和方向测量系统要好些，该系统是用另一个摄像装置和光学传感器提供数据给遥控设备用来调节，以获得最终?3mm的传感器定位位置。 。凸轮配合的装配(147)。第一个摄像装置安装在传送带上用于识别和定位凸轮，另一个摄像系统在凸轮上识别和定位螺栓。因此控制设备安装螺纹是根据视觉系统来进行的。 。挡风玻璃和挡风门的安装。在这种情况下安装的主要问题是在组装前用传感器精确定位车体，视觉系统通常用于这个目的。 在组装发动机时不同的问题是相互关联的。这涉及到自动操作，实际上要求有较高的准确性和检测测量可能涉及的不同参数，这些参数可能要求不同传感器来满足。例子如下: 。螺栓的调节。一个有重要的触觉传感器应用在(100)中被描述，它用于固定扭矩调节的测量。一个压电薄膜(0.02mm)应用在紧固件测头来组成超声波传感器。这种改进的紧固件与有加载弹簧探针的传统安装工具一起被使用，它保证了和薄膜电器接触、测量超声波运行时间和和扭转量值成正比。 。在组装活塞中环形部件松动的检测。一个力矩传感器被用于检测活塞安装到气压缸缸筒的过程，传感器是通过分析轴向力和其变化率来检测活塞环的状态，。如图26所述。 。喷油嘴O型环的检测。一个视觉系统可以，控制安装在喷油嘴移动杆上O型环(72)来控制其状态。 。密封操作的检测。在用金属材料密封之后这个操作是很有必要的。一个视觉系统可以检测密封口的密封情况、密封口的宽度和位置。 。转动原件的检测。正确的执行操作是装配安装原件(凸轮轴、曲柄轴等)，通过超声传感器(相对于一个参考模型产生的声音)或力矩传感器(力矩保持在低于临界值范围)检测这些原件的自由转动。 5.3 其它领域 在其他的行业装配过程中广泛应用传感器被。以下是在机械环境中应用传感器较为恰当的几个例子: 。空调的装配。在(51)中描述了空调装配中从随即堆积部件中高速采集的技术。这个系统包括两个摄像装置，第一个放置在部件上边用于控制采集操作;第二个装置通过手爪盘部分分析其状态，为了获得最终正确的数据。 。轴承的装配。 视觉系统被用于分析球位置的正确性和润滑脂的是否适量。 。电气发动机的装配。在(79)中描述的例子中，450种不同的电气发动机按照要求制造成了8中非常不同的样式。在每一个特定的制造要求下视觉系统被用于定位、识识和检测部件; 。包装材料的运输。为了自动提供包装材料给包装机器。一个传送系统用摄像装置做传感部分已经有了很好的发展(142)。视觉系统的工作是分析现场附近的准盘，检测筒管和筒管部位上方的位置，它可以通过六足机器人进行自由的移动。只有一个摄像系统被使用。因而从已知筒管直径中心依据准三维算法计算第三个层面的图像已经可以实行了。这个系统在工业环境下中有低成本和、可靠性、可评估的优点; 。鞋子的安装。视觉系统通常可以用于在进行连接操作的之前自动处理确定鞋子的外形、位置和方向。自动缝鞋机在应用中装有相应的传感器。在一套滚子传送部件上光源和系统检测部件和它的方向中特定的特征。依照数据库和当前正确的检测特 13 征选择适当的连接模式。 。木工行业。一个例子是在安装挂物架和橱柜时视觉系统或激光扫描仪被用于确认部件的方向(131)。 。灯具配线行业。在这个领域，关键问题是导体自动安装。导体的安装难度在于移动和保持它的位置。例如在(130)中描述的不同种类的传感器(视觉传感器，力学传感器等)被用于获得误差补偿和增力的测量; 。服装行业。传感器自动在缝制之前给出要缝制工件(裤管等)的实际的方向等信息 6 总结 在这篇文章中，传感器技术在自动安装系统用于分析，研究趋势是基于大量收集文献和许多CIRP成员的观点 最近几年在生产方面，传感器在自动化和遥控装置中的重要性逐渐上升。在装配行业中应用特殊的传感器提高了可靠性和执行在线质量检测，在新型组装行业或产品小型和大型组装中，应用传感器组装不成型的部件。 在过去，安装应用中高技术传感器只能在研究中心和发展机构应用。当今，在工业领域中传感器目前发展成高数据处理速度、低成本和较高的效率，能增强系统的适应性的技术。结果，在许多的行业使用简单的被大家所熟知的，可作试验的有可靠性的传感器，但是能满足行业要求的传感器特别是在视觉系统中有很多的是与激光光源相结合的先进传感器。应用简单传感器组成系统的原因是它的可编程特点使它具有灵活性，它们替代了熟练的人工操作;换句话说，视觉系统成为一个标准器件的高级组装线系统。其它传感器即使简单和便宜，但在大量工业应用中总是会有一些难题。其中有很多具体的原因，例如它们需要初始化调节，它们不能达到设定的可靠性。 关于以后这方面的分析研究工作结果的一些建议被采用: 。研究工作必须致力于特殊传感器比如压力，光学传感器的研究。IRCC为了提高它的可靠性和普遍性; 。声波传感器的研究是有好的前景，它在许多的组装行业中可以扩展应用。 19页 目前，许多工业生产活动及研究机构的主要目的是创造高精密产品，并涉及一些高精密加工的过程。而生产这些产品，需要高度专业化的科学，也就是所谓的精密工程。精密工程是建立在一些基础学科之上的，包括: ?精密设计 ?光学和机械计量 ?精密制造 这里的精密设计是指总体设计，包括材料设计，动力学设计，电子设计，控制设计，热力学设计以及软件设计。而且，它可能还包括高精密机电设计。随着人们对高精度的仪器、设备和消费品的日益增长的需求，高精度设计变得越来越重要。如今，这种趋势越来越多地被计算机技术、数控处理和存储技术的快速发展所影响。这个过程始于1958年集成电路板的发明。当芯片上有更多地晶体管时，需要特别的机器，这种机器要求在几个毫微米内有极低的定位不确定度。例如，一台仪器是由晶片构成的，用来定位晶硅表面集成电路的映像。只有通过高度发展的设计和加工技术才能达到生产这种仪器的要求。越来越多的高密度光录音系统(DVD)——作为光盘掌握系统的一种产物，需要先进的机器和纳米技术，来决定其不确定度。这种机器中的零部件，像轴承、驱动、光束整形镜，需要亚微米级精度。在机械加工过程中，基于亚微米，甚至纳米级的准确性，都必须发展。 在动量学中，高精度测量技术也得到了很大的发展。例如，测量软件、误差模型、测量技术和测量方法的发展。测量零件和产品需要有足够的准确性。测量亚微米甚至纳米级精度的机器要发展，要具有新的设计技能。因为现有的设计方法很难达到高精度测量的水平。因此，计量学作为一项基本的原则，随着数据的增多，面临着不准确的问题。如坐标测量机，激光干涉仪和纳米传感器等，如STM和SDM。因此，许多分析软件和误差补偿软件得到了相应的发展和应用。 精密制造主要关注与实现产品的形状精度和表面质量。精确度可以达到纳米级，而要达到这个水平，就必须了解机器设计以及加工的过程和这两者之间的相互关系。比如，工件和工作台之间的关系。这里提了几个加工技术的例子，如金刚石车削，磨削，研磨，珩磨，抛光，离子和电束加工和化学加工。关于机器和机器技术的良好观点是由Nakazawa和Taniguchi提出的。这个领域的新的发展方向是纳米技术。 在精密测量和加工领域可以给出很多有趣的例子，但本文主要侧重于在精密工程中的“精密设计”作为基本的研究内容。不过，这里明确的指出的是，早期天文学和计量学的发展对精密设计的发展具有很大的影响。 埃文斯(Evans)在1989年提出了一个关于历史发展的观点。19世纪，具有很多发明和创造，特别是在设计领域。通过发展线性和圆形分割仪，获得了很多知识。在设计和加工精密仪器的过程中，使用了许多著名的原则，如“运动学设计原则”，“阿贝原则”等。在20世纪，随着各种精密测量仪器的发展，粳米设计的知识又得到了进一步的完善和发展。其中，一个显著的例子就是由美国制造的“大型光学金刚石切割机”。此外，还有Bryan的一些完美的设计品，这些作品包括84英寸大型金刚石切割机。最近，关注的主要是分子测量的发展。如图1.1所示。 在欧洲，研究精密工程的克兰菲尔研究所和泰勒霍布森共同制定了一项范围广泛的高精密仪器，包括“纳米中心”。早在19世纪50年代，飞利浦研究实验室就已经研发了一种内部使用的高精度测量仪。在德国和瑞士，Zeuss和GSIP公司发展 14 了高精密测量和加工仪，而GSIP公司可追溯到1875年。 日本在高精密测量仪器的发展上，也有一个很长远的历史。现在，日本在这个领域上也有相当大的成就。作为关于日本现状的最好的概述，是由Taniquchi在《纳米技术》一书中提出的。这里举一个佳能超级抛光机的例子。如图1.2所示。 此图中表明了目前的趋势，以及预测。精密工程的未来趋势主要取决于集成电路的技术、资料显示和存储、生物医学工程和消费产品的需求。随着分子工程和纳米技术的发展，人们在未来对高精度仪器的需求也会越来越多。由此，高精密仪器也会飞快地发展。 在未来高精密仪器和产品的发展中，精密设计起着非常重要的作用。设计将体现多学科的设计组使用的总的设计方法。由于日益增加的成本，要求这种先进的设计在第一时间内必须是正确的。因此，“预测设计”必不可少。本文介绍一些精密设计的基本概念以及在精密工程重要领域的发展现状和未来趋势。 2.精度要素 在许多精密仪器和设备中，各零部件相互作用，以达到最终的精度。每一部分由运动学和动力学的影响所造成的几何偏差，构成了整体精度。尽管在实际中，这些因素的相互在整个系统中起着相当重要的作用，但这里，我们只讨论这些因素的单独作用。 2.1定义 在整个文件中，仪器和机器的一些术语都将用来表示一器械。计量的定义是通过《在度量衡中国际基本词汇和一般术语》而来的。在精密设计中，主要涉及的是机器和设备，而不是单纯的度量衡。精确定位和机床加工也是其中的关键。因此，在此给出了一些定义，都是摘自上面所提到的国际词汇中。 ?操作的精确度:操作所得的实际值与目标值之间的一致性。精确度是一个定性的描述。 ?操作的不确定度:是表征测量结果的一个参数，用以表示被测量值的分散性。 ?分辨力:指示仪器可以分辨的最小的差异。 ?重复性(实验结果):相同条件下，多次测量实验结果相吻合的程度。 ?再现性:条件改变时，相同测量结果相吻合的程度。 其它定义:分别测量两台不同的机床(美国机械工程师协会B89.41-1997和B5.54-1993)，并且在国标中也给出了定量的描述，Bryan在他的《旋转轴》一文中描述了精密主轴和轴的实际认证方法，这个研究从20世界30年代末一直持续到现在。 2.2几何形状 最初设计的机器和仪器，几何形状是由设计师所希望完成的任务中而来的。在第一阶段，几何形状通常包括一些原始的基本的形状，例如，轴、横梁常常设计成圆筒状或管槽状的机构，而一些承担载荷的部分常设计成封闭式结构。然而，在实际中，这些理想的模型并不能实现。由于有限的加工精度，直线并非真正的直线，而圆也绝非理想的圆。仪器操作的仔细选择，可以显著的改善其精确度。总之，仪器中有越多的轴，其误差就越大，尽管一个附加轴的微小位移可能有利于补偿几何形状上的缺陷。 精度不仅受宏观形状误差的影响，而且还受微观偏离的影响，例如，表面光洁度。对于整体性能来说，微观的影响是至关重要的。在接触轴承中，表面光洁度对磨擦磨损的影响非常明显。表面光洁度对部件连接的影响不是很大，但是当关注刚度、阻尼、滞后、热传导和扩散这些特性时，这些特性对表面关洁度的影响却是非常重要的。不仅仅是在机械加工时，几何形状才会改变。除非有充分好的隔离，否则，几何形状会受到外界环境的影响。在外界温度变化时，大部分材料都会产生变形，而没有密封时，结构形状也会受到湿气的影响。此外，还有其它一些因素也会影响到机器的几何形状，如震动、电场、磁场等。一些材料的使用寿命，也经常收到中间尺度变化的影响(长期不稳定)。 由于仪器是由许多零部件组装而成的，由此也引入了形状误差。考虑封闭结构的外形或力，就如同在整体结构中选择是用螺钉连接还是用胶水粘合一样重要。在组装的例子中，零部件是由专用机器进行精确组装的，尽管这些机器表面的磁滞现象会对整体的可重复性产生负面的影响。在传统形式封闭方法中，装配的每一部分都必须有严格的公差带，否则会出现缝隙或是测量时出现负值。在装配时还会引入没有定义的高应力。另一方面，气闭式结构通过正确的动态连接解决了这个问题。例如，运动学、半运动学或辅助运动学，通过设计连接，从而大大的减小了几何形状的公差。即使是全封闭式结构，一些几何偏差如定向梁的矩形度误差，将影响整体的准确性。不过这些误差都可再现，并且可以通过软件补偿来减少。由于一台仪器的机械结构有一个有限的刚度，在施加外力的情况下，几何形状会改变，特别是位移和尺寸。这一点严重的影响了机器的性能。在恰当的模型下，这些误差可以预测和补偿。 与几何形状相关的另一个问题是工件本身的定位问题。对于加工和测量仪器来说，工件必须在本身不变形的情况下固定。同时，工件必须硬性的连接到机架或工作台上。特别是在制造业中，具有热膨胀的工件必须在所能承受的应力范围内。与固定安装相类似的问题是将传感器应用于高精度仪器上。这在运动学或半运动学设计中具有重要的应用。 2.3运动学 对于机器来说，大部分时间都不是静止的。不同的零部件具有不同的运动，这些都是通过运动关系来描述的。这些关于 15 机器和结构的数学描述，仅仅描述了理论上当长度、位置、设置点曲线变化时的情况。然而在实际情况中，这些因素都与有限的精度有关，因此，实际情况与理想模型在形式、速度和加速度上会有很大的不同。 在现代仪器中，位移通常是由机器零部件组合产生的，如伺服控制下的驱动器和传感器。动量和速度、传感器的分辨力、控制方式、机械的重复性的特性共同确定了规定路径的准确性。在这个例子中，不止控制了一个轴，多个轴的同步性也是影响精度的另一个因素。另一个例子是通过控制两个正交线性轴来磨一个圆的轮廓。 2.4动态特性 事实上，机器并非静态的，而是包含许多加速零件，这意味着在整个运动过程中，动态特性具有重要的作用。就相对不确定的地方减小加速度影响的一个有效方法是选择适当的运动轮廓，例如，使用二阶微商中没有跳变的给定点曲线，就如用一个修正的正弦函数来取代抛物线函数。在减少动态定位误差中，预防“自由运转与无效运动”是非常有效的。零部件也可以根据最小应力来设计。在旋转部件中，为了减少不平衡和质量惯性的影响，对称性设计非常重要。在直线运动的例子中，物体的质量应尽可能的小，并且要通过轴的反作用力驱动。 决定机床对动力响应的另一个因素是硬度。为了减小应力和最大刚度，一般而言，并不是只有材料的类型和数量起作用，而且分布也起着重要的作用。通常动态干扰来源于仪器的外部，如工作台的震动和噪声。在这些例子中，质量刚度比对于减少输入响应是极其重要的。将仪器与外部环境隔离后，能削弱输入本身。 3设计原则 1922]。已经有许多人研究了设计高精度仪器的问题。Pollard在他的“康托尔讲座”中描述了科学仪器的机械设计 [Pollard，Loewen 提出了一系列主要的原则[Loewen，1980]。McKeown在《十一原则和技巧》中也给出了相应的定义[McKeown,1986,1987,1997]。Teague 和Evans 给出了基本的定义，并出版了十二种《精密机械设计模式》[Teague,1989-1997]。3段至5段是在这些调查的基础上写的。 3.1阿贝和布莱恩原则 阿贝原则是在1890年第一次发表的[Abbe，1890]。在长度测量中，被测长度应位于线纹尺刻度中心线的延长线上，测量仪器应该按此设计。这个原则也被称为“准值原则”[Rolt，1929]，“阿贝比较原则”[Reindl，1967]，也是“机械设计和空间度量衡学的第一原则”[Bryan，1979C]。我们再说一下非线性设计的情况。Bryan定义了一个广义的阿贝原则:位移测量系统应和被测量位移函数点成一条直线(例如，球测头或仪器顶端的中心)。如果这不可能的话，导轨中的无关的角运动或角的转动数据必须用来计算阿贝偏差的结果。 另一个测量的基本原则是“布莱恩原则”[Bryan，1979A]，公式为:“直线性测量系统应该与函数点成一条直线，而这些函数点是用来测量直线度的。如果这不可能的话，导轨中的无关的角运动或角的转动数据必须用来计算偏差的结果。 Vermeulen发展了三座标测量机(如图3.1所示)，通过中间的部分(A和B)，可以防止在水平面的三个方向引入阿贝误差[Vermeulen，1998]。同时，该仪器也满足布莱恩原则，使得仪器对导轨的直线度误差不敏感。 P23 图3.3 表示了一些两个自由度的例子之间的转换。这可以通过两个杆(3.3 a 图 和b图)或可以通过带铰链的合页来获得(3.3c图)。 两个自由度，一个用于平移，一个用于旋转，这可以用三根杆(图3.4a 和b) 或一个通常的合页来约束(图3.4c)。 以这些基本元件的结合运动学机制或夹具能被创建。图3.5给出了一个平面固定的例子。由于三个被铰链的合页的使用，这个平面被六个自由度约束，带有一个合页法线交叉点的热量中心。 图3.6个显示怎么XY坐标系可以从三个被折叠的合页创建。 运动学设计的一个直观例子是在图3.7显示的运动学支持。有六个固定的支持表面的经典版本通过使一个在弹性合叶周围的表面变得有弹性来增强 。这样沿表面的摩擦力大大减少，而接触刚度只是略微减少，由于刚度和摩擦之间的改善比率 ，迟滞(见第5.1节)由原来的0.42变为典型的非铰版本为0.03微米的新版本。 图3.7 对称运动的支持与变矩器，如摩擦是公认的主要根源滞后 3.3 热回路 热回路的定义为:一条横跨组合机械零件的路径，根据不断变化的温度，决定确定对象之间的相对位置。在原则上，热回路，应可能的小，以尽量减小空间热梯度的影响。一个处于热回路中的机器的热膨胀可以通过调整机器部件长度和选择合适的热膨胀系数的材料来补偿。 如哈里森的格子铁摆 [埃文斯，1989年] 。不动点或轴，从那里部件膨胀，可以选择创建一个热中心，如在图3.5 尽管热膨胀系数在每摄氏度0。5微的范围变化 [布雷耶，1991] ，热膨胀可以通过测量部件的膨胀来减少，[ kunzmann ， 1988年]。随后可以通过选择合适的固定点来创建相等的热长度。 获得在一个有空气调节的大会堂每天正负0.5摄氏度和在精确气温机舱每天0.1摄氏度热稳定性是一个的相当难的问题[布雷耶，1991年] 。机器内部或外部的热源导致机器温度的变化，这可能会在热回路中导致不平等的热膨胀率，这由于机器部件不同的热时间常数，(见第5.5节) 。因此，唐纳森强烈建议，在他出版的关于机床的书中作为一项原则[唐纳森， 16 1980年]在源头取出热量。韦策尔斯经历了热机械稳定性问题，这结合了热源。后取掉此源一介热漂移减少[韦策尔斯，1998]。 内部热扰动有反应，可以对折和补偿部分(见第6节) 。不过，环境温度变化，只能做出响应，而不能预测，因为输入是未知的[DeBra,1998年 ]。 P24 4 结构回路 3( 据[ANSI，1992年] 结构闭环，是指机械部件的组合，这些部件在确定的物体之间保持相对位置。一对典型的确定对象是刀具和工件:结构回路包括主轴，轴承和箱体，导轨和机架， 驱动，以及工具和工作控制的固定装置。所有的从驱动器到反作用点的传播路径中的机械部件和铰链，例如末端效应(刀具或探针或重心，必须有一个高刚度，以避免由于不断变化的负荷而产生的变形。设计一台机器或一个工具包含一个或多个结构循环。 在认可良好的结构回路设计时，串联和并联路径的分散是必不可少的。随着一系列路径的刚度应该不会突然的改变。一系列路径的改进最可能的是优先把最柔软的部分硬化，这些柔软的部分是通过更严格的通道传递的物质。并行通路的改善在于进一步改善最坚硬的部分，更确切的说也就是对于有同等质量的系统，以更适应的并行系统为代价。 由于物理的限制，闭环测量系统不可避免地定位于和末端效应有一段距离的地方。除了良好的结构回路设计，测量系统和终端效应之间的通路要尽可能的减少偏差，例如:由减少通路的长度，即所谓的'测量圈' [kunzmann， 1996] 3(5 度量衡结构 一个计量框架是一个参照系，该参照系独立于机床底座，即施加外力后，计量系统必须不间断[布莱恩， 1979b ] 。黛布拉建议把计量框架作为一个有更广泛原则的例子 即原则'不同的职能' [黛布拉，1998年] 。事实上， 力和位置信息的路线断开，一个想法在图5.8的旋转平面设计中被提出[飞利浦，1994年 ] 。 在[ Teague,1989 - 1997年]'计量框架'历史的应用讨论，目的是讨论机器零件的变形问题。至今第一计量框架例子是在罗杰斯-邦德大学发现的比较仪[罗杰斯，1983年] 。较近期的例子是由Hocken等人在英国国家物理实验所用干涉时间基准仪在测量NIST时发现的，三坐标测量机[布莱恩，1979b ]，和LODTM [Donaldson,1980],和由Mckeown 等人在纳米上发表的克兰菲尔德精密(见图3.8)和Will-Moren[Will-Moren,1982年]和[Will-Moren,1989年]。 [Teague，1989-1997]建议度量衡结构尽可能小，这样可以减少环境的影响。[布莱恩， 1979b ]建议要么计量框架在zerodur或使用温度控制(例如oil shower). 而且平面度量衡的支持应该应配合弯曲中性轴的机器底座。 3(6 驱动偏置 通过结合好的带闭环控制的机械设计来加快运行速度，精确和灵活的运动都可以实现。典型的例子比如压缩磁盘播放器，排水槽, 先进的数控铣削加工和车削机器和快速组件安装机器。在发展的伺服控制的定位装置，这是必须考虑的地方激励者是装载的投影片，以供应(导致)的力量所产生的惯性，工具或测力，摩擦等。正如‘11原则’ [Mckeown,1966,1987,1997]中的一个所声明的那样，驱动器应该被放置通过轴的反作用力运动。如果不可能的话，来自轴的反作用力的背离，即所谓的驱动偏置。包括机器 。如果双方的驱动器和测量轴是在同一边的中心旋转，滑动部分转动的影响的可控性被缩小了。[Rankers,1997] 3(7 力的补偿 3(7(1 重力补偿 在许多三维坐标测量机的垂直RAMS被使用。在为了避免垂直滑动的驾驶系统与重量的RAM ，力补偿可能适用，从而消除发动机不良的散热。持续的力量可以从多方面获得，如使用额外的重量，从动态的角度来看这是不好的。也可以用磁场替代。处于压力或真空中的气瓶，或'常数率弹簧'如tensators [Tensator,1997], [Rosielle,1998].根据滑动冲程和不同规格对力的要求的变化，一种重力补偿比另一种更适合。在导轨方式下重力的库仑摩擦减轻。这可以应用在许多用GSIP的高精密机械设计中。 P25 3(7(2 反作用力补偿 由于机器静止部分的有限的质量和支持刚度，反作用力作为一个驱动力使静止部分运动 [Rankers,1994],[Rankers,1997]. 励磁机的框架所造成的反应势力变得越来越重要，在形势的直接驱动器驱动在高频繁，例如:快速的工具，伺服切割[帕特森， 1985年]和切割非旋转对称面[ Renkens ， 1997 ]。除了常用的减少框架运动的方法外，如 增加框架的刚度和质量，或增加(有源)阻尼，rankers提到，更根本的办法[ rankers ， 1997年] 。第一个例子是在反方向加速负载和框架之间的反质量[Weck,1995b] and [Weck,1997].其次，，当对精度没有严格要求时，同时抗衡的力量可以由第二个电机作用到框架。 3(7(3 寄生刚度补偿(负刚度) 17 以弹性元件为基础的仪器和机械装置有反弹和摩擦的优点，造成的虚拟作用[koster,1996]将缺少。胶料的弯曲是在适当的压力下来严格的抑制固件的运动。然而，冲程受制于材料弹性极限和和刚度在相反方向力作用下的位移。在这些情况下，例如驱动力太高而无法控制，无论是通过纯粹的激励源大小的要求或者产生的热量对机器性能的干扰，无论是弯曲作为设计的一个方面被忽略掉或者不期望的力的影响这些都应该被补偿。这是最好的做与无源元件理由至为明显。经典的做法，被称为创造负刚度。与器件还含有弯曲和硬性连接，这与旋转或刚度设计，这个问题是可以克服的，在成本增加的复杂性。范Eijk 1985年]。 给人的几个例子，创造负刚度[ Erjk ， 3(8 对称 在[Teague ,1989-1997]，建议在机器要素方面尽可能使之对称(例如质量和动力分配或刚度)，整个系统的环境。在设计，制造，组装和经营精密仪器时，任何偏离对称性都要加以权衡由此产生的补偿，来克服由不对称性所引起的问题。为了避免热不对称，诱导机械部分的显著扭曲，一个作为对称轴热扩充的热中心可以应用[韦尔默朗， 1998 ]。要克服由重力引起的水平面不对称性的影响，机器可以配置一个纵轴，例如LODTM[唐纳森， 1983年] 。三维立体对称可以通过四面体获得，例如，该tetraform 国家物理实验室的 Lindsey [Lindsey,1988]. [斯洛库姆， 1992年]。[科贝特， 1997年] 。除了它的支持者Hocken提到的一些对对称性不好的因素外[ Hocken ， 1995 ]，例如，振动能量不会因为对称性设计而减少，事实上，它往往是增强的。 3(9 重复性 的 根据定义，第2重复性指的结果相同的条件都是平等的。机器的行动可以是测量在一个三坐标测量机或在机窗上制造产品[布莱恩， 1993年]，提出决定论，即机器在自动控制下的表现，作为一个健全的基础设计，建造和性能测试:自动机床和测量仪器就像星一样可以被重复。他们服从我们所能理解和控制的原因和结果的关系，不存在随机的和它们行为有关的事情，一切发生的原因只有一个。列表的原因是足够小，良好的计量，和一个合理的投资资源。实际上，重复性的要求如下: 静定高刚度设计的应用，尽量减少部分连接中的滞后作用(第5.1节) 尽量减少摩擦和轴承系统的刚度(第5.2节) 驱动器的性能优化(第5.3节)和控制系统( 第5.4节 ) 包括传感器安装的传感器质量的考虑(第5.5节) 对热稳定性设计的关注和震动隔离(第5.6节) 重复性对预测模型是必不可少的，(第6节)仪器用模型模拟的越接近，它的预测性更好，软件补偿的范围也越大。(第6节) 在这里布赖恩是引用[ Loxham ， 1970年]。他继续研究概括七种不同于经典物理定律确定性的性质的规律，根据基德尔( llnl )和 Hocken [布莱恩， 1993年]，这些例外应用于原子和分子大小质量，对机械制造领域没有多少实际意义。 4 预测设计模型 正如在第一节中说明的那样，在不久的将来，会越来越多的需要超精密机械。因此，设计方法正在发生着显著变化，完整的理解精密机械的运动对于预测三维误差是必须的，机器的设计者可以做出整机的预测。[ Blaedel ， 1998年] ， [汤普森， 1989年] 。对当今机械加工一个很好的观点发表在最新出版的‘纳米’一书中[Taniguchi, 1996].发展超精密机械一般是非常昂贵的，‘知识产权’变得越来越重要。尽管透彻的分析设计概念是比较昂贵，但是在设计过程初期作系统的分析就可以节省很多钱。机械仪器的精确性主要有五种误差源决定，运动学的偏差，热力学的 ，机械的，静态和动态及控制系统的行为。 P26 从设计说明书开始，设计这可以创造一种后来必须通过建模与仿真来改善的设计方案。也可以通过画流程图，显示建模与仿真的有效性，检查它功能的一致性。除了运动学误差模型误差估计的影响，有限元部分的模拟可以用来研究(热)力学和静态方面，包括热膨胀，扩散系数和刚度。双方的第一近似值和必要的验证，基于简单的弹性和热理论的计算都可以应用。机械系统的有关惯性和刚度方面的影响也都必须分析。另外，控制系统和机械系统都必须进行调整，以便得到闭环系统的良好的运动状态。图4.1显示设计是一个反复的过程，设计过程发展的越深远，取得的模型也就越真实，此后，最重要的分析方法会做简要的讨论。 4(1 运动学分析 已经发展的一种用于精密机械和仪器的设计理念，主要在最近二十年发展的，误差模型策略，可用于预测运动的错误[ Soons ， 1993年] ，[ krulewich ， 1995年a ， b ]。这些建模技术是基于误差的影响，例如，线性camages ，旋转台和主轴。集总参数模型在1972年就成功用于预测和补偿弯曲挠度。[Wills-Moren,1982] 对每个轴i,运动误差可以通过平移的方法来描述，T矢量和R矢量。在结构回路中机架在特定位置旋转的影响可以通过旋转矢量R和位置矢量P的外积计算出来，这些矢量都是在笛卡尔坐标系中定义的。在这里，坐标系的原点和读取i轴的转换位置的传感器相连。矢 18 量R包含来源于机器多轴的垂直度的影响，在一个方向上的总的运动误差可以通过所有的轴来计算[斯帕恩，1995年] ,,, dp(x,y,z),(RxP，T),ii 图4.2含有一个接近i轴的示意图。 运动学模型必须适用于有随后结构回路的机器，即在工件的位置开始，通过机器的所有要素和关节，在[斯帕恩， 1995 ]，模拟技术已应用到轴五联动数控铣床。其相对简单的办法可以为设计者提供结构循环变化的影响的信息。 另一种基于均匀变换矩阵的误差描述的方法也被广泛使用。误差参数 R T被作为矩阵元素[保罗， 1981年] ，[Soons ，1993年] ，[波特曼，1997年] 。下来对高精度应用的二阶影响也会介绍。 4(2 热力学分析 正如许多作者说明的那样，热效应可能对精密机械和仪器的不确定性有重大用处，[吉田， 1967年] ，[Attia,1979]，[ Balsamo ，1990年]，[克雷斯托， 1991年]，[ Schellekens ，1992年]。这个领域的一个很好的概述由布莱恩等人在其1968年和1990年为CIRP Generate Assemblies写的基调论文中提出。[布莱恩， 1968年] ， [布莱恩， 1990年] 一般来说，一台机器的温度分布可以用不确定的函数来表示，T=T(x, y, z ,t)。由于这些空间和时间梯度，再结合使用材料的热性能，机器的形状和大小会随时改变。特别是不确定的运动使误差估计变的更难描述。因此，应经作了无数 y, z)[Soons ,1993年]，[特拉佩，1997a ] 。在这里， 作为第一个方法，误的尝试来描述(准)固定情况T=T(x， 差模型主要基于在热循环中的(大型)机器要素的膨胀和弯曲，还要考虑应力自由变行(否则模拟将变得很难)[Boley,1960年]。 19