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(chē)電子有限公司，浙江寧波 315040）

以特斯拉為代表的新能源汽車(chē)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(chē)載觸控屏集成了多樣化的人機(jī)交互功能，但汽車(chē)廠商仍會(huì)保留必要的實(shí)體按鍵，如雙閃燈、車(chē)窗升降和方向盤(pán)輔助開(kāi)關(guān)等［2］。從視覺(jué)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(chē)的品質(zhì)［3-4］，因此，實(shí)體按鍵不會(huì)完全消失。市場(chǎng)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(duì)其外觀材質(zhì)、性能水平、質(zhì)量評(píng)估等方面提出了更高的要求［5］。在產(chǎn)品交付階段，汽車(chē)零部件供應(yīng)商需要給整車(chē)廠商提供完整的檢測(cè)報(bào)告，按鍵手感測(cè)試類(lèi)項(xiàng)目是其中關(guān)鍵的指標(biāo)項(xiàng)。傳統(tǒng)按鍵手感測(cè)試設(shè)備通常采用拉伸壓縮試驗(yàn)臺(tái)架和電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以力傳感器單自由度移動(dòng)、被測(cè)按鍵對(duì)中固定操作模式最為常見(jiàn)，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(cè)力點(diǎn)位置并重復(fù)裝夾，勞動(dòng)強(qiáng)度大，長(zhǎng)時(shí)間操作容易導(dǎo)致操作人員疲勞且測(cè)試效率也較低；②每次測(cè)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(cè)量結(jié)果有較大差異，不能滿足產(chǎn)品重復(fù)測(cè)量一致性要求；③傳感器主軸無(wú)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(duì)傳統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化程度低、重復(fù)裝夾造成的測(cè)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(cè)試過(guò)程高度自動(dòng)化，操作人員可將更多精力用于評(píng)定按鍵手感差異，而設(shè)備的自動(dòng)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(jí)精密傳感器可保證系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備本身的精度誤差對(duì)按鍵手感測(cè)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(lèi)型的夾頭，適用于多種類(lèi)按鍵產(chǎn)品的手感測(cè)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(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)量領(lǐng)域。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)主要由機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制模塊①、力采集模塊②、行程采集模塊③、NI CompactRIO 控制平臺(tái)（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(kāi)發(fā)軟件界面（EPSON RC ＋5.0，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)力任務(wù)，力傳感器檢測(cè)到外力變化會(huì)輸出電信號(hào)到信號(hào)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(cè)量目標(biāo)對(duì)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(dòng)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(hào)統(tǒng)一由模塊④并行控制，最后通過(guò)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(cè)力與位移測(cè)量環(huán)節(jié)都基于上位機(jī)Lab-VIEW軟件來(lái)實(shí)施。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)總體系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件及校準(zhǔn)

2.1 力傳感器

電阻應(yīng)變式力傳感器通過(guò)響應(yīng)外界載荷改變電阻值并轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)來(lái)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(duì)象測(cè)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(guó)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(guò)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(cè)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(jí)為0.1%，相對(duì)線性誤差系數(shù)為0.02%F.S.，測(cè)力量程廣，最大可承受4 倍的過(guò)載力［9］，能滿足系統(tǒng)使用需求。

2.2 直線電機(jī)模塊

直線電機(jī)模塊帶動(dòng)力傳感器直線移動(dòng)并檢測(cè)位移值增量，組件包括無(wú)刷同步伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)配置軟件（LinMot Talk）可以定義運(yùn)動(dòng)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(dòng)器控制信號(hào)并做出響應(yīng)；而電機(jī)內(nèi)置位移傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)位置信息并反饋給驅(qū)動(dòng)器。產(chǎn)品選型采用LinMot 系列線性驅(qū)動(dòng)解決方案，包含伺服驅(qū)動(dòng)器（B1100-GP）和線性電機(jī)（P01 -48 ×240，最大行程210 mm，重復(fù)性測(cè)量精度0.05 mm）［10］。與傳統(tǒng)電機(jī)組合齒輪等傳動(dòng)方式相比，該驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，適用于實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化精密測(cè)量工作場(chǎng)景。

2.3 力與行程校準(zhǔn)

力傳感器的測(cè)試數(shù)值與直線電機(jī)行程的動(dòng)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用前需要在HBM 單點(diǎn)式稱(chēng)重傳感器（PW2CC3MR，7.2 kg）平臺(tái)上校準(zhǔn)力與行程模塊，兩者數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系以采集電信號(hào)為中間變量經(jīng)過(guò)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(duì)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(cè)到的行程，縱坐標(biāo)為力傳感器加載的力值，實(shí)際測(cè)試點(diǎn)基本分布在擬合直線上。測(cè)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(shuō)明測(cè)控系統(tǒng)采集信號(hào)精準(zhǔn)，可用于精密測(cè)量場(chǎng)景。

圖2 力與行程校準(zhǔn)曲線

3 LabVIEW功能模塊

LabVIEW是基于“軟件即儀器”核心理念的圖形化編程語(yǔ)言，通過(guò)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(cè)控系統(tǒng)［11］。本文基于LabVIEW 開(kāi)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(cè)控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

3.1 控制器RC50 與機(jī)箱cRIO通信機(jī)制

RC50 控制器（RC ＋5.0 開(kāi)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(dòng)器從而控制機(jī)械手末端直線電機(jī)移動(dòng)，兩者通過(guò)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(guò)程為：LabVIEW界面觸發(fā)開(kāi)始動(dòng)作，以滿足“Measure_Start”字符串條件語(yǔ)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(dòng)LinMot直線電機(jī)完成力與行程檢測(cè)；執(zhí)行完測(cè)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(cè)量。

3.2 數(shù)據(jù)采集機(jī)理

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(mén)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(lái)實(shí)現(xiàn)。LabVIEW FPGA程序獲取傳感器信號(hào)并進(jìn)行濾波處理，而后采集數(shù)據(jù)控件通過(guò)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(cè)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(kāi)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(cè)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

3.3 人機(jī)交互界面

LabVIEW開(kāi)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(dòng)控制、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示及特征化和對(duì)文件系統(tǒng)的操作，LabVIEW人機(jī)交互界面如圖4 所示。測(cè)控系統(tǒng)的啟動(dòng)與急停分別由布爾控件“Start”和“Stop”控制；通過(guò)設(shè)置參數(shù)文件可改變直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度以適應(yīng)不同的測(cè)試項(xiàng)目；實(shí)際測(cè)量過(guò)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(duì)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(cè)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

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

搭建的測(cè)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(cè)量平臺(tái)如圖5 所示，機(jī)械手各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)零件用夾具固定裝夾在水平臺(tái)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(cè)量平臺(tái)

4.1 自動(dòng)化測(cè)試能力

設(shè)備自動(dòng)化是本設(shè)計(jì)的特色之一，闡明自動(dòng)化調(diào)試過(guò)程對(duì)熟悉設(shè)備性能具有重要的參考意義。在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)階段，需要完成以下步驟。

（1）手動(dòng)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(dòng)模式并依據(jù)圖紙相對(duì)尺寸移動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)軌跡、TCP／IP 通信等；LabVIEW 應(yīng)用程序等待源程序指令執(zhí)行測(cè)試任務(wù)并采集數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存操作，其通信機(jī)制描述見(jiàn)3.1 節(jié)。

（3）調(diào)試系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化測(cè)試效果。

切換機(jī)器人系統(tǒng)至自動(dòng)（Auto）模式，試運(yùn)行并排查機(jī)械手有無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，直至能安全完成自動(dòng)化測(cè)試任務(wù)。

為驗(yàn)證其自動(dòng)化測(cè)試能力，選取汽車(chē)內(nèi)飾件多功能方向盤(pán)開(kāi)關(guān)為測(cè)試對(duì)象，利用所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)完成產(chǎn)品面板多個(gè)物理按鍵的集成測(cè)試。測(cè)試對(duì)象屬于自回位按鍵開(kāi)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(cè)試過(guò)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(kù)示教點(diǎn)位信息，啟動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)完成測(cè)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(cè)試作業(yè)后，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)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(cè)試對(duì)象所有按鍵測(cè)試的曲線集合算作機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行一次作業(yè)任務(wù)。結(jié)果表明，各按鍵測(cè)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(shì)，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?。?2］，這是由于被測(cè)按鍵在下壓過(guò)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(shuō)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(dòng)力源是機(jī)械手對(duì)按鍵施加的作用力；虛線是按鍵松開(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)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(guò)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(dòng)提取并鏈接到前面板顯示。

與傳統(tǒng)測(cè)量裝置“力傳感器固定、移動(dòng)工件對(duì)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(guò)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(dòng)化測(cè)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(cè)試效率與質(zhì)量。

4.2 重復(fù)測(cè)量精準(zhǔn)度

測(cè)控系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量精度由機(jī)械手重復(fù)定位精度、手部末端傳感器測(cè)量精度和不同測(cè)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(dòng)態(tài)誤差都是其影響因素［14］。為減少動(dòng)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(cè)試對(duì)象，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一目標(biāo)點(diǎn)位開(kāi)展6 次重復(fù)檢測(cè)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(shì)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(wú)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(shuō)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(duì)應(yīng)的行程量。為降低測(cè)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(cè)控系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量精度指標(biāo)。

圖8 系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量精度驗(yàn)證結(jié)果

引入式（2）和式（3）說(shuō)明力指標(biāo)是否達(dá)到所選力傳感器的精度等級(jí)和相對(duì)線性誤差要求［15-16］。

式中：cA為精度等級(jí)（無(wú)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(duì)線性誤差（無(wú)量綱系數(shù)），是測(cè)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(cè)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(jí)0.1%、相對(duì)線性誤差0.02%F.S.兩項(xiàng)指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí)，可認(rèn)為該系統(tǒng)力重復(fù)測(cè)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(cè)量差異

極值點(diǎn)行程重復(fù)測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)控系統(tǒng)可適用于工業(yè)產(chǎn)品力與行程測(cè)量場(chǎng)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(cè)量差異

5 結(jié)束語(yǔ)

基于LabVIEW平臺(tái)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(duì)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(shuō)明，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其高效自動(dòng)化測(cè)試能力和精準(zhǔn)重復(fù)測(cè)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(dòng)執(zhí)行多按鍵測(cè)試任務(wù)并完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，操作簡(jiǎn)單易上手、自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度可靠，可為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程提供技術(shù)支持，也可為精密測(cè)量設(shè)備選型提供參考。