用于在力传感卡尺中设置测量力阈值的系统和方法

用于在力传感卡尺中设置测量力阈值的系统和方法
【专利摘要】本公开提供了一种电动卡尺，其包括标尺部件、滑块、位移传感器、位于滑块上的力感测装置、以及信号处理部分。信号处理部分被配置为接收力信号，并指示与滑块的相应位置相对应的相应力。获取力数据，其包括多个相应力以及对应的滑块的相应位置。信号处理部分限定可接受的测量力范围，其由至少最小力阈值限定，所述最小力阈值被确定为使得其超过与在力信号中包括的至少一个力分量相对应的补偿力，所述力分量独立于测量力的用户变化。其可分析获取的力数据，以识别接触前数据，并且，基于接触前数据而设置用于当前测量过程的最小力阈值。
【专利说明】用于在力传感卡尺中设置测量力阈值的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电动卡尺(caliper)。
【背景技术】
[0002]已知使用电子位置编码器的各种电子卡尺。这些编码器一般基于低功率的电感、电容或磁位置传感技术。通常，编码器可包括读出头(readhead)和标尺(scale)。读出头一般可包括读出头传感器和读出头电子装置。读出头输出作为读出头传感器沿着测量轴相对于标尺的位置的函数而变化的信号。在电子卡尺中，通常，标尺被固定到包括第一测爪(measuring jaw)的细长的(elongated)标尺部件,并且,读出头被固定到滑块(slider),其可沿着标尺部件移动，并包括第二测爪。由此，可基于来自读出头的信号，确定两个测爪之间的距离的测量值。
[0003]在共同转让的美国专利RE37490、5，574，381、5，973，494中公开了示例的电子卡尺，通过引用将其全部内容合并于此。在美国专利公布N0.2003/0047009中公开了能够测量力的现有技术电子卡尺。如在‘009公布中所述，现有的卡尺的使用中的一个缺陷在于:可由测爪施加的力的变化、以及由此可能发生的测量差异。在测量软物体时尤其是这样，其中，一个测量器在卡尺的爪上施加高水平(level)的力由此使软物体部分凹陷、而另一个测量器施加低水平的力由此软物体不会凹陷，这可能改变物体的测量值。作为解决方案，‘009公布公开了能够测量施加到物体的力和尺寸两者的卡尺。然而，尽管‘009公布的卡尺确实进行力测量，但其不确定和指示应施加的力的适当水平，以便获得精确的测量。此夕卜，其建议了可在施加预定压力时测量尺寸，并且，可报告压力和对应的尺寸，但是，这不是典型卡尺用户会在人体工学(ergonomically)和感受(perceptually)上认为是传统和便利的操作模式，因此，其不是直观上可理解的。例如，用户期望卡尺位置显示器(其具有很小的尺寸，且不能够同时显示大量信息)跟踪卡尺滑块位置，而不是突然在特定压力上卡主(freeze).作为另一个例子，‘009公布指示了摩擦可能影响力读取，但未建议解决此问题的在人体工学和感受上便利的方式。存在对于如下方法的需要，该方法用于以人体工学上便利且直观上可理解的方式建立和指示利用卡尺测量物体所需要的力的适当水平。

【发明内容】

[0004]本公开提供了一种电动卡尺，包括:标尺部件，包括要在测量期间被置于对着工件的第一测量表面；滑块，包括要在测量期间被置于对着工件的第二测量表面；位移传感器，其被配置为提供响应于所述滑块沿着所述标尺部件的位置的改变的位置信号；位于所述滑块上的力感测装置，其被配置为提供力信号，所述力信号响应于用户在测量过程期间通过所述第一测量表面和所述第二测量表面中的至少一个而施加在工件上的测量力的改变；信号处理部分，其被配置为接收所述位置信号，并指示所述滑块沿着所述标尺部件的相应位置，所述信号处理部分包括至少第一操作模式，在所述第一操作模式中。所述信号处理部分被配置为:接收力信号，并确定与所述滑块的相应位置相对应的相应力；获取力数据，所述力数据包括多个相应力以及对应的所述滑块的相应位置；以及限定可接受的测量力范围，其由至少最小力阈值限定，所述最小力阈值被确定为使得其超过与在所述力信号中包括的独立于所述测量力的用户变化的至少一个力分量相对应的补偿力。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]图1是具有单向力传感器的手持工具型卡尺的第一示例实施例的分解视图。
[0006]图2是具有双向力传感器的手持工具型卡尺的第二示例实施例的分解视图。
[0007]图3是在测量具有预期比致动器力弹性率弹簧的弹性率(spring rate)高的弹性率的工件时、图2的手持工具型卡尺的分解视图。
[0008]图4A和4B分别是示出用于硬和软工件的测量数据的图。
[0009]图5是示出用于软工件的测量数据和关联的校准过程的图。
[0010]图6是示出用于设置一个或多个测量力阈值的一般例程的一个示例实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0011]提供了一种电动卡尺，其包括标尺部件、滑块、位移传感器、位于滑块上的力感测装置、以及信号处理部分。标尺部件包括要在测量期间被置于对着工件的第一测量表面，并且，滑块包括要在测量期间被置于对着工件的第二测量表面。位移传感器被配置为:提供响应于滑块沿着标尺部件的位置的改变的位置信号。力感测装置被配置为:提供力信号，其响应于用户在测量过程期间通过第一和第二测量表面中的至少一个而施加在工件上的测量力的改变。信号处理部分被配置为:接收位置信号，并指示滑块沿着标尺部件的相应位置。
[0012]根据一个方面，信号处理部分包括至少第一操作模式，其中，其被配置为接收力信号，并确定与滑块的相应位置相对应的相应力。获取力数据，其包括与滑块的相应位置相对应的多个相应力。信号处理部分还被配置为:限定(define)可接受的测量力范围，其由至少最小力阈值限定，所述最小力阈值被确定为使得其超过与在力信号中包含的至少一个力分量相对应的补偿力，所述力分量与测量力的用户变化无关。如在这里使用的，术语“补偿力”不暗示特定的信号处理。相反，补偿力仅被认为是包括力信号中不必作为对工件的力传送的力分量，并且，因此，可能需要以某种方式补偿或调节力信号或力信号阈值，使得在测量期间工件上的实际力落入期望范围中。
[0013]根据另一方面，在一些实施例中，最小力阈值是静态阈值，其基于在工厂装配和现场校准过程之一的期间存储在卡尺中的力校准数据，工厂装配和现场校准过程包括在用户移动滑块而不对工件施力的同时获取力数据。在一个实施例中，信号处理部分被配置为:分析在用户移动滑块的同时获取的力数据，以基于分析的力数据，确定并设置最小力阈值。在一个实施例中，信号处理部分被配置为基于分析的力数据而确定补偿力，并基于补偿力设置最小力阈值。
[0014]根据另一个方面，在一些实施例中，最小力阈值是动态阈值，并且，信号处理部分被配置为分析在当前测量过程期间获取的力数据，以识别接触前数据，并且，基于接触前数据而设置用于当前测量过程的最小力阈值。
[0015]在一些实施例中，信号处理部分被配置为限定用于外部测量的第一可接受测量力范围、以及用于内部测量的第二可接受测量力范围。
[0016]根据另一个方面，在一些实施例中，还通过最大力阈值限定可接受测量力范围。在一些实施例中，最大力阈值是静态阈值。在其它实施例中，信号处理部分被配置为限定相对于最小力阈值的最大力阈值。
[0017]根据另一个方面，在一些实施例中，信号处理部分被配置为使得其分析在当前测量过程期间获取的力数据，并且，动态地限定当前测量过程的最大力阈值，其对于相对更柔性的工件来说更接近于最小力阈值，对于相对更硬的工件来说更远离最小力阈值。例如，在一个实施例中，其分析在当前测量过程期间获取的力数据，以特征化(characterize)工件弹性率，并基于特征化的工件弹性率，限定当前测量过程的相对于最小力阈值的最大力阈值。
[0018]根据另一个方面，在一些实施例中，卡尺可包括位于滑块上的力致动器，力致动器包括力弹性率弹簧(force spring rate spring),其具有被用户改变来变更测量力的尺寸(dimension)。在一些实施例中，力弹性率弹簧具有最多6N/mm且至少0.25N/mm的弹性率。在一些实施例中，力感测装置可包括可变形部件、以及应变传感器(strain sensor),其感测可变形部件的变形，并且，力致动器和力感测装置可被配置为使得变形对应于力弹性率弹簧的变化的尺寸。
[0019]根据另一个方面，该卡尺包括由信号处理部分控制的力状态指示器，其中，信号处理部分被配置为分析在当前测量过程期间获取的力数据，以便控制力状态指示器，并且，力状态指示器的第一状态指示当前的相应测量力必须被增大到在可接受的测量力范围内，并且，力状态指示器的第二状态指示当前的相应测量力在可接受的测量力范围内，并且，滑块的当前相应指示位置是根据信号处理部分使用的标准的有效工件测量值。当可接受的测量力范围进一步被最大力阈值限定时，提供与第一和第二状态不同的力状态指示器的过度(excessive)力状态，以指示当前的相应测量力超过了可接受的测量力范围，并且，必须被减小到可接受的测量力范围之内。根据另一个方面，在一些实施例中，信号处理部分用来控制力状态指示器的状态的标准包括力逆转(reversal)标准，并且，当获取的力数据的分析指示根据该标准已发生力逆转时，则与第一和第二状态不同并指示滑块的当前相应指示位置不是有效的工件测量值的力状态指示器的力逆转状态持续，直到用户执行力变更操作和位置变更操作中的至少一个以使力逆转状态解除为止。在一些实施例中，信号处理部分被配置为使用卡尺的显示器来显示用户提示(prompt)，以在执行使力逆转状态解除所需的力变更操作和位置变更操作中的至少一个时引导用户。在一个具体实施例中，力状态指示器的第一状态包括无指示灯亮，力状态指示器的第二状态包括第一颜色的指示灯，力状态指示器的过度力状态包括第二颜色的指示灯，并且，力状态指示器的力逆转状态包括在闪烁的指示灯。
[0020]根据另一个方面，补偿力的至少一个力分量可包括滑块摩擦力分量，其取决于滑块在标尺部件上的摩擦。可替换地或附加地，至少一个力分量可包括重力分量，其根据卡尺的朝向以及随着滑块移动的滑块组件的质量而变化。在一些实施例中，卡尺包括加速计，其中，在确定重力分量时，信号处理部分利用来自加速计的输出。
[0021]在一些实施例中，信号处理部分可被配置为提供用于卡尺的至少两个操作模式。所述两个模式中的一个可为正常操作模式(例如，提供基本上如现有的商用卡尺已知的操作，其中，用户不执行与力测量相关的特殊操作，并且，力测量不需要被用于确定尺寸测量)。这样的模式适于相对刚性的工件，并且，在此情况下，用户不需要被与测量力相关的操作打扰。所述两个模式中的另一个可为力控制操作模式(例如，提供操作，其中，卡尺指示有效测量力条件，或指示与有效测量力条件相对应的有效尺寸测量)。力控制操作模式可被简称为力模式。
[0022]下面描述本发明的各个实施例。下面的描述提供了用于完全理解这些实施例和允许这些实施例的描述的特定细节。然而，本领域的技术人员将理解，可在没有很多这些细节的情况下实践本发明。另外，可能未示出或详细描述一些公知的结构或功能。以便避免不必要地模糊各个实施例的相关描述。下面呈现的描述中使用的术语意欲以其最广泛合理的方式解释，尽管其被与本发明的特定具体实施例的详细描述相结合使用。
[0023]图1是具有单向力传感器的手持工具型卡尺100的第一示例实施例的分解视图。在此示例中，卡尺100包括磁或电感传感器组件158,并且,包括标尺轨道126的标尺基板125 (示出了各自的切离(cut-way)部分)位于沿着细长的标尺部件102的凹槽127中。将理解，在其它实施例中，可利用其它类型的传感器组件158 (例如，电容性的，等)。滑块组件170包括附接到滑块130的电子组件160。传感器组件158被包括在电子组件160中。卡尺100的通用机械结构和物理操作类似于某些现有的电子卡尺，如共同转让的美国专利5，901，458中的那样，通过引用将其全部内容合并于此。标尺部件102是刚性或半刚性的条，其可包括被并入一般的矩形横截面中的各种凹槽和/或其它特征。标尺基板125可被刚性地结合(bond)在凹槽127中，并且，标尺轨道126可包括与在电子组件160中包括的传感器组件158的对应元件(未示出)以类似于在已知的电子卡尺中使用的方式协作的标尺元件，所述方式如在先前并入的RE37490和5，901，458专利以及共同转让的美国专利6，400，138中所描述的，通过引用将美国专利6，400，138的全部内容合并于此。
[0024]一对爪108和110被一体地(integrally)形成在标尺部件102的第一端附近。对应的一对爪116和118被形成在滑块130上。通过将工件置于爪108和116的一对接合面114之间，来测量工件的外部尺寸。类似地，通过将爪110和118的一对接合面122置于对着工件的内表面，来测量工件的内部尺寸。在有时被称为零位置的位置中，接合面114彼此邻接，接合面122对齐，并且，卡尺100测量的外部和内部尺寸都可被指示为O。
[0025]测量的尺寸可被显示在被安装在卡尺100的电子组件160的外壳140内的数字显示器144上，电子组件160还可包括按钮开关141 (例如，“原点”开关)、力状态指示器142(例如，双色或三色灯)、以及信号处理和显示电路板150。如将在下面更详细描述的，按钮开关141可在一个实施方式中被用作用于设置力阈值的处理的部分，并且，力状态指示器142可被用于提供力阈值信号(例如，当力在期望测量范围内时的“绿色”，当力已超过期望测量范围时的“红色”)。信号处理和显示电路板150可包括加速计156、以及读取头信号处理和控制电路159。如将在下面更详细描述的，在一些实施例中，来自加速计156的输出可被用在确定至少一个力分量中。在一些实施例中，来自加速计的输出可被用来确定卡尺何时不在用于有效力测量的正确朝向，可对该情况向用户提供警告信号。如图1所示，信号处理和显示电路板150的底面可被安装为邻接滑块130在标尺部件102的任一侧上的顶面。
[0026]力测量组件180被安装到滑块130。在此特定实施例中，力测量组件180包括:力传感装置，其在此特定实施例中是由应变测量组件181提供的；以及此特定实施例中的力致动器组件182。应变测量组件181包括应变传感器183、应变元件184、以及应变元件致动器186。应变传感器183产生电信号，其指示在应变元件184通过被应变元件致动器186接合(engage)而弯曲时、在应变元件184上施加的应变量。应变元件致动器186以机械方式耦接(couple)到力致动器组件182，或其为力致动器组件182的一部分。力致动器组件182包括拇指旋轮191、力致动器本体192、导杆/轴承194、以及致动器力弹性率弹簧196。当用户在拇指旋轮191上按压以便朝着标尺部件102的第一端移动滑块130时，应变元件致动器186被向前推压，以便引起应变元件184中的附加弯曲，应变传感器183将其转换为电信号。
[0027]致动器力弹性率弹簧196位于导杆/轴承194周围，导杆/轴承194收在滑块130的导杆/轴承孔195内。当用户在拇指旋轮191上按压以便朝着标尺部件102的第一端移动滑块130时，压缩了致动器力弹性率弹簧196。如将在下面更详细描述的，致动器力弹性率弹簧196的利用允许力在更大的位置范围上发生更渐变的增大或减小。重要地，对用户在尝试施加控制以在测量过程期间提供期望量的力时，这导致更多的控制和更好的“体验(feel)”。
[0028]图2是具有双向力传感器的手持工具型卡尺200的第二示例实施例的分解视图。另外，卡尺200可类似于卡尺100，因此，仅参照图2来描述显著的不同。图2中省略了卡尺的某些部分，以便可更清楚地示出双向力传感器的各种组件。
[0029]卡尺200和卡尺100的主要不同在于:导杆/轴承194被束缚在致动器力弹性率弹簧296的两个部分296A和296B之间。这两个部分296A和296B在一些实施例中也可为两个分离的弹簧。如图2所示，两个致动器力弹性率弹簧296A和296B位于导杆/轴承194周围，并邻接分隔器(divider) 296C (例如，C开口环)，其被固定到导杆/轴承194。在此配置中，当用户在拇指旋轮191上按压以便朝着标尺部件102的第一端移动滑块130时，致动器力弹性率弹簧296A被压缩(例如，用于工件的外部尺寸的测量)，这类似于图1的致动器力弹性率弹簧196的操作。然而，当用户在相反方向上移动拇指旋轮191 (即，以便朝着标尺部件102的相对端逆转滑块130的方向)时，致动器力弹性率弹簧296B被压缩(例如，用于工件的内部尺寸的测量)。这样，利用致动器力弹性率弹簧296A和296B而实现了双向测量配置。
[0030]在一个示例配置中，可如下描述卡尺200的一般操作。卡尺在零偏移(zero-set)位置处开始。在零偏移位置处，卡尺一般在双向测量范围的中央，在这里，致动器力弹性率弹簧296A和296B各自被大致均等地偏置(biased)。应变元件184在位置零偏移处也被偏置在其范围中央附近。当用户在拇指旋轮191上按压以便压缩弹性率弹簧296A时，可到达限制位置L-extmeas(L_外部测量)。限制位置L—extmeas可对应于外部测量力限制(例如，用于测量工件的外部尺寸)。例如，压缩的弹簧296A可到达其压并高度(solid height)，并防止应变元件184随着增大施加的力而进一步变形(deflection)，从而阻止有意义的力测量。类似地，当用户在相反方向上移动拇指旋轮191时,可到达限制位置L-1ntmeas (L-内部测量)。限制位置L-1ntmeas可对应于内部测量限制(例如，用于测量工件的内部尺寸)。在一个实施方式中，限制位置L-extmeas和L-1ntmeas可根据弹簧296A、296B和/或184何时进入不期望的范围而确定。可通过弹簧因为已经大致到达其压并高度而对力相对不敏感、或者到达输出正在变得不可接受的非线性的点，来限定不期望的范围。在一个实施例中，在尚未到达任何其他力限制的情况下，到达限制位置L-extmeas或L-1ntmeas可从应变元件产生并输出触发“红色”的力状态指示灯142的激活(例如，基于在卡尺信号处理中实现的触发限制)的信号，以指示力已超过期望的测量范围。
[0031]将理解，尽管图2的双向测量配置被示出为利用两个致动器力弹性率弹簧296A和296B实现，但也可采用其他配置。例如，在替代实施例中，可利用单个致动器力弹性率弹簧，其在两端被永久附连。这样的配置会允许:通过在同一弹簧上拉或推而实现必要的力。在测量针对工件的外部尺寸的一个具体示例说明中，这样的弹簧可被压缩2-4mm，其中力在范围3到5N。对于工件的内部尺寸的测量，弹簧可通过范围3到5N的力而被拉伸2-4mm。通常，关于这样的实施例和/或图2的实施例，在某些具体实现中，发明人已确定:可能期望使用具有0.25N/mm至6N/mm的比率的弹簧，以便提供某些人体工学(ergonomic)特性。应理解，尽管在使用卡尺时应用受控力，通常，几个手指握持卡尺标尺(由此相对于卡尺固定手的大部分)，但手指也可围绕着滑块，并且，拇指可相对于手移动，以相对于滑块调节力致动器。由此，限制了相对于手的其余部分的、方便的拇指行进量。通常，0.25N/mm限制确保在相对于手的其余部分的方便和舒适的拇指行进量内提供有用的力变化量，同时，6N/mm的上限确保利用拇指小移动的力变化不会大到用户发现它对于容易和稳定的控制来说过于敏感，即使对于在测量力下可能变形(deflect)和/或螺动(creep)的工件也是这样。换句话说，发明人已发现:此弹性率范围向用户提供理想的测量感受。将理解，通过使用杠杆或齿轮或其它已知机件，手指位移和力之间的关系可改变，使得在其它实施例中可使用其它弹性率(例如，在0.05至20N/mm的范围中)。在一些实施例中，可使用其它弹簧类型(例如，有弹性的聚合物材料(resilient polymer material))来提供力弹性率弹簧。
[0032]图3是在测量具有比致动器力弹性率弹簧296A的弹性率高的弹性率的工件310时、图2的手持工具型卡尺的分解视图。如图3所示，通过朝向爪108移动爪116来接合和/或压缩工件310。通过尺寸DISPwp来指示工件310的压缩量，其指示在工件被压缩时的工件的位移量。通过尺寸DISPact来指示致动器本体192的对应移动和致动器力弹性率弹簧296A的压缩(其提供力的增大·，这提供工件的压缩的增加)。下面的等式说明了尺寸、施加的力、以及相应的弹性率常量之间的各种关系。
[0033]DISPact= Δ F/Kact(等式 I)
[0034]DISPwp= Δ meas= Δ F/Kwp(等式 2)
[0035]DISPact/DISPwp= [ Δ F/Kact] / [ Δ F/Kwp] =Kwp/Kact (等式 3)
[0036]如等式I所示，致动器的位移DISPact等于德尔塔力AF除以致动器弹簧的常量Kact0如等式2所示,来自工件的压缩的位移DISPwp等于德尔塔测量值Ameas,其等于德尔塔力Λ F除以工件压缩的常量Kwp。如等式3所示，致动器的总位移DISPact除以来自工件压缩的位移DISPwp等于工件压缩的弹性率常量Kwp除以致动器弹簧的压缩的弹性率常量 Kact0
[0037]从上述等式1-3的关系，在一些实施例中，期望致动器弹簧296A和296B具有低于期望的工件弹性率的弹性率(即，低于工件弹性率压缩常量Kwp的致动器弹性率压缩常量Kact)。对于非常坚硬的硬金属工件，高力致动器弹性率或甚至刚性力致动器可以是可接受的，这是因为，这样的工件不显著压缩，并且，也不需要很好地控制所施加的力。然而，对于柔性工件来说不是这样，其取决于施加的测量力而压缩到测量尺寸。对于这样的工件，由于测量重复性和人体工学考虑，致动器弹簧296A和296B的弹性率是重要的。这些通常与上述用户移动拇指旋轮191的“拇指灵敏度”的位移容限相关，该容限在人体工学便利的情况下提供相对稳定的力。换句话说，期望确保拇指旋轮191的移动向用户提供可接受的“测量感受”。如上所述，在一个具体的示例实现中，可能期望致动器力弹性率弹簧296A和296B落入0.25N/mm至6N/mm之间的范围内(例如,在一个具体示例实现中，0.6N/mm提供了可接受的测量感受)。
[0038]图4A和4B分别是示出用于硬和软工件的测量数据和相关考虑的图400A和400B。如上面参照图1所述，在某些实施方式中，可将信号提供给用户，以指示测量力读数何时已进入期望范围(例如，一旦已进入期望的测量力范围，便可在图1的力状态指示器142中提供绿灯)。另外，在一些实现中，还可期望在施加过多力时提供另一个指示器(例如，当施加过多力时，可在图1的力状态指示器142中提供红灯)。在这一点上，可建立最小力阈值(例如，用于触发绿灯)，并可建立最大力阈值(例如，用于触发红灯)。如图4A所示，在一些实施例中，可将最小力阈值TminO设置为力测量数据点中的接触前变化(pre-contactvariation)之上的水平，接触前变化发生在与工件接触之前，并且，通常代表滑块的摩擦力(以及，在一些情况下，重力)。可将最大力阈值TmaxHwp设置为在卡尺的力感测范围内并指示可接受的力水平的上限的水平，其中，预期的“硬”工件不会过度变形(deform)。尺寸RangeHwp指示最小力阈值TminO的测量和最大力阈值Tmax-Hwp的测量之间的测量位置差。通常，对于如图4A所示的硬工件(S卩，高弹性率工件)，可将Tmax设置为相对高，以提供宽的可接受的测量力范围，并且，Tmin和Tmax之间的任何力仍可产生期望的重复范围DR印内的测量(例如，在一些实施例中，在测量值的1-2LSB内，或更小)。相反，如将在下面通过参照图4B更详细描述的，对于软(即柔性)工件，可能需要利用不同的Tmax，以便实现测量的类似的期望重复性DR印。
[0039]如图4B所示，与工件接触时的力曲线的斜率对于柔性工件来说与对应视图4A所示的硬工件来说显著不同。换句话说，由于力曲线中的较低的弹性率和更缓的斜率，如果最大力阈值TmaxHwp停留在与图4A的硬工件相同的水平,则工件可能在卡尺的爪内变得显著更多的压缩/变形，使得由于力变化造成的测量中的改变更显著。如图4B所示，尺寸RangeCwp指示最小力阈值TminO处的测量和“硬工件”最大力阈值处TmaxCHwp的测量之间的测量位置差。可看出，RangeCwp超过了期望的重复性DR印。为了实现在图4A中实现的期望的重复性DRep,可利用较低的最大力阈值TmaxCHwp。通过利用较低的最大力阈值TmaxCHwp,可实现更理想的重复性Range’ Cwp,其大致匹配期望的重复性DRep。基于此描述，将理解，为了平衡使用方便考虑与精度考虑，在一些实施例中，力卡尺具有分别适于硬性和柔性工件的不同的最大力标准的至少两个测量模式可以是有利的。如将在下面参照图5-6更详细描述的，可将各种技术用于设置用于软或柔性工件的最大力阈值。可理解，如与单个力水平相反的，可接受的测量力范围可以被优选作为用于指示尺寸测量可接受的基础。在这样的情况下，用户可在指示的可接受(和/或不可接受)的范围内施加各种力，并在显示器中实时观察改变测量的灵敏度，并且，通常，以熟悉和直观可理解的方式操作卡尺，以便读取期望的测量值。
[0040]图5是示出用于与相对柔性的工件相关的理想化的测量数据和相关的信号处理和操作考虑的图500。如图5所示，在点A，未施加力，并且，测量位置在起始位置。当用户开始通过致动器(例如，力致动器组件182’)施力以移动滑块时，最初必须克服滑块的摩擦力，为此，图移动到点B。从点B到C，滑块朝向工件移动，其中数据点指示力测量读数中的较小的接触前变化，通常在平均水平Tcomp，其中，在此示例中，主要分量为滑块的摩擦力。在点C,进行与工件的接触,并且,力增大。在点D，力增大到阈值力值TminO，并且，可激活可接受的测量力范围的指示器(例如，在图1的力状态指示器142中提供的绿灯)。在点D和E之间，用户可通过增大致动器力，继续对着卡尺的爪压缩柔性工件，使位置读数随着力增大而增大。在点E，力增大到阈值力值TmaxCwp，并且，不可接受的测量力范围的指示器(例如，在图1的力状态指示器142中提供的红灯)可能被激活。在点E和E’之间，用户不增大致动器力，但在此具体示例中可能发生工件蠕动(即，即使在力保持恒定时，工件也继续压缩)。
[0041]在点E’和F之间，用户可开始减小致动器力，其可能不具有关联的位置改变，这是由于，该力减小仍在构成摩擦力的范围内的“力松弛”的范围中，而不在相反方向上克服摩擦力。然而，可在点F上感测不具有伴随的位移的力减小，其在一些实施例和/或特定情况下可触发力逆转信号处理模式，如在下面进一步描述的实施例。在点F和G之间，用户可继续减小致动器力，其可能不具有关联的位置改变，直到在点G，在相反方向上克服摩擦力，并且，滑块开始沿相反方向移动。在点G和H之间，用户可继续减小致动器力，随后沿相反方向提供致动器力(力极性从正改变到负)，并且，卡尺的爪中的柔性工件开始返回到其原始形状，使位置读数随着致动器力减小而减小。假定工件中没有残留“设置(set)”，则在点H，爪离开工件，并且，滑块移向点J，其中用户通过致动器(例如，力致动器组件182’ )施加相对恒定的负极性力，以移动滑块，其中，数据点指示力测量读数中的较小的接触前变化，其通常在平均水平Tcomp-neg，在此示例中，其主要分量仍是滑块的摩擦力。
[0042]可关联图5考虑现有技术的力卡尺中不考虑的几点。应理解，在点C和E之间观察第一“力/位移曲线”，并且，此曲线部分取决于滑块的移动历史(例如，在大致的力水平Tcomp,从图中的左边连续接近点C)。相反，由于此示例中的摩擦效果,在点E’(或F)和G之间观察到第二力/位移曲线，其针对大致点C和E之间的相同的力范围，使得例如在力TminO，可从第一和第二力/位移曲线观察到两个显著不同的位置测量。这些位置测量之间的潜在差异可取决于摩擦力(在此具体示例中，总计约等于Tcomp加上Tcomp-neg)以及柔性工件的弹性率之间的关系。在一些情况下，所述差异可大于期望的重复性(例如，对于相对更柔性的工件和/或相对高的摩擦)。由此，在一些实施例中，这样是理想的:信号处理在这两个力/位移曲线之间进行区别，并且，不简单地指示“可接受的测量力阈值或范围”作为用于指示期望的工件测量的仅有基础。由于此以及下面描述的其它原因，在一些实施例中，信号处理电子装置可保持成对的力和位置数据样本的历史(例如，在一些实施例中，预定长度的持续更新的序列)，并包括力逆转感测和指示例程。
[0043]信号处理电子装置可被配置为频繁分析历史(例如，以基于时间周期或移动量或两者的频率)，并基于该分析来管理各种操作。例如，在一些实施例中，信号处理电子装置包括检测阈值TminO被超过的例程，并包括“弹性率”确定例程，其分析“TminO之上”的数据，以确定工件弹性率，其中，力和位置在连续样本之间具有力和位置改变的恒定(consistent)关系(例如，如图5中的D和E之间的空心方形数据点所示出的，两者都增大)。基于从如上所述而被确定合格(qualified)的数据确定的工件弹性率(例如，在用于力的TminO之上，以及具有力和位置改变的恒定关系)，可使用期望的重复性或容限来确定用于该特定工件弹性率的期望的“自动定制的(customized)”力上限TmaxCwp,如图5所示。将理解，这可实时(或接近实时)进行，使得即使用户压缩新的柔性工件，也可大致在超过自动定制的力上限TmaxCwp时激活不可接受的测量力范围的指示器(例如，可在图1的力状态指示器142中提供红灯)，而不是使用固定的力上限阈值。在说明的示例中，力上限TmaxCwp被设置为使得[(TmaxCwp)-(TminO)]*[工件弹性率]=期望重复性。当然，在力卡尺的各个其它实施例或操作模式中，还可使用固定的力上限阈值、或相对于动态或固定TminO为固定的力的量的力上限阈值、或用户输入的力上限阈值、或工厂校准或重新校准的阈值的固定区域，而不是上述的动态力上限。
[0044]在一些实施例中，信号处理电子装置可包括检测阈值TminO被超过的例程(routine)，并包括“力逆转”例程，其对于连续样本之间的力和位置改变的预期关系的改变而监视TminO之上的数据。例如，通过分析D和E之间的多个连续数据点(例如，图5中的空心方形数据点)，该例程可确定这样的关系:在样本之间的正方向(或极性)上，力和位置均改变显著的量。相反，在E’和F (以及继续到G)之间，力显著减小(保留先前的改变极性)，同时，位置不显著改变，如图5中的E’ ^和G之间的暗方形数据点所示。因此，基于这些差异，例程可确定与第二力/位移曲线相对应的E’和F之间(和/或之外)的逆转的力改变极性，并相应地改变信号处理操作、和/或对用户的指示。这样的例程实现了在除了力信号在可接受的力范围中的简单标准之外也必须被满足的有效的工件测量标准，以便使用力状态指示器来指示有效测量条件。在一些实施例中，根据上述原理，力逆转例程的标准可包括确定的工件弹性率、和/或期望的重复率、和/或摩擦或补偿力的量、和/或逆转之前工件的明显压缩量的考虑。由此，在一些实施例中，力逆转标准可使得对于在一些工件和/或测量过程期间(而不是其他)的力逆转显示力逆转指示。
[0045]将理解，如果TmaxCwp在力逆转之前未被超过，则可能不需要改变信号处理操作、和/或对用户的指示，这是因为，位置读数可能仍在期望的重复性或容限之内。然而，在此情况下，由于不能在第一和第二力/位移曲线上的测量之间区分，所以实际的重复性可能在某种程度上被损害。相反，如参照图5可见，如果力已超过了 TmaxCwp，则沿着第二力/位移曲线，力范围指示 器不应简单基于力返回到TmaxCwp之下而必定被切换回到可接受(例如,绿色)。例如，对于柔性工件，取决于摩擦量，如图5所示，与E’和G之间的竖线相对应的对应“无效力范围”尺寸可持续，尽管力读数返回到TmaxCwp之下(例如，在点F和F’之间的“有效力范围”中)。因此，在一些实施例中，信号处理电子装置可包括检测阈值TmaxCwp被超过、打开“超出范围”指示的例程，并包括“力逆转”例程，一旦对于某些弹性率和/或摩擦力阈值TmaxCwp被超过，该“力逆转”例程便抑制“范围之内”指示(例如，绿色指示灯)、和/或指示错误条件、和/或提示用户采取某些动作，尽管力返回到了 TminO和TmaxCwp之间的原始的“可接受范围”。例如，在一个实施例中，在以此方式逆转力时，提供第三颜色指示(例如，黄色)，或激活闪烁灯，和/或在卡尺显示器中提供提示(例如，箭头)，其指示用户应沿着实现允许返回到第一力/位移曲线的位置的位置移动滑块(例如，通过沿着箭头提示的方向移动)。在一个这样的实施例中，沿着第一力/位移路径的第一位置读数(例如，TminO之上的第一数据点)被特别保留在存储器中，并且，当位置最终落到此值之下时(例如，在点H)，新的提示和/或指示(例如，指示灯灭和/或箭头消失以离开正常显示，或箭头反向)指示用户可以再次移动滑块，以接近工件，并实现沿着第一力/位移曲线的期望测量。[0046]如上所述，信号处理电子装置可保持成对的力和位置数据样本的历史，并且，频繁分析历史和基于该分析而管理各种操作。例如，在一些实施例中，信号处理电子装置包括检测位置正在改变显著量或迅速改变而力未显著改变(例如，最后的力改变小于对于最小弹性率根据最后的位置改变而预期的量，或不在预定或最近分析的力噪声水平或摩擦水平等之外)的例程。这个条件对应于在图5中的B和C、或在另一个情况下的图5中的H和J之间示出的接触前数据点。每当对于预定数目的数据点满足了此条件，信号处理例程便可计算平均值(或中值、或最大或其它期望值)，其被用于Tcomp (或Tcomp-neg,取决于移动方向)。在这样的情况下，例程也可基于接触前数据点的分散(scatter)(例如，在3个标准差处，或仅超过最极限的力数据点，等等)，确定与Tcomp或Tcomp-neg相关的噪声阈值。在一个实施例中，可自动将TminO(和/或其相反极性对等物TminO-neg)的动态值设置为处于或略微超过其对应的噪声阈值。可替换地，噪声阈值可被视为要被用于Tcomp (或Tcomp-neg)的代表值，并且，TminO (和/或其相反极性对等物TminO-neg)的动态值可被自动设置为处于或略微超过Tcomp (或Tcomp-neg)。当然,在力卡尺的各个其它实施例或操作模式中，还可将在工厂校准的、或用户输入的、或通过现场校准或重新校准过程而建立的固定值用于Tcomp (或Tcomp-neg),而不是上述动态值。
[0047]将理解，接触前移动方向逆转将产生力改变，其在“B-C”数据力水平和“H-J”数据力水平之间跳变，而位置没有显著改变。信号处理电子装置可包括检测此条件的例程，以便以适当的数据点开始和结束Tcomp或Tcomp-neg的确定。在一些实施例和/或操作模式中，信号处理电子装置可自动更新Tcomp或Tcomp-neg。当然,在一些实施例和/或操作模式中，信号处理电子装置可将Tcomp或Tcomp-neg设置在工厂或用户确定的、或基于单个现场校准的固定水平。
[0048]在任一,清况下,将理解，Tcomp (或Tcomp-neg)是与测量力无关的力分量,其存在于不与工件接触的情况下，且不随着针对工件的测量力的增大而改变。由此，为了设置与施加到工件的实际力相关的一个或多个测量力阈值(例如，可接受的力范围限制)，期望估计独立的力分量Tcomp (和/或Tcomp-neg)、以及在一些实施例中关联噪声,并设置与这些“补偿力”相关的力限制。换句话说，不取决于用户施加到工件的力的量的变化的这些“补偿力”可被用来设置力测量阈值，以便管理实际施加到工件的测量力分量，并指示其关联的用于尺寸测量的可接受的力范围。
[0049]关于较低的可接受的力限制TminO，在各个实施例中，期望将其设置为与Tcomp相关。例如，如上所述，在一些实施例中，如果摩擦噪声显著，则可能期望将TminO设置为略微超过Tcomp和/或处于或略微超过“摩擦力噪声”边界(margin)。这对于相对更柔性的工件来说可能尤其理想，这是因为，其将对应于相对低的工件变形和/或蠕动。对于相对坚硬的工件(例如，金属块)来说，可能期望将TminO设置为显著超过Tcomp和/或“摩擦力噪声”边边界，这是由于，在此情况下，工件变形和重复性将不会被损坏，并且，利用从独立的力分量的较宽边界来设置TminO可允许在更容易或坚固地对着卡尺爪而对齐工件方面具有更好的用户体验，而没有不必要的敏感力范围指示，等等。
[0050]对于非常柔性的工件来说，可能期望卡尺包括与可接受的测量力范围和有效的工件测量相关的附加操作、模式和/或例程和/或特征。对于非常柔性的工件来说，在Tcomp之上利用甚至小的边界来设置TminO也可以在TminO处导致显著的工件变形(例如，对于薄壁塑料管)。或者，在另一情况中，由于力信号的摩擦力分量的“随机”变化(摩擦“噪声”)，其引起在TminO (和其它力水平)处实际施加到工件的力以及由此产生的工件变形对应于“摩擦噪声”而变化，所以在TminO处的非常柔性的工件测量重复性可能较差。此情形可通过包括基于某些上述数据而计算代表性测量的“超软”工件模式或信号处理例程而改善。如前所述，卡尺可包括“弹性率”确定例程，其分析“TminO之上”的数据，其中，力和位置具有力和位置改变的恒定关系，并确定弹性率。例如，可基于一些数据点来确定最佳匹配的力/位移线，其中斜率是弹性率。并且，如前所述，可基于多个数据点来确定Tcomp。将理解，在理想情况下，对应于Tcomp的最佳匹配的力/位移线上的点是工件刚接触的位置，但应用于工件的力大致为0，使得其不变形。这近似其真实尺寸。因为Tcomp和最佳匹配的力/位移线均基于多个数据点，所以，相对于TminO处的单个测量，在最佳匹配的力/位移线上的“零力”测量的重复性增强，等等。因此，在一些实施例中，可在可接受的测量力范围中收集数据，对于此操作模式和/或例程的目的，其可为扩展或预定的固定范围，并且，可执行上述(或基于类似原理)的处理。随后，用户可基于对应的操作模式或取回操作(例如，按下卡尺上的对应按钮或按钮序列)等来取回和/或显示“零力”测量值。当前，在各个实施例中，如果期望的话，卡尺可被配置为允许用户输入或限定要被用于取回代表性的软工件测量的另一个力水平，而不是零力水平(对应于Tcomp)。
[0051]上面的描述参照点C-H周围的力/位移曲线，其与增大的力和位置测量相关，这对应于打开(open)卡尺并测量工件的“内部”尺寸。将理解，与增大的相反极性力(图5中的
力)和减小的位置测量(其对应于关闭(close)卡尺并测量工件的“外部”尺寸)相关的类似的力/位移曲线将表现为类似于点C和H之间的数据，但旋转了 180度，其中点C与点H和J之间的线符合。将理解，上述各个原理和行为和例程可被适当地适配于提供用于关闭卡尺并测量工件的“外部”尺寸的类似操作。将理解，对于其它类似阈值和值，可根据类似于对于TminO描述的考虑来设置TminO-neg,等等。
[0052]图6是示出用于设置一个或多个测量力阈值的一般例程600的一个示例实施例的流程图。在块610，接收力信号，并指示对应于滑块的相应位置的相应力。在块620，获取力数据，其包括与滑块的相应位置相对应的多个相应力。在块630，分析力数据，以估计补偿力，其包括与测量力无关的至少一个力分量(例如，通过分析接触前数据，如前面通过参照图5所述)。在块640，相对于补偿力而设置一个或多个测量力阈值。
[0053]将理解，如上面通过参照图6所述，通过获取力测量读数，可实现增加的测量精度。这样的技术可解决的一个方面为:卡尺的滑动力(例如，由图5的补偿力Tcomp所示)一般可随着时间而变化(例如，由于常规使用或被用户改变)。在这样的情况下，任意工厂设置的最小/最大力阈值将不再表示校正所指示的工件测量力所需的正确力分量。如上所述，通过获取力测量读数并设置阈值(作为新的校准，或者随着每个测量过程而动态地)，在力可能已经改变和/或正在测量具有不同柔性水平的工件的情形下产生更精确的测量。
[0054]这里描述的力测量组件包括应变测量组件和力致动器组件。将理解，其它类型的力传感器与这里公开的多个特征兼容，并可被布置用来感测由用户通过外壳或更简单的指轮组件等施加的力。这里公开的应变测量和/或力致动器组件可在人体工学方面有利，但不是在所有考虑的实施例中都需要。由此，应理解，除非被配置本身排除，否则，有关力施力口、以及信号处理和例程等的各种教导可被应用于这样的配置，并且，这里公开的全部或某些特征可在各个实施例中被合并，并且，这里所述的附加特征和优点中的许多将被保持。
[0055]由上，将理解，为了说明的目的，这里已描述了本发明的具体实施例，但是，可作出各种修改，而不会背离本发明的范围。本领域的技术人员将理解，流程图步骤中所绘出或这里描述的操作和例程可以多种方式变化。更具体地，可重新安排步骤的次序，可并行执行步骤，可省略步骤，可包括其它步骤，可作出例程的各种组合或省略，等等。因而，本发明仅由所附权利要求限制。
【权利要求】
1.一种电动卡尺,包括: 标尺部件，包括要在测量期间被置于对着工件的第一测量表面； 滑块，包括要在测量期间被置于对着工件的第二测量表面； 位移传感器，其被配置为提供响应于所述滑块沿着所述标尺部件的位置的改变的位置信号; 位于所述滑块上的力感测装置，其被配置为提供力信号，所述力信号响应于用户在测量过程期间通过所述第一测量表面和所述第二测量表面中的至少一个而施加在工件上的测量力的改变； 信号处理部分，其被配置为接收所述位置信号，并指示所述滑块沿着所述标尺部件的相应位置，所述信号处理部分包括至少第一操作模式，在所述第一操作模式中，所述信号处理部分被配置为: 接收力信号，并确定与所述滑块的相应位置相对应的相应力； 获取力数据，所述力数据包括多个相应力以及对应的所述滑块的相应位置；以及 限定可接受的测量力范围，其由至少最小力阈值限定，所述最小力阈值被确定为使得其超过与在所述力信号中包括的独立于所述测量力的用户变化的至少一个力分量相对应的补偿力。
2.如权利要求1所述的卡尺，其中，所述最小力阈值是静态阈值，所述静态阈值基于在包括在用户移动滑块而不对工件施力的同时获取力数据的现场校准过程和工厂装配之一期间存储在所述卡尺中的力校准数据。
3.如权利要求2所述·的卡尺，其中，在所述现场校准过程期间存储所述力校准数据，并且，所述信号处理部分被配置为分析在用户移动滑块的同时获取的力数据，以基于所分析的力数据确定和设置所述最小力阈值。
4.如权利要求3所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为基于所分析的力数据确定补偿力，并基于该补偿力设置所述最小力阈值。
5.如权利要求1所述的卡尺，其中，所述最小力阈值是动态阈值，并且，所述信号处理部分被配置为分析在当前测量过程期间获取的力数据以识别接触前数据，并且，基于该接触前数据而设置用于所述当前测量过程的最小力阈值。
6.如权利要求4所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为基于所述接触前数据而确定当前补偿力，并基于所述当前补偿力而设置所述最小力阈值。
7.如权利要求1所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为: 限定用于外部测量的第一可接受测量力范围，其由至少第一最小力阈值限定，所述第一最小力阈值被确定为使得其超过与所述力信号中包括的独立于用户进行外部测量时所述测量力的用户变化的至少一个力分量相对应的第一补偿力；以及 限定用于内部测量的第二可接受测量力范围，其由至少第二最小力阈值限定，所述第二最小力阈值被确定为使得其超过与所述力信号中包括的独立于用户进行内部测量时所述测量力的用户变化的至少一个力分量相对应的第二补偿力。
8.如权利要求1所述的卡尺，其中，所述可接受的测量力范围还由最大力阈值限定。
9.如权利要求8所述的卡尺，其中，所述最大力阈值是静态阈值。
10.如权利要求8所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为相对于所述最小力阈值限定所述最大力阈值。
11.如权利要求8所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为使得:在所述第一操作模式中，其分析在当前测量过程期间获取的力数据，并且，动态地限定所述当前测量过程的最大力阈值，使得该最大力阈值对于相对更有柔性的工件来说更接近于所述最小力阈值，而对于相对更坚硬的工件来说更远离所述最小力阈值。
12.如权利要求11所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为使得:在所述第一操作模式中，其分析在当前测量过程期间获取的力数据以特征化工件弹性率，并基于特征化的工件弹性率，相对于所述最小力阈值限定所述当前测量过程的最大力阈值。
13.如权利要求1所述的卡尺，还包括位于所述滑块上的力致动器，所述力致动器包括力弹性率弹簧，所述力弹性率弹簧具有被用户改变来变更所述测量力的尺寸。
14.如权利要求13所述的卡尺，其中，所述力弹性率弹簧具有最多6N/mm且至少0.25N/mm的弹性率。
15.如权利要求13所述的卡尺，其中，所述力感测装置包括可变形部件以及应变传感器，所述应变传感器感测所述可变形部件的变形，并且，所述力致动器和所述力感测装置被配置为使得所述变形对应于所述力弹性率弹簧的被改变的尺寸。
16.如权利要求1所述的卡尺，还包括由所述信号处理部分控制的力状态指示器，其中，所述信号处理部分被配置为分析在当前测量过程期间获取的力数据，以便控制所述力状态指示器，并且，所述力状态指示器的第一状态指示当前的相应测量力必须被增大到在所述可接受的测量力范围内，以及所述力状态指示器的第二状态指示当前的相应测量力在所述可接受的测量力范围内并且所述滑块的当前相应指示的位置是根据所述信号处理部分所使用的标准的有效工件测量值。
17.如权利要求16所·述的卡尺，其中，所述可接受的测量力范围进一步由最大力阈值限定，并且，所述力状态指示器的与所述第一和第二状态不同的过度力状态指示当前的相应测量力超过了所述可接受的测量力范围并且必须被减小到所述可接受的测量力范围之内。
18.如权利要求17所述的卡尺，其中，所述信号处理部分用来控制所述力状态指示器的状态的标准包括力逆转标准，并且当获取的力数据的分析指示根据该标准已发生了力逆转时，随后，所述力状态指示器的与所述第一和第二状态不同的力逆转状态持续，直到所述用户执行力变更操作和位置变更操作中的至少一个以使所述力逆转状态解除为止，其中所述力逆转状态指示所述滑块的当前相应指示的位置是无效的工件测量值。
19.如权利要求18所述的卡尺，其中，所述信号处理部分被配置为使用所述卡尺的显示器来显示用户提示，以在执行使所述力逆转状态解除所需的力变更操作和位置变更操作中的至少一个时引导所述用户。
20.如权利要求19所述的卡尺，其中，所述力状态指示器的第一状态包括无指示灯亮，所述力状态指示器的第二状态包括第一颜色的指示灯，所述力状态指示器的过度力状态包括第二颜色的指示灯，并且，所述力状态指示器的力逆转状态包括闪烁的指示灯。
21.如权利要求1所述的卡尺，其中，所述至少一个力分量包括滑块摩擦力分量，其取决于所述滑块在所述标尺部件上的摩擦。
22.如权利要求1所述的卡尺，其中，所述至少一个力分量包括重力分量，其取决于所述卡尺的朝向以及随着所述滑块移动的滑块组件的质量。
23.如权利要求22所述的卡尺，还包括加速计，其中，在确定所述重力分量时，所述信号处理部分利用来自所述加速 计的输出。
【文档编号】G01L5/00GK103852199SQ201310651690
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2012年12月5日
【发明者】M.内厄姆, J.D.托拜厄森, C.E.埃姆特曼 申请人:株式会社三丰