确认尺寸测量手工工具中的工件测量值的方法

确认尺寸测量手工工具中的工件测量值的方法
【专利摘要】一种确认手持式空间尺寸测量的测量工具中的工件测量值的方法，包括：使用振动激励元件使测量手工工具的一部分振动；使用振动传感器构造感测振动特征；基于振动特征标准识别测量手工工具和工件之间的有效接触状态；基于应用于测量手工工具的一组尺寸测量值的测量值稳定性标准识别有效定位状态；以及表明对于当有效接触状态和有效定位状态同时发生时获得的尺寸测量值，尺寸测量值有效。
【专利说明】确认尺寸测量手工工具中的工件测量值的方法

【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及接触型尺寸测量手工工具，比如千分尺和卡尺。

【背景技术】
[0002]本领域中已知许多用于使用手持式机构执行对工件的高精度测量的装置。例如，美国专利 N0.1132704、3849890、4485556、4561185 和 8091251(本文中指代为’ 704、’ 890、’ 556、’ 185和’ 251专利)公开了千分尺装置，每个专利的全部内容作为引用并入本文。特别地，比如美国专利N0.5495677( ‘677专利)(其全部内容作为引用并入本文)公开的现代千分尺包括用于确定测量值的线性数字传感器，而不是依靠与旋转位置感测装置结合的精确的千分尺螺纹。使用线性数字传感器消除了使用准确螺纹或细牙螺纹来驱动千分尺的需要。
[0003]已知使用电子位置编码器的各种电子卡尺。这些编码器通常基于低功率电感、电容或磁位置感测技术。总体而言，编码器可包括读取头和刻度尺。读取头可总体上包括读取头传感器和读取头电子组件。读取头输出作为读取头传感器沿测量轴线关于刻度尺位置的函数的信号。在电子卡尺中，刻度尺通常固定到纵长刻度尺构件，纵长刻度尺构件包括第一测量爪，读取头固定到能够沿刻度尺构件移动的滑动器，滑动器包括第二测量爪。因此，可基于来自读取头的信号确定两个测量爪之间的距离的测量值。示例性电子卡尺在共同受让的US专利N0.RE37490、5574381和5973494得到公开，所述专利的全部内容作为引用并入本文。
[0004]在使用手工工具(比如千分尺或卡尺)进行尺寸测量过程中，需要将工件恰当地定位在两个接触表面上，以提供精确的尺寸测量。通常仅依靠使用者来判断和/或确定该条件是否满足。然而，在许多工业检测操作中，尤其对于不熟练的使用者而言，期望通过独立于使用者确定和/或除使用者确定之外的操作确定该条件是否满足。

【专利附图】

【附图说明】
[0005]当结合附图参考下面的【具体实施方式】时，本发明的前述方面和许多附随的优点会变得更好理解，并变得更易明白，附图中:
[0006]图1是可适于本文所公开的原理的基本千分尺量具的图示；
[0007]图2是图1所示千分尺量具的剖视图，示出进一步的细节；
[0008]图3是图1和2的千分尺量具以及不恰当定位的工件的图示；
[0009]图4是图1、2和3的千分尺量具以及恰当定位的工件的图示；
[0010]图5A-?是示意性表示对应于工件和接触型测量手工工具之间的不同接触状态的振动特征(vibrat1n signature)的图表。
[0011]图6是手工工具类型卡尺的一个实施例的分解图，该卡尺适于本文公开的原理，以确认工件测量值；
[0012]图7A是随着时间的过去，由千分尺(例如，图2的千分尺)取样的沿尺寸X的一系列测量值的示意图。
[0013]图7B是随着时间的过去，由卡尺(例如，图6的卡尺)取样的沿尺寸X的一系列测量值的示意图。
[0014]图8是用于确认尺寸测量手工工具中的工件测量值的方法的流程图。

【具体实施方式】
[0015]图1是可适于本文所公开的原理的基本千分尺的图示。图1的千分尺可包含共同受让的’677专利的元件以及其它已知千分尺特征，并还可适于包括图2至8所述的元件和操作。
[0016]在图1中，数字显示千分尺量具I具有形成为封闭的防水/防尘结构的主体2。测杆3适于从主体2伸出或缩进主体2中。见图1，盖构件8设置在U形主架4的前表面上。数字显示装置9和多个操作开关10设置在盖构件8的前表面上。
[0017]U形主架4具有限定出一开口的两个向外延伸的端部，测量头11布置在一端上，见图1。测杆3支撑在主架4的另一端，使得通过转动测微套筒17能使测杆沿轴向移动。测杆3的一端适于抵接测量头11。端盖27可覆盖测微套筒17的端部和/或其容纳物。
[0018]图1还示出三个可能测量值有效性指示器IND1、IND2和IND3。根据下面进一步描述的感测和信号处理原理，测量值有效性指示器IND1、IND2和IND3指示出工件恰当地定位在测杆3和测量头11之间以进行空间尺寸测量。测量值有效性指示器INDl可以是灯(例如LED)，当工件恰当地接触并定位时，该灯启动或改变颜色。测量值有效性指示器IND2和IND3可以是数字显示装置9的一部分(例如，IXD的一部分)，当工件恰当地定位时，其可以启动。
[0019]应当明白的是，指示器INDl、IND2和IND3可选地彼此替代，使得在各实施例中可省略一个或多个指示器。而且，这些指示器仅是示例性的，并不是限制性的。其它指示可包括开启先前空白的显示器(例如，测量显示器)、保持先前闪光的显示器(例如，测量显示器)稳定、发出声信号和/或给外部装置自动地输出测量信号。基于本文公开的原理，根据对本领域技术人员来说显然的布置，可使用指示器的各种其它位置和/或类型。
[0020]图2是图1所示千分尺量具I的剖视图，示出包括根据下面进一步公开原理使用的振动传感器构造的一个实施例的进一步细节。如图2所示，主体2包括U形主架4、用于使测杆3前进和后退的测杆驱动机构5 (简称测杆驱动件)以及尺寸测量传感器，尺寸测量传感器包括用于检测测杆3的位移量和/或位置的位置传感器6。位置传感器6是线性编码器，以间隙控制机构7 (未示出)和主尺31作为中间体而布置在U形主架4内。主尺31以主尺安装构件30作为中间体布置在测杆体3A上。
[0021]位置传感器6经由信号处理器连接到图1所示的数字显示装置9，信号处理器包括比如计数器和中央处理器(未示出)的已知电子装置。位置传感器6采用光电式编码器6A，如图2示意性所示。例如，可以使用美国专利N0.5026164公开的光电式编码器，该公开作为引用并入本文。在替代实施例中，位置传感器6还可采用电容式或电感式编码器。
[0022]在图2所示实施例中，测杆驱动机构5包括:止动件12，附接至测杆3的滑动构件3B的另一端；销状接合构件13，附接至止动件12 ;以及接合构件驱动机构14，用于使接合构件13沿测杆3的轴向前进和后退。接合构件驱动机构14包括内套筒15和外套筒16。内套筒15的一端固定到U形框架4，并具有沿测杆3的轴向延伸的狭缝15A，接合构件13插入该狭缝中。外套筒16安装在内套筒15的外周上，以可周向地旋转，并在其内周部分中具有与接合构件13接合的螺旋沟槽16A。螺旋沟槽16A是下面更详细论述的测杆驱动螺纹的一个实施例。
[0023]测微套筒17可旋转地安装在外套筒16的外周表面上。两个屈曲弹簧或板簧或片簧18布置在测微套筒17和外套筒16之间。当测微套筒17沿一个方向旋转时，该旋转的扭矩经由片簧18、外套筒16的螺旋沟槽16A和接合构件13被传递给测杆3。由此，测杆3朝向测量头11前进。在另一方向上旋转测微套筒17使测杆3回缩。
[0024]测杆3的滑动构件3B可滑动地支撑在内套筒15中，并在测杆3的周界周围接触内套筒15。当测杆3移动远离测量头11时，其上设置有主尺31的测杆体3A插入内套筒15中，如图2的虚线所示。
[0025]如图2所示，环形密封件26分别设置在测杆3和U形框架4之间以及内套筒15和外套筒16之间。螺纹端盖27与内套筒15的开口端部接合。端盖27具有开口 27A，量具主体2的内部经由开口 27A与外部空气连通。
[0026]多孔构件28闭合开口 27A，并附接至端盖27的内侦彳，由此，可以在测杆3进出时防止U形框架4内部的封闭空间的气压变化。
[0027]图2示出振动传感器构造，包括用于振动传感器的若干可能独立或协作位置。在示例性实施例中，振动传感器可以是加速计或应变仪中的一种，布置成提供源自其所附接到的结构中的应变的振动信号。在图2所示实施例中，加速计201位于测量头11附近，力口速计202抵靠主尺安装构件30，加速计203抵靠主体4，加速计204抵靠主体4，应变仪205抵靠主体4的第一弯曲部分，应变仪206抵靠主体4的第二弯曲部分，加速计210抵靠滑动构件3B的略微柔性部分210’。在各实施例中，这些振动传感器中的所有或一些可以存在，并用于提供振动特征，如下更详细所述。
[0028]图2还示出用于振动激励元件的若干可能位置。振动激励元件207在测微套筒17附近抵靠主体4。振动激励元件208抵靠止动件12。振动激励元件209位于测量头11附近。
[0029]在各实施例中，接触型尺寸测量手工工具(比如根据本文公开原理构造的千分尺量具)可包括尺寸测量传感器、振动激励元件、振动传感器构造和信号处理器。用于使接触型尺寸测量手工工具中的工件测量有效的方法包括:使用振动激励元件振动该测量手工工具的一部分；使用振动传感器构造感测振动特征；基于振动特征标准识别测量手工工具和工件之间的有效接触状态；基于应用于测量手工工具的一组尺寸测量值的测量稳定标准识别有效定位状态(如下更详细所述)；以及表明对于当有效接触状态和有效定位状态同时发生时获得的尺寸测量值，尺寸测量值有效。在图2所示实施例中，千分尺量具I可通过示例性振动激励元件207、208和/或209之一振动。可以关于振动激励元件的操作在合适的时刻(例如在激励期间或在激励之后不久)获得振动特征(下面更详细所述)。振动特征基于来自一个或多个示例性加速计202、203和204的和/或一个或多个示例性应变仪205和206的信号。可通过关于振动特征标准分析所获得的振动特征来确定有效接触状态的发生或存在，振动特征标准已知(例如通过实验)用于表明工件与测量手工工具的测量确定表面之间的接触。在一个实施例中，可根据包含在测量手工工具的信号处理器中的电路和/或程序来执行获得和分析振动特征。在一些实施例中，控制和/或数据信号可以在测量手工工具和主机系统之间互换，与获得和分析振动特征相关的至少一部分操作可由主机系统执行。
[0030]在一些实施例中，有效接触振动特征标准可定义为其识别主频变化或由接触导致的振动特征中的频率变化。作为第一示例，振动激励元件可主要驱动第一个接触表面附近的振动，振动传感器可感测第二接触表面附近的振动。因此，在不存在工件时，振动传感器的激励在激励的振动频率下可以较弱或不存在。在存在横跨第一和第二接触表面的工件接触时，激励的振动频率可以经由工件传输到第二接触表面和附近的振动传感器(例如，振动激励元件208可激励测杆3的振动，振动经由工件传输并由振动传感器201感测到)。因此，振动传感器可作为主频(在有效接触期间唯一重要)输出所传输的振动频率。
[0031]作为第二示例，手工工具的固有或特定制造结构可由接触力拉长或压缩，改变其自然频率。因此，位于该部分的振动传感器可输出仅在有效接触期间较高(或较低)的主自然频率。在图2所示一个实施例中，测杆3上的工件接触力可被传输以压缩滑动构件3B的略微柔性部分210’。振动传感器210感测该部分的振动，当受压时，该部分的振动设计成具有较低频率。在第三示例中，当与工件的接触足以形成比单独手工工具更硬的“组合结构”时，额外和/或替代的频率增加效应会发生，提供比单独手工工具呈现的频率更高的频率。
[0032]在一些实施例中，有效接触振动特征标准可以定义为其识别由接触导致的振动特征中的一个或多个频率的幅度变化。作为第一示例，振动激光元件可在第一接触表面附近和/或在对应第一构件上驱动振动，振动传感器可感测第二接触表面附近和/或对应第二构件上的振动。感测的振动可包括为手工工具的固有或特定制造结构的共振频率的主频。在不存在工件时，振动传感器的激励在共振频率下较弱。然而，在存在横跨第一和第二接触表面之间的工件接触时，振动激励(例如，宽带振动、“拍打(tap)”或脉冲)可经由工件传输到第二接触表面，并于“有效接触”期间以比非接触情况下更高的幅度在由振动传感器感测的共振频率下驱动振动。
[0033]在一些实施例中，接触型尺寸测量手工工具可包括两个接触表面，振动特征标准可对应于在有效接触期间于至少一个接触表面处导致对振动的阻尼增加的工件。例如，这可观测为在有效接触期间(例如，在足够持续的振动情况下)减少的振幅或对驱动频率的减弱响应和/或因对由振动激励元件提供的脉冲的响应而产生的振幅的更快衰减，等等。如图2所示，千分尺量具包括用于测量尺寸的两个接触表面，即，测杆体3A和测量头11。在诸如图3所示的一些实施例中，振动特征标准可对应于阻尼两个接触表面的工件。在一些这样的实施例中，振动激励元件可足够靠近振动传感器，以确保其在工件不存在时的激励，从而提供初始具有高幅度使得更易于确定阻尼和/或衰减率变化的信号。在一些实施例中，这种布置可对应于两个接触表面任一而提供。然而，在其它实施例中，振动传感器之一可经由工件激励，如先前所概述的。
[0034]在一些实施例中，振动激励元件可以是自动或手动启动的压电元件、振动电机和/或棘爪/离合器元件或其它合适元件中的一个。例如，示例性振动激励元件207和208可以是压电元件和振动电机之一。在另一示例性实施例中，以受控扭矩朝向测量头驱动测杆体的标准或专用棘爪/离合器元件可提供用于振动千分尺以确认工件测量的脉冲振动。在各实施例中，振动激励元件可以是电池供能的或经由从手动操作(操作测量手工工具的固有部分)中得到动力的机构供能。
[0035]在各实施例中，有效接触标准可用于确保工件与接触型测量手工工具的两个测量表面之间的有效接触，如上所概述以及如下进一步详细描述。然而，总体而言，这对有效测量来说是必要条件，而不是充分条件。此外，由于下面参考图3和4所述原因，测量值稳定性标准也需要得到满足。下面参考图7A和7B更详细地描述测量值稳定性标准。
[0036]图3是图1和2的千分尺量具I以及工件301的图示。如图3所示，工件301与测杆3和测量头11接触。应明白，在该构造中，工件301与测杆3和测量头11之间的接触可提供导致振动特征以满足上面图2描述中所述的有效接触标准(例如，频率和/或幅度和/或阻尼变化)的任何各种接触效果。当使用者在工件301和千分尺量具I之间施加显著扭矩时(尤其对于相对不熟练的使用者，这是通常情况)，这尤其适用。然而，尽管与工件301的接触可满足有效接触标准，但是显然地，工件301未恰当地定位以用于精确的尺寸测量。
[0037]图4是图1、2和3的千分尺量具I以及工件301的图示。如图4所示，工件301不仅处于有效接触状态，而且还恰当地定位以用于精确尺寸测量(本文中称为有效定位状态)。测杆3和测量头11现在与工件301的表面平齐。总体上，对于图3和4所示工件301和千分尺I的构造，当工件301如图4所示恰当地定位时，在有效接触状态(即，振动特征满足有效接触标准的状态)期间的测量处于大致最小值。在各实施例中，识别有效定位状态可基于应用于测量手工工具的一组尺寸测量值的测量值稳定性标准，如下面参考图7A和7B更详细所述。与有效接触状态同时发生的有效定位状态是表明尺寸测量是有效的且精确的之必要充分条件。如图4所示，当这些状态同时发生时，可见测量值有效性指示器(例如，测量值有效性指示器INDl、IND2和IND3之一)可启动，以向使用者和/或主机系统表明已确立有效测量。
[0038]图5A-?是示意性表示对应于工件和接触型测量手工工具之间的不同接触状态的振动特征(例如，如上面参考图1-4所概述)。在一个实施例中，宽波带加速计型振动传感器可提供对应于这种振动特征的信号。在另一实施例中，滤波电路可用于提供包括在一个或多个离散频率或窄频范围处采样的信号的频率采样振动特征(例如，对应于足以区分接触和非接触状态的有用振动模式)。在另一实施例中，振动传感器可固定到在用于区分接触和非接触状态的频率下操作的机械频率滤波器或共振结构。应明白，在一些这种实施例中，特定振动传感器和特定振动频率(传感器采样或响应)之间可以一一对应。因此，在一些实施例中，振动特征的特征在于“传感器响应”而不是频率响应或者幅度响应等。例如，可以通过包括内置信号阈值的电路和/或回路监控调谐的振动传感器，使得其根据信号电平简单地输出对应于非接触或有效接触状态的二进制信号。
[0039]在各实施例中，可以在基于源自振动激励元件脉冲的起始或源自与触发阈值初始交叉的振动传感器信号等的触发时刻来采样和保持振动传感器信号。在一个实施例中，根据已知方法可以检波和/或低通滤波信号等。对于本领域技术人员来说，基于本文所公开的原理，各适合的已知信号测量电路是显然的。
[0040]图5A是示意性表示包括示例性千分尺的某些振动模式频率的振动特征的图示500A。实线示出非接触振动特征(当工件不接触千分尺的测量接触表面时)。虚线示出与接触振动特征相关联的变化(当工件接触千分尺的一个或两个测量表面时)。非接触振动特征示出处于频率的第一频率峰值510A、处于频率f2的第二频率峰值520A和处于频率f3的第三频率峰值530A。应明白，更多的频率峰值可出现在整个振动特征中，但是为了简便，图5A-5C仅示出三个峰值。第一频率峰值510A是低频振动的示例，其通常由移动或携带尺寸测量手工工具的使用者运动激励。总体上，这种振动低于10Hz。第二频率峰值520A是较高频率模式(例如，50和1000Hz之间)的示例。例如，第二频率峰值520A可以是测杆3的横向振动模式(例如，测杆的弯曲模式)。第三频率峰值530A是更高频率模式(例如，大于1000Hz)的示例。例如，第三频率峰值530A可以是在非接触状态期间，滑动构件3B的柔性部分210’的振动模式(先前参考图2所述，并在下面更详细描述)。
[0041 ] 如先前所述，在一些实施例中，有效接触振动特征标准可定义为其识别由接触导致的振动特征中的主频或频率变化。在图5A所示示例中，工件与测杆之间的接触力稍微按压柔性部分210’(图2所示)，将其共振频率从f3降低至f3，。振动传感器(例如，振动传感器210)可输出对应于柔性部分210’的振动的振动特征信号。可以在频率峰值530A和频率峰值530A’之间确立频率阈值THA (例如，通过实验和/或分析)，以辨别非接触状态和有效接触状态。因此，在一些实施例中，有效接触振动特征标准可包括振动特征中所检测频率的存在，所检测频率不存在于非接触特征中(例如，不是频率和f2之一)，并低于频率阈值THA。
[0042]在尺寸测量手工工具中，第一接触表面位于第一构件(例如，一组件)上，第二接触表面位于第二构件上，其中，第一构件相对于第二构件移动。因此，在测量期间，工件位于第一和第二构件上的接触之间，并可以是用于在第一和第二构件之间传输振动的主要路径。在这样类型的一些实施例中，其中，有效接触振动特征标准包括检测由有效接触状态弓I起或改变的频率的存在，振动激励元件可位于相同构件上，作为感测振动特征的振动传感器。例如，参见图2，振动传感器210可与振动激励元件208组合使用。在这样类型的其它实施例中，其中，有效接触振动特征标准包括检测在有效接触状态期间弓I起或改变的频率的存在，振动激励元件可位于第一构件上，感测振动特征的振动传感器可位于第二构件上(例如，参见图2，振动传感器210可与振动激励元件209组合使用，或振动传感器201可与振动激励元件208组合使用，等等)。后一实施例优于前一实施例的优点是，由于在后一实施例中，相当大的振动能量主要通过工件传输，所以可更容易和/或更可靠地确立保证两个接触表面都与工件接触的有效接触振动特征标准。在一个实施例中，可使用针对适合振动传感器的输出的包含频率f3至f3，的带通滤波器、使用时钟脉冲电路根据已知方法测量过滤的感测振动的周期或频率、比较所述周期或频率与频率(或周期)阈值THA，来检测低于频率阈值THA的频率的存在。在一个实施例中，可使用针对适合振动传感器的输出的较窄的带通滤波器(例如，具有低于频率(或周期)阈值THA但包含频率f3，的截止区)、检测来自带通滤波器的信号幅度是否表明显著振动信号，来检测所述存在。然而，这些实施例仅是说明性的，并不是限制性的。根据本文所公开的原理，可使用替代的已知检测电路和/或回路。
[0043]应明白，尽管前述示例涉及有效接触状态导致和/或使频率偏移成在振动特征中出现在较低频率的实施例，但是对本领域技术人员来说，显然地，类似原理可应用于有效接触状态导致和/或使频率偏移成在振动特征中出现在较高频率的实施例。
[0044]图5B是示意性表示包括示例性千分尺的某些振动模式频率的振动特征的图示500B。与图5A类似,实线不出非接触振动特征,虚线不出与接触振动特征相关联的变化。非接触振动特征示出与图5A所示峰值510A和520A类似的第一和第二频率峰值510B和520B。第三频率峰值530B(530B’)是更高频率(例如，大于1000Hz)模式的示例。例如，第三频率峰值530B(530B’ )可以是测杆3的纵向(轴向)振动模式(先前参见图2所述)。
[0045]如先前所述，在一些实施例中，振动激励元件可在第一接触表面附近和/或第一构件上驱动激励和/或振动，振动传感器可感测第二接触表面附近和/或第二构件上的振动。在不存在工件时，第二构件上的振动传感器的激励可以较弱，因为其未有效配合至第一构件上的驱动激励和/或振动。然而，在存在横跨第一和第二接触表面之间的工件接触时，振动激励(例如，宽带振动、“拍打”或脉冲)可经由工件传输到第二接触表面，并在“有效接触”期间以比非接触情况下更高的幅度驱动由振动传感器感测的振动。
[0046]在图5B所示示例中，非接触状态期间的第三频率峰值幅度530B比较低，因为在不存在工件接触时，振动传感器(例如，振动传感器201)未有效配合至振动激励元件(例如，振动激励元件208或207)的输出。有效接触状态(虚线示出)期间的第三频率峰值幅度530B’比较高，因为在存在有效工件接触时，振动传感器(例如，振动传感器201)有效配合至振动激励元件(例如，振动激励元件208或207)的输出。可在幅度530B和530B’之间确立(例如，通过实验和/或分析)信号幅度阈值THB，以辨别非接触状态和有效接触状态。因此，在一些实施例中，有效接触振动特征标准可包括振动特征中所检测信号幅度的存在，所检测信号幅度高于存在于非接触特征中的信号幅度和/或高于幅度阈值THB。
[0047]在一些实施例中，可使用针对适合振动传感器的输出包含频率f4的带通滤波器、确定峰值信号幅度或平均检波信号等、使用已知电路和/或回路比较其与适合幅度阈值THB，来检测高于幅度阈值THB的信号幅度的存在。然而，这些实施例仅是说明性的，不是限制性的。根据本文公开的原理，可使用替代的已知幅度检测电路和/或回路。
[0048]图5C和是与使用取决于因工件接触发生的振动阻尼效应的有效接触振动特征标准的不同方面和/或方法有关的图示。如先前所述，在至少一个接触表面处检测的增加的振动阻尼可用于确定有效接触。
[0049]图5C与随着有效接触期间(例如，在由振动激励元件提供的足够持久振动情况下，等等)减小的振动幅度或对驱动频率响应的减弱而检测增加的阻尼的实施例有关。确切地，图5C是示意性表示包括示例性千分尺的某些振动模式频率的振动特征的图示500C。与图5B类似，实线示出非接触振动特征，虚线示出与接触振动特征相关联的变化。非接触振动特征在示出第一、第二和第三频率峰值510C、520C和530C，它们与图5B所示峰值510B、520B 和 530B，类似。
[0050]在各实施例中，使接触表面与工件之间的摩擦耗能最大的振动模式提供因增加的阻尼而最清楚的振动特征变化。例如，如先前所述，第三振动峰值530C可以不是检测因接触产生的振动阻尼的最佳选择，因为如先前所述，其可与测杆的纵向振动模式相关，这在测杆和工件之间不会导致明显的“磨擦”或摩擦耗能(例如，振动方向可平行于接触力和/或垂直于接触表面)。相比之下，第二振动峰值520C可与测杆的横向振动模式相关，其中，振动方向可垂直于接触力和/或平行于接触表面，这可在测杆接触表面和工件之间导致明显的“摩擦”或摩擦耗能。因此，在图5C所示示例中，非接触状态期间的第二频率峰值520C比较高，因为在不存在工件接触时，相关的振动模式未显著衰减，振动传感器(例如，振动传感器201和/或202和/或210)可感测由振动激励元件(例如，振动激励元件209和/或208和/或207)驱动的强烈振动(例如，共振模式)。
[0051]有效接触状态(虚线所示)期间的第二频率峰值520C’比较低，因为在存在有效工件接触时，相关的振动模式明显衰减。可在幅度520C和520C’之间确立信号幅度阈值THC，以辨别非接触状态和有效接触状态。因此，在一些实施例中，有效接触振动特征标准可包括振动特征中所检测信号幅度的存在，所检测信号幅度低于存在于非接触特征中的信号幅度和/或低于幅度阈值THC。
[0052]在一些实施例中，振动激励元件可足够靠近振动传感器，以确保在不存在工件时其激励，从而提供具有高幅度使得更易于确定阻尼变化的信号。在一些实施例中，这种布置可对应于两个接触表面的每个或它们的相关构件提供(例如，振动激励元件209邻近振动传感器201，振动激励元件208邻近振动传感器210)。
[0053]在一些实施例中，通过使用针对适合振动传感器的输出包含频率f2的带通滤波器、确定峰值信号幅度或平均检波信号等、使用已知电路和/或回路比较其与适合幅度阈值THC，来检测低于幅度阈值THC的信号幅度的存在。然而，这些实施例仅是说明性的，不是限制性的。根据本文公开的原理，可使用替代的已知幅度检测电路和/或回路。
[0054]图与随着因对由振动激励元件提供的脉冲的响应而产生的振动幅度的更快衰减来检测增加的阻尼的实施例有关。确切地，图是示意性表示包括示例性千分尺的特定振动模式频率的振动衰减行为的振动特征的图示500D。与图5C类似，实线示出非接触振动特征，虚线示出与接触振动特征相关的变化。由于先前参见图5C所述原因，在图所示实施例中，期望的是，感测的振动信号520D(520D’)对应于测杆的横向振动模式(和/或测量头的横向振动模式)，其中，振动方向可垂直于接触力和/或平行于接触表面，这会在测杆接触表面和工件之间导致明显的“摩擦”或摩擦耗能。
[0055]如先前所述，在各实施例中，可以在基于源自振动激励元件脉冲的起始时刻(例如，在约图所示时刻O或源自与触发阈值初始交叉的振动传感器信号的时刻(例如，在约图所示时刻V)等采样和保持振动传感器信号。可基于实验和/或分析，并由已知的计时电路和/或回路控制来选择h或V之间的适合衰减时间和信号采样时刻(或检波信号积分时间终止)。根据本文所公开的原理，可使用各种替代的已知信号衰减或幅度检测电路和/或回路。
[0056]在非接触状态期间，时刻I1的信号幅度Mnc比较高，因为在不存在工件接触时，相关振动模式不显著衰减，振动传感器(例如，振动传感器201和/或202和/或210)可感测由来自振动激励元件(例如，振动激励元件209和/或208和/或207)的脉冲驱动的强烈振动。在有效接触状态期间(由虚线示出)，时刻h的信号幅度Mc比较低，因为在存在有效工件接触时，相关振动模式显著衰减。可在幅度Mnc和Mc之间确立(例如，通过实验和/或分析)信号幅度或衰减阈值THD，以辨别非接触状态和有效接触状态。因此，在一些实施例中，有效接触振动特征标准可包括衰减的振动特征中更大检测的衰减率和/或更低检测的信号幅度的存在，检测的信号幅度低于非接触振动特征中存在的信号幅度和/或低于信号幅度或衰减阈值THD。
[0057]如先前参考5C所表明，在一些实施例中，振动激励元件可足够靠近振动传感器，以确保在不存在工件时其激励，从而提供具有初始高幅度使得更易于确定阻尼和/或衰减率变化的信号。在一些实施例中，这种布置可对应于两个接触表面之一或它们的相关构件提供(例如，振动激励元件209邻近振动传感器201，振动激励元件208邻近振动传感器210)。
[0058]图6是接触型尺寸测量手工工具的一个实施例的分解示图，该接触型尺寸测量手工工具是卡尺600，其可适于本文所公开的原理，以确认工件测量值。在该示例中，卡尺600包括磁性或感性传感器组件658，包括刻度尺轨道626 (示出每个的剖视部分)的刻度尺基板625沿纵长刻度尺构件602定位在沟槽627中。滑动器组件670包括附接到滑动器630的电子组件660。磁性或感性传感器组件658包含在电子组件660中。卡尺600的总体机械结构和物理操作与某些现有电子卡尺类似，比如共同受让的美国专利N0.5901458的电子卡尺，该专利的全部内容作为引入并入本文。刻度尺构件602是刚性或半刚性杆，其可包括许多沟槽和/或并入大致矩形横截面的其它特征。刻度尺基板625可以刚性结合在沟槽627中，刻度尺轨道626可包括刻度尺元件，其以与已知电子卡尺中使用的方式类似的方式与包含在电子组件660中的传感器组件658的对应元件(未示出)协作，如先前并入的美国专利N0.RE37490和N0.5901458以及共同受让的美国专利N0.6400138中所述，该共同受让的美国专利的全部内容作为引用并入本文。
[0059]一对夹爪608和610在刻度尺构件602的第一端附近一体地形成。对应的一对夹爪616和618形成在滑动器630上。通过将工件放置在夹爪608和616的一对接合表面614之间来测量工件的外尺寸。类似地，通过将夹爪610和618的一对接合表面622放置成抵靠工件的相对内表面来测量工件的内尺寸。在有时称为零位置的位置，接合表面614彼此抵接，接合表面622对准，由卡尺600测量的外尺寸和内尺寸可表示为零。
[0060]测量的尺寸可显示在数字显示器644上，数字显示器安装在卡尺600的电子组件660的盖640内。电子组件660还可包括一组按钮开关643、641和642 (例如，接通/断开开关、模式转换开关、调零开关)以及包含读取头信号处理和控制电路659的信号处理和显不电路板650。在图1所一个实施例中，信号处理和显电路板750的底表面安装成在刻度尺构件602的两侧抵接滑动器630的顶表面。
[0061]应明白，尽管上文描述了磁性或感性卡尺，但是使用任意传感器类型的电子卡尺可适于参考图1描述的原理。例如，使用电容式感测技术的卡尺可利用图1所述特征。
[0062]如图6所示，卡尺600还包括振动传感器681和/682等中的一个或多个以及振动激励元件683或683’和/或684或684’等中的一个或多个。总体而言，振动传感器和振动激励元件在卡尺上的实际位置和连接比在千分尺上更受限。特别地，尽管可将振动传感器和振动激励元件放置成邻近接触表面614和622，但是这是有问题的和/或昂贵的，因为相关构件未总体上直接连接到有源电路或信号处理。因此，很难(但并不非可能)使用上面概述的经由工件传输振动的有效接触振动特征标准和技术。
[0063]上面参考图5C和概述的有效接触振动特征标准和技术(依赖振动阻尼效果)可以是与卡尺应用相关的更实际的实施例。为此，在这些实施例中，由于先前参考图5C所述原因，关于千分尺测杆的横向振动模式，期望将振动激励元件和/或振动传感器设计成激励和/或检测横向振动模式(产生夹爪616和/或618沿YZ平面方向的位移的模式)。因为有效接触振动特征标准会更加困难和/或不那么可靠地应用于卡尺，所以结合有效接触振动特征标准使用下面概述的测量值稳定性标准(如本文所公开和要求的)在卡尺应用中是特别有益的。
[0064]图7A是随着时间过去,千分尺(例如，图2的千分尺量具I)的一组尺寸测量值Ml至M3的示意图700A。对有效定位状态的识别可基于应用于这一组尺寸测量值的测量值稳定性标准，如下进一步描述。在各常规千分尺和其它接触型尺寸测量手工工具中，定期(比如隔十分之一秒等)对测量值进行采样。一组尺寸测量值Ml至M3可包括这种顺序测量样本，当测量样本出现时，将它们存储在千分尺的存储器中。为了简便，仅描述该组中的三个测量值。当然，根据类似原理可存储并处理更多的测量值。应理解，测量值Ml至M3的顺序减小值表明千分尺测杆朝向测量头靠拢，如千分尺中的恰当测量所需要的。
[0065]测量值稳定性标准的一个示例性实施例包括对应于当前位移测量值的稳定位移测量值，稳定位移测量值与前一测量值之间有低于稳定性阀值量的差值。这样的情况适用于当千分尺朝向工件靠拢时，工件最终恰当地定位并限制进一步靠拢。例如，测量值M2(在时刻t2取得)与前一测量值Ml (在时刻h取得)相差大于稳定性阈值TH的值。随后的测量值M3 (在时刻t3取得)与测量值M2相差小于稳定性阈值TH的值。因此，在一些实施例中，测量值M3对应于有效尺寸测量值。
[0066]在各实施例中，稳定性阈值可以在千分尺测量值的噪声(noise)和分辨率允许下尽可能小的取得。在一些实施例中，相对于这组测量值中的最小测量值的稳定性阈值量内的最小测量值和/或任意当前测量值可表示为满足测量值稳定性标准。当然，在不满足有效接触标准(假定不仅依靠工件接触的使用者观察，如在现有技术中)时，甚至不能直接确定在上述一组测量值期间工件存在。因此，对于精确尺寸测量，满足测量值稳定性标准是必要条件，但不是充分条件。
[0067]当满足振动特征有效接触标准的同时满足测量值稳定性标准时，对于具有高或然性的精确尺寸测量，呈现充分条件。因此，在一些实施例中，一组尺寸测量值不需要存储和/或不需要被分析，直到振动特征表明满足了有效接触标准的时刻为止。在各实施例中，这可涉及信号处理时间和/或功率。在各实施例中，可通过自动指示来加强或替代测量值是有效的且精确的使用者判断，关于显示的或输出的尺寸测量值，满足了两个条件。
[0068]图7B是随着时间过去，卡尺(例如，图6的卡尺)的一系列尺寸测量值的示意图700B。对有效定位状态的识别可基于应用于这一组尺寸测量值的测量值稳定性标准。与千分尺相比，因为其测量接触表面不受一组螺纹的刚性限制，因为其可测量外尺寸或内尺寸，所以卡尺可包括实施略微更复杂的测量值稳定性标准以基于一组尺寸测量值识别有效定位状态的信号处理和/或程序，如下进一步描述。
[0069]图示700B所示的一系列尺寸测量值可包括顺序测量样本，当它们出现时存储在卡尺存储器中。为了简便，该系列中仅描述11个测量值。当然，根据类似原理，可存储和处理更多的测量值。在一个实施例中，先入/先出方案可用于保留期望数量的新近测量值，以用于分析，同时保护存储器。在图7B所示示例中，顺序减小值Mncl至Mnc3可先于有效接触状态存储。然后，在时刻ta，进行中的信号处理操作根据先前所述原理确定有效接触标准得以满足。由于这表明工件存在以及即将获得期望测量值，所以卡尺信号处理可构造成在有效接触状态之前，基于最近读数中的增加或减小趋势确定是否表明执行内部或外部测量的意图。在该示例中，最近读数，测量值Mncl至Mnc3减小，这意味着卡尺夹爪彼此接近以执行外部尺寸测量。如先前关于千分尺测量所述，这说明，最小测量值对应于有效定位状态。测量值稳定性标准在时刻ta表示，其表明随后相应地选择有效定位状态，并用于监控和/或分析在有效接触状态之后获得的测量值Ml-X组。在该示例中，人们可想到，因为测量值Ml-1和M1-2组在有效接触状态期间继续显著减小，所以工件未恰当定位(例如，其以与图3所示方式类似的方式与卡尺夹爪“扭曲”接触)。继续该设想，在时刻tNa，进行中的信号处理操作根据先前所述原理确定有效接触标准不再得以满足。随后的读数Mnc4与先前“有效接触”测量值M1-2相比基本上没有变化。人们可想到，工件旋转(例如，相对于在有效接触状态期间施加的，使用者将放松力施加到工件)成其无接触地匹配在卡尺夹爪之间。
[0070]然后，使用者继续调整工件，并靠拢夹爪，从而确立接触，并且在时刻进行中的信号处理操作确定有效接触标准再次得以满足。由于这又表明工件存在以及即将获得期望测量值，所以卡尺信号处理可构造成在当前有效接触状态之前，基于最近读数中的增加或减小趋势再次确定是否表明执行内部或外部测量的意图。再次，测量值Mncl至Mnc3和/或Ml-1和M1-2和/或Mnc4减小，这表明正在进行外部尺寸测量，最小测量值对应于有效定位状态。再次相应地选择测量值稳定性标准，并将其用于监控和/或分析在第二有效接触状态(在该示例中，在时刻te2表示出)之后获得的测量值M2-X组。如该示例所示,测量值M2-2和M2-1之差满足有效接触状态期间的测量稳定性标准(例如，其小于稳定性阈值，M2-1是当前最小读数)，使得工件显然已恰当地定位，测量值M2-2表明为有效测量值。测量值M2-3也满足有效接触状态期间的测量值稳定性标准，使得测量值M2-3也表明为有效测量值。
[0071 ] 在该示例中，测量值M2-4随后表明卡尺夹爪的分离加大，使得测量值M2-4与先前最小读数M2-3相比具有过大正差(例如，其大于测量值稳定性阈值，不是最小值)，因此，不能满足当前测量值稳定性标准。相应地，测量值M2-4不表明为有效测量值，即使其发生在有效接触状态期间也如此。人们可想到，该情况可以发生，因为使用者对工件施加增加的扭矩或放松施加以靠拢卡尺夹爪的力，使得夹爪略微打开，同时仍接触再次不恰当定位的工件(例如，其以与图3方式类似的方式再次与卡尺夹爪“扭曲”接触)。
[0072]在该示例中，随后，卡尺夹爪的分离继续增加，在时刻，进行中的信号处理操作确定有效接触标准不再得以满足。随后的读数Mnc5不再表明为有效测量值。根据上面所述原理和/或下面进一步所述，对有效测量值的监控可继续。应明白，如果识别了有效接触状态，则在有效接触状态之前的最近读数表明卡尺夹爪的增加的分离，这会表明正在进行内部尺寸测量，最大测量值对应于有效定位状态。相应地选择测量值稳定性标准，并将其用于监控和/或分析用于有效定位状态的随后一组测量值。
[0073]在一些实施例中，对已确立的有效测量值确定之后的进行中的有效测量值的监控可包括根据期望采样率重复振动激励和振动特征感测操作，以及基于施加振动特征标准到由此获得的振动特征来证实进行中的有效接触状态。在已确立的有效测量值之后获得的进行中的测量值可被认为和/或表明为有效的，直到识别了有效接触状态结束或不存在有效接触状态，或者识别了有效定位状态结束或不存在有效定位状态为止(例如，上面参考图7A和7B所述)。这种实施例在振动激励元件是电驱动元件且足够的功率和/或电池寿命是可用的应用中是更实用的。
[0074]在其它实施例中，对已确立的有效测量值确定之后的进行中的有效测量值的监控可包括暂时停止有效接触状态的核实，并仅依靠确定有效定位状态的结束或不存在。换言之，在已确立的有效测量值之后获得的进行中的测量值可被认为和/或表明为有效的，直到识别了有效定位状态结束或不存在为止(例如，上面参考图7A和7B所述)。这种实施例在振动激励元件直接或间接由尺寸测量工具的使用者手动操作驱动的应用中是更实用的。在这种实施例中，当工件恰当地定位且处于稳定位置时，更希望中断振动激励操作。在这种情况下，简单地监控测量值的稳定性(例如，与已确立的有效测量值相比)以及考虑和/或表明进行中的测量值是有效的直到识别了有效定位状态结束或不存在为止是足够的。这可能是这样的，因为对应于工件的有效和稳定定位的已确立的有效测量值通常是最近一组测量值中的最小(或最大)测量值。相对于已确立的有效测量值的任何显著测量值增加(或减小)可呈现为“损害有效接触”和/或对应于无效定位。如果用于识别有效定位状态结束的测量值稳定性阈值比较小(例如，处于工具的指定精度内，或者小于尺寸测量工具的测量值显示器中的最小有效数字增量的三倍、或两倍或一倍等)，则结束有效测量值确定和/或指示的方法可以是特别可靠的。
[0075]图8是示出确认接触型尺寸测量手工工具中的工件测量值的流程图800。在方框810，提供接触型尺寸测量手工工具，其包括尺寸测量传感器、振动激励元件、振动传感器构造和信号处理器。在方框820，使用振动激励元件使测量手工工具的一部分振动。在方框830，使用振动传感器构造感测振动特征。在方框840，基于振动特征标准识别测量手工工具和工件之间的有效接触状态。在方框850，基于应用于测量手工工具的一组尺寸测量值的测量值稳定性标准识别有效定位状态。
[0076]在方框860，表明对于当有效接触状态和有效定位状态同时发生时获得的尺寸测量值，尺寸测量值是有效的。例如，可启动图1所示的测量值有效性指示器IND1、IND2和IND3之一。在一些实施例中，指示尺寸测量值是有效的可包括以下之一:打开指示器灯；改变指示器灯的颜色(例如，从红到绿)；启动LCD显示器上的图标；打开先前空白的显示器；保持先前闪光的显不器稳定；声音信号；以及自动输出SPC信号。
[0077]基于本公开，对本领域技术人员来说，操作的特征和顺序的所说明和所述布置中的许多变型例是显然的。因此，应明白，在不脱离所要求主题的精神和范围情况下，可进行各种改变。
【权利要求】
1.一种用于确认接触型尺寸测量手工工具中的工件测量值的方法，所述方法包括: 提供接触型尺寸测量手工工具，所述接触型尺寸测量手工工具包括包含在第一构件上的第一工件接触表面和包含在相对于所述第一构件移动的第二构件上的第二工件接触表面；尺寸测量传感器，用于测量第一和第二接触表面之间的间隔；振动激励元件；振动传感器构造；以及信号处理器； 使用所述振动激励元件使所述测量手工工具的一部分振动； 使用所述振动传感器构造感测振动特征； 基于应用于所述振动特征的振动特征标准识别所述测量手工工具和所述工件之间的有效接触状态； 基于应用于所述测量手工工具的一组尺寸测量值的测量值稳定性标准识别有效定位状态；以及 表明对于当有效接触状态和有效定位状态同时发生时获得的尺寸测量值，尺寸测量值是有效的。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述接触型尺寸测量手工工具还包括可见测量值有效性指示器，所述方法包括启动对应于当有效接触状态和有效定位状态同时发生时获得的尺寸测量值的可见测量值有效性指示器的显示器。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述方法包括操作所述信号处理器以执行识别有效接触状态、识别有效定位状态以及确定有效接触状态和有效定位状态何时同时发生的操作，还执行启动可见测量值有效性指示器的显示器的操作。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括: 基于应用于在启动可见测量值有效性指示器的显示器的操作之后获得的测量手工工具的尺寸测量值的测量值稳定性标准，识别有效定位状态的结束；以及 针对在启动可见测量值有效性指示器的显示器的操作之后获得的尺寸测量值，继续可见测量值有效性指示器的显示器，直到识别了有效定位状态的结束为止，然后结束可见测量值有效性指示器的显示器。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括: 重复振动操作并感测振动特征操作，并基于应用于在启动可见测量值有效性指示器的显示器的操作之后获得的振动特征的振动特征标准，识别有效接触状态的结束；以及 针对在启动可见测量值有效性指示器的显示器的操作之后获得的尺寸测量值，继续可见测量值有效性指示器的显示器，直到识别了有效定位状态的结束或识别了有效接触状态的结束为止，然后结束可见测量值有效性指示器的显示器。
6.如权利要求1所述的方法，其中: 对应于有效接触状态的所述振动特征标准包括以下之一: (a)在测量手工工具与工件之间接触期间存在于振动特征中的而当测量手工工具和工件之间不接触时却不存在的频率； (b)对于振动特征中的至少一个频率，振动信号的更低幅度的存在，当测量手工工具与工件之间不接触时，所述振动信号以较高幅度存在； (C)对于振动特征中的至少一个频率，振动信号的更高幅度的存在，当测量手工工具与工件之间不接触时，所述振动信号以较低幅度存在； (d)对于振动特征中的至少一个频率，对存在振动信号的增加阻尼的指示，当测量手工工具与工件之间不接触时，所述振动信号以较少的阻尼存在；以及 识别有效接触状态包括使用手工工具的信号处理器和外部信号处理器之一确定振动特征中的(a)、(b)、(c)和(d)的至少一个的存在。
7.如权利要求6所述的方法，其中，识别有效接触状态包括确定(a)和(b)中的至少一个的存在。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个传感器邻近柔性元件安装，所述柔性元件构造成具有响应于测量手工工具与工件之间的接触的共振频率。
9.如权利要求6所述的方法，其中，识别有效接触状态包括确定(c)的存在。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述振动激励元件安装在第一构件上，所述振动传感器构造中的至少一个传感器安装在第二构件上。
11.如权利要求6所述的方法，其中，识别有效接触状态包括确定(d)的存在。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述振动激励元件和所述振动传感器构造中的至少第一传感器安装在第一和第二构件中的同一个上。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量值稳定性标准包括与前一尺寸测量值之差处于稳定性阈值量内的当前尺寸测量值。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述稳定性阈值量为接触型尺寸测量手工工具的测量显示器中的最小有效数字的增量的至多三倍。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述振动激励元件包括电驱动元件和经由从手动操作中得到动力的机构驱动的元件之一，手动操作是操作测量手工工具以接触工件的固有部分。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述振动激励元件提供激励振动的瞬间脉冲。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述振动特征是频率采样的振动特征，包括对应于相应振动频率范围的至少一个相应信号。
18.如权利要求1所述的方法，其中，所述接触型尺寸测量手工工具是卡尺和千分尺之
O
19.一种接触型尺寸测量手工工具，包括: 包含在第一构件上的第一工件接触表面以及包含在相对于第一构件移动的第二构件上的第二工件接触表面； 尺寸测量传感器，用于测量第一和第二接触表面之间的间隔； 振动激励元件； 振动传感器构造； 可见测量值有效性指示器；以及 信号处理器， 其中: 所述振动激励元件构造成使测量手工工具的一部分振动； 所述振动传感器构造配置成当测量手工工具的所述部分振动时感测振动特征；以及 所述信号处理器构造成: 基于应用于振动特征的振动特征标准，识别测量手工工具与工件之间的有效接触状态； 基于应用于测量手工工具的一组尺寸测量值的测量值稳定性标准，识别有效定位状态； 确定有效接触状态和有效定位状态何时同时发生；以及 启动可见测量值有效性指示器的显示器，表明对于当有效接触状态和有效定位状态同时发生时获得的尺寸测量值，尺寸测量值是有效的。
【文档编号】G01B3/18GK104422354SQ201410444587
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】M.R.多克雷, C.E.艾特曼 申请人:株式会社三丰