本文介绍了如何使用三维扫描式激光测振仪来获取工业机器人刚度参数的方法。我们还可以用PSV-3D的测试数据来计算变速箱和轴承的倾斜阻力，对这些参数的高效处理使得实时获取机器人振型成为可能。目前，机床基本上仅用作机械加工。虽然铣削机器人的优点有很多，例如结构灵活，但这类机器人只适用于加工精度要求低、切削力低的工作。为了提高工业机器人的加工精度，德国慕尼黑工业大学的机床和工业管理研究所正在使用一种基于模型的控制系统来补偿由切削力引起的静态位移。在设计仿真模型时，既需要具有绝对的实时性，又需要精确地确定机器人的柔性参数。从这两点出发，就必须考虑变速箱和轴承的倾斜阻力。在此之前，还没有一种确定机器人刚度参数的方法，能够同时高精度且相对简单地确定变速箱、轴承和结构部件的静态柔性特性。本文中，我们引入了德国Polytec公司生产的三维扫描式激光测振仪，精确测试机器人结构上各点的位移量。试验装置测试是在德国KUKARoboterGmbH制造的KR240R2500工业机器人上进行。将铣刀主轴安装在机器人的法兰上，并通过一个双动气缸在法兰外部施加几千吨的力(图1，左)。图1：试验装置(左)和所施加力的曲线图(右)对机器人施加的周期外力包括拉伸力和压缩力。为了提高光学测试系统的信号质量，在所有测点上都贴上反光膜。此外，机器人的后面还装有一面镜子，这样机器人背面的点也可被测试到。3-D扫描式激光测振仪由德国Polytec公司提供，三个扫描头被安装在三脚架上。三束激光同时聚焦至同一测点，以确定该测点在三个方向上的振动速度。通过摆镜和扫描头的空间位置，原始数据经过三角转换法后得出该点的三维振动数据。这样，我们可以确定机器人在加载周期中每个测点的速度矢量。而所有测点的位移则通过速度的数值积分得出。根据测试结果计算刚度参数图2：机器人在拉伸和压缩负载下的振型图2显示了仅在z向对机器人施加负载的位移测试结果。我们可以观察到齿轮轴的第二和第三连杆出现倾斜。此外，由于杠杆关系，第一个连杆绕y向有明显旋转现象，这对工具中心点(TCP)的位移有显著影响。本案例强调了在对机器人的柔性特性进行建模时，还必须考虑各个轴的轴承刚度。将连杆机构相邻连接部件的转动量，根据特殊算法即可得出连杆机构的刚度参数，这里就不详细叙述。刚度参数的进一步使用将确定好的参数用于机器人的刚度分析模型，得出实时的柔性特性。将该模型与机器人控制系统相结合就可将机器人各轴的实际位置也考虑在内。根据计算出的位移值，将偏置信号传输至控制系统，这样机器人由于受力（如铣削力）引起的位移，就可以在控制系统端进行补偿。总结与展望实践证明，在PSV-500-3D扫描式激光测振仪的帮助下，可以对加工过程进行实时预测从而通过机器人控制系统来补偿由于施加力而造成的刀具中心点的位移。下一步，我们将开发测试数据的后处理算法，进一步提高连杆旋转角度的确定精度。这样，我们能更好地测试机器人结构组件的柔性特性，并用于机器人的柔性模型的升级。
NASA喷气推进实验室(JPL)的科学家们利用Polytec公司的PSV-400-3D扫描式激光测振仪，验证火星科学实验室探测器上光谱仪入口处漏斗的动态响应。美国宇航局喷气推进实验室(NASAJPL)在2011年11月的最新火星任务中，向火星科学实验室(MarsScienceLaboratory)发送了名为“好奇号”(Curiosity)的探测器，以评估火星是否曾经或者现在仍然具有能够支持生命的环境。好奇号作为机器人地质学家在火星表面获取关于火星的地质、大气、环境条件和潜在生物特征等信息。在火星表面，“好奇号”负责收集土壤和环境样本，并利用相机、光谱仪、辐射探测器、环境传感器和大气传感器来分析现场样本。所得数据被发送给美国宇航局的科学家进行分析和解读。防止探测器受到污染对于确保“好奇号”的数据收集和分析的准确性至关重要。因此，工程模型和飞行模型将分别进行测试，以验证探测器上各系统的设计要求。化学与矿物学分析仪器(CheMin)的入口如图1所示。火星样本分析仪(SAM)利用漏斗底部的压电驱动器使得从火星表面采集到的土壤样本经由振动筛选进入光谱仪进行分析。图1：土壤采样的入口示意图在这之前，科学家们曾使用加速度计进行测试，由于对被测样本有附加质量影响，导致测试数据不准备，并限制了测点的数量。如今，JPL科学家们开发了一种非接触式测试动态性能的方法，用于测试光谱仪入口漏斗的振动水平，以验证设计。试验装置验证过程的第一步是动态地描述工程模型，如图2所示，这些模型已被证明能够有效地通过漏斗移动土壤。通过表征入口漏斗上不同位置的振动水平，可以将这些数据与有限元模型(FEM)的预测结果进行比较，并为以后与无法用土壤测试的飞行模型的测试结果进行比较提供基准。图2：采样漏斗的工程模型工程模型试验装置如图3所示，对SAM提供100Hz~500Hz范围内超过15秒的扫频信号作为激励，对CheMin提供10.5kHz~12.5kHz范围内超过5秒的扫频信号作为激励。计划是先分别测试三个驱动器，再进行两两测试，最后三个一起测试。图3：工程模型的振动分析Polytec公司的PSV-400-3D测试的是工程模型的三维振动数据。测点遍布工程模型的多个位置：CheMin入口(内部和外部)、CheMin漏斗、CheMin收集屏幕和SAM进口。测试位置从入口到采集屏幕及漏斗上的一些位置，每处约20~30个测点。获取每个测点在X、Y、Z方向的时域响应数据和扫频输入信号（如图4所示）。图4：模型在X、Y、Z向的频响为了验证其功能，须将飞行硬件与被测的工程模型进行比较。飞行硬件即被安装在火星探测器上的CheMin和SAM仪器。探测器是在航天器装配设施(SAF)中组装的，这是无尘室。为了避免对探测器及其部件造成损坏，要求与探测器相距至少在1米以外。将Polytec公司的PSV-400-3D先进行彻底清洁，再将其运至SAF，置于CheMin和SAM入口的前方1.5米远处（如图5所示）。CheMin和SAM的入口仅在探测器的顶部表面可见。采用与工程模型测试相同的激励和采集设置，对CheMin和SAM入口内外边缘进行测试。图5：探测器入口的振动测试测试结果喷气推进实验室(JPL)将测试数据进行分析，对时域数据进行低通滤波，计算每个测点在一个扫频周期内的速度均方根。将工程模型和飞行硬件的测试数据进行比对。测试结果表明，飞行硬件与工程模型的动态特性匹配性良好，这无疑让JPL科学家们对入口驱动系统的功能胸有成竹。
如今，主动降噪(ANC)耳机非常流行，尤其适合经常旅行的人，比如在飞机上或火车上，因为它可以帮助抑制环境噪音。然而，很多公司都在寻找一种不需要佩戴耳机就能消除噪音的解决方案，即使用小型扬声器，例如在头枕中内置扬声器。由于这种头枕系统能提高乘客的舒适度，相比那些并未提供这种额外乘坐舒适度的公司而言，这种附加服务可以帮助客运公司销售更多或更贵的机票。长期以来，局部ANC系统所面临的难题就是通过控制高频声音，以获得想要控制的特定位置的声音信号。通常做法是使用四个麦克风和一个头部跟踪系统来减少频率1kHz左右的声源的影响。悉尼科技大学（UniversityofTechnologyinSydney）的BenHalkon和他的团队则采用了一种全新方法，使用LDV系统来代替麦克风。试验装置如下所示，包括一个LDV(OFV-534)、靠近耳道的小型膜拾音器和一个可转向的摄像机来控制摆镜。测量对象是B&K人工头。为了确保LDV信号质量足够强，即使模拟头部和躯干发生轻微移动，安装在每个人工耳处的轻质膜拾音器都能以几乎无损的方式实时确定耳朵中的声音。在第一个简化的试验装置中(见上图)，单点式激光测振仪PDV-100用于评估放置拾音膜的理想耳朵位置。基于如下所示的性能评估，在15s时间内宽带噪声高达6kHz的情况下,标注为#3的耳甲腔位置被认为最佳。确定理想的膜位置后，开始进行下一步的试验。在其它测试中，四个噪声源(扬声器)被随机放置在头部周围的不同位置，以评估衰减性能。预设不同的噪声场景，如飞机内部噪声或人们交谈，以评估在真实环境噪声下的ANC性能。下图是人们谈话时的环境噪声的衰减性能(黑色曲线ANC:OFF，淡紫色曲线ANC:ON)。在这些测试中，在频率范围为0-6kHz时，平均声压级被降低20分贝。研究表明，对于1kHz~6kHz范围内的噪声衰减测试，使用激光测振仪来研发ANC头枕系统的比基于麦克风的测试系统的优势更加明显。
伴随着虚拟现实和增强现实(VR/AR)的发展，近年触觉反馈技术引起了人们的极大兴趣。触觉反馈有两种重要的类型，振动触觉反馈和表面触觉反馈，前者通常由LRA/ERM电机或压电作动器实现，可提供简单的短促的振动用于提起注意或确认，通常振动频率低于1kHz。表面触觉反馈技术往往会产生一个更复杂的触觉感受，比如为设备使用者重建一个触摸的手感。一个有效的方法是在人与触摸表面之间产生动态摩擦调制，该调制由超声压电作动器激励振动板产生。该技术可用于平板显示，如手机，平板电脑，汽车操作面板，智能家居中。它增强了现实，提升了用户互动体验，减少了操作时间和错误率。为了更有效地与触摸显示屏整合在一起，触觉反馈设备的开发必须解决三个问题：较大的面外位移(幅值超过1μm，超声频率)，高透过率且不影响显示区域，低驱动电压，低功耗且用户安全。这三个特点相互影响相互制约。由于大振幅是由压电体来产生的，通常是需要高驱动电压，通常，粘在玻璃基体上的压电陶瓷在200V电压下可产生3μm的位移。另外，与压电体相连的区域是不透明的。因此，需要将10V以下的驱动电压和透明压电薄膜AlN和PZT整合起来。然而，传统的制备过程使用金属电极或硅基体，会显著影响设备的透明度。近来，在光学级别的石英晶元上，结合了ITO电极的厚度小于1μm的PZT薄膜制备成功。该方法将PZT面外位移提升到了2.9μm，频率为73kHz。然而过高的驱动电压—150V仍然是一个问题。因此，高透明度与低驱动电压的成功整合仍然是表面触觉反馈应用的一个重要挑战。本文中，同时考虑了设备的结构设计和振动模式设计。我们在玻璃上设计并制备了2μm厚的PZT薄膜与ITO电极金属-绝缘体-金属结构，制成了一个高透明的触觉反馈设备，该设备同时满足了大振幅，高透明，低驱动电压的要求。图1：触觉反馈设备的反对称兰姆波有限元仿真。圆圈内的放大图显示了指压膜利用了触觉反馈效应，右侧为透明薄膜的剖面图，为基于玻璃基底的多层结构，ITO(250nm),PZT(2μm)，ITO(500nm)试验装置我们用有限元方法(ANSYS软件)设计了利用PZT驱动触觉反馈设备的结构，玻璃基底选择了CorningLotus™NXTGlass，其应变点为752°C。初始时，分别使用丙酮，异丙醇，纯水清洁以及氮气吹干，ITO膜由商业溅射系统(SMD-450BHD)制成，玻璃基底平行放置于目标(710×630×6mm3)10cm处，不加热，100sccm氩气流与30sccm水蒸气流作为溅射气体，工作压力与溅射功率分别为0.67Pa，3.2kW。在氮气环境中进行30分钟退火，温度为250℃。最终水晶化步骤在熔炉中进行650℃退火15分钟。水晶结构由XRD来判断，膜的透光率由UV-Vis光度计测量，使用扫描电镜与原子力显微镜观察表面以及截面图像。电极的薄膜电阻用四点探头法测量，压电属性用aixACCTTF-2000分析器测试，aixACCTDBLI系统用来测量小信号d33,f。触觉反馈设备由光刻设备进行刻蚀，振动模式，面外位移和加速度由PSV-500扫描式激光测振仪测量。测试结果考虑到人类手指的灵敏度，触觉反馈设备的基底通常会聚焦在以下几个参数上：图2.(a)ITO/玻璃上的2μm-厚PZT膜的XRD模式.b)ITO/PZT/ITO/Glass可见光透射光谱，小图显示了视觉效果(‘BOE’图是印刷在单独的纸上，放在样品下方).图3.(a)极化P;(b)介电常数ε′以及介电损耗tanδ;(c)压电常数d33,f，电场函数E半波长小于15mm，振幅大于1μm，共振频率高于20kHz。通过有限元分析，触觉反馈设备由一块60×71×0.5mm3的玻璃板以及PZT作动器构成，如图1所示，反对称兰姆波在板上产生，形成触觉反馈，当波腹垂直于平板上下运动时，表现为10个结点的振动模式。详细仿真结果见图1及2，相对较大的位移幅值由5组PZT作动器实现，位置在B处，宽度为W，间隔S分别为5.5mm,5mm，1mm。图2(a)显示了XRD构成PZT/ITO/Glass系统，ITO和PZT膜对应的峰值是确定的，PZT膜的峰值是由一个单一的钙钛矿结构产生的，而没有任何焦石相。晶格参数a=4.012Å，c=4.158Å。玻璃上的整个光学结构的透射谱中的可见波长从400nm到700nm，如图2(b)所示。平均透射率达75%。图2(b)中，带彩色条纹的‘BOE’图是印刷在单独的一张纸上，放置在玻璃下方，透明度足够高，人眼看上去比较舒服。如图S4所示，PZT膜的厚度为2.02μm，值得一提的是，底部电极的厚度设计为顶部电极厚度的两倍，用于补偿PZT膜热处理后的阻值升高，底部电极的薄膜电阻测试了两次，一次是ITO薄膜刚刚制造完成，一次是移除PZT和顶部电极。Fig.4.(a)24V电压下的振动位移测试结果(b)位移和加速度作为单极电压的函数，(a)，(b)两图中的信号频率均为22.5kHz根据有限元分析结果，60×70×0.5mm3大小的玻璃基底会产生10个结点，频率为22.5kHz的振动模式。通过PSV-500扫描式激光测振仪的测试结果可见，面外振动情况如图4(a)所示，可观察到反对称兰姆波，在红色边界和绿色区域内共形成10个结点。波腹在上下振动时，沿结点方向，位移幅值变化不大。如图4(b)中的视频S1所示，加载极低的单极电压10Vpp即可获取商业标准的1μm(峰峰值)振幅，位移和加速度与加载电压完美的线性相关。随着电压升高，电压达到24Vpp时，面外位移可达到4μm，加速度可达到79.5km/s2。从图S6可知，触觉反馈的位移幅值受加载的直流电压影响很大，由于主流电压的应用，位移上升系数为1.3，在PZT膜中，由于被基底夹紧，因此压电响应有限，施加的直流电压对于客服内部应力是有益的，且可提高铁弹性的取向。图5.基于压电材料在超声频率下的触觉反馈设备的当前报告与从前的报告之间的对比，重点在于电压变化(ΔV)导致的面外振动位移的变化(ΔD)我们当前的工作中，触觉反馈设备的面外位移的变化(ΔD)由加载电压的变化(ΔV)引起，与此前报告的结果比对如图5所示。我们在压电系统中发现的最大值大约为150nm/V，包括PZT体以及从Si基底生长出的膜。然而，压电体的不透明，金属基电极或Si基底会影响显示区域的透明度。在玻璃板上覆盖带有透明电极的PZT薄膜设备中，我们的触觉反馈设备整合了高透明和高效率ΔD/ΔV两个优势。一个PZT作动器的电容大约是18nF，是由AgilentTechnologiesB1500A来测量的。测量设置为交流信号，电压25mV，频率22.5kHz。对于所有作动器，总的电容为540nF。所有作动器的有功功率即可用以下公式估算:Vrms×Irms×cosφ,其中Vrms,Irms和φ分别为均方根(rms)电压，均方根(rms)电流以及电压和电流间的相位差(φ)，本文中，驱动电压为单极电压10Vpp，22.5kHz。所有作动器的有功功率经计算为3.58W。大电流由AigtekATA-3080放大器提供。我们的触觉反馈设备可提供摩擦振动的触感，我们可感受到不同的摩擦，是因为对应的振动大小不同。与基于SAW的技术相比，摩擦变小可直接被人类手指感觉到，而不需要在触摸表面与手指间使用任何钢珠或金属膜等材料。对于触觉反馈设备的更多客观评价，我们正在建设一个摩擦测试系统并在下一阶段进行心理物理试验。我们已经制成了PZT薄膜驱动的触觉反馈设备，尽管PZT是多晶体，并没有面外振动方向优先的特点，但基于我们的振动模式设计，仍然在较低的驱动电压下产生了较大的面外位移，且将厚度提升到了2μm，并没有大量损失透光率。未来的工作需要控制PZT膜的方向来获得更好的压电行为。总结展望我们设计并制备了高透明的触觉反馈设备，基于玻璃板上的PZT膜以及透明ITO电极。该玻璃板由22.5kHz电信号驱动，产生10-结点振动，施加极低的单极电压10Vpp即可获取达到商业标准的振幅1μm。随着电压升高到24Vpp，位移可达到4μm，真个设备的透光率达到75%。该设备特别适合用于小型便携纤细的设施上。简介：原文由京东方中央研究院发布在SensorsandActuators:A.Physical杂志上
研究背景和动机风致振动现象广泛存在于工程领域中，在生产生活的各个领域，经常出现风致振动导致的问题。风荷载是结构设计中需要考虑的一个重要的载荷，是烟囱，避雷针等高耸结构的主要侧向载荷之一。如果避雷针，烟囱的固有频率与风激励的频率接近或相同，就会发生共振，共振严重会损坏结构，造成财产损失以及其他风险。传统上，对烟囱以及避雷针的风致振动测试均采用的是低频拾振器，也即低频振动传感器，配合数据采集器以及分析软件。现场需要做的是将低频拾振器粘贴在烟囱或避雷针的表面，费时费力，且具有相当的危险性。为了解决该问题，我们提出了使用非接触式激光测振仪对烟囱及避雷针进行现场振动测试。不需要在被测表面做任何动作，完全避免了测试准备工作中存在的危险。只需要在远离被测物的场地布置仪器即可轻松、快速且准确地完成测试及结果分析。传统的粘贴式传感器的布线实拍试验搭建我们采用了Polytec公司的RSV-150远距离激光多普勒测振仪对郊区的一座烟囱及其上的避雷针进行了风致振动测试。测试距离超过100米，如下图:图1烟囱图2避雷针图3测试距离图4RSV-150测试结果与讨论避雷针测试结果如下：图5避雷针时域信号图6避雷针频域信号烟囱本体测试结果如下：图7烟囱本体时域信号图8烟囱本体频域信号结论与展望当天测试时为有风天气，且测试在公路边，有车辆经过，从时域信号中可见环境干扰，但对主要频率成分未形成影响，频谱中可见清晰的振动峰值。本次测试的主要难度在于避雷针尺寸较小，距离较远，测试点对准难度较大。德国Polytec公司的RSV-150的激光与相机同轴同焦，可轻易解决以上问题。
研究背景和动机近年来，压电超声设备使用的越来越多，用于研究高性能金属（如钛合金或金属复合材料）在超高周疲劳机制中的疲劳特性。这个创新的技术需要一个合适的工具用于校正和测试。而Polytec公司的3-D扫描式激光测振仪拥有极高的性能和优势，完全可满足这类测试需求。目标很多现代工程系统，比如重应力电机零件或海上结构，通常要抵抗超过一千万次高频负载循环或生命周期要求超过30年。这个范围内的循环被称为超高周疲劳机制。在这些高性能部件的可靠应用中，对所使用的材料的疲劳特性的详细了解变得越来越重要，传统的测试设备能进行长时间测试，但测试频率最高仅能达到200Hz。图1超声疲劳测试试验搭建为了在较短时间内实现高达1010次循环测试，德国凯泽斯劳滕大学的材料科学与工程学院开发了一套创新的超声测试设备用于拉压试验。该测试系统使用压电转换器进行加载，产生一个纵波驻波，频率可达20kHz，用于激励疲劳样件，使其材料产生疲劳。该样件本证频率即为20kHz，在设计过程中用有限元分析方法进行分析，确保样件满足设计。3-D扫描式激光测振仪是一套非常高效的测试系统，可用来测试特征频率及特征模态来验证有限元模型。用传统方法来测试高频振动过程中的应力应变是非常困难的，比如使用应变片，必须要粘贴在被测物表面才能使用。因此3-D扫描式激光测振仪对于超声疲劳过程中的高分辨率应力应变非接触测试是特别适合的。试验搭建本试验使用的是Polytec公司PSV-400-3D扫描式激光测振仪，三个激光头的定位如图1所示，如此选择是为确保可对疲劳试验件的狭小区域进行测试。为了计算特征频率和特征模态，且保护材料不发生意外的疲劳破坏，我们选择了非常小的振动位移，幅值仅有30nm。应变测试仅聚焦在试件中部4mm长度范围内，此处应变最大。在特征频率上激励样件时，最大振动位移幅值可达42μm。注：目前3D测试的最新型号为PSV-500-3D，以及超低噪音多通道探测技术的PSVQtec3D，各项性能都有全面大幅提升。结果选择将试件的初始状态（疲劳试验前）与有限元模型进行了相关计算。从图2可见，特征频率为20.06kHz，该频率上的振型为纵向振动（图3上图）；两个结果与有限元计算结果吻合的非常好。图2频率响应a)初始状态;b)疲劳破坏之后图3:振型;上图:初始状态;下图:疲劳破坏之后另外，高频振动的细节显示也确保了本试验中的试件振动是正确的。在试件上进行了其他类似的试验，比如仅加载屈服强度一半的应力，尽管如此，由于内部疲劳破坏，疲劳失效仍然在1.2*109次循环后发生了。与初始状态相比，特征频率下降了，这是内部的疲劳破坏导致的。20kHz范围以内的特征模态也显示了清晰的区别（图3下半部分图形）。图中可见在试件上，速度分布不对称，疲劳失效的区域分布不均匀。图4:应力分布图4显示了高频振动过程中的应变分布，在测试位置处用3D扫描激光测振仪测试的的应变幅值与自由端使用Polytec´sCLV-2534-2测得的位移幅值之间的相关性表明，随着位移幅值的增加，应变幅值也会增加。图5:有限元模型与测试结果对比从图5可看出测试结果与有限元计算结果高度一致。结论与展望本文的工作表明了3-D扫描式激光测振仪在金属的超声疲劳测试领域中的应用潜力，试件在不同的疲劳状态下的特征模态的研究结果说明对当前的疲劳状态进行计算并定位疲劳失效位置是有可能的。3-D扫描式激光测振仪可进行高空间分辨率的非接触式局部应变测量，在超声疲劳测试中，可替代应变片在计量长度上进行高机械应力测试。
