Machinale stabiliteit beheersen:een gids voor taptesten en chatterpreventie

Bij taptesten wordt een geïnstrumenteerde hamer gebruikt om een constructie te exciteren en de trillingsrespons te meten met een transducer, zoals een versnellingsmeter. Het doel van deze test is om de frequentieresponsfunctie (FRF) voor de geselecteerde mechanische structuur te identificeren. Gegeven de FRF kunnen we een stabiliteitskaart berekenen, die combinaties van spilsnelheid en axiale diepte die chatter produceren (dat wil zeggen boven de blauwe grens) scheidt van combinaties die dat niet doen (onder de grens). Dit maakt de selectie van stabiele bewerkingsparameters mogelijk zonder vallen en opstaan; zie figuur 1.

Fig. 1:Freesstabiliteitskaart. Bron (alle cijfers):Tony Schmitz

De basishardware die nodig is om FRF's te meten is:

Aanbevolen inhoud

• een mechanisme voor bekende krachtinvoer over het gewenste frequentiebereik (of bandbreedte)
• een transducer voor trillingsmeting, wederom met de benodigde bandbreedte
• een dynamische signaalanalysator om de kracht- en trillingsinvoer in het tijddomein vast te leggen en deze om te zetten in de gewenste FRF.

Een dynamische signaalanalysator bevat ingangskanalen voor de kracht- en trillingssignalen in het tijddomein en berekent de Fourier-transformatie van deze signalen om ze naar het frequentiedomein om te zetten. Vervolgens berekent het de verhouding van het trillingssignaal in het frequentiedomein tot het krachtsignaal in het frequentiedomein; deze verhouding is de FRF. Figuur 2 toont een schema van de opstelling. Hierin zijn de kracht en trillingen in het tijdsdomein opgenomen, die de vorm van verplaatsing kunnen aannemen, x , snelheid, ẋ , of versnelling, ẍ , ingangen en versterkers voor elk. De versterkers worden gebruikt om de amplitude van de signalen te vergroten. De kracht en trilling zijn analoge signalen, die continu in de tijd zijn. Het registreren van deze signalen met de analysator vereist echter dat ze met kleine tijdsintervallen worden bemonsterd of gedigitaliseerd. Dit proces wordt voltooid met behulp van een analoog-digitaalomzetter (ADC). Deze digitale signalen worden vervolgens gebruikt bij de FRF-berekening door de dynamische signaalanalysator. Op basis van het trillingsinvoertype kan de FRF worden uitgedrukt als:

• ontvangst of meegaandheid – de verhouding tussen verplaatsing en kracht
• mobiliteit – de verhouding tussen snelheid en kracht
• versnelling of traagheid – de verhouding tussen versnelling en kracht.

Fig. 2:Schematische weergave van FRF-meetopstelling.

Er zijn drie veel voorkomende soorten krachtexcitatie. Deze omvatten:

• sinusgolf met vaste frequentie – De FRF wordt frequentie voor frequentie bepaald. Bij elke frequentie binnen de gewenste bandbreedte wordt de sinusoïdale kracht uitgeoefend, wordt de respons op de krachtinvoer gemiddeld over een kort tijdsinterval en wordt de FRF berekend. Dit wordt een sinuszwaaitest genoemd.
• willekeurig signaal – De frequentie-inhoud van het willekeurige signaal kan breedbandig zijn (witte ruis) of ingekort tot een beperkt bereik (roze ruis). Er wordt opnieuw een middeling over een vaste tijdsperiode toegepast, maar alle frequenties binnen de geselecteerde bandbreedte worden in één enkele test geëxciteerd.
• impuls – Een impact van korte duur wordt gebruikt om de structuur te prikkelen en de bijbehorende respons wordt gemeten. Deze aanpak maakt het mogelijk om in één korte test een breed scala aan frequenties te bekrachtigen. In het frequentiedomein worden doorgaans meerdere tests gemiddeld om de coherentie, oftewel de correlatie tussen de kracht- en trillingssignalen, te verbeteren.

Om deze verschillende krachten te genereren, worden twee veel voorkomende typen krachtinvoerhardware toegepast:

• shaker – Deze systemen omvatten een harmonisch aangedreven armatuur en een basis. Het anker kan langs zijn as worden bediend door een magnetische spoel of hydraulische kracht. De magnetische spoel- of elektrodynamische configuraties kunnen excitatiefrequenties van tientallen kHz bieden met krachtniveaus van tientallen tot duizenden Newtons (verhoogde kracht betekent doorgaans een lager frequentiebereik). Hydraulische schudders bieden een hoge kracht met het potentieel voor een statische voorbelasting (dat wil zeggen dat de gemiddelde of gemiddelde kracht niet nul is), maar relatief lagere frequentiebereiken. In beide gevallen wordt de kracht vaak op de betreffende structuur uitgeoefend via een angel, of een slanke staaf die axiale spanning en compressie ondersteunt, maar niet buigt of schuift. Dit zorgt ervoor dat de kracht slechts in één richting wordt uitgeoefend. In de opstelling is een loadcel opgenomen om de invoerkracht te meten; zie Figuur 3.
• slaghamer – Een slaghamer bevat een krachttransducer op een metalen, plastic of rubberen punt om de krachtinvoer tijdens een hamerslag te meten. Wanneer een hamer wordt gebruikt in combinatie met een trillingsopnemer, wordt de meetprocedure taptesten genoemd. De energie-input in de constructie is een functie van de hamermassa; een grotere massa levert meer energie op. Daarom zijn er vele maten beschikbaar. Ook hangt de excitatiebandbreedte van de krachtinvoer af van de massa en de puntstijfheid. Stijvere tips hebben de neiging een breder frequentiebereik op te wekken, maar verspreiden ook de ingangsenergie over dit bredere bereik. Zachtere tips concentreren de energie over een lager frequentiebereik. Harde plastic en metalen punten zorgen voor een hogere stijfheid, terwijl rubberen punten een verminderde stijfheid bieden.

Afb. 3:Opstelling van de schudder.

Trillingstransducers zijn verkrijgbaar in zowel contactloze als contactloze uitvoeringen. Hoewel contactloze transducers, zoals capaciteitssondes en laservibrometers, de voorkeur hebben omdat ze de structuurdynamiek niet beïnvloeden, zijn contactloze transducers, zoals versnellingsmeters, vaak gemakkelijker te implementeren. Als compromis kunnen versnellingsmeters met een lage massa worden gebruikt om de invloed op de teststructuur te minimaliseren. Ze worden op de betreffende locatie bevestigd met was, lijm, een magneet of een draadeind en vervolgens verwijderd wanneer het testen is voltooid.

Afb. 4:Belangrijkste elementen van de taptest.

Figuur 4 identificeert de belangrijkste elementen van de taptest. De foto linksonder toont een hamer die wordt gebruikt om op de punt van een gereedschap te tikken en een versnellingsmeter (bevestigd met was aan de punt van het gereedschap) die wordt gebruikt om de trillingsrespons te meten. De bovenste rij geeft de tijdreacties voor de kracht en trilling weer. We zien dat de kraan een korte krachtinvoer produceert. Door deze kracht trilt het gereedschap met een afnemende amplitude (door demping). De middelste rij toont de conversie van deze signalen naar het frequentiedomein. De kraan wekt een breed scala aan frequenties op. De onderste rij toont de FRF. Op basis van deze grafiek kunnen we voor elke trillingsmodus de natuurlijke frequentie, stijfheid en dempingsverhouding identificeren.