Предотвращение резонанса при обработке с помощью ударного тестирования: построение точных карт стабильности

В ударном тестировании (tap testing) инструментированный молоток используется для возбуждения структуры и измерения вибрационного отклика с помощью преобразователя, такого как акселерометр. Цель этого теста — определить частотную характеристику (FRF) для выбранной механической структуры. Учитывая FRF, мы можем рассчитать карту стабильности, которая разделяет комбинации скорости шпинделя и осевой глубины резания, производящие резонанс (то есть, выше синей границы), от тех, которые не производят (ниже границы). Это позволяет выбирать стабильные параметры обработки без проб и ошибок; см. Рисунок 1.

Рис. 1: Карта стабильности фрезерования. Источник (все рисунки): Тони Шмиц

Базовое оборудование, необходимое для измерения FRF:

Основное содержание

• механизм для известного силового входа по желаемому частотному диапазону (или полосе пропускания)
• преобразователь для измерения вибрации, снова с требуемой полосой пропускания
• динамический сигнальный анализатор для записи временных сигналов силы и вибрации и преобразования их в желаемую FRF.

Динамический сигнальный анализатор включает входные каналы для временных сигналов силы и вибрации и вычисляет преобразование Фурье этих сигналов для конвертации их в частотную область. Затем он вычисляет отношение частотного сигнала вибрации к частотному сигналу силы; это отношение и есть FRF. Схема установки приведена на Рис. 2. Она включает временные сигналы силы и вибрации, которые могут принимать форму смещения, x, скорости, ẋ, или ускорения, ẍ, входы и усилители для каждого. Усилители используются для увеличения амплитуд сигналов. Сила и вибрация — аналоговые сигналы, непрерывные во времени. Однако запись этих сигналов анализатором требует их дискретизации на малых интервалах времени. Этот процесс завершается с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Эти цифровые сигналы затем используются в расчете FRF динамическим сигнальным анализатором. В зависимости от типа вибрационного входа, FRF может быть выражен как:

• рецептанс или комплаенс — отношение смещения к силе
• мобильность — отношение скорости к силе
• акселерация или инертанс — отношение ускорения к силе.

Рис. 2: Схема установки измерения FRF.

Существует три распространенных типа силового возбуждения. К ним относятся:

• синусоидальная волна фиксированной частоты – FRF определяется по одной частоте за раз. На каждой частоте в желаемой полосе пропускания синусоидальная сила приложена, отклик на силу входа усредняется за короткий временной интервал и FRF рассчитывается. Это называется тестом синусоидального сканирования (sine sweep test).
• случайный сигнал – Частотное содержимое случайного сигнала может быть полосовым (белый шум) или усеченным до ограниченного диапазона (розовый шум). Усреднение за фиксированный период времени снова применяется, но все частоты в выбранной полосе пропускания возбуждаются в одном тесте.
• импульс – Кратковременный удар используется для возбуждения структуры и измерения соответствующего отклика. Этот подход позволяет возбудить широкий диапазон частот в одном коротком тесте. Множественные тесты обычно усредняются в частотной области для улучшения когерентности, или корреляции между сигналами силы и вибрации.

Для генерации этих разных сил применяются два распространенных типа аппаратного обеспечения силового входа:

• вибростой (shaker) – Эти системы включают гармонически приводную якорь и базу. Якорь может быть актуатирован вдоль своей оси магнитной катушкой или гидравлической силой. Магнитная катушка, или электродинамические конфигурации могут обеспечивать возбуждающие частоты десятков кГц с уровнями силы от десятков до тысяч Ньютонов (увеличение силы обычно означает более низкий частотный диапазон). Гидравлические вибростои предлагают высокую силу с потенциалом статического предупрессования (то есть средняя сила не нулевая), но относительно более низкие частотные диапазоны. В любом случае сила часто приложена к интересующей структуре через шток (stinger), или тонкий стержень, поддерживающий осевое натяжение и сжатие, но не изгиб или сдвиг. Это гарантирует, что сила приложена в одном направлении только. Датчик силы включен в установку для измерения входной силы; см. Рисунок 3.
• ударный молоток (impact hammer) – Ударный молоток включает датчик силы, расположенный на металлическом, пластиковом или резиновом наконечнике для измерения входной силы при ударе молотка. Когда молоток используется в сочетании с вибрационным преобразователем, процедура измерения называется ударным тестированием (tap testing). Энергия, вводимая в структуру, является функцией массы молотка; большая масса дает больше энергии. Поэтому доступны многие размеры. Также полоса пропускания возбуждения силового входа зависит от массы и жесткости наконечника. Более жесткие наконечники склонны возбуждать более широкий частотный диапазон, но также распределяют входную энергию по этому более широкому диапазону. Более мягкие наконечники концентрируют энергию над более низким частотным диапазоном. Твердые пластиковые и металлические наконечники обеспечивают более высокую жесткость, в то время как резиновые наконечники дают сниженную жесткость.

Рис. 3: Установка вибростоя.

Вибрационные преобразователи доступны как в бесконтактных, так и в контактных типах. Хотя бесконтактные преобразователи, такие как емкостные зонды и лазерные виброметры, предпочтительны, потому что они не влияют на динамику структуры, контактные типы, такие как акселерометры, часто более удобны для реализации. В качестве компромисса, акселерометры малой массы могут использоваться для минимизации влияния на тестовую структуру. Они крепятся в месте интереса с помощью воска, клея, магнита или резьбового шпильки и затем удаляются по завершении тестирования.

Рис. 4: Ключевые элементы ударного теста.

Рисунок 4 идентифицирует ключевые элементы ударного теста. Левое нижнее фото показывает молоток, используемый для удара по кончику инструмента, и акселерометр (прикрепленный воском к кончику инструмента) для измерения вибрационного отклика. Верхний ряд показывает временные отклики для силы и вибрации. Мы видим, что удар производит кратковременный силовой вход. Из-за этой силы инструмент вибрирует с затухающей амплитудой (из-за затухания). Средний ряд показывает конвертацию этих сигналов в частотную область. Удар возбуждает широкий диапазон частот. Нижний ряд показывает FRF. Из этого графика мы можем идентифицировать собственную частоту, жесткость и коэффициент затухания для каждого режима вибрации.