【山衛科技】LMS SCADAS XS—— 真正的可擕式數採系統

感謝山衛科技同意轉載「山衛科技電子報」系列專題文章，本篇文章原始連結為http://www.samwells.com/bc/news-tw/news-tech-news-tw/472-news-tech-news-tw-2015-01-01-lms-scadas-xs

為您量身定制

實現信號記錄、監控及驗證功能

LMS SCADAS XS作為西門子PLM軟體公司推出的產品，是一個功能強大且輕巧便攜的振動雜訊測試系統。該系統不但結合了LMS SCADAS系統自主、自由的特性，而且具備了袖珍、便攜的特點。

同時適用於試驗室及現場測試

如今LMS SCADAS系列產品已在汽車運輸、航空航太以及國防領域得到廣泛應用，為該領域機械行業測試工程師提供了他們所需要的先進振動、雜訊試驗測試解決方案。

從專門為實驗室測試所開發的Lab測試前端，到專門為現場移動測試所開發的Mobile測試前端，LMS SCADAS測試系統已經涵蓋了廣泛的測試需求。現在，我們所推出的LMS SCADAS XS測試系統進一步擴展了LMS SCADAS這一成功產品的功能，成為了一個真正的可擕式試驗測試解決方案。

靈活便攜

在現階段，試驗測試系統正面臨著來自諸多方面的挑戰，比如越來越複雜的試驗工況以及越來越嚴格的試驗時間節點等。應對於這些挑戰，LMS SCADAS XS可以説明使用者進行快速的故障診斷和故障排除，甚至協助非專業用戶快速、可靠的完成試驗工作。

由於精巧、緊湊的結構設計，LMS SCADAS XS更適合用戶直接手持操作。結合可靠的機載資料存放裝置和可靠的電池續航能力，LMS SCADAS XS可以將測試工程師的測試效率提高到一個新的水準。

多種工作模式

獨一無二的硬體設定及多功能性使得LMS SCADAS XS可用於各種試驗環境，無論是遠端控制、實驗室測試或是內場測試：

1. LMS SCADAS XS配備了7寸平板電腦，安裝了量身定制的Android應用程式，使用者可通過遠端操控進行試驗設置、資料獲取、線上資料驗證，試驗過程中所採集到的資料會同步記錄在LMS SCADAS XS內置的SD資料卡中。
2. 在實驗室測試時，LMS SCADAS XS可以作為一個獨立的數采前端，其面板上佈置有非常直觀的啟動、停止按鈕，即使是非專業使用者也可以輕鬆的進行測試工作。
3. LMS SCADAS XS與LMS Test.Lab軟體完全相容，該設備可以作為一個傳統的前端使用。試驗資料可以通過標準的USB介面存儲在PC上。

12+通道測試系統

LMS SCADAS XS向使用者提供高密度通道採集和集成信號調理功能，並提供兩種硬體版本可供選擇：6通道模擬輸入的入門級版本、12通道模擬輸入的高級版本。

除了這些類比輸入通道（可用於電壓、ICP和TEDS感測器），LMS SCADAS XS同時還支持3D雙耳耳機麥克風採集及身歷聲重播、3D數位人工頭採集及重播、雙通道類比轉速採集、數位CAN信號採集以及GPS信號採集。上述這些額外的輸入通道並不佔用面板上的6或12模擬輸入通道，因此LMS SCADAS XS成為了真正的12+通道測試系統。

主要優點：

• 緊湊，便攜的試驗解決方案
• 6小時以上的電池使用時間
• 通道設置、監控和資料驗證均可線上實現
• 可在完全獨立的模式下實現資料重播
• 可在獨立模式下使用，也可與平板電腦或PC連接使用
• 擁有12+測試通道

 

主要應用：

• 典型的雜訊和振動測試系統
• 現場故障診斷、移動中測試以及實驗室測試
• 同時適用於專業用戶及非專業用戶

 

12通道系統

硬體關鍵性能指標

堅固便攜

• 長度：175mm，寬度：114mm，厚度：23mm
• 內置電池：使用時間超過6小時
• 資料存儲容量：micro SD卡（32G）
• 抗振抗衝擊經過美軍標MIL-STD-810測試（隨機振動：有效值14g，1.5m跌落試驗抗衝擊50g）
• 超輕設計：只有0.5公斤

緊湊的通道

• 6通道或者12通道 電壓/ICP，每通道支援TEDS感測器
• 專業的輸入/輸出通道實現雙耳記錄和身歷聲重播，可選配LMS專業的3D頭戴式雙耳麥克風
• 專業的數位音訊SPDIF，支援HMS數位人工頭
• 2個轉速信號通道，可支援高達20KHz的脈衝頻率
• 支援GPS天線輸入
• 支援CAN信號輸入

產品標配清單：

• LMS SCADAS XS
• 充電線纜和USB線纜
• Micro SD卡和讀卡器
• CAN匯流排、GPS、SPDIF數位音訊、轉速通道的轉接線纜
• 7英寸的平板電腦（包含LMS Smart Scope應用軟體和USB充電器）
• 軟硬雙層設計的儀器便攜包，安全保護LMS SCADAS XS和平板電腦

 

設置，監測，現場結果驗證

如果測試工程師能夠不依賴於電腦或工作站而獨立工作，那就能夠最大程度的保證測試的靈活性。為了滿足這種靈活性需求，西門子專門開發了LMS Smart Scope應用。該應用運行于安卓7’’平板電腦上，包含於LMS SCADAS XS系統中。

 

潮流設計

通過與LMS SCADAS XS間的無線通訊，LMS Smart Scope可以監控所有測試設置和測試過程，對之前的測試設置和資料進行流覽，或者重新創建一個新的測試設置。LMS Smart Scope提供了多種圖形顯示類型和範本，便於進行資料的線上監測、測試結果的驗證，以及一鍵進行信號的錄音重播。

 

輕鬆自由

平板電腦的使用可以使測試工程師更為自由，比如說，可以將LMS SCADAS XS放在測試物件附近，通過平板電腦進行測試、標定及信號監測的過程中，工程師可以在周邊隨意的走動。

 

軟體應用介面一覽

• 通道及測試設置
• 通道配置及標定
• 測試設置及控制
• 即時監測
• 快速驗證及錄音重播

 

多樣的採集顯示介面

• 基本介面：測試控制及相關參數回饋
• 所有通道原始信號帶狀圖預覽介面
• 量級柱狀圖及數值顯示介面
• 自訂顯示介面，原始信號快速驗證，頻譜/倍頻程/階次，等等…

勝任各種測試應用

LMS SCADAS XS的便攜性和易用性可以最大程度上提高試驗效率，可以滿足雜訊振動測試部門各種各樣的應用需求。

應用實例：汽車工業領域

• 汽車性能研發

LMS SCADAS XS可以作為一個標準的車載資料獲取系統。工程師可以用平板電腦控制其完成資料的獨立採集，也可以將其連接到電腦上作為數采前端由LMS Test.Lab控制。測試完成後，可以在現場進行錄音重播、以及在頻域或階次域進行資料的快速驗證、或者進行相關心理聲學指標評價。

像所有LMS SCADAS測試系統一樣，LMS SCADAS XS可以當作一個常規數采前端使用，通過LMS Test.Lab進行即時、線上分析。

• 現場目標設定和指標驗證

重複性試驗需要穩定可靠的完成資料的採集，因此如何能夠輕鬆的保證測試參數的標準一致性非常重要。LMS SCADAS XS支援根據所用感測器進行試驗設置的預先設定，從而使得資料的獲取及不同車輛之間的資料對比輕鬆異常。

• 現場故障診斷

當面對客戶所反映的特定問題時，工程師可以隨時攜帶著LMS SCADAS XS前往現場。甚至可以直接將預先設定好試驗設置的LMS SCADAS XS直接發往客戶現場，任何非專業的使用者都可以輕鬆完成試驗。工程師拿到測試資料後，就可以進行深入細緻的後處理分析了。

• 其他汽車行業應用：
• 底盤及驅動系試驗
• 現場對標試驗
• 在試驗室內進行部件試驗
• 動力總成試驗
• 客戶現場品質驗證試驗
• 生產線上的品質驗證
• 結構振動及聲學試驗
• 聲品質試驗

應用實例：航空航太和國防領域

• 飛行測試，遠程現場測試

LMS SCADAS XS使振動雜訊診斷更方便更經濟，即使進行遠端測試。使用獨立工作的LMS SCADAS XS和LMS 3D雙耳麥克風，工程師和技師可以很方便地在測試飛機甚至是商用飛機上記錄雜訊或振動資料。結束後測試資料可以帶回家裡或者試驗室進行詳細分析。

• 使用LMS SCADAS XS採集工況資料

LMS SCADAS XS支援多達12個模擬量通道，可以同時測試電壓，加速度和聲學信號。所以LMS SCADAS XS是一個非常出色的工具，用於記錄工況資料，指導進一步的試驗工作。

• 其他航空航太和國防領域應用：
• 聲學舒適性
• 駕駛艙雜訊測試
• 國防試驗場測試
• 現場診斷
• 戰鬥機測試
• 起落架測試
• 客機測試
• 聲音診斷

應用實例：機床和其他機械領域

• 售後服務

為了減少設備停工期，在機床正常使用期間，需要進行定期振動量級檢查。LMS SCADAS XS便攜多用，是一個非常理想的工具。不需要複雜的設置，甚至不需要現場專家，就可以判斷振動量級是否超標。

• 現場故障診斷

機械設備很多情況下需要分佈安裝，有些甚至在偏遠的地方。現場故障診斷將會是非常大的支出。需要專家和設備到現場，還要考慮差旅和運輸時間，對預算造成很大壓力。現在，工程師可以在不同地點分享一套或者多套LMS SCADAS XS設備。借助預先配置功能，工程師甚至不用親自到現場去。

• 現場資料獲取

如果機械設備的供應商收到現場使用方的抱怨，可以預先配置好LMS SCADAS XS系統。然後把獨立的測試設備，合適的感測器連同詳細的操作指南快遞到使用者手中，進行現場資料獲取。然後使用者把設備發回給供應商，進行詳細的資料分析。

• 其他機械領域應用：
• 聲學產品測試
• 產品線測試
• 遠程測試
• 聲音診斷
• 振動雜訊測試

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【山衛科技】利用POLYTEC 3D掃描模態結果驗證與修正CAE模型

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    隨著時代的進步與市場的要求，產品的開發週期與上市時間越來越短暫，如何在最短的時間完成產品的設計與開發，成為了所有研發者面臨最大的挑戰。電腦輔助工程分析(CAE)正好可以符合這樣的需求，但CAE分析常因邊界條件或是參數設定誤差，造成分析果與實際狀況往往有著一定程度的落差。Model validation正是為了使分析模型與實際狀況一致所發展的技術，所謂的Model validation就是利用實驗量測結果FRF去計算MAC矩陣去驗證與修正CAE模型的正確性。

    本文主要與大家分享利用3D掃描式雷射都普勒干涉儀進行全場的振動量測，利用此系統的好處在於快速且準確度高，不用擔心因為加速規黏貼的方向有偏移而產生誤差。完成量測後再將各點測得之FRF帶入LMS Test.Lab進行模態分析與利用Matlab進行MAC計算，以了解CAE模型與實際狀況的差異進而進行模型修改。下期文章將進一步與大家分享如何無縫一次性的在LMS. Test.Lab平台上快速的完成模態測試、相關性分析與模型更新的流程，讓您快速的建立最正確的CAE模型。

    

Introduction

    Complex FE modeling over wide frequency ranges is used to determine the eigenfrequencies and eigenvectors during model validation. Such models are an important means of realistically mapping the effect of design changes onto the final product.

    In the traditional experimentation setup, acceleration sensors are used for vibration measurement and modal hammers or shakers are used to provide excitation. For complex structures, such a setup is complex, costly and susceptible to error. Measurement and excitation points must be defined with care, to ensure that all eigenfrequencies are excited and to produce adequate resolution of the corresponding eigenvectors. 3-D laser vibrometry is an interesting alternative, enabling a much larger number of measuring points to be attained with less effort and expense and without introducing additional mass influences into the system.

Mounting and Sample Excitation

    Integral measurements with a laser vibrometer require that all measuring points are optically accessible. The most convenient solution would be a 3-D laser vibrometer mounted on a robot. Additionally, mirrors can be used to divert the laser beam, or the vibrometer or measurement object can be repositioned to measure otherwise hidden points. Preprogramming a robot to move the laser measuring heads around the measurement object enables complex structures to be measured. Optionally, the measurement object – including the excitation source used – can be pivot-mounted, though it is important then to ensure adequate stability of the arrangement. The resultant data sets are then combined with the Stitching feature of the scanning vibrometer software to reproduce a full body vibration map.

    A measurement object, such as the transmission casing in this example, can be suspended from straps (Fig. 1) or in an upright mounting arrangement (Fig. 2), with the shaker and the structure isolated from the environment by rubber feet. The quality of the mounting variants can be assessed by comparing the so-called Driving Point Function (DPF), the quotient of the spectrum of the system response at the point of excitation and that of the introduced force. Here a clearly defined sequence of resonances and antiresonances, a falling or rising trend and an adequately large gap between the rigid body and structure modes should be identifiable (Fig. 3). These criteria are met for both mounting variants. The rigid body modes occur in both variants at around 30 Hz, but in the upright mounting variant, some resonances are less distinct and between 600 Hz and 1000 Hz additional peaks are present. The upright mounting method’s advantage of a quicker setup is offset by the disadvantage of overestimating the modal damping values and additional resonances. As well as the mounting method, the stinger used to join the structure and shaker also has a major influence on the experiment result (Fig. 4). The blue curve relates to a stinger variant with two clamp sets and the green curve relates to a variant with a simple stud screw clamp fixture. The results are similar in principle, though the simpler variants exhibit additional resonances in the low frequency range and much less distinct resonances in the high frequency range. Consequently, the short, thin, rigid-fixed stinger is better suited to the structure under investigation and to measurements in the frequency range above 1200 Hz.

Vibration Measurement and Evaluation

    After specifying the experiment setup, the PSV-400-3D Scanning Vibrometer is applied to the transmission casing to determine the system responses at 600 measuring points and frequencies up to 4000 Hz. The associated transfer functions can be imported into LMS Test.LAB using the UFF format and evaluated there. In the evaluated range up to 3500 Hz, 16 eigenfrequencies were identified which can be classified as reliable, based on Auto-MAC and modal synthesis. The additional peaks in the upright mounting variant can be identified as non-structure modes by Auto-MAC analysis.

 

Correlation with the FE Model

    Modal analysis is conducted by the Block-Lanczos method available in MD Nastran. To correlate the two models (Fig. 5), the experimental data is imported into MATLAB using the UFF format while the numerical data is imported by use of the MATLAB/Nastran interface IMAT FEA. The two datasets are then automatically positioned and correlated. For the first 16 eigenfrequencies, this results in a mean MAC correlation (Fig. 6) of 91% and a mean frequency variation of 1.28%. The MAC correlation is better in the low modes, while the frequency correlation is better in the higher modes.

Summary

    The example shows that 3-D laser vibrometry can efficiently determine the modal parameters of a complex structure within a short space of time, particularly when the measurement object – including the excitation source – is rotated for measurements from different directions. By selecting suitable stingers, the vibration excitation can be reliably applied even in high frequency ranges. It is possible to validate the FE model with the setup described here all across the evaluation range. The variations are within the limit values which can be attained with CAD data-based FE models.

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2015年1月 山衛科技電子報

2015年1月 山衛科技電子報

  系列專題

汽車設計與測試解決方案

•  ABD Euro NCAP AEB Testing介紹 
  
   Euro NCAP及歐盟自2014年起,便將AEB測試 Autonomous Emergency Braking (AEB)列為新車出廠的檢測項目。新車要想得到碰撞5顆星的標準,必須先有AEBS系統。而世界其它地區也紛紛成立相關的協會及推展、跟進中 ..
  
  
•  利用Polytec 3D掃描模態結果驗證與修正CAE模型 
  
   隨著時代的進步與市場的要求，產品的開發週期與上市時間越來越短暫，如何在最短的時間完成產品的設計與開發，成為了所有研發者面臨最大的挑戰。電腦輔助工程分析(CAE)正好可以符合這樣的需求，但CAE分析常因邊界條件或是參數設定誤差，造成分析果與實際狀況往往有著一定程度的落差。Model validation正是為了使分析模型與實際狀況一致所發展的技術，所謂的Model validation就是利用實驗量測結果FRF去計算MAC矩陣去驗證與修正CAE模型的正確性 ..
   
•  疲勞耐久道路試驗方案 
  
   如何能在車輛或其它載具上同時擷取各種高低速不同訊號及數位匯流排,甚至影像訊號而又能保證其精度及同步化數據,以確保車輛在高速動作中,能精確而有效的同步記錄訊息,提供給車輛疲勞耐久,振動噪音,動力學,撞擊實驗中做有效的後處理數據分析用途?  同樣的,在高空中飛行的航空器,如何能小型化,堅固,耐天候,體積分散,彈性應用,並能結合空用及地面設備同步化記錄,擷取,取樣,分解,重構,傳輸,接收並回覆原訊息,達到同步傳輸的功能;符合飛航試驗,任務記錄器,或臨時性數據結構分析,教練要求,甚至顫振分析的要求? ..
   
•  車內配置人因設計方案 
  
   汽車產業是世界上最大的產業之一，其產品影響人類生活甚大。因此車輛的人機界面是決定產品成功的主要因素之一。AnyBody已經逐漸成為汽車產業的人因工程學模擬標準 – 如Ford、BMW和Daimler等汽車製造大廠的人因工程學部門皆使用AnyBody。下述幾個例子展示AnyBody在汽車設計改進的應用，顯示具有為客戶帶來價值的巨大潛力 ..
   
•  LMS SCADAS XS—— 真正的可擕式數採系統 
  
   LMS SCADAS XS作為西門子PLM軟體公司推出的產品，是一個功能強大且輕巧便攜的振動雜訊測試系統。該系統不但結合了LMS SCADAS系統自主、自由的特性，而且具備了袖珍、便攜的特點 ..
   
•  進階PMI檢測問題 - 手持式X光螢光分析儀 
  
   在煉油及石化工廠中，PMI檢測的需求已大幅增加，根據美國職業安全與健康管理局(OSHA)的資料顯示，1992年5月就有32人的死亡或受傷是因為使用了錯誤的材料所導致。而在石油煉製工業裡，在關鍵的合金組件中使用了不正確的材料，最後引發工安問題產生傷亡事件，則造成了52人死亡、250人受傷。因此最新的OSHA CPL 03-00-004法規主要著重於煉油工業安全管理，其重點項目在於提供世界各地發生及執行的範例 ..
   

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   活動快訊

•  2015年1月27~29日 聲音系列研討會-通訊語音品質分析及最佳化 
  
   現今通話環境複雜，隨時隨處，通話環境不再侷限於必須在安靜的處所，各種不同的環境背景噪音都影響語音品質的好壞。且行動寬頻的通訊網路結構在變，VoIP網路電話更衝擊網路結構，新的通訊法規再再挑戰新的通訊終端，語音品質的測試也同樣面臨新的挑戰，也面臨最高的難度。ACQUA即提供4G/LTE語音品質測試及改善之方法與工具，在競爭激烈的市場中，用對工具，設計出手機相關終端產品優異的語音品質，無異在通訊領域中取得領先之地位；在競爭激烈市場中，優異的語音品質已成為通訊終端的優勢，語音品質成為接單的重要指標 ..

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【山衛科技】POLYTEC 在航太輕質材料加工的切削穩態預測之應用

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Improving Machining Techniques

    在銑切加工時，工具機-工件系統的結構模態常受到切削力的激發，這種週期性的刺激經由刀具傳遞後在工件表面留波浪形紋路和較大的粗糙度，波紋表面進一步影響下一輪切削，使結構振動幅度逐漸放大的現象稱為顫振。

    為了避免顫振的發生，由頻率響應函數可定義出切削穩態圖，提供適當的加工參數組合。但因為航太材料質輕的特性與薄殼的結構需求，當量測頻率響應函數時，加速規自身的重量會嚴重影響量測結果，造成頻率響應函數的誤差，誤判穩態區域。

    為了瞭解加速規的質量效應對於薄殼元件的影響，使用 Polytec 雷射測振儀針對有無加速規的量測情況進行實驗，實驗結果顯示加速規的自身重量造成薄殼元件的頻響函數將近 50%的誤差，所以薄殼/質輕元件的頻率響應函數量測應使用非接觸式量測取代傳統加速規。

    In milling, structural modes of the machine tool-workpiece system are initially excited by cutting forces. Surface finish profiling due to oscillatory excitation left by a section of the tooth is subsequently removed by the incoming and advancing cutting tooth surface which causes increased structural vibrations. This self-excited cutting phenomenon can become unstable, and chatter vibrations grow until the tool jumps out of the cut, ruins the expected surface tolerances and can even break under excessive cutting forces.

    High speed machining is a widely used process in the aeronautical industry to machine low stiffness structures with thin walls and floors where high tolerances are required. Machining of these types of structures may experience regenerative lateral vibrations for some cutting conditions. The inherent nature of variable dynamic conditions of these milling and machining processes are likely to be the culprits by which the finished parts exhibit poor surface finish and lower productivity of those manufacturing processes. Stability lobes diagram methods are common techniques that use dynamic information to define stability regions in which it is possible to find the appropriate and desired combinations of machining parameters. With this technique, the experimental Operational Frequency Response Functions (OFRF) and regular FRF are required to feed the Enhanced, Multistage Homotopy Perturbation Method (EMHPM).

Comparison Between Laser Vibrometry and Existing Measuring Methods

    It is well-known that accelerometer mass load on heavy structures has negligible influence on dynamic measurements. However, those effects are not negligible when the workpiece mass is small. Since the accuracy of the OFRF directly affects the stability lobes diagram, it is important to study the accelerometer mass loading effects over the stability diagrams to predict accurately the dynamic behavior when milling thin walled parts.

    In order to study accelerometer mass loading effects on thin walled structures, we performed several impact tests at different locations over aluminum 7075 thin-walls (1 x 35 x 50 mm) and collected the corresponding FRFs by using a 0.6 gram accelerometer. We repeated the measurements using a Polytec CLV-2534-2 Compact Laser Vibrometer that allows dynamic measurements without adding mass to the workpiece. The dotted lines shown in fig. 1 represent the frequency response functions acquired using the accelerometer and Laser Doppler Vibrometer (LDV) under the same conditions.

    Fig. 1 illustrates significant differences between the FRF functions obtained by using the accelerometer and the laser Doppler device. The laser vibrometer without the accelerometer attached captures two fundamental vibrational modes with peak values at 1105 Hz and 1722 Hz.

However, the measurements performed with the accelerometer exhibit the same dynamic
 modes but with peak values at 580 Hz and 1366Hz. These differences in the recorded FRF spectra were noticed during experimental tests because of the sound pressure level produced by the thin wall workpiece. The 525 Hz shift of the FRF value of the first peak mode is attributed to the effect of the accelerometer mass.

    In order to verify our experimental observations, we performed measurements by using the LDV with the accelerometer attached to the workpiece. The results, shown by the
 dashed line in fig. 1, are the same as those collected with the accelerometer. This experimental test confirmed the accelerometer mass-loading effects over FRF values, which not only causes a shift of the frequency value of about 48%, but also changes considerably the modal damping of the system. In addition, we expect changes in the calculated stiffness. As expected, the effect of the accelerometer mass increases as 1 mm thickness of wall material is re moved from the workpiece during the machining processes.

    In order to demonstrate the effects of the accelerometer mass-loading on the dynamics of
 the cutting processes, we compute the stability lobes by using the EMHPM for both accelerometer and vibrometer measurements. The stability lobes plotted in fig. 2 are generated for a ½ inch diameter end mill with 2 teeth, a helix angle of20º, and a radial depth of cut of 0.8 mm.

    As we can see from fig. 2, the stable depth of cut values on the computed stability lobes are strongly influenced by the accelerometer mass load. Accelerometer measurements produce a shift in stability lobes not only on spindle speed direction, but also axial depth direction in comparison with vibrometer measurements. For this reason, unstable predicted cutting conditions are experimentally explored by means of the LDV. The beam was aimed on the top center of the thin wall.

    For a 26,500 rpm spindle speed, the maximum vibration amplitudes were recorded up to 0.3 m/s (fig. 3), with a confirmed stable behavior through the frequency spectrum which corresponded to the tool passing-frequency and its harmonics. On the other hand, an accelerometer-predicted unstable boundary region was explored by LDV OFRF responses (fig. 4). In this case, the velocity amplitude at 30,000 rpm reached 0.6 m/s. The frequency domain exhibits a chatter frequency.

 

Conclusion

     Fig. 5 shows a comparison between the modal parameter values obtained by using both the FRF of the accelerometer and the laser vibrometer recorded data. It can be clearly seen that an accelerometer of 0.6 grams attached to the thin wall workpiece has a significant effect on FRF measurements.

原文出處: Polytec InFocus, Issue 02 2012

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【山衛科技】工具機模態測試與ODS量測技術

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工具機設計最重要就是整體系統的動靜態剛性，有良好的系統動靜態剛性就可以有良好的加工穩定性與精度表現，因此在進行工具機組裝後，一般大都會利用模態測試去驗證整體的穩定性。但模態測試還只能算是靜態的結構驗證，真正應該關心的是工具機在不同作動過程中之結構振動狀態，我們稱之為工作模態(Operational Deflection Shapes,ODS)。ODS所代表的是真正工具機最終的動態特性，因此ODS也能代表工具機最終的整體穩定度與加工精度。本篇主要與大家分享山衛科技所整合各種不同的模態測試與ODS量測解決方案，希望大家可以根據所需選擇最合適的模態激發方式或是量測系統。

測試架構

    整個模態測試所需工具主要包含三大部份，包括訊號的激發、訊號的接收以及訊號處理。訊號激發部份可以選擇使用敲擊槌或是激振器系統。訊號接受部分則可選用雷射干涉儀系統或選擇加速規搭配資料擷取器的組合。後續訊號分析則有模態測試分析與相關性分析兩種。

依據不同需求所需之三種不同量測系統，如下表所示：

I.敲擊槌搭配三軸加速規與CoCo訊號擷取系統

    整個實驗下構如下圖所示，利用敲擊槌激發待測物產生振動訊號，同時利用三軸向加速規進行訊號的量測。三軸加速規所測得之加速度訊號則利用CoCo擷取系統作資料的收集。完成資料收計後進一步利用LMS Test.Lab針對所收集到的資料進行模態分析與相關性分析。

此系統最大優勢在於可以設備簡單且使用訊速，可以最基本的測試方式進行模測試與分析。惟此方式在使用上需具備高度的經驗與技巧才能量測到最正確的結果，另外因為是使用單點激發所以在激發位置的選擇與衝擊力量大小的選擇對於測試結果的影響相當大。

各儀器設備規格如下：

1.敲擊槌

    針對工具機進行模測試所需選擇Dytran 5850B敲擊槌為訊號激發工具。Dytran 5850B有三種不同施力範圍(50 LbF (100 mV/LbF), 500 LbF (10 mV/LbF) and 5000 LbF (1 mV/LbF))可供切換選擇，同時另外包括三種不同的激發頭。

2.加速規

    因應工具機之振動範圍規劃3263A2單顆整合三軸向之加速規作為測試用設備。3263A2加速規其靈敏度為100mv/g，量測範圍50g，重量約5.6克，響應範圍0.3~10000Hz。

3.CoCo訊號擷取系統

    模態測試過程中需完整紀錄實驗測得之訊號，為避免訊號失真因此在動態範圍的選擇上格外重要。為面對現場量測複雜的環境與方便攜帶，因此可選擇CoCo可攜式訊號擷取系統。

    CoCo-80集振動數據採集器、動態信號分析儀和長時間數據記錄儀於一體的便攜式數據採集設備。其動態信號分析(Dynamic Signal Analysis ，DSA)功能適用於所有信號頻率在0~100KHz之間的信號分析應用，這些信號可以來自於機械、電子、地球物理、網絡、通信、液壓等任何感興趣的系統。而振動檢查儀（Vibration Data Collector, VDC）功能主要用於測試分析旋轉機械設備，其提供了一個方便的振動數據採集方式，可以通過預定義的巡檢路徑進行採集，也可以直接現場採集並進行分析。可進行包括通用信號分析、FFT分析、時間記錄、FRF數據採集、警報/中止監測、設備狀態監測、振動巡檢、模態分析和其他很多應用。當在振動檢查儀模式下運行時，可以使用1~4輸入通道。CoCo80的通道1同樣可以被設置為轉速測量通道，從而在採樣旋轉機械或往複式機械的振動數據的同時，對設備轉速進行同步測量。

    此外因為CoCo在通道數上具有相當高的靈活性因此無論是要進行動態信號分析儀（DSA）或振動檢查儀（VDC）都相當合適，在此之前，傳統的DSA產品不適用於VDC市場，主要原因在於DSA產品體積大、功耗高，不便於攜帶。另一方面傳統的VDC產品也不適用於DSA應用，因為其測量通道數少、精度、性能指標較低，而CoCo80是目前唯一能同時適應這兩個市場的產品，無論您要進行振動數據採集或是涉及高級的時間域信號分析，如長時間波形記錄、倍頻程分析或者數字濾波器等，他可以方便地切換到DSA模式進行測試分析。

    LMS Test.Lab與Virtual.Lab進行模態分析與相關性分析

    完成模態測試訊號的蒐集後再來將進到模態分析與相關性分析。模態分析之目的在確定整體振動的振形與頻率，以提供後續問題修正與改善設計之參考。相關性分析主要目的在於驗證FEM分析之結果，利用振形與頻率的相關性分析找出最正確的設定參數以確保分析模性的正確性，此步驟亦是進行CAE分析相當重要的一環。

    此外每一次的模態測試樣本數從數十點到數百點不等，面對如此龐大的數據處理是非常困難且花時間的。因此規劃利用LMS Test.Lab進行結構試驗，它提供完整的解決方案，可以滿足當今機械工業和專業人員各種的需求， 同時為了協助使用者驗證CAE分析結果，LMS Virtual Lab將測試結果做為分析之邊界條件，或是以測試結果套用在分析模型上進行混合工程法分析，提供分析驗證與更精確的分析結果。

II.敲擊槌搭配三軸加速規與LMS Scadas訊號擷取系統

    第二種測試架構與第一種測試架構差異不大，主要不同點在於利用LMS Scadas訊號擷取系統取代原本CoCo80資料擷取系統。目的在於先前所提到每一次的模態測試的測點從數十點到數百點不等，為有效率且正確的處理這些資料最好的方式就是在同一工具平台上系統化的完成訊號擷取、模態分析與相關性分析，因此建議選用LMS Scadas為訊號擷取系統。

1.LMS Scadas

    LMS SCADAS分為實驗室用的SCADAS III與可隨身攜帶的SCADAS Mobile，兩者皆採用模組化設計。模組化的SCADAS III可以從低成本的4通道版本，一直擴充到上千通道；而SCADAS Mobile也可由最低的4通道擴充至40通道。其構造非常靈活，可以完全根據實際需要來精確設定您的系統，例如增加更多的通道，更換訊號處理模組，增強信號處理功能等。

       產品特色

• 採用單一的平台即可用於實驗室和現場測試，並搭配LMS Test Lab.進行資料分析。 
• 為使用者提供最大的測試靈活性及確保測試數據一致性。 
• 卓越的模組化設計和可升級特性。 
• 感測器可直接隨插即用，並可採用分佈式機箱，可縮短實驗設置時間。 
• 具有新一代聲學求解器，運算速度是以往的100倍以上，並支援多CPU平行運算。 
• 支援搭配其他分析軟體的前處理器: 如NASTRAN、PATRAN、ANSYS、ABAQUS、I-DEAS等等。 
• 可搭配LMS Virtual Lab.，作一整串的CAE模型驗證分析，讓您的設計達到最佳化。 
• 無論您想擷取rpm、加速度、速度、力、位移、應力、溫度、聲音，還是扭振，SCADAS III都可以提供解決方案。

       應用領域

• 噪音測量
• 振動測量
• 模態測試
• 機械故障診斷

III.激振器搭配Polytec雷射干涉儀系統量測架構

    若要更進一步探討高頻的振動特性則必須進行全場且高密度的振動訊號量測，建議可選用Polytec雷射都普勒干涉儀針對代測物做掃描。利用Polytec干涉儀進行全場掃描的優勢在於快速且準確，且更重要的是高密度的全場掃描可以探討得到更細微的振動特性，如此將可以對整個系統有更深入的了解。此外為配合雷射掃描技術快速量取的優勢，訊號激發部份規劃利用激振器進行連續的激振。整體實驗架構如下圖所示，利用Polytec雷射干涉儀系統輸出同步訊號驅動激振器，再將激振器安置在工具機熱點位置進行連續性的激振。激振過程利用Polytec雷射干涉儀在待測物表面進行掃描，掃描完成後即可獲得全場的振動振形與自然共振頻率

    在傳統的振動量測技術上，使用加速度規(Accelerometer)來作為感測器(sensor)，在將加速度規緊貼在待測物表面，進行接觸式的振動量測。因接觸而產生質量效應，對小型風扇業造成極大誤差，黏貼不正確亦產生錯誤，耗時費力，且只能單點擷取，大體積代測物質更是百千倍耗時，溫度效應及接觸都將造成限制，非接觸雷射都卜勒振動量測系統正可彌補此種缺陷。

 非接觸式雷射掃描系統與傳統加速規之比較：

1.激振器

    利用激振器對待測物進行模態測試是最簡單且方便的方式。只要找到正確的熱點位置，再搭配激振器可以穩定的提供一致的激振狀態，測試者可以非常容易的了解全場的振動大小相對關係。針對工具機模態測試，因為整個工具機結構較強狀且複雜，因此建議利用兩個以上的激振器同時針對工具機結構進行激振以確保所有模態都被激發出來。

    規畫使用之微型激振器為電磁式振動系統，由電磁激振器及高功率放大器以及多功能控制器組成。此微型激振器系統具有穩定力輸出、容易操作與高信賴度等特點能夠符合各種振動測試要求。

       功能說明

• 共振頻率搜尋
• 共振頻頻消除（偏移）展示
• 減振、吸振效果展示
• 隨機振動特性說明
• ESS振動展示
• 內涵四組獨立正弦控制器

       規格說明

2.Polytec雷射都普勒干涉儀

    PSV-400掃瞄式分析系統核心為都卜勒振動儀-能得到高精確度結構振動速度與位移的傳感器，這項科技就是基於都卜勒效應(Doppler-effect)，感測由移動平面反射的光頻率變化快速得到結果，不會受到質量效應影響。光學非接觸技術對於高熱平面、旋轉物件另外也能克服以往傳統振動量測技術限制。

       特點說明

• 24MHz超高的頻寬範圍
• 量測後可得到結構振動之位移、速度與加速度
• 不受質量效應影響
• 類比及數位訊號輸出
• 可達100 m遠距離量測範圍
• 對人眼安全之可見雷射
• 光學技術提供高精度可靠結果
• 快速得到量測數據(最快每秒掃描50個點)
• 得到工作振型後可匯入模態分析軟體進行結構分析

       硬體規格說明

• 頻寬: 40kHz
• 頻道數: 2
• 最大量測速度: 10m/s
• 最短工作距離: 350mm
• 最小雷射光點: 58μm
• 彩色CCD，4x數位變焦，18x光學變焦
• 遙控影像對焦
• ± 20°雷射光移動範圍
• 自動雷射對焦

       軟體規格說明

• 時域、頻域資料的擷取
• 數位濾波、訊號平均功能、實時積/微分(時域、頻域)
• 進階的Peak Hold與signal enhancement功能可減少 drop-out現象
• H1, H2, FRF, phase and coherence functions計算顯示
• 量測結果可顯示為pseudo-colors, isolines和wire mesh
• 與攝影影像疊合，振動動畫可存成AVI格式的動畫檔案。 
• 最多256 x 256 掃描格點分布，3200 FFT線 
• 振動資料可以匯出UFF格式，其格式支援ME’Scope, LMS, SDRC (MTS), Star Modal 與其他模態分析軟體。

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