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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

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/466-polytec-improving-machining-techniques
 

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。

polytec    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.
Laser measurements versus accelerometer measurement    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.
Stability diagrams for the FRF using both devices    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.
Stable cutting at 26,500 rpm    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.
Unstable cutting at 30,000 rpm
    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.
First dominant frequencies measured with both laser sensor and an accelerometer 

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




【山衛科技】工具機模態測試與ODS量測技術

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/467-456-news-tech-news-tw-2014-12-01-ods-machine-tool

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。

operational-deflection-shapes

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:
table-1

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。
experimental-modal-testing-framework
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。

dytran-5850b-mallet-percussion2.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。
3263a-the-tri-axial-accelerometer

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。
coco-signal-acquisition-system

    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。
lms-test-lab-modal-analysis
lms-virtual-lab-correlation-analysis

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。
lms-scadas-signal-acquisition-system
       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experimental-modal-testing-framework
    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:
table-2

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exciter
    • 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
table-3

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。
psv-400
       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。