タップテストで加工ビビリを防止:正確な安定性マップを構築

タップテストでは、計測器付きハンマーを使用して構造物を励起し、加速度計などのトランスデューサーで振動応答を測定します。このテストの目的は、選択した機械構造の周波数応答関数 (FRF) を特定することです。 FRF を考慮すると、びびりを発生させる主軸速度と軸方向深さの組み合わせ (つまり、青色の境界より上) とそうでないもの (境界より下) を区別する安定性マップを計算できます。これにより、試行錯誤することなく、安定した加工パラメータを選択することができます。図 1 を参照してください。

図 1:加工安定性マップ。 出典 (すべての図):トニー・シュミッツ

FRF の測定に必要な基本的なハードウェアは次のとおりです。

注目のコンテンツ

• 所望の周波数範囲（または帯域幅）にわたる既知の力入力のためのメカニズム
• やはり必要な帯域幅を備えた振動測定用のトランスデューサー
• 時間領域の力と振動の入力を記録し、これらを目的の FRF に変換するダイナミック シグナル アナライザー

ダイナミック信号アナライザには、時間領域の力および振動信号の入力チャネルが含まれており、これらの信号のフーリエ変換を計算して周波数領域に変換します。次に、周波数領域の振動信号と周波数領域の力の信号の比率を計算します。この比率が FRF です。セットアップの概略図を図 2 に示します。これには時間領域の力と振動が含まれており、変位 x の形をとる可能性があります。 、速度、ẋ 、または加速度、ẍ 、それぞれの入力とアンプ。アンプは信号の振幅を増加させるために使用されます。力と振動は時間的に連続するアナログ信号です。ただし、これらの信号をアナライザーで記録するには、短い時間間隔で信号をサンプリングするか、デジタル化する必要があります。このプロセスは、アナログ デジタル コンバーター (ADC) を使用して完了します。これらのデジタル信号は、ダイナミック シグナル アナライザによる FRF 計算に使用されます。振動入力のタイプに基づいて、FRF は次のように表されます。

• 受容性または遵守 – 変位と力の比率
• 可動性 – 速度と力の比
• 加速度または慣性 – 力に対する加速度の比

図 2:FRF 測定セットアップの概略図。

力の励起には一般的に 3 つのタイプがあります。これらには以下が含まれます:

• 固定周波数正弦波 – FRF は一度に 1 つの周波数ごとに決定されます。所望の帯域幅内の各周波数で、正弦波の力が適用され、力入力に対する応答が短い時間間隔で平均化され、FRF が計算されます。これはサインスイープテストと呼ばれます。
• ランダム信号 – ランダム信号の周波数成分は、広帯域 (ホワイト ノイズ) である場合もあれば、限られた範囲に切り詰められている (ピンク ノイズ) 場合もあります。一定期間にわたる平均が再び適用されますが、選択した帯域幅内のすべての周波数が 1 回のテストで励振されます。
• 衝動 – 短時間の衝撃を使用して構造を励起し、対応する応答を測定します。このアプローチにより、1 回の短いテストで広範囲の周波数を励起することができます。通常、複数のテストは周波数領域で平均化され、コヒーレンス、つまり力信号と振動信号の間の相関関係が向上します。

これらの異なる力を生成するには、2 つの一般的なタイプの力入力ハードウェアが適用されます。

• シェイカー – これらのシステムには、調和的に駆動されるアーマチュアとベースが含まれています。アーマチュアは、磁気コイルまたは油圧力によってその軸に沿って駆動され得る。磁気コイルまたは電気力学的構成は、数十から数千ニュートンの力レベルで数十 kHz の励起周波数を提供できます (力の増加は通常、周波数範囲の低下を意味します)。油圧シェーカーは、静的な予荷重の可能性を伴う高い力を提供しますが (つまり、平均の力はゼロではありません)、周波数範囲は比較的低くなります。どちらの場合でも、力は多くの場合、軸方向の張力と圧縮をサポートするが、曲げやせん断はサポートしないスティンガー、または細いロッドを介して対象の構造に適用されます。これにより、力が単一方向にのみ適用されることが保証されます。入力力を測定するためにロードセルがセットアップに組み込まれています。図 3 を参照してください。
• インパクトハンマー – インパクトハンマーには、ハンマー打撃中に入力される力を測定するために、金属、プラスチック、またはゴムの先端に配置された力変換器が組み込まれています。ハンマーを振動トランスデューサーと組み合わせて使用​​する場合、測定手順はタップテストと呼ばれます。構造物に入力されるエネルギーはハンマーの質量の関数です。質量が大きいほど、より多くのエネルギーが供給されます。そのため、多くのサイズが用意されています。また、力入力の励起帯域幅は質量と先端の剛性に依存します。先端が硬いほど、より広い周波数範囲を励振する傾向がありますが、入力エネルギーもこのより広い範囲に広がります。柔らかいチップは、より低い周波数範囲にエネルギーを集中させます。硬質プラスチックと金属のチップは剛性が高くなりますが、ゴム製のチップは剛性が低くなります。

図 3:シェーカーのセットアップ。

振動トランスデューサには非接触型と接触型の両方があります。静電容量プローブやレーザー振動計などの非接触トランスデューサは、構造のダイナミクスに影響を与えないため好まれますが、多くの場合、加速度計などの接触タイプの方が実装に便利です。妥協策として、低質量の加速度計を使用して、テスト構造への影響を最小限に抑えることもできます。ワックス、接着剤、磁石、またはネジ付きスタッドを使用して対象の場所に取り付けられ、テストが完了したら取り外されます。

図 4:タップ テストの主要な要素。

図 4 は、タップ テストの主要な要素を示しています。左下の写真は、ハンマーで工具の先端をたたき、加速度計（工具の先端にワックスを付けたもの）を使用して振動応答を測定している様子を示しています。上の行には、力と振動の時間応答が表示されます。タップによって短時間の力入力が生成されることがわかります。この力により、工具は減衰する振幅で振動します (減衰により)。中央の行は、これらの信号の周波数領域への変換を示しています。タップは広範囲の周波数を励起します。一番下の行には FRF が表示されます。このプロットから、各振動モードの固有振動数、剛性、減衰比を特定できます。