Laser-Scanning-Vibrometer misst kritische Größen beim Einlippenbohren

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Das tatsächliche dynamische Systemverhalten wird ermittelt, indem für jeden Messpunkt des Systems die Übertragungsfunktion bestimmt wird. Dabei wird die zu untersuchende Struktur mit einer geeigneten Erregerquelle angeregt und die Systemantwort für jeden Messpunkt gemessen. Die im Zeitbereich gemessenen Signale werden mit Hilfe der Fast-Fourier-Transformation in den Frequenzbereich transformiert und ergeben, jeweils auf das Referenzsignal bezogen, ein System von Übertragungsfunktionen.

Mess-Signale ermitteln Eigenfrequenz, Dämpfung und Eigenform

Daraus können die modalen Parameter Eigenfrequenz, Dämpfung und Eigenform ermittelt werden. Bei einem Bohrvorgang ist ein Frequenzbereich von maximal 5000 Hz von Bedeutung. Für die Beschreibung des dynamischen Verhaltens einer Struktur ist daher eine endliche Anzahl von Eigenschwingungen ausreichend, die für tiefere Frequenzen eine Resonanzüberhöhung in den Frequenzgängen aufweisen.

Die Laservibrometrie ist ein berührungsloses, optisches Messverfahren für mechanische Schwingungsvorgänge. Das Messprinzip basiert auf der optischen Frequenzverschiebung, die ein Laserstrahl bei der Streuung im Messpunkt einer schwingenden Struktur erfährt. Das Verfahren ist rückwirkungsfrei und erlaubt auf zahlreichen Applikationsgebieten die Anwendung auf empfindlichen Strukturen und Komponenten, wo die Objekteigenschaften und Umgebungsparameter taktile Sensorik nicht zulassen.

Insbesondere die Laser-Doppler-Vibrometrie hat sich dafür als berührungslos arbeitendes messtechnisches Verfahren zum Erfassen von Strukturschwingungen etabliert. Dabei führt die Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger von elektromagnetischen Wellen und damit auch von Lichtwellen zu einer geschwindigkeitsabhängigen Frequenz- oder Wellenlängenänderung.

Scanning-Vibrometer erfassen flächenhafte Schwingungen

Für flächenhafte Schwingungsmessungen werden Scanning-Vibrometer eingesetzt. Bei diesem Scanning-Verfahren wird die Abtastung für viele Messpunkte auf der Objekt-oberfläche in rascher Abfolge durchgeführt (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Durch das Scannen des Laserstrahls über die Oberfläche des Objekts wird mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung sequenziell eine Reihe von Einzelpunktmessungen generiert. Aus diesen Schwingungsdaten lassen sich entweder im Zeitbereich der simultane Bewegungsablauf der Struktur oder aus der Analyse im Frequenzbereich die Betriebsschwingungsformen für die zu untersuchenden Frequenzbänder bestimmen und visualisieren.

Sequenziell durchgeführte Messungen können unter der Voraussetzung kombiniert werden, dass der Schwingungsvorgang exakt wiederholbar ist. Dies kann durch ein Triggersignal erreicht werden, welches von einem Shaker in individuell definierten Frequenzbändern erzeugt wird.

Laser-Scanning-Vibrometer der Firma Polytec zur Schwingungsmessung eingesetzt

Im Rahmen der am IWF durchgeführten Schwingungsmessungen wurde für die Bestimmung der modalen Parameter Eigenfrequenz ω0 und Nachgiebigkeit N(ω) der Einlippenbohrer ein Laser-Scanning-Vibrometer der Firma Polytec eingesetzt. Als Messobjekte der experimentellen Modalanalyse wurden Einlippenbohrer mit Vollhartmetallkopf (Umfangsform C) und 11,76 mm Ø und 7,22 mm Ø eingesetzt. Die Bohrerschäfte und Spannhülsen (Toleranz: Ø 20 g6) bestanden aus Vergütungsstahl und die Gesamtlänge der Einlippenbohrer betrug 335 mm.

Um Biege- und Torsionsschwingungen bei der experimentellen Modalanalyse ermitteln zu können, war es zunächst erforderlich, ein geeignetes Raster zur Festlegung der Messpunkte zu definieren. Dafür wurde eine mäanderförmige Anordnung der Messpunkte gewählt, die nacheinander durch den Laserstrahl abgescannt wurden. Die jeweils direkt senkrecht in einer Reihe liegenden Messpunkte befanden sich dabei ohne Anregung in einer Ebene.

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