利用示波器FFT功能簡化振動(dòng)分析

無論是普通消費(fèi)品還是工業(yè)機(jī)械，振動(dòng)分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中都是必不可少的一步。設(shè)計(jì)工程師需要了解并解決振動(dòng)帶來的影響，以確保產(chǎn)品的壽命、安全性和可靠性。過去完成這項(xiàng)工作要用昂貴復(fù)雜的工具，使得振動(dòng)分析需要富有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員才能完成，本文介紹用普通帶FFT功能的示波器進(jìn)行振動(dòng)分析，一般機(jī)械工程師稍加訓(xùn)練即可完成這項(xiàng)任務(wù)。

具有快速傅立葉變換(FFT)功能的低價(jià)位示波器是一種功能齊全而又使用方便的工具，它可以幫助機(jī)械工程師確定被測物的本征頻率、共鳴峰值、頻率范圍及衰減曲線等，即使沒有多少電子測量經(jīng)驗(yàn)的工程師也只需幾個(gè)簡單的加速計(jì)和連線就可以設(shè)定、測量和分析產(chǎn)品的振動(dòng)特性。

它物理現(xiàn)象的頻率分析，但示波器對機(jī)械工程師來說還不是很熟悉，尤其是那些旋鈕和按鍵，我們采用了一種簡單的測試臺(圖1)和一個(gè)振蕩響應(yīng)“教材”(圖2)使這個(gè)問題得到很好的解決。首先在測試臺上安裝一個(gè)實(shí)際測量使用的加速計(jì)，然后用一個(gè)擊錘敲打臺面，再用Tektronix TDS系列便攜式示波器捕獲振蕩信號(即加速計(jì)的輸出)，從中可以看到波形、FFT結(jié)果以及錘子重量、打擊力度等造成的振蕩效果。改變示波器測量范圍和觸發(fā)設(shè)定進(jìn)行多次試驗(yàn)后，我們逐漸對工作儀器的響應(yīng)情況越來越熟悉。

制造系統(tǒng)應(yīng)用

我們接到一個(gè)任務(wù)要求為SMT電阻設(shè)計(jì)精密激光切割系統(tǒng)，此時(shí)我們面臨著雙重挑戰(zhàn)。首先，激光定位精度在偏差要求上比前一代產(chǎn)品高，數(shù)以百計(jì)的一個(gè)個(gè)電阻排列在半張名片大小的陶瓷基片上，所以定位要求絕對穩(wěn)定一致，以便準(zhǔn)確地在元件上面進(jìn)行“點(diǎn)劃線”切割。其次，定位是在一個(gè)系統(tǒng)下進(jìn)行，又大又重的裝載和運(yùn)輸工具不斷在不同工作臺面移動(dòng)，因此這又是一個(gè)與振動(dòng)有關(guān)的問題。

激光切割系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)過程與我們以前的項(xiàng)目沒有太大不同，用以前經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)和3D模型軟件來模擬必需的機(jī)械裝置，另外再用有限元分析(FEA)工具構(gòu)造一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型和諧波系列。根據(jù)這些信息，我們在自己工廠內(nèi)部裝配了一個(gè)和實(shí)物一樣大小的原型。

下一步就是在系統(tǒng)上面不同的點(diǎn)測量振動(dòng)情況。FEA采用的是3D CAD純數(shù)學(xué)模型，它僅僅給出視覺效果。雖然我們知道FEA的結(jié)果很精確，但要用硬件測試來確認(rèn)FEA的結(jié)果才是最根本的。

為了完成測試，我們請來一位專家并使用四通道信號分析儀和一批加速計(jì)，我們把示波器與兩個(gè)傳感器連接，這兩個(gè)傳感器則裝在被測系統(tǒng)上。Tektronix TDS系列示波器雖然是一種經(jīng)濟(jì)型示波器，卻具有強(qiáng)大的FFT特性，其功能可從前面板激發(fā)。

沖擊錘實(shí)驗(yàn)告訴了我們想知道的一切，示波器的FFT結(jié)果與那些專門信號分析儀的結(jié)果相吻合，相差只有幾個(gè)百分點(diǎn)，因而也與有限元分析相吻合。由于我們以前對自己的FFT圖形已有很熟悉的感性認(rèn)識，因此可對顯示結(jié)果中的相似之處做出解釋。

當(dāng)然，F(xiàn)FT不能像FEA那樣產(chǎn)生工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式振蕩分析結(jié)果，但是我們證明它可以提供很好的相關(guān)數(shù)據(jù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)能用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行最初驗(yàn)證。示波器作為一種工具，在花錢雇請那些高級專家和購買昂貴測試儀器前可用來做很多基本的事情，例如現(xiàn)在我們用簡單具有FFT功能的示波器及自己的工程師就可以確認(rèn)我們的FEA模型是正確的。

汽車產(chǎn)品振動(dòng)研究

我們還用示波器分析了一個(gè)完全不同的振動(dòng)項(xiàng)目，該項(xiàng)目要求我們測量在汽車前座上方的弓頂支撐梁上裝設(shè)一個(gè)專為汽車設(shè)計(jì)的DVD播放機(jī)后產(chǎn)生的應(yīng)力和偏差，并估計(jì)其疲勞壽命。播放機(jī)重約五磅，制造商希望確保在日常行駛中它不會(huì)掉下來。

我們第一步需要得到描述弓頂梁本征頻率的一些基本數(shù)據(jù)，由于商業(yè)競爭的關(guān)系，汽車制造商很少提供這方面的信息，所以我們不得不又用到?jīng)_擊錘和示波器。錘子的壓電輸出提供一個(gè)信號觸發(fā)示波器，以獲取裝在橫梁上的加速計(jì)產(chǎn)生的信號。圖3是激發(fā)的波形(不是FFT波形)，用示波器自動(dòng)頻率測量功能得到的數(shù)據(jù)顯示它的本征頻率是47.4Hz，阻尼系數(shù)為0.29。

下一步，我們在SUV測試車上裝一個(gè)儀器做動(dòng)態(tài)測試，這樣做的目的是想得到在弓頂梁的本征頻率下，加載3G動(dòng)態(tài)負(fù)載后最壞情形的邊緣條件數(shù)據(jù)，將這些信息與用其它方法得到的結(jié)果聯(lián)系起來，就構(gòu)成了估計(jì)等效靜態(tài)負(fù)載的基礎(chǔ)。這也是客戶所需要的數(shù)據(jù)，可用來驗(yàn)證新設(shè)計(jì)以及在汽車頂上安裝DVD播放機(jī)后的情況。

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的測試裝置應(yīng)有五磅重，離心力臂設(shè)計(jì)成以不同的速度旋轉(zhuǎn)，最高為100RPM。最初測試時(shí)我們將它裝在SUV測試車弓頂梁中間位置，直接測量關(guān)注點(diǎn)(POI)的加速度和偏移。雖然開始時(shí)這個(gè)信息很有用，但是我們的最終目的是要了解整個(gè)汽車底盤的加速度和偏移以及它們與POI的相互關(guān)系。由于在弓頂梁直接安裝測試設(shè)備結(jié)果偏大，因此測試結(jié)束后我們決定采用另外一種測試方法。

在第二個(gè)測試車中，我們將測試設(shè)備安裝在轎車車廂里，這樣可以更真實(shí)地模擬車輛行駛過程中的實(shí)際振動(dòng)情況。我們用示波器測量POI的本征頻率和阻尼，并在汽車底盤不同的位置測量加速度。POI本征頻率測試的FFT如圖4所示，這里峰值產(chǎn)生在85Hz及以上的頻率，圖形右邊的大毛刺超出了我們研究的范圍，對結(jié)果不會(huì)有什么影響。

這些結(jié)果后來也得到了信號分析儀和FEA工具的驗(yàn)證。示波器對于縮小我們振動(dòng)研究的范圍起了重要的作用，同時(shí)FFT提供給一個(gè)初始結(jié)果，這些結(jié)果可以用在我們的設(shè)計(jì)過程中。對整個(gè)底盤加速度的研究數(shù)據(jù)表明，它與弓頂梁的本征頻率間有一定的相互關(guān)系，當(dāng)?shù)妆P上有加速度存在時(shí)，POI上也可以得到加速度，圖5表示了這種關(guān)系。