利用示波器FFT功能簡(jiǎn)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(cè)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(cè)量經(jīng)驗(yàn)的工程師也只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的加速計(jì)和連線就可以設(shè)定、測(cè)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(duì)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(jiǎn)單的測(cè)試臺(tái)(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(cè)試臺(tái)上安裝一個(gè)實(shí)際測(cè)量使用的加速計(jì)，然后用一個(gè)擊錘敲打臺(tái)面，再用Tektronix TDS系列便攜式示波器捕獲振蕩信號(hào)(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(cè)量范圍和觸發(fā)設(shè)定進(jìn)行多次試驗(yàn)后，我們逐漸對(duì)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(duì)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(tái)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?cè)谧约汗S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(cè)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(cè)試來確認(rèn)FEA的結(jié)果才是最根本的。

為了完成測(cè)試，我們請(qǐng)來一位專家并使用四通道信號(hào)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(cè)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(hào)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(duì)自己的FFT圖形已有很熟悉的感性認(rèn)識(shí)，因此可對(duì)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(qǐng)那些高級(jí)專家和購(gòu)買昂貴測(cè)試儀器前可用來做很多基本的事情，例如現(xiàn)在我們用簡(jiǎn)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(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(hào)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(hào)。圖3是激發(fā)的波形(不是FFT波形)，用示波器自動(dòng)頻率測(cè)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?cè)赟UV測(cè)試車上裝一個(gè)儀器做動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)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(cè)試時(shí)我們將它裝在SUV測(cè)試車弓頂梁中間位置，直接測(cè)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(cè)試設(shè)備結(jié)果偏大，因此測(cè)試結(jié)束后我們決定采用另外一種測(cè)試方法。

在第二個(gè)測(cè)試車中，我們將測(cè)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(cè)量POI的本征頻率和阻尼，并在汽車底盤不同的位置測(cè)量加速度。POI本征頻率測(cè)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(duì)結(jié)果不會(huì)有什么影響。

這些結(jié)果后來也得到了信號(hào)分析儀和FEA工具的驗(yàn)證。示波器對(duì)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(duì)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。