탭 테스트를 통한 가공 잡담 방지:정확한 안정성 맵 구축

탭 테스트에서는 계측용 해머를 사용하여 구조물을 자극하고 가속도계와 같은 변환기로 진동 응답을 측정합니다. 이 테스트의 목적은 선택한 기계 구조에 대한 주파수 응답 함수(FRF)를 식별하는 것입니다. FRF가 주어지면 채터링을 생성하는 스핀들 속도와 축 깊이의 조합(즉, 파란색 경계 위)과 그렇지 않은 조합(경계 아래)을 분리하는 안정성 맵을 계산할 수 있습니다. 이를 통해 시행착오 없이 안정적인 가공 매개변수를 선택할 수 있습니다. 그림 1을 참조하세요.

그림 1:밀링 안정성 맵. 출처(모든 수치):Tony Schmitz

FRF를 측정하는 데 필요한 기본 하드웨어는 다음과 같습니다.

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• 원하는 주파수 범위(또는 대역폭)에 걸쳐 알려진 힘 입력을 위한 메커니즘
• 필요한 대역폭을 갖춘 진동 측정용 변환기
• 시간 영역 힘과 진동 입력을 기록하고 이를 원하는 FRF로 변환하는 동적 신호 분석기

동적 신호 분석기에는 시간 영역 힘과 진동 신호에 대한 입력 채널이 포함되어 있으며 이러한 신호의 푸리에 변환을 계산하여 주파수 영역으로 변환합니다. 그런 다음 주파수 영역 진동 신호와 주파수 영역 힘 신호의 비율을 계산합니다. 이 비율이 FRF입니다. 설정의 개략도는 그림 2에 나와 있습니다. 여기에는 변위 x의 형태를 취할 수 있는 시간 영역 힘과 진동이 포함됩니다. , 속도, ẋ , 또는 가속도, ẍ , 각각에 대한 입력 및 증폭기. 증폭기는 신호의 진폭을 높이는 데 사용됩니다. 힘과 진동은 시간에 따라 연속되는 아날로그 신호입니다. 그러나 분석기로 이러한 신호를 기록하려면 작은 시간 간격으로 샘플링하거나 디지털화해야 합니다. 이 프로세스는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 완료됩니다. 그런 다음 이러한 디지털 신호는 동적 신호 분석기에 의한 FRF 계산에 사용됩니다. 진동 입력 유형에 따라 FRF는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

• 수용 또는 순응 – 힘에 대한 변위의 비율
• 이동성 – 힘에 대한 속도의 비율
• 가속도 또는 관성 – 힘에 대한 가속도의 비율

그림 2:FRF 측정 설정의 도식

힘 여기에는 세 가지 일반적인 유형이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 고정 주파수 사인파 – FRF는 한 번에 하나의 주파수로 결정됩니다. 원하는 대역폭 내의 각 주파수에서 정현파 힘이 적용되고 힘 입력에 대한 응답이 짧은 시간 간격에 걸쳐 평균화되어 FRF가 계산됩니다. 이를 사인 스위프 테스트라고 합니다.
• 무작위 신호 – 무작위 신호의 주파수 성분은 광대역(백색 잡음)이거나 제한된 범위로 잘릴 수 있습니다(핑크 잡음). 고정된 시간 동안의 평균화가 다시 적용되지만 선택한 대역폭 내의 모든 주파수는 단일 테스트에서 여기됩니다.
• 충동 – 짧은 기간의 충격을 사용하여 구조를 자극하고 해당 응답을 측정합니다. 이 접근 방식을 사용하면 짧은 단일 테스트에서 광범위한 주파수를 자극할 수 있습니다. 여러 테스트는 일반적으로 일관성이나 힘과 진동 신호 간의 상관 관계를 개선하기 위해 주파수 영역에서 평균을 냅니다.

이러한 다양한 힘을 생성하기 위해 두 가지 일반적인 유형의 힘 입력 하드웨어가 적용됩니다:

• 셰이커 – 이러한 시스템에는 조화롭게 구동되는 전기자와 베이스가 포함됩니다. 전기자는 자기 코일이나 유압력에 의해 축을 따라 작동될 수 있습니다. 자기 코일 또는 전기 역학 구성은 수십에서 수천 뉴턴의 힘 수준으로 수십 kHz의 여기 주파수를 제공할 수 있습니다(힘이 증가하면 일반적으로 주파수 범위가 낮아짐을 의미함). 유압 셰이커는 정적 예압(즉, 평균 또는 평균 힘이 0이 아님)의 가능성이 있는 높은 힘을 제공하지만 상대적으로 낮은 주파수 범위를 제공합니다. 두 경우 모두 힘은 종종 스팅거 또는 축 장력과 압축을 지원하지만 굽힘이나 전단을 지원하지 않는 가느다란 막대를 통해 관심 구조에 적용됩니다. 이렇게 하면 힘이 한 방향으로만 적용됩니다. 입력 힘을 측정하기 위해 로드 셀이 설정에 통합되어 있습니다. 그림 3을 참조하세요.
• 충격 망치 – 임팩트 해머에는 해머 타격 중 입력되는 힘을 측정하기 위해 금속, 플라스틱 또는 고무 팁에 위치한 힘 변환기가 통합되어 있습니다. 해머를 진동 변환기와 함께 사용하는 경우 측정 절차를 탭 테스트라고 합니다. 구조물에 입력되는 에너지는 해머 질량의 함수입니다. 질량이 클수록 더 많은 에너지를 제공합니다. 따라서 다양한 크기를 사용할 수 있습니다. 또한 힘 입력의 여기 대역폭은 질량과 팁 강성에 따라 달라집니다. 팁이 더 뻣뻣할수록 더 넓은 주파수 범위를 자극하는 경향이 있지만 입력 에너지도 더 넓은 범위로 분산됩니다. 부드러운 팁은 더 낮은 주파수 범위에 걸쳐 에너지를 집중시킵니다. 단단한 플라스틱 및 금속 팁은 더 높은 강성을 제공하는 반면, 고무 팁은 감소된 강성을 제공합니다.

그림 3:셰이커 설정.

진동 변환기는 비접촉식과 접촉식으로 모두 제공됩니다. 커패시턴스 프로브 및 레이저 진동계와 같은 비접촉 변환기는 구조 역학에 영향을 미치지 않기 때문에 선호되지만 가속도계와 같은 접촉 유형은 구현하기 더 편리한 경우가 많습니다. 절충안으로 저질량 가속도계를 사용하여 테스트 구조에 대한 영향을 최소화할 수 있습니다. 왁스, 접착제, 자석 또는 나사형 스터드를 사용하여 관심 위치에 부착한 후 테스트가 완료되면 제거합니다.

그림 4:탭 테스트의 핵심 요소.

그림 4는 탭 테스트의 핵심 요소를 식별합니다. 왼쪽 아래 사진은 도구 팁을 두드리는 데 사용되는 망치와 진동 응답을 측정하는 데 사용되는 가속도계(도구 팁에 왁스가 부착된)를 보여줍니다. 맨 위 행에는 힘과 진동에 대한 시간 응답이 표시됩니다. 탭이 짧은 지속 시간의 힘 입력을 생성하는 것을 볼 수 있습니다. 이 힘으로 인해 공구는 진폭이 감소하면서 진동합니다(댐핑으로 인해). 가운데 행은 이러한 신호를 주파수 영역으로 변환한 것을 보여줍니다. 탭은 광범위한 주파수를 자극합니다. 맨 아래 행에는 FRF가 표시됩니다. 이 플롯에서 각 진동 모드에 대한 고유 진동수, 강성 및 감쇠비를 식별할 수 있습니다.