Prüfen oder prüfen lassen

Exklusiv in KEM Die Autoren sind Jörg Sauer, Produktmanagement Vibrometrie bei der Polytec GmbH, und Ellen-Christine Reiff, Fachjournalistin beim Redaktionsbüro Stutensee

Obwohl heute nahezu jedes Produkt am Bildschirm entsteht und leistungsfähige Modelle es erlauben, wichtige Produkteigenschaften präzise zu gestalten und vorherzusagen, ist nach wie vor die Analyse des Prototypen unverzichtbar und der Prüfstein für jedes Modell. Da sich die tatsächlichen dynamischen Eigenschaften anhand der optischen Schwingungsanalyse zuverlässig ermitteln lassen, sind Scanning-Vibrometer überall dort ein wichtiges Testinstrument, wo die dynamischen und akustischen Eigenschaften zu den wesentlichen Qualitätsmerkmalen der Produkte gehören.

Das Verfahren, das sich für Modaltests großer Strukturen ebenso eignet wie für Schwingformanalysen kleinerer Geräte, basiert auf der Laser-Doppler-Vibrometrie. Bei dieser werden aus dem von einer schwingenden Struktur zurückgestreuten Laserlicht die Schwingfrequenz und die -amplitude bestimmt. Bei einem Scanning-Vibrometer ist das Laser-Doppler-Vibrometer nun mit einer Scanner-Spiegel-Einheit und einer Videokamera in einem Messkopf integriert. Während der Messung scannt der Laserstrahl die Oberfläche des Messobjekts und liefert eine räumlich hochaufgelöste Reihe von Einzelpunktmessungen. Diese sequenziell gemessenen Schwingungsdaten werden zu einem gemeinsamen flächenhaften Datenmodell zusammengesetzt und lassen sich dann je nach Applikation entsprechend auswerten.

Gegenüber klassischen Verfahren, bei denen Beschleunigungssensoren an der zu prüfenden Struktur angebracht werden müssen, ergeben sich dadurch gleich eine ganze Reihe von Vorteilen. Bei Modaltestmessungen zum Abgleich von FE-Simulationsmodellen – z. B. in der Kfz-Technik – werden in der Regel zwischen 40 und 400 Sensoren an exakt berechneten Stellen aufgeklebt und für die Messung präzise in allen drei Dimensionen ausgerichtet. Dabei müssen die sogenannten Euler-Winkel bestimmt werden, um speziell an gekrümmten Flächen die Messrichtung der Sensoren mit dem Koordinatensystem des Messobjekts abzugleichen. Montage und Justage beanspruchen aber nicht nur viel Zeit, sondern bergen auch Fehlerpotenzial, da sich selbst sehr kleine Ungenauigkeiten bei Platzierung und Ausrichtung der Sensoren als Messfehler widerspiegeln. Gleichzeitig verändern die Sensoren die Masse des Messobjektes, was es ebenfalls zu berücksichtigen gilt, und die Anzahl der Sensoren lässt sich nicht beliebig steigern.

Der Laserstrahl eines Scanning-Vibrometers dagegen hat keine Masse, die Anzahl der Messpunkte ist theoretisch beliebig groß; die entsprechenden Geometriedaten lassen sich von Finite-Elemente-Netzen aus der Simulation oder der CAD-Zeichnung direkt in die Software des Messsystems übernehmen. Sie werden dann über ein integriertes Abgleichverfahren mit dem realen Messobjekt zur Deckung gebracht. Die auf diese Weise gewonnenen Messergebnisse sind genauer, aussagekräftiger und beanspruchen deutlich weniger Zeit.

Eine interessante Alternative zum eigenen Prüfraum bietet jetzt die Polytec GmbH, in Waldbronn bei Karlsruhe ansässiger Spezialist für optische Messtechnik. 2012 hat das Unternehmen durch umfangreiche Neubauten seine Nutzfläche erweitert und damit die Voraussetzung für ein beeindruckendes Testlabor geschaffen, das Anwender aus Industrie und Forschung nutzen können. Hinter dem futuristischen Namen RoboVib-Center verbirgt sich ein Messlabor mit komplett ausgestatteter Akustikhalle und der zurzeit wohl weltweit leistungsfähigsten Anlage zur vollautomatischen Schwingungsmessung. Dort lassen sich Baugruppen, Komponenten und sogar ganze Fahrzeuge innerhalb kurzer Zeit überprüfen.

Einen typischen Testablauf etwa für eine Fahrzeugkarosserie kann man sich folgendermaßen vorstellen: Als Erstes wird der Prüfling für die Messung im Testraum platziert. Für die exakte Ausrichtung lassen sich die notwendigen Daten aus dem FE-Modell generieren; sie werden mit Referenzpunkten am Messobjekt abgeglichen. Die Roboterpositionen werden entsprechend eingelernt. Der eigentliche Testzyklus läuft dann vollautomatisch ab. Die Laser-Abtastköpfe vermessen die Positionen, die im Prüfprogramm festgelegt sind. Die Basis dafür liefern das FE-Modell und die Kameraaufnahme des Prüflings, die zuvor miteinander abgeglichen wurden und nun die Grundlage für die Positionierung der Prüfpunkte liefern. Bei dem Karosserie-Beispiel sind das knapp 1100 Messpunkte, also weit mehr, als sich bei konventionellen Tests mit geklebten Beschleunigungssensoren realisieren lassen. Beaufsichtigen muss man die Testphase nicht, sie kann also außerhalb der Geschäftszeiten laufen. Danach stehen die Testdaten zur Ansicht und Analyse bereit; die sequenziell gemessenen Schwingungsdaten lassen sich direkt in die Modalanalyse-Software exportieren und beliebig weiterverarbeiten.

Die Praxis zeigt, dass sich die Testdauer inklusive Vorbereitung mit RoboVib um bis zu 90 % verkürzen lässt. Aus Wochen werden Tage und aus Tagen Stunden. Diese Vorteile kann man natürlich auch bei Serienmessungen nutzen, die als Vorbereitung für spätere Qualitätsmessungen gebraucht werden. Staubsauger oder andere Weißware-Artikel liefern dafür typische Beispiele. RoboVib kann damit in vielen Bereichen bei der effizienten Lösung von Schwingungsproblemen und bei der Validierung von strukturdynamischen Simulationen entscheidend helfen, im Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbau ebenso wie in der Mikrosystem- und Datentechnik sowie ganz allgemein in der Qualitäts- und Produktionskontrolle. I

Polytec GmbH, Waldbronn

Jörg Sauer, Produktmanagement Vibrometrie Tel.: 07243 69944 j.sauer@polytec.de www.polytec.de

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