CN105571796A - 一种微小部件工况下的模态测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模态测试技术领域，公开了一种微小部件工况下的模态测试方法。该模态测试方法先通过有限元仿真了解微小零部件工况情况下的振型和频率，针对所关心的振型，借助高速摄像仪的高速拍摄能力记录下受激励后的被测部件的振动情况，后期从慢速播放的振动过程中分析被测部件的振型以及记录1秒钟内被测部件出现该振型的次数，将测试结果与仿真进行比对，从而以测试结果为主仿真为辅获得零部件的模态振型与固有频率；本发明采用的模态测试方法简单、可靠且适用性广，能够针对微小部件完成模态测试，并能方便快速获得微小部件在工况下的模态振型与固有频率。

Description

一种微小部件工况下的模态测试方法

技术领域

本发明涉及模态测试技术领域，更具体的说，特别涉及一种微小部件工况下的模态测试方法。

背景技术

模态是弹性结构的固有振动特性，每一阶模态具有特定的模态振型与固有频率。模态振型与固有频率可以由计算或试验分析所得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。计算的方法一般通过有限元仿真软件来实现，试验的方法一般通过振动测试仪来实现。振动测试仪由采集卡、力锤、加速度传感器等几部分组成，力锤在部件合适的激励位置进行敲击产生激励，位于不同位置的加速度传感器采集部件响应的加速度数据，采集卡拿到数据并处理后得到部件采集点处的频率和幅值信息，多个采集点数据综合后得到部件的模态振型与固有频率。

实际工程中，对于结构复杂或约束链很多的部件，测试人员很难直接判断其振型和大致的频率范围，因此测试前往往需要先进行有限元的仿真分析。仿真分析得到模态振型与固有频率的信息后，供测试人员参考选择合适的力锤、传感器、激励点、采集点，这样测试才方便得到正确的模态振型与固有频率，否则极有可能会得不到相应的振型和频率。正因为测试需要用到传感器，而传感器有一定的体积和质量，这样就要求被测部件不能过小，否则传感器会影响测量结果。比如PCB点胶机的点胶头，飞针测试机的测头弹簧，PCB机械钻孔机的钻头等，这些关键部件尺寸都比较小，振动测试仪的传感器很难固定，就算可以固定也会对这些微小部件的模态测量结果产生非常大的影响，所以振动测试仪对微小部件的测试方法有其局限性。目前对微小部件的模态测试是一大难点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种微小部件工况下的模态测试方法，能够完成微小部件的模态测试，并能方便快速获得微小部件在工况下的模态振型与固有频率。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种微小部件工况下的模态测试方法，该模态测试方法具体步骤如下：

步骤S1：选择需要被测试的部件，获取所述被测部件的相关数据包括三维模型、材料属性及各个部件之间的约束关系；

步骤S2：对选择的被测部件进行有限元模态分析，通过有限元仿真得到其在工况下的模态振型与固有频率；

步骤S3：根据有限元仿真结果确定所关心的模态振型，并假定所关心的模态振型是真实存在，由此确定被测部件的激励方向、激励位置和拍摄硬件的拍摄方向；

步骤S4：根据有限元仿真得到的结果、被测部件的尺寸和拍摄工况确定合适的拍摄硬件和拍摄参数；

步骤S5：按照预定的激励位置和激励方向对被测部件实施激励，并采用选定的拍摄硬件和拍摄方向展开拍摄记录；

步骤S6：慢速播放拍摄记录得到被测部件的振动过程，并输出拍摄时间，在获得被测部件振型的同时，记录下被测部件1秒钟内出现该振型的次数，从而得到其频率；

步骤S7：将测试所得被测部件的振型与仿真得到的模态振型进行比对，判断两者是否一致，如果两者是一致的，则执行下一步；如果两者不一致，则返回步骤S1；

步骤S8：比较测试所得被测部件的频率与仿真得到的固有频率，判断两者之间的误差是否在允许范围内，如果在允许的误差范围内，则执行下一步；如果不在允许的误差范围内，则返回步骤S1；

步骤S9：采用测试所得被测部件的结果对仿真得到的结果进行修正，从而最终得到被测部件的模态振型与固有频率。

所述拍摄硬件采用高速摄像仪。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明先通过有限元仿真了解微小零部件工况情况下的振型和频率，针对所关心的振型，借助高速摄像仪的高速拍摄能力记录下受激励后的被测部件的振动情况，后期从慢速播放的振动过程中分析被测部件的振型以及记录1秒钟内被测部件出现该振型的次数，将测试结果与仿真进行比对，从而以测试结果为主仿真为辅获得零部件的模态振型与固有频率，即采用的模态测试方法简单、可靠及适用性广，能够针对微小部件完成模态测试，并能方便快速获得微小部件在工况下的模态振型与固有频率。

附图说明

图1为本发明微小部件工况下的模态测试方法的流程图。

图2为本发明实施例中采用飞针测头的结构图。

图3为本发明实施例中飞针测头的模态测试图。

图4为本发明实施例中飞针测头工况模态有限元分析结果图。

其中：1-弹簧支架、2-探针、3-弹簧、4-测试平台、5-测头、6-高速摄像仪

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

一般来说，物体理论上有无穷阶模态，通常前几阶是简单振型，后面的振型多是复合而成。正常情况下，设计阶段要看激振力的频率范围及其倍频范围，但是工程机械中，因为各阶模态对系统振动的贡献度不同，前几阶比较大，越往后越小，即低阶频率一旦发生则破坏性强，加上工程中物体的运动速度相对较慢，即大多数的激励频率比较低，振型越往后，物体要产生该阶的振型就需要越高的激励频率，所以实际应用时，取前面几阶模态形成了一种行业习惯。

本发明提供的一种微小部件工况下的模态测试方法，其简单概括为，以模态仿真分析结果为参考，采用直接对被激励后的部件的振动进行全过程记录的方式，利用镜头的光学放大效果将微小的振动量放大显示，借助高速摄像仪将视觉无法分辨的高速振动过程记录在存储媒介，把高速振动过程的规律直接清晰地展现出来，获得振型的同时记录部件在1秒钟内的振动次数，将观测所得振型和频率与仿真结果进行比对，最终确认被测部件的模态振型与固有频率。

整个过程见附图的流程图1，具体方法步骤如下：

步骤S1：选择需要被测试的部件，获取所述被测部件的相关数据包括三维模型、材料属性及各个部件之间的约束关系等；

本步骤中，要求尽可能多的获取被测部件真实数据以使后续的仿真结果更贴合现实。

步骤S2：对选择的被测部件进行有限元模态分析，通过有限元仿真得到其在工况下的模态振型与固有频率。

步骤S3：根据有限元仿真结果确定所关心的模态振型，并假定所关心的模态振型是真实存在，由此确定被测部件的激励方向、激励位置和拍摄硬件的拍摄方向。

本步骤中，由于模态在理论上有无数阶，所以要先确认所关心的模态振型，再假定所关心的模态振型是真实存在。

确定激励方向和位置是为了能更好的激励起被测部件的该阶振型，而确定拍摄硬件的拍摄方向是为了更好的观测振型。

步骤S4：根据有限元仿真得到的结果、被测部件的尺寸、拍摄工况等确定合适的拍摄硬件和拍摄参数，如高速摄像仪、镜头、分辨率和拍摄速率等的确定。

本步骤中，拍摄硬件采用高速摄像仪，选择高速摄像仪的关键参数是最高拍摄速率，主要是为了能将被测部件高速的振动过程记录下来，目前市面上高速摄像仪的最高拍摄速率能达到1000000帧/秒，所以拍摄速率足以满足工程测试需要。

本步骤中，镜头是能清晰看到并放大被测部件的保证，镜头种类很多，如普通镜头、微距镜头、显微镜头等，针对不同尺寸部件和拍摄工况需要采用合适的镜头。

本步骤中，拍摄速率当然必须高于被测部件的该阶振型的模态频率，拍摄速率越高，最后的观测结果越细腻，当然能满足需要即可，不必追求过高的拍摄速率，因为同样的拍摄分辨率和拍摄时间下，越高的拍摄速率就需要越大容量的存储媒介。

步骤S5：按照预定的激励位置和激励方向对被测部件实施激励，并采用选定的拍摄硬件和拍摄方向展开拍摄记录，为了达到比较理想的拍摄效果，需要对拍摄角度、镜头焦距、光照强度等进行细致的现场调试，力求得到高质量的画质和细腻的振型。

步骤S6：慢速播放拍摄记录得到被测部件的振动过程，并输出拍摄时间，在获得被测部件振型的同时，记录下被测部件1秒钟内出现该振型的次数，从而得到其频率。

对于时间的把握可以利用高速摄像仪的拍摄速率和帧数关系算出拍摄时间，通常高速摄像仪的软件可以直接输出拍摄时间，这样就可以记录部件在1秒钟内的振动次数。

步骤S7：将拍摄所得被测部件的振型与仿真得到的模态振型进行比对，判断两者是否一致，如果两者是一致的，则执行下一步；如果两者不一致，则返回步骤S1。

步骤S8：比较拍摄所得被测部件的频率与仿真得到的固有频率，判断两者之间的误差是否在允许范围内，如果在允许的误差范围内，则执行下一步；如果不在允许的误差范围内，则返回步骤S1。

上述步骤S7和S8中，振型的不一致或频率的不在误差允许范围内都可能是仿真也可能是测试所造成，所以都需要返回步骤S1，反复确认测试无误之后再去校核和修正仿真。

步骤S9：以拍摄得到的测试结果为主，并以仿真为辅确定被测部件的模态振型与固有频率。

本步骤中，以拍摄得到的测试结果为主并以仿真为辅是采用测试结果对仿真所得固有频率进行修正，从而最终得到被测部件的模态振型与固有频率。

本发明中，上述步骤以仿真结果作为参考，但是由于事先无法断定仿真得到被测部件所关心的该阶振型是否真实存在，所以先做一个前提假设，假设仿真得到的该阶振型真实存在，然后再针对该阶模态情况进行实际拍摄测试。

如果测试与仿真所得振型一致且测试与仿真所得频率误差在允许范围内，则测试可以返回去验证仿真下的振型是正确的，并可对仿真所得固有频率进行修正，从而最终得到被测部件的模态振型与固有频率。如果测试与仿真所得振型一致但测试所得频率与仿真结果相距甚远，则应多次测试保证测试结果准确无误后再去修正仿真参数。如果测试与仿真所得振型不一致，则有可能是仿真或是测试出现了问题，需要测试与仿真的多次反复校核。

一般来说，飞针测试机是利用测头对PCB板线路进行开路和短路测试的一种测试设备。测头通过其上的探针与测试板接触而形成测试回路。探针通常以每秒10～50次的速度下针和抬针来接触不同测试点。为达到可靠的测试，探针需牢固扎到测试板上且不能留下明显扎痕，并能快速回弹和稳定，另外由于所扎测试点有大小要求，故要求飞针测头上的弹簧有合适刚度，所以弹簧的模态测试具有及其重要的意义。

飞针测头的三维结构如图2所示，其中弹簧3的外形尺寸为21mm×2mm×5mm，材料为PA66，弹簧3的一端用螺钉紧固至弹簧支架1上，另一端通过螺钉与探针2相连，针对弹簧3的工况模态测试，其具体分析如下：

对弹簧3进行有限元模态分析，获得前四阶约束模态，见图4，一阶为200Hz的上下振型，二阶为340Hz的左右振型，三阶为1005Hz的扭振型，四阶为2984Hz的复合振型。结合飞针测头的工况，探针2以每秒10～50次的速度上下运动，第一阶和第二阶模态的贡献度大，第三阶和第四阶模态的固有频率比机器正常运行下的激励频率高很多，所以综合之下，只要求前两阶模态振型和固有频率满足要求即可，即确定所关心的模态振型为一阶上下振型和二阶左右振型。

确定所关心的振型后，针对前两阶振型分别确定激励方向、激励位置和拍摄方向。对上下振型，为得到明显的观测效果，选择沿-X方向正对弹簧3来拍摄，而激励的方向为沿-Z方向，激励的位置位于弹簧3的+Y方向最远端的顶部。对于左右振型，选择沿-Y方向进行拍摄，而激励的方向为沿+X方向，激励的位置位于弹簧3的+Y方向最远端的中部。

结合弹簧的尺寸、模态仿真结果、拍摄工况等选择拍摄硬件和拍摄参数。高速摄像仪采用约克科技公司的PhantomV611(像素数1280×800、像素大小20μm、最高拍摄速率680000帧/秒、最小曝光时间1μs、两次曝光最小时间间隔500ns)，为了尽可能获取到良好的观测效果，选用最高的像素数1280×800和2000帧/秒的拍摄速率。镜头采用图丽的微距定焦镜头(焦距100mm、光圈f2.8)，由于拍摄速率高，高速摄像仪的进光量会减少，导致拍摄画面变暗，所以另外加一个350W功率的氙灯作为照明光源。

此外飞针测头需要固定，且飞针测头要尽可能隔离外界干扰，所以搭建了一个测试平台4，如图3中的测试平台所示。至此，可按照选定的拍摄硬件和拍摄方向架设测试设备，飞针测头5固定于测试平台4上，高速摄像仪6固定于云台上。现场来回调试获得良好的拍摄效果后，按照预定的激励位置和激励方向对弹簧实施激励，并进行拍摄记录。

为了获取1秒钟内的振动过程，拍摄时间可适当设长一些，如2秒，以确保能截取到弹簧3受激励后起振的全过程。对上下振型，实施激励后，拍摄记录下弹簧3的整个上下振动过程。分析数据时，通过高速摄像仪6的软件慢速播放运动过程，并通过软件调出拍摄的绝对时间，记录下弹簧1秒钟上下振动的次数。经过分析处理，最后得到弹簧3上下振动的频率为196Hz，与仿真结果上下振型固有频率200Hz对比，可以看到结果非常接近并在5％的误差允许范围内。同样的，通过测试获得弹簧3左右振动的频率为334Hz，与仿真结果左右振型固有频率340Hz对比，同样处于5％的误差允许范围内。由此可以确定弹簧3实际工况下确实存在频率与仿真结果相近的相对应的上下振型和左右振型，模态仿真分析与测试的结果都是可靠的，仿真与测试相互得到了验证。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微小部件工况下的模态测试方法，其特征在于：该模态测试方法具体步骤如下：

步骤S1：选择需要被测试的部件，获取所述被测部件的相关数据包括三维模型、材料属性及各个部件之间的约束关系；

步骤S2：对选择的被测部件进行有限元模态分析，通过有限元仿真得到其在工况下的模态振型与固有频率；

步骤S3：根据有限元仿真结果确定所关心的模态振型，并假定所关心的模态振型是真实存在，由此确定被测部件的激励方向、激励位置和拍摄硬件的拍摄方向；

步骤S4：根据有限元仿真得到的结果、被测部件的尺寸和拍摄工况确定合适的拍摄硬件和拍摄参数；

步骤S5：按照预定的激励位置和激励方向对被测部件实施激励，并采用选定的拍摄硬件和拍摄方向展开拍摄记录；

步骤S6：慢速播放拍摄记录得到被测部件的振动过程，并输出拍摄时间，在获得被测部件振型的同时，记录下被测部件1秒钟内出现该振型的次数，从而得到其频率；

步骤S7：将拍摄所得被测部件的振型与仿真得到的模态振型进行比对，判断两者是否一致，如果两者是一致的，则执行下一步；如果两者不一致，则返回步骤S1；

步骤S8：比较测试所得被测部件的频率与仿真得到的固有频率，判断两者之间的误差是否在允许范围内，如果在允许的误差范围内，则执行下一步；如果不在允许的误差范围内，则返回步骤S1；

步骤S9：采用测试所得被测部件的结果对仿真得到的结果进行修正，从而最终得到被测部件的模态振型与固有频率。

2.根据权利要求1所述的微小部件工况下的模态测试方法，其特征在于：所述拍摄硬件采用高速摄像仪。