DE102016124274A1

DE102016124274A1 - Method of operating a modal hammer

Info

Publication number: DE102016124274A1
Application number: DE102016124274.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: DE102016124274B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Modalhammers mit einer Antriebseinheit und einem an der Abtriebswelle der Antriebseinheit befestigten Anschlaghammer mit einem eine Elastizität aufweisenden Verbindungselement, das an seinem einen Ende an der Abtriebswelle des Antriebseinheit befestigt ist, wobei an seinem anderem Ende ein Hammerkopf angebracht ist, wobei der Anschlaghammer durch Anschlagen eines zu prüfenden Werkstückes Schwingungen in dem zu prüfenden Werkstück anregt, die zur Werkstückprüfung ausgewertet werden. Das Ende des Verbindungselementes, das an der Abtriebswelle der Antriebseinheit befestigt ist, wird in einem ersten Zeitfenster vor dem Auftreffen auf das Werkstück von der Antriebseinheit mit einer ersten Geschwindigkeit in Richtung des Werkstücks bewegt. Nach der vorliegenden Erfindung besteht ein zweites Zeitfenster zwischen dem ersten Zeitfenster und dem Auftreffen des Hammerkopfes auf das Werkstück, in dem die Abtriebswelle der Antriebseinheit mit einer zweiten Geschwindigkeit bewegt wird,➢ wobei die zweite Geschwindigkeit in Richtung der ersten Geschwindigkeit orientiert ist, jedoch betragsmäßig geringer ist als die erste Geschwindigkeit und/oder➢ wobei die zweite Geschwindigkeit gleich 0 ist und/oder➢ wobei die zweite Geschwindigkeit betragsmäßig größer als 0 ist, allerdings in Gegenrichtung zur ersten Geschwindigkeit orientiert ist.Die Länge des zweiten Zeitfensters sowie der Verlauf der zweiten Geschwindigkeit in diesem zweiten Zeitfenster hängen von der Elastizität des Verbindungselementes sowie von der Elastizität der Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle der Antriebseinheit ab sowie von dem Gewicht und der Gewichtsverteilung des Verbindungselementes und des Hammerkopfes sowie der Geschwindigkeit des Hammerkopfes am Ende des ersten Zeitfensters.The present invention relates to a method of operating a modal hammer having a drive unit and a stop hammer fixed to the output shaft of the drive unit with an elasticity connecting member fixed at its one end to the output shaft of the drive unit with a hammer head attached to its other end is, wherein the stop hammer stimulates by striking a workpiece to be tested vibrations in the workpiece to be tested, which are evaluated for workpiece inspection. The end of the connecting element, which is attached to the output shaft of the drive unit is moved in a first time window before hitting the workpiece by the drive unit at a first speed in the direction of the workpiece. According to the present invention, there is a second time window between the first time window and the impact of the hammer head on the workpiece in which the output shaft of the drive unit is moved at a second speed, wherein the second speed is oriented in the direction of the first speed, but less in magnitude is the first speed and / or the second speed is equal to 0 and / or the second speed is greater than 0, but oriented in the opposite direction to the first speed. The length of the second time window and the course of the second speed in this second time window depend on the elasticity of the connecting element and on the elasticity of the attachment of the connecting element to the output shaft of the drive unit and from the weight and the weight distribution of the connecting element and the hammer head and the speed igkeit of the hammer head at the end of the first time window.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Modalhammers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for operating a modal hammer according to the preamble of claim 1.

Es ist bekannt, einen Modalhammer zu verwenden für eine Schwingungsanregung bei einem zu prüfenden Werkstück. Der Modalhammer besteht aus einem Anschlaghammer mit einem Hammerstiel, an dessen einem Ende der Hammerkopf angebracht ist. Durch eine Auswertung des Schwingungsverhaltens des Werkstücks können Aussagen über das Werkstück vorgenommen werden wie beispielsweise über dessen Materialeigenschaften sowie ggf. auch von Material- oder sonstigen Fehlern im Werkstück wie beispielsweise Haarrissen oder ähnlichem. Im einfachsten Fall wird das Werkstück mit dem Anschlaghammer manuell angeschlagen.It is known to use a modal hammer for vibration excitation in a workpiece to be tested. The modal hammer consists of a hammer with a hammer handle, at one end of the hammer head is attached. By evaluating the vibration behavior of the workpiece statements about the workpiece can be made such as its material properties and possibly also of material or other errors in the workpiece such as hairline cracks or the like. In the simplest case, the workpiece is struck manually with the stop hammer.

Um eine bessere Reproduzierbarkeit zu erhalten, ist es auch bekannt, den Anschlaghammer mit einem definierten Geschwindigkeitsverlauf motorisch anzutreiben. Der Anschlaghammer wird damit mit dem Ende des Hammerstiels an der Abtriebswelle einer Antriebseinheit befestigt. Der Hammerstiel stellt dabei das Verbindungsmittel zwischen der Abtriebswelle der Antriebseinheit und dem Hammerkopf des Anschlaghammers dar. Durch den definierten Geschwindigkeitsverlauf des motorischen Antriebs trifft der Anschlaghammer mit definierten Bedingungen reproduzierbar auf das zu prüfende Werkstück auf. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn ganze Serien von Werkstücken geprüft werden sollen. Es wird dann besonders einfach möglich, Parameter der Werkstücke nicht nur mit absoluten Grenzwerten zu vergleichen sondern auch untereinander.In order to obtain a better reproducibility, it is also known to drive the hammer with a defined speed course by motor. The stopper hammer is thus attached to the end of the hammer handle on the output shaft of a drive unit. The hammer handle represents the connecting means between the output shaft of the drive unit and the hammer head of the hammerhead. Due to the defined speed curve of the motor drive, the hammer hits the workpiece to be tested reproducibly with defined conditions. This proves to be particularly advantageous when whole series of workpieces to be tested. It is then particularly easy to compare parameters of the workpieces not only with absolute limits but also with each other.

Die Antriebseinheit kann beispielsweise ein Schrittmotor sein oder auch ein anderer Motor. Ggf. kann zwischen den Motor und die Befestigung des Verbindungselementes noch ein Getriebe zwischengeschaltet sein. In diesem Fall ist die Einheit aus dem Motor und dem Getriebe die Antriebseinheit.The drive unit may be, for example, a stepper motor or another motor. Possibly. can be interposed between the engine and the attachment of the connecting element still a gearbox. In this case, the unit of the engine and the transmission is the drive unit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Untersuchungen durch die Schwingungsanregung von Werkstücken zu verbessern.The present invention is based on the object to improve the investigations by the vibration excitation of workpieces.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung gelöst, indem der Hammerkopf nicht wie bisher mit konstanter Geschwindigkeit oder gar mit einer Beschleunigung im Sinne der Erhöhung der Auftreffgeschwindigkeit bis zum Auftreffen auf das Werkstück bewegt wird. Die Zeitspanne dieser Bewegung des Hammerkopfes mit konstanter Geschwindigkeit auf das Werkstück zu bzw. mit einer Beschleunigung im Sinne einer Erhöhung der Auftreffgeschwindigkeit des Hammerkopfes wird im Sinne dieser Erfindung als erstes Zeitfenster bezeichnet.This object is achieved according to the present invention by the hammer head is not moved as before at a constant speed or even with an acceleration in the sense of increasing the impact velocity to the impact on the workpiece. The period of time of this movement of the hammer head at a constant speed on the workpiece or with an acceleration in the sense of increasing the impact velocity of the hammer head is referred to in the context of this invention as the first time window.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung gibt es zwischen diesem ersten Zeitfenster und dem Auftreffen des Hammerkopfes auf das Werkstück ein zweites Zeitfenster, in dem die Abtriebswelle der Antriebseinheit mit einer zweiten Geschwindigkeit bewegt wird,

➢ wobei die zweite Geschwindigkeit in Richtung der ersten Geschwindigkeit orientiert ist, jedoch betragsmäßig geringer ist als die erste Geschwindigkeit und/oder
➢ wobei die zweite Geschwindigkeit gleich 0 ist und/oder
➢ wobei die zweite Geschwindigkeit betragsmäßig größer als 0 ist, allerdings in Gegenrichtung zur ersten Geschwindigkeit orientiert ist.

For the purposes of the present invention, there is a second time window between this first time window and the impact of the hammer head on the workpiece, in which the output shaft of the drive unit is moved at a second speed,

➢ wherein the second speed is oriented in the direction of the first speed, but is less in magnitude than the first speed and / or
➢ where the second speed is 0 and / or
➢ where the second speed is greater than 0 in terms of magnitude, but oriented in the opposite direction to the first speed.

Die Länge des zweiten Zeitfensters sowie der Verlauf der zweiten Geschwindigkeit in diesem zweiten Zeitfenster hängen von der Elastizität des Verbindungselementes sowie von der Elastizität der Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle der Antriebseinheit ab sowie von dem Gewicht und der Gewichtsverteilung des Verbindungselementes und des Hammerkopfes, sowie von der Geschwindigkeit des Hammerkopfes am Ende des ersten Zeitfensters.The length of the second time window and the course of the second speed in this second time window depend on the elasticity of the connecting element as well as the elasticity of the attachment of the connecting element to the output shaft of the drive unit and from the weight and the weight distribution of the connecting element and the hammer head, as well as the speed of the hammer head at the end of the first time window.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es sich bei dem System bestehend aus dem Verbindungselement und dem Hammerkopf aufgrund der bestehenden Elastizitäten um ein schwingungsfähiges Gebilde handelt, das bei einem Abstoppen der Abtriebswelle der Antriebseinheit vergleichbar einem Pendel eine Schwingung ausführt. Der Moment des Abstoppens der Abtriebsweille ist dabei vergleichbar dem „Nulldurchgang“ des Pendels, bei dem keine Schwerkraft und damit keine Beschleunigung auf das Pendel wirkt, das Pendel allerdings in Folge der Trägheit über den Nullpunkt hinaus weiterschwingt.The present invention is based on the finding that the system consisting of the connecting element and the hammer head is a vibratory structure due to the existing elasticities, which performs a vibration comparable to a pendulum when the output shaft of the drive unit is stopped. The moment of stopping the output is similar to the "zero crossing" of the pendulum, in which no gravity and thus no acceleration acts on the pendulum, but the pendulum continues to swing due to the inertia beyond the zero point.

Bezogen auf einen Modalhammer bedeutet dies, dass bei einem Abstoppen des Antriebs erst im Moment des Auftreffens des Hammerkopfes auf das Werkstück einige unerwünschte Effekte eintreten können.With reference to a modal hammer, this means that when the drive stops, only a few undesired effects can occur at the moment when the hammer head hits the workpiece.

Einer dieser Effekte kann darin bestehen, dass der Hammerkopf auf das Werkstück auftrifft und dort infolge der Trägheit der Bewegung und der Elastizität des Systems bestehend aus dem Verbindungselement, der Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle und dem Hammerkopf selbst auf dem Werkstück aufliegt. Dies gilt u.U. auch dann, wenn das Abtriebselement der Antriebseinheit den Befestigungspunkt des Verbindungselements bereits wieder in einer Richtung antreibt, die einer Bewegung des Hammerkopfes von dem Werkstück weg entspricht. Dieser Effekt wird insbesondere dann Eintreten, wenn die Elastizität des Systems eher weich ist.One of these effects may be that the hammer head impacts the workpiece and rests thereon due to the inertia of the movement and the elasticity of the system consisting of the connecting element, the attachment of the connecting element to the output shaft and the hammer head itself on the workpiece. This may also apply if the output element of the drive unit already has the attachment point of the connecting element again in a direction corresponding to a movement of the hammer head away from the workpiece. This effect will occur especially when the elasticity of the system is rather soft.

Dieses Aufliegen des Hammerkopfes auf dem Werkstück für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Auftreffen führt zu einer Dämpfung der Schwingungen, die von dem Hammerkopf in dem Werkstück angeregt worden sind.This resting of the hammer head on the workpiece for a certain period of time after impact results in damping of the vibrations excited by the hammer head in the workpiece.

Die Möglichkeiten, aus dem aufgenommenen Signal Informationen zu beziehen, sind dadurch eingeschränkt.The possibilities of obtaining information from the recorded signal are thereby limited.

Ein weiterer unerwünschter Effekt kann darin bestehen, dass die Elastizität des Systems eher hart ausgelegt ist. In diesem Fall führt das Auftreffen des Hammerkopfes auf das Werkstück dazu, dass der Hammerkopf unmittelbar nach dem Auftreffen auf das Werkstück in die Gegenrichtung zurückschwingt. Diese Schwingung von dem Werkstück weg kehrt sich in ihrer Bewegungsrichtung nach der Amplitude der Schwingung in der Gegenrichtung wieder in eine Bewegung um, die auf das Werkstück gerichtet ist. Bei dieser Schwingung in der Gegenrichtung kann es zu einem erneuten Auftreffen auf das Werkstück kommen.Another undesirable effect may be that the elasticity of the system is rather hard. In this case, the impact of the hammer head on the workpiece causes the hammer head to swing back in the opposite direction immediately after striking the workpiece. This vibration away from the workpiece reverses in its direction of movement after the amplitude of the oscillation in the opposite direction into a movement which is directed to the workpiece. This oscillation in the opposite direction can lead to a renewed impact on the workpiece.

Durch diese erneute Anregung des Werkstücks werden die Schwingungsmoden gestört, die sich in dem Werkstück nach dem ersten Auftreffen bereits ausgebildet haben.This renewed excitation of the workpiece disturbs the vibration modes which have already formed in the workpiece after the first impact.

Die Möglichkeiten, aus dem aufgenommenen Signal Informationen zu beziehen, können auch durch diesen Effekt eingeschränkt sein.The possibilities of obtaining information from the recorded signal may also be limited by this effect.

Unter Berücksichtigung dieser beiden Effekte wird der Modalhammer bereits vor dem Auftreffen auf das Werkstück abgebremst.Taking these two effects into account, the modal hammer is braked before it hits the workpiece.

Dies kann nach der vorliegenden Erfindung erfolgen, indem die Bewegungsgeschwindigkeit der Abtriebswelle unter Beibehaltung der Bewegungsrichtung in dem ersten Zeitfenster in dem zweiten Zeitfenster vor dem Auftreffen des Hammerkopfes auf das Werkstück reduziert wird. Die Geschwindigkeit des Hammerkopfes beim Auftreffen auf das Werkstück setzt sich dann zusammen aus der Geschwindigkeitskomponente, die sich aus der Bewegung des Punktes ergibt, an dem das Verbindungselement an der Abtriebswelle befestigt ist sowie der Geschwindigkeit des Hammerkopfes aufgrund der beschriebenen Schwingung des Systems. Diese Schwingung wird definiert durch

> das Gewicht und die Gewichtsverteilung des Verbindungselementes und des Hammerkopfes sowie
> die Elastizität und Dämpfung der Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle,
> die Elastizität und Dämpfung des Verbindungselementes.

This can be done according to the present invention, by reducing the speed of movement of the output shaft while maintaining the direction of movement in the first time window in the second time window before the impact of the hammer head on the workpiece. The speed of the hammer head as it strikes the workpiece is then composed of the velocity component resulting from the movement of the point where the link is attached to the output shaft and the speed of the hammer head due to the described vibration of the system. This vibration is defined by

> the weight and weight distribution of the connecting element and the hammer head as well
> the elasticity and damping of the attachment of the connecting element to the output shaft,
> the elasticity and damping of the connecting element.

Alternativ oder zusätzlich kann dies nach der vorliegenden Erfindung erfolgen, indem die Bewegungsgeschwindigkeit der Abtriebswelle in dem zweiten Zeitfenster vor dem Auftreffen des Hammerkopfes auf das Werkstück auf den Wert „0“ gesetzt wird. Das bedeutet, dass der Befestigungspunkt des Verbindungselementes an der Abtriebswelle gestoppt wird. Die Geschwindigkeit des Hammerkopfes beim Auftreffen auf das Werkstück ergibt sich dann aus der Geschwindigkeit des Hammerkopfes aufgrund der beschriebenen Schwingung des Systems. Diese Schwingung wird definiert durch

Alternatively or additionally, this can be done according to the present invention by setting the speed of movement of the output shaft in the second time window before the impact of the hammer head on the workpiece to the value "0". This means that the attachment point of the connecting element is stopped at the output shaft. The speed of the hammer head when hitting the workpiece then results from the speed of the hammer head due to the described vibration of the system. This vibration is defined by

Alternativ oder zusätzlich kann dies nach der vorliegenden Erfindung weiterhin erfolgen, indem die Bewegungsgeschwindigkeit der Abtriebswelle in dem zweiten Zeitfenster vor dem Auftreffen des Hammerkopfes auf eine Richtung der Bewegungsgeschwindigkeit geändert wird, die der Bewegungsrichtung in dem ersten Zeitfenster entgegengesetzt ist. Das bedeutet, dass der Befestigungspunkt des Verbindungselementes an der Abtriebswelle bereits vor dem Auftreffen des Hammerkopfes auf dem werkstück in die Gegenrichtung bewegt wird. Die Geschwindigkeit des Hammerkopfes beim Auftreffen auf das Werkstück ergibt sich dann aus der Geschwindigkeit des Hammerkopfes aufgrund der beschriebenen Schwingung des Systems. Diese Schwingung wird definiert durch

➢ das Gewicht und die Gewichtsverteilung des Verbindungselementes und des Hammerkopfes sowie
➢ die Elastizität und Dämpfung der Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle,
➢ die Elastizität und Dämpfung des Verbindungselementes.

Alternatively or additionally, according to the present invention, this may be further done by changing the speed of movement of the output shaft in the second time window before impact of the hammer head to a direction of the moving speed opposite to the direction of movement in the first time window. This means that the attachment point of the connecting element is moved to the output shaft in the opposite direction before the impact of the hammer head on the workpiece. The speed of the hammer head when hitting the workpiece then results from the speed of the hammer head due to the described vibration of the system. This vibration is defined by

➢ the weight and the weight distribution of the connecting element and the hammer head as well as
➢ the elasticity and damping of the attachment of the connecting element to the output shaft,
➢ the elasticity and damping of the connecting element.

Dabei ist bei dem Bezugssystem der Schwingung zu beachten, dass der Befestigungspunkt des Verbindungselementes an der Abtriebswelle von dem Werkstück weg bewegt wird.It should be noted in the reference system of the vibration that the attachment point of the connecting element is moved to the output shaft of the workpiece away.

Die verschiedenen Möglichkeiten der Bewegung der Abtriebswelle in dem zweiten Zeitfenster können insofern in Kombination auftreten, als diese in dem zweiten Zeitfenster aufeinander folgend realisiert werden können.The various possibilities of movement of the output shaft in the second time window can occur in combination insofar as they can be realized in succession in the second time window.

Beispielsweise kann zuerst in dem zweiten Zeitfenster die Abtriebswelle mit identischer Bewegungsrichtung und geringeren Betrag der Geschwindigkeit bewegt wird, anschließend gestoppt und daran anschließend in der Gegenrichtung bewegt wird.For example, first in the second time window, the output shaft is moved with identical direction of movement and lower amount of speed, then stopped and subsequently moved in the opposite direction.

Für den Bewegungsablauf bei der Schwingung ergibt sich die Abhängigkeit von dem Gewicht und der Gewichtsverteilung des Verbindungselementes und des Hammerkopfes insofern, als diese Parameter den Drehimpuls und die Rotationsenergie bestimmen, wenn die Geschwindigkeit des Hammerkopfes nicht mit der Geschwindigkeit des Befestigungspunktes der Verbindungselementes an der Abtriebswelle der Antriebseinrichtung korreliert.For the movement sequence in the vibration, the dependence on the weight and the weight distribution of the connecting element and the hammer head insofar as these parameters determine the angular momentum and the rotational energy, if the speed of the hammer head does not match the speed of the attachment point of the connecting element to the output shaft Drive device correlated.

Für den Bewegungsablauf der Schwingung weiterhin relevant ist die Relativgeschwindigkeit, die sich als Differenz aus der Bewegungsgeschwindigkeit des Hammerkopfes ergibt relativ zu der Geschwindigkeit des Hammerkopfes, die sich als Geschwindigkeit des Hammerkopfes ergeben würde bei einer gleichförmigen Bewegung des Hammerkopfes aufgrund des Antriebs des Verbindungselementes über die Abtriebswelle, sofern dabei die Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle, das Verbindungselement und der Hammerkopf entspannt sind (d.h. keine mechanischen Spannungen aufgrund der Elastizitäten vorliegen).Still relevant to the motion of the vibration is the relative velocity, which results as the difference in the speed of movement of the hammer head relative to the speed of the hammer head, which would result in the speed of the hammer head with uniform movement of the hammer head due to drive of the connecting member via the output shaft , provided that the attachment of the connecting element to the output shaft, the connecting element and the hammerhead are relaxed (ie there are no mechanical stresses due to the elasticities).

Der weitere Schwingungsverlauf wird weiterhin definiert durch die Elastizität und die Dämpfung der Befestigung des Verbindungselementes an der Abtriebswelle sowie des Verbindungselementes selbst.The further waveform is further defined by the elasticity and the damping of the attachment of the connecting element to the output shaft and the connecting element itself.

Der Einfluss der Elastizität ist bereits beschrieben. Die Dämpfung hat insofern Einfluss, weil das Maß der Amplituden aufeinanderfolgender Schwingungsvorgänge durch die Dämpfung bestimmt wird.The influence of elasticity has already been described. The attenuation has an influence insofar as the measure of the amplitudes of successive oscillations is determined by the attenuation.

Im optimalen Fall werden die Parameter der Bewegung des Antriebselementes so eingestellt, dass abhängig von den Geschwindigkeiten, den Elastizitäten und dem Dämpfungen der beschriebene Effekt des wiederholten Anschlagens des Werkstücks vermieden wird. Ebenso wird die Zeit vorteilhaft reduziert, während der der Hammerkopf nach dem Anschlagen auf dem Werkstück aufliegt.In the optimal case, the parameters of the movement of the drive element are adjusted so that, depending on the speeds, the elasticities and the damping of the described effect of the repeated striking of the workpiece is avoided. Likewise, the time is advantageously reduced, during which the hammer head rests after striking the workpiece.

Selbst wenn sich diese Ziele nicht vollständig erreichen lassen, ergeben sich bereits Vorteile, wenn der Anschlagimpuls bei Folgeanschlägen reduziert wird bzw. die Zeit verkürzt wird, während der der Hammerkopf nach dem Anschlagen des Werkstücks auf dem Werkstück aufliegt.Even if these goals can not be fully achieved, there are already advantages when the stop pulse is reduced in subsequent stops or the time is reduced, during which the hammer head rests on the workpiece after striking the workpiece.

Claims

A method of operating a modal hammer having a drive unit and a stop hammer fixed to the output shaft of the drive unit having an elasticity connecting member fixed at its one end to the output shaft of the drive unit with a hammer head attached at its other end, the stopper hammer by striking a workpiece to be tested vibrations in the workpiece to be tested, which are evaluated for workpiece inspection, wherein the end of the connecting element, which is fixed to the output shaft of the drive unit in a first time window before hitting the workpiece from the drive unit with a first speed is moved in the direction of the workpiece, characterized in that a second time window between the first time window and the impact of the hammer head on the workpiece, in which the output shaft of the drive unit with a second n speed is moved, ➢ wherein the second speed is oriented in the direction of the first speed, but is less in magnitude than the first speed and / or ➢ wherein the second speed is 0 and / or ➢ wherein the second speed is greater than 0 magnitude , However, in the opposite direction to the first speed is oriented and that the length of the second time window and the course of the second speed in this second time window on the elasticity of the connecting element and the elasticity of the attachment of the connecting element to the output shaft of the drive unit depend on the weight and the weight distribution of the connecting element and the hammer head and the speed of the hammer head at the end of the first time window.