Die Laser-Scanning-Vibrometrie hat sich als berührungsloses, schnelles, flächenhaftes Verfahren zur Messung von Schwingungen in vielen Anwendungsbereichen bewährt. Beispiele gibt es im Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbau, in der Mikrosystem- und Datentechnik sowie in der Qualitäts- und Produktionskontrolle z.B. bei Consumerelektronik oder weißer Ware. Auch wer kein eigenes Testlabor betreibt, kann jetzt die aussagekräftige Schwingungsmessung bei seiner Produktentwicklung und Optimierung nutzen oder als Grundlage für Qualitätsmessungen verwenden.

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.

Messvorbereitung: Messgitter und Videobild werden abgeglichen

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.

Zeitersparnis gegenüber klassischen Testverfahren

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 sog. Euler-Winkel bestimmt werden, um speziell an gekrümmten Flächen die Messrichtung der Sensoren mit den Koordinatensystem des Messobjekts abzugleichen. Montage und Justage beanspruchen aber nicht nur viel Zeit, sondern bergen auch Fehlerpotential, da sich selbst kleinste 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.

Diese komplett ausgestattete Akustik-Halle beherbergt die weltweit wohl leistungsfähigste Anlage zur vollautomatischen Schwingungsmessung

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. Letztendlich sind die auf diese Weise gewonnenen Messergebnisse dann genauer, aussagekräftiger und beanspruchen deutlich weniger Zeit.

Die Alternative zum eigenen Prüfraum

Das Testcenter hat zwei auf Linearachsen verfahrbare Roboter, die jeweils mit einem 3D-Scanning-Vibrometer ausgestattet sind

Das bedeutet für Anwender, dass sich die Anschaffungskosten für das entsprechende Equipment in der Regel verhältnismäßig schnell rechnen können. Allerdings muss auch Platz für einen Testraum vorhanden sein und entsprechend geschultes Fachpersonal ist ebenfalls eine unerlässliche Voraussetzung. Nicht nur für kleinere Unternehmen kann es sich daher lohnen, Schwingungsprüfungen auszulagern.

Eine interessante Alternative zum eignen Prüfraum bietet jetzt der Spezialist für optische Messtechnik, die in Waldbronn bei Karlsruhe ansässige Firma Polytec. 2012 erweiterte das Unternehmen durch umfangreiche Neubauten seine Nutzfläche und hat damit die Voraussetzung für ein beeindruckendes Testlabor geschaffen, dass 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. Hier lassen sich Baugruppen, Komponenten und sogar ganze Fahrzeuge innerhalb kurzer Zeit überprüfen. Das Testcenter hat zwei, auf Linearachsen verfahrbare Roboter, die jeweils mit einem 3D-Scanning-Vibrometer ausgestattet sind. Je nach Bedarf überprüft das System entweder kleine Objekte oder – dank Hebebühne und Deckenkran – auch große Prüflinge von allen Seiten schnell und genau. Die Roboterprogramme automatisieren wiederkehrende Messungen, was Zeit und Kosten spart, außerdem werden Messungen jederzeit reproduzierbar.

Workflow im Testcenter

Schwingungsmessung an einer Fahrzeugkarosserie mit 1094 Messpunkten

Einen typischen Testablauf z.B. für eine Fahrzeugkarosserie kann man sich dann 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 liefert 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 1.100 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, z.B. um den Prototypen oder die Simulationsmodelle anhand einer soliden Datenbasis zu verbessern.

Vorteile auch bei Serienmessungen

Scanning Vibrometer bieten interessante Möglichkeiten für Schwingungsanalysen in Akustik, Strukturdynamik und Ultraschall
Bilder: Polytec

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.