專利名稱：利用光學(xué)成像技術(shù)測量阻尼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
以下的描述涉及測量加工件的阻尼的方法，尤其是涉及利用單個(gè)或多個(gè)高速照相機(jī)測量阻尼的方法。
背景技術(shù)：
阻尼通常是指部件在被激勵(lì)時(shí)吸收能量的能力。阻尼可以利用稱作Q因子的因子來測量。阻尼測量可以用來評(píng)價(jià)車輛剎車噪音特性并且提供有益的比較，以通過捕獲加工件吸收有害振動(dòng)能的能力來確定加工件振動(dòng)。阻尼測量可以利用包括阻尼因子、阻尼比、品質(zhì)因子(“Q因子(Q factor)”)、損耗因子、A的正切和/或比阻尼容量的不同術(shù)語來提及。目前阻尼測量的方法可以包括利用激勵(lì)裝置激勵(lì)部件。激勵(lì)裝置例如可以包括沖擊錘或者振動(dòng)器。阻尼可以在諸如沖擊錘等激勵(lì)裝置擊打加工件或者部件后被測量。然后，時(shí)間和/或頻率響應(yīng)利用諸如加速度計(jì)和/或麥克風(fēng)等傳感器被記錄。這個(gè)數(shù)據(jù)被處理，以獲取也稱為阻尼數(shù)的Q因子。由于阻尼數(shù)(Q因子)取決于沖擊錘擊打在加工件上的位置、剎車轉(zhuǎn)子上的測量位置以及振動(dòng)頻率，所以要獲得提取用于確定Q因子的數(shù)的最佳位置需要在加工件上的不同區(qū)域進(jìn)行多次測量。這類型的反復(fù)測量處理可能需要一段不適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段來完成。例如，該反復(fù)處理可能需要三或者四分鐘。在生產(chǎn)或者實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，由于測量時(shí)間引起的延遲可能會(huì)造成其它延遲。為了減少測量時(shí)間，可以在多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行測量。然而，這需要在轉(zhuǎn)子上或其附近設(shè)置許多傳感器。這增加了所需要的測量通道的數(shù)量。因此，期望利用有限的傳感器在較少的時(shí)間段內(nèi)來測量阻尼。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)一般方面中，提供一種測量加工件的阻尼的方法。該方法包括激勵(lì)加工件、利用光學(xué)成像系統(tǒng)測量加工件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及根據(jù)該動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算阻尼因子和Q因子。在另一個(gè)一般方面中，提供一種測量加工件的阻尼的方法，該方法包括將加工件設(shè)置在測量表面上、設(shè)置用于觀察該加工件的高速照相機(jī)、利用激勵(lì)裝置來激勵(lì)該加工件以及記錄預(yù)定時(shí)間量內(nèi)的加工件的位移時(shí)間歷史。該方法還包括提取加工件的表面上的經(jīng)選擇的點(diǎn)的位移響應(yīng)時(shí)間歷史、確定經(jīng)選擇的振動(dòng)模態(tài)的頻率、對時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用濾波器以提取用于阻尼因子和Q因子計(jì)算的模態(tài)的響應(yīng)以及計(jì)算阻尼因子和Q因子。這些和其它的優(yōu)點(diǎn)和特征根據(jù)結(jié)合附圖做出的以下描述將變得更明顯。


被認(rèn)為是本發(fā)明的主題在本說明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求書中被具體地指出并且清楚地主張。上述和本發(fā)明的其它特征以及優(yōu)點(diǎn)根據(jù)結(jié)合附圖做出的以下的詳細(xì)描述變得明顯，在附圖中:圖1示出了利用高速照相機(jī)測量轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置的示例；圖2示出了表示根據(jù)本發(fā)明的、測量阻尼因子和Q因子的對數(shù)衰減方法的示例的圖；圖3示出了表示利用時(shí)域包絡(luò)衰減法計(jì)算Q因子的示例的圖；圖4示出了表示通過數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生的位移輸出的示例的圖；圖5示出了表示隨著時(shí)間而繪制的響應(yīng)衰減的量化示例的圖；圖6示出了表示用于計(jì)算Q因子的響應(yīng)峰值和參數(shù)的示例的圖；圖7示出了表示可以用于計(jì)算Q因子的頻率響應(yīng)函數(shù)(frequency responsefunction, FRF)的示例的圖；以及圖8示出了涂敷有斑紋圖樣和標(biāo)識(shí)的轉(zhuǎn)子的示例。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中本發(fā)明參考具體實(shí)施例(不是限制本發(fā)明)并且根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例來描述，圖1示出了高速照相機(jī)10，其用于捕獲加工件20的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。所捕獲的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)尤其可以包括響應(yīng)于激勵(lì)的加工件的振動(dòng)。在示例性實(shí)施例中，加工件20可以是在振動(dòng)試驗(yàn)期間的剎車轉(zhuǎn)子。為了舉例，以下描述將加工件20視為剎車轉(zhuǎn)子。然而，要理解的是這個(gè)示例是非限制性的，并且加工件例如還可以是剎車鼓或者其它部件。高速照相機(jī)10在剎車轉(zhuǎn)子20被激勵(lì)裝置30擊打后捕獲振動(dòng)，并且這個(gè)數(shù)據(jù)被用于確定在不同頻率下剎車轉(zhuǎn)子20的材料中的阻尼。為了舉例，以下描述將激勵(lì)裝置30視為沖擊錘。然而，要理解的是這個(gè)示例是非限制性的，并且激勵(lì)裝置例如還可以是振動(dòng)器或者類似裝置。此外，激勵(lì)裝置30可以是指用于在工作時(shí)激勵(lì)加工件20的外部部件或者系統(tǒng)。即，工作條件可以引起加工件20中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。例如，車輛中的引擎振動(dòng)或者懸架振動(dòng)可能引起加工件20中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。要理解的是，以上的工作條件的示例是非限制性的，并且其它工作條件可以引起加工件20的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用高速照相機(jī)10來記錄一次測量(即單個(gè)操作)中的剎車轉(zhuǎn)子20的振動(dòng)，剎車轉(zhuǎn)子20上的任一點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以被確定并且被用于獲取動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過如本文描述的進(jìn)一步處理時(shí)，被用于計(jì)算例如可以用來測量剎車轉(zhuǎn)子20的阻尼的Q因子和/或阻尼因子。高速照相機(jī)10在不同的時(shí)間情形下對剎車轉(zhuǎn)子20進(jìn)行拍照。由圖片產(chǎn)生的信息，即動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，被隨著時(shí)間進(jìn)行繪制。動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)包括剎車轉(zhuǎn)子20的動(dòng)態(tài)位移數(shù)據(jù)。在隨著時(shí)間進(jìn)行繪制時(shí)，剎車轉(zhuǎn)子20的3D動(dòng)態(tài)位移被獲取。高速照相機(jī)10可以通過計(jì)算機(jī)來控制和操作，以拍攝剎車轉(zhuǎn)子的圖片。該計(jì)算機(jī)可以包括存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的軟件，該軟件控制照片的拍攝并且處理所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，即動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，以獲取3D動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析。高速照相機(jī)10可以包括用于例如拍攝、存儲(chǔ)和/或處理單張或多張照片等操作的硬件和軟件。例如，可以修改諸如來自Vision Research(視覺研究)公司的PHANTOM (幻影)系列和來自Photron公司的FASTCAM系列等照相機(jī)硬件系統(tǒng)以及諸如PONTOS (奔濤)、ARAMIS以及VIC-3D (非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng))等某些軟件系統(tǒng)，以拍攝照片并且處理所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來獲取3D動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析。在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，例如如圖8所示，標(biāo)識(shí)21和/或斑紋圖樣22被設(shè)置在剎車轉(zhuǎn)子20上，以在剎車轉(zhuǎn)子20運(yùn)動(dòng)時(shí)定位剎車轉(zhuǎn)子20上的不同點(diǎn)。在另一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，光線陰影可以被投射，以在該剎車轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)定位剎車轉(zhuǎn)子20上的不同點(diǎn)。在本發(fā)明中，使用高速照相機(jī)或者照相機(jī)10來代替在剎車轉(zhuǎn)子附近布置麥克風(fēng)、加速度計(jì)或者其它傳感器的需要。使用照相機(jī)10代替加速度計(jì)、麥克風(fēng)或者其它傳感器來記錄剎車轉(zhuǎn)子20的移動(dòng)，可以減少或者消除常規(guī)系統(tǒng)中所需要的多次擊打和測量。同樣，本發(fā)明對于生產(chǎn)環(huán)境的使用可能更加實(shí)用。在操作中，以下步驟提供了如何通過計(jì)算Q因子和/或阻尼因子來測量阻尼的一個(gè)示例:-將剎車轉(zhuǎn)子20設(shè)置在支座25上。-例如，如圖1所示，將高速照相機(jī)或者照相機(jī)10布置為鄰近剎車轉(zhuǎn)子20，以拍攝剎車轉(zhuǎn)子20。-使用沖擊錘30或者其它激勵(lì)裝置來激勵(lì)剎車轉(zhuǎn)子20。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該激勵(lì)裝置被裝配有力傳感器。-記錄在預(yù)定時(shí)間量內(nèi)的剎車轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，例如如圖4所示的位移響應(yīng)時(shí)間歷史。-提取剎車轉(zhuǎn)子20的表面上的經(jīng)選擇的點(diǎn)的位移響應(yīng)時(shí)間歷史。從軟件提取的或者由所記錄的位移計(jì)算出的速度和加速度也可以用于進(jìn)一步的處理。-確定經(jīng)選擇的振動(dòng)模態(tài)的頻率。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，使用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)。-對時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用濾波器，以提取用于阻尼因子和Q因子計(jì)算的頻率和模態(tài)以及運(yùn)行撓曲振型(Operating Deflection Shape)的響應(yīng)。-計(jì)算任何、一些或者所有點(diǎn)的阻尼因子和Q因子。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，任何、一些或者所有點(diǎn)的阻尼因子和Q因子可以利用以下技術(shù)中一個(gè)來計(jì)算:a)時(shí)域?qū)?shù)衰減方法:利用這個(gè)方法，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)包括由時(shí)間歷史計(jì)算出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的衰減率。Q因子和阻尼因子由動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算出。該方法在下面被進(jìn)一步描述。b)利用希爾伯特變換的時(shí)域包絡(luò)和衰變常數(shù)計(jì)算:在這個(gè)方法中，正弦信號(hào)的時(shí)間信號(hào)的包絡(luò)利用希爾伯特變換和衰減率來計(jì)算。Q因子和阻尼因子由該結(jié)果來計(jì)算。該方法在下面被進(jìn)一步描述。c)利用快速傅里葉變換來提取輸出的頻率響應(yīng)函數(shù)并且利用如下所述的3dB方法來確定模態(tài)阻尼因子和模態(tài)Q因子。3dB方法的變型(稱作ndB方法)可以作為替代來被使用，其中“ n ”是任何數(shù)字或者分?jǐn)?shù)。d)利用快速傅里葉變換來提取輸出的頻率響應(yīng)函數(shù)并且利用模態(tài)曲線擬合算法/程序來確定阻尼因子和Q因子。在模態(tài)曲線擬合處理中，理論曲線擬合成與所測量頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)和頻率相匹配，并且阻尼和模態(tài)形狀被估算。來自工作條件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以被用于代替加工件的外部激勵(lì)和利用響應(yīng)或者通過操作模態(tài)分析所獲取的阻尼。e)功率輸入方法(Power Input Method, PIM):與 Experimental TechniquesVolume26, Issue3, Pages30_32, May2002 中 B.Bloss, M D Rao 的 Measurement of Dampingin Structures by the Power Input Method (“通過功率輸入方法測量結(jié)構(gòu)中的阻尼”)中所討論的類似，這個(gè)方法是基于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下系統(tǒng)的消耗能量與其最大應(yīng)變能的比較，其提供頻率平均阻尼值。除上述方法之外，諸如ASTM方法等標(biāo)準(zhǔn)方法可以利用試驗(yàn)樣品而不是剎車轉(zhuǎn)子來被應(yīng)用。要理解的是，上述技術(shù)是如何利用本文所描述的系統(tǒng)來測量阻尼的非限制性示例。其它合適的計(jì)算方法也可以被使用。在如上所述的時(shí)域?qū)?shù)衰減方法中，對一個(gè)脈沖測量系統(tǒng)的自由振動(dòng)位移振幅的歷史變化。如圖2所示，自由衰減曲線被產(chǎn)生。對數(shù)衰減是在如圖2所示的自然衰減振動(dòng)中兩個(gè)相鄰的位移峰值的比值的自然對數(shù)值。在時(shí)域包絡(luò) 衰減計(jì)算中，該信號(hào)首先被濾波，以提取所需要的頻率。然后，正弦信號(hào)的包絡(luò)利用希爾伯特變換被提取。所產(chǎn)生的信號(hào)可以在對數(shù)標(biāo)尺上被繪制并且衰減率可以由此獲取。這個(gè)處理的示例被示出在圖3中。在振動(dòng)響應(yīng)衰減時(shí)，可以在剎車轉(zhuǎn)子20中的阻尼是能量被消耗處的比率測量的情形下來確定模態(tài)Q因子。模態(tài)Q因子將系統(tǒng)振蕩處的頻率與該系統(tǒng)消耗其能量的比率相比較。更高的模態(tài)Q因子表示相對于振蕩頻率的更低的能量消耗率。模態(tài)Q因子可以通過將沖擊力施加到剎車轉(zhuǎn)子20并且測量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)來計(jì)算出。即，該模態(tài)Q因子是上述討論到的Q因子的特殊情況，即其通過測量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的FRF計(jì)算出。圖5示出了隨著時(shí)間而繪制的響應(yīng)的衰減。由于功率和能量與振蕩幅度的平方成
正比,振幅-頻率圖上的帶寬可以被測量為峰值的丨1/W.或者大約-3db。圖6示出了用于計(jì)算Q因子的響應(yīng)峰值和參數(shù)。如圖6中可以看到的，“fn”是固有頻率，并且fl和f2是在頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)的振幅下降3dB處的頻率。與峰值的頻率有關(guān)的峰值寬度確定剎車轉(zhuǎn)子20中的Q因子和阻尼因子。正如可以看到的，fl和f2之間的差值越大，則峰值越寬并且部件中的阻尼越大。圖7示出了用于計(jì)算Q因子的頻率響應(yīng)函數(shù)(frequency response function, FRF)的不例。
權(quán)利要求
1.一種測量加工件的阻尼的方法，包括: 激勵(lì)所述加工件； 利用光學(xué)成像系統(tǒng)測量所述加工件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；以及 根據(jù)所述動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算阻尼因子和Q因子。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加工件是剎車轉(zhuǎn)子。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加工件是剎車鼓。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算所述阻尼因子和所述Q因子包括根據(jù)所述動(dòng)態(tài)響應(yīng)的衰減率來所述計(jì)算阻尼因子和所述Q因子。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算所述阻尼因子和所述Q因子包括基于頻率響應(yīng)函數(shù)來計(jì)算所述阻尼因子和所述Q因子。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中激勵(lì)所述加工件包括利用沖擊錘來激勵(lì)所述加工件。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中激勵(lì)所述加工件包括利用振動(dòng)器來激勵(lì)所述加工件。
8.一種測量加工件的阻尼的方法，包括: 將加工件設(shè)置在支座上； 設(shè)置高速照相機(jī)來觀察所述加工件； 利用激勵(lì)裝置來激勵(lì)所述加工件； 記錄預(yù)定時(shí)間量內(nèi)所述加工件的位移時(shí)間歷史； 提取所述加工件的表面上的經(jīng)選擇的點(diǎn)的位移響應(yīng)時(shí)間歷史； 確定經(jīng)選擇的振動(dòng)模態(tài)的頻率； 對所述位移響應(yīng)時(shí)間歷史應(yīng)用濾波器，以提取用于阻尼因子和Q因子計(jì)算的運(yùn)行撓曲振型或者模態(tài)的響應(yīng)；以及計(jì)算阻尼因子和Q因子。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述加工件是剎車轉(zhuǎn)子。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述加工件是剎車鼓。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，包括以力傳感器來裝配所述激勵(lì)裝置。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述激勵(lì)裝置是沖擊錘。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述激勵(lì)裝置是振動(dòng)器。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括基于位移響應(yīng)時(shí)間歷史來計(jì)算速度和加速度。
全文摘要
提供了一種測量加工件的阻尼的方法。所述方法包括激勵(lì)加工件、利用光學(xué)成像系統(tǒng)測量加工件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及根據(jù)所述動(dòng)態(tài)響應(yīng)來計(jì)算阻尼因子和Q因子。所述方法與以下兩個(gè)處理相關(guān)光學(xué)成像系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并且利用所述數(shù)據(jù)來獲取阻尼因子和Q因子。
文檔編號(hào)G01M1/14GK103180707SQ201180051363
公開日2013年6月26日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月24日
發(fā)明者馬努基·內(nèi)拉加德 申請人:羅斯尼弗雷諾斯公司