Medición de vibraciones en un disco de freno mediante escaneo 3D.

Vibrómetros láser 3D para mediciones de vibraciones en x, y y z.

Escaneo 3D: Registrar formas modales espaciales en superficies de medición definidas.
Punto único 3D: Medir x, y y z de forma continua en un punto de medición fijo.
Medición sin contacto: Sin masa adicional de sensores ni cables en el punto de medición.
Validar modelos FEM: Comparar los datos de medición direccionales con el modelo de simulación.

Dos métodos para la medición de vibraciones en 3D

En el escaneo 3D se mide punto por punto una superficie definida del componente. En cada punto de medición, el sistema registra simultáneamente la evolución temporal de x, y y z. A partir de ello pueden determinarse el espectro de frecuencias y la forma de vibración espacial de la superficie.

En 3D-Single-Point, las tres direcciones de medición permanecen orientadas hacia el mismo punto durante todo el proceso. El hardware calcula continuamente x, y y z. De este modo, se registra toda la evolución del movimiento en ese punto, incluso en procesos únicos o no repetibles.

Escaneo 3D para formas de vibración espaciales

Tres vibómetros de escaneo sincronizados miden simultáneamente cada punto definido de la superficie desde distintas direcciones. SMART Lab calcula a partir de ello x, y y z y, a continuación, se dirige al siguiente punto de medición. Así, los componentes de flexión y torsión, así como los movimientos In-plane y Out-of-plane, pueden asignarse espacialmente y compararse con datos de simulación.

Aplicaciones típicas:

Análisis de vibraciones operativas (ODS) y NVH: Analizar formas de vibración espaciales, máximos locales de vibración y componentes acoplados de flexión, torsión, In-plane y Out-of-plane.
Análisis modal experimental (EMA): Determinar frecuencias naturales, amortiguamiento y formas modales tridimensionales a partir de una excitación medida.
Correlación FEM, validación de modelos y Model Updating: Comparar datos de medición y simulación en el mismo sistema de coordenadas y en nodos correspondientes. A continuación, los datos de medición pueden utilizarse para ajustar parámetros de material, uniones, apoyos y condiciones de contorno.
Evaluar medidas: Verificar mediante mediciones comparativas el efecto de cambios geométricos, medidas de amortiguamiento o condiciones de contorno modificadas.

Requisito: La vibración debe ser estacionaria o reproducible durante el escaneo. Una señal de referencia relaciona correctamente en fase los puntos medidos de forma secuencial.

Vibrómetro láser 3D monopunto acoplado por fibra.

3D-Single-Point para mediciones 3D continuas

Tres láseres permanecen orientados hacia el mismo punto durante toda la medición. Cada dirección de medición registra el componente de movimiento a lo largo de su eje láser. El hardware transforma continuamente las tres señales de medición en x, y y z y proporciona los componentes de forma sincronizada en las salidas digitales y analógicas.

Aplicaciones típicas:

Procesos transitorios y no repetibles: Registrar la evolución completa del movimiento tridimensional durante procesos de impacto, conmutación, arranque o decaimiento.
Supervisión de procesos: Analizar las direcciones de movimiento en procesos de mecanizado, por ejemplo, para estudiar vibraciones de chatter o estados de proceso inestables.
Componentes pequeños y ligeros: Medir MEMS, placas de circuito impreso, componentes electrónicos y estructuras de pared delgada en los que un sensor triaxial influiría en el resultado debido a su masa.
Ensayo de sensores y actuadores: Examinar sin contacto el movimiento tridimensional de sensores pequeños, acelerómetros, actuadores o transductores.
Superficies calientes o sensibles: Medir en tres ejes cuando el montaje de un sensor no sea adecuado debido a la temperatura, las propiedades del material o la sensibilidad de la superficie.

Requisito: Los tres láseres requieren una línea de visión despejada hasta el punto de medición.

Limitación: El método proporciona la evolución completa del movimiento en un punto, pero no una forma de vibración distribuida sobre una superficie.

¿Qué es un vibrómetro láser 3D?

Un vibrómetro láser 3D es un sistema de medición óptico para la detección sin contacto de vibraciones tridimensionales en superficies de componentes. Según el método empleado, analiza un punto de medición fijo o múltiples puntos de una superficie definida.

En cada punto analizado, tres haces láser procedentes de distintas direcciones de medición inciden sobre el mismo punto de la superficie. Cada láser registra la componente de movimiento a lo largo de su eje de haz. Los tres valores medidos se obtienen inicialmente en las coordenadas de haz u, v y w. A continuación, a partir de la geometría de medición calibrada, se determinan las componentes x, y y z en un sistema de coordenadas cartesianas definido.

En 3D-Single-Point, el hardware del equipo realiza esta transformación de forma continua. En 3D-Scanning, SMART Lab calcula posteriormente x, y y z para cada punto de superficie registrado y combina los resultados para formar una forma de vibración con resolución espacial.

Medición de vibraciones con varios láseres en un disco de freno.

Direcciones de medición y coordenadas

Coordenadas de haz u, v y w: Las componentes de movimiento medidas directamente a lo largo de los tres ejes láser.
Componentes cartesianas x, y y z: Las componentes calculadas a partir de u, v y w en el sistema de coordenadas definido.
Componentes en el plano: Las dos componentes de movimiento paralelas o tangenciales a la superficie local del componente.
Componente fuera del plano: La componente de movimiento normal a la superficie local del componente.
Vector de vibración 3D: La combinación de x, y y z. Describe la magnitud y la dirección del movimiento en un punto analizado.

¿Qué mide un vibrómetro láser 1D?

Un vibrómetro láser 1D mide la velocidad de vibración o el desplazamiento a lo largo de su eje láser. De este modo, registra una componente del movimiento, pero no la dirección completa del movimiento en x, y y z.

Un vibrómetro de escaneo 1D repite esta medición automáticamente en numerosos puntos de una superficie. De este modo se crea una malla de medición espacialmente densa, aunque en cada punto se sigue registrando una sola componente direccional.

¿Cuándo es suficiente una medición de vibración 1D?

Una medición 1D es adecuada cuando el movimiento relevante se produce principalmente en una dirección conocida. Un ejemplo típico es el análisis de vibraciones de chapas finas de carrocería. Sus vibraciones de flexión suelen producirse principalmente de forma perpendicular a la superficie local, es decir, Out-of-plane. Si la chapa se apunta aproximadamente de forma perpendicular al haz láser, un vibrómetro de escaneo 1D registra la componente de movimiento decisiva en numerosos puntos y representa su distribución espacial.

Si también se desean analizar movimientos tangenciales, componentes acopladas de flexión y torsión o el movimiento completo en x, y y z, resulta conveniente realizar una medición 3D.

Por qué es importante el ángulo de medición

Si el haz láser incide perpendicularmente sobre una superficie plana, registra exclusivamente la componente del movimiento normal a la superficie, es decir, Out-of-plane. Si la superficie se apunta en ángulo, las componentes del movimiento Out-of-plane e In-plane se integran en la misma señal de medición. Un único láser no puede separar estas componentes entre sí.

En superficies curvadas, el ángulo de medición varía de un punto a otro. Por ello, se necesitan varias direcciones de medición si se desea separar inequívocamente el movimiento en x, y y z.

Medición de vibraciones en un motor con SMART 3D Fiber.

Así se determinan x, y y z

Para la medición 3D, tres láseres registran simultáneamente el mismo punto de la superficie desde distintas direcciones de medición. Dado que la orientación espacial de los láseres es conocida y está calibrada, las tres señales de medición pueden transformarse en las componentes x, y y z.

Esto permite evaluar por separado, por ejemplo, los movimientos In-plane y Out-of-plane, o las componentes de vibración radiales, tangenciales y axiales. En el escaneo 3D, esta medición se repite automáticamente en todos los puntos definidos de la superficie.

1D y 3D de un vistazo

1D-Single-Point: Una componente direccional en un punto de medición fijo.
1D-Scanning: Una componente direccional en numerosos puntos medidos sucesivamente.
3D-Single-Point: x, y y z simultáneamente y de forma continua en un punto de medición fijo.
3D-Scanning: x, y y z simultáneamente en cada punto de medición; la superficie se registra punto por punto.
Clave: Un mayor número de puntos de medición aumenta la resolución espacial. Solo las direcciones de medición adicionales permiten separar en x, y y z.

¿Cuándo tiene sentido realizar una medición de vibración 3D?

Una medición de vibración 3D es conveniente cuando se producen movimientos en varias direcciones y estas componentes deben evaluarse por separado. Esto se aplica especialmente a superficies curvadas, vibraciones acopladas de flexión y torsión, así como a la comparación direccional con datos FEM.

Ejemplo de disco de freno: evaluar por separado In-plane y Out-of-plane

Un disco de freno puede moverse tanto en dirección normal a la superficie como radial y tangencialmente en el plano del disco. Un vibrometro láser 1D solo registra la componente de movimiento a lo largo de su eje láser. No puede mostrar cómo se distribuye el movimiento entre estas direcciones.

La medición 3D determina por separado las componentes x, y y z. Esto permite identificar si una forma de vibración está caracterizada principalmente por movimientos In-plane, Out-of-plane o acoplados.

Los dos vídeos muestran la misma forma de vibración medida de un disco de freno a 5,984 kHz: a la izquierda, las componentes In-plane; a la derecha, las componentes Out-of-plane. La visualización por separado facilita la comparación por componentes con la simulación y la evaluación de medidas de diseño o amortiguación.

Superficies curvas y componentes tridimensionales

En las superficies curvas, la normal local de la superficie cambia de un punto a otro. Por ello, un único láser registra diferentes componentes direccionales del movimiento en distintas posiciones.

Una medición 3D separa el movimiento en cada punto en x, y y z dentro del sistema de coordenadas seleccionado. Esto permite comparar entre sí las componentes direccionales, por ejemplo, en álabes de turbina, carcasas, discos de freno o chapas embutidas en profundidad.

Vibraciones acopladas de flexión y torsión

En las vibraciones acopladas de flexión y torsión, la superficie se mueve simultáneamente en varias direcciones. Una medición 1D muestra la componente de movimiento a lo largo del haz láser, pero no cómo se distribuye el movimiento total entre las distintas direcciones.

La medición 3D muestra por separado, por ejemplo, las componentes axiales, radiales y tangenciales, o las componentes x, y y z.

Correlación FEM y Model Updating

Un modelo FEM proporciona desplazamientos direccionales en cada nodo. Para realizar una comparación fiable, los datos de medición y simulación deben estar disponibles en puntos correspondientes y en un sistema de coordenadas común.

Los datos de medición 3D permiten la comparación por componentes y pueden utilizarse como base para el Model Updating de parámetros de material, uniones, apoyos y condiciones de contorno.

Evaluar medidas de diseño de forma específica

Una medición comparativa antes y después de una modificación muestra qué componentes direccionales y formas de vibración han cambiado. De este modo, puede comprobarse si un cambio de geometría, una medida de amortiguación o un apoyo modificado produce el efecto previsto.

Posteriormente, los resultados de medición pueden compararse con las predicciones del modelo FEM.

Sistemas Optomet para la medición de vibraciones 3D

Optomet implementa ambos métodos de medición con sistemas de la serie SMART. SMART 3D-Scan registra x, y y z en una superficie definida del componente. SMART 3D-Fiber mide continuamente las tres componentes en un punto fijo. Ambos sistemas funcionan sin contacto y pueden integrarse en SMART Lab o en cadenas de medición existentes.

SMART 3D-Scan: registrar automáticamente formas de vibración tridimensionales

SMART 3D-Scan combina tres vibrometros SMART Scan+ sincronizados. En cada punto de medición definido, los tres dispositivos registran simultáneamente el mismo punto de la superficie desde diferentes direcciones. SMART Lab calcula a partir de ello x, y y z y, a continuación, se dirige al siguiente punto de medición. De este modo, se registra automáticamente toda la superficie de medición definida.

Resultado: Formas de vibración resueltas espacialmente con componentes x, y y z separadas. Con una excitación medida, también pueden determinarse formas modales tridimensionales a partir de un análisis modal experimental.
Flujo de trabajo integral: Importar un modelo CAD o FEM, definir los puntos de medición, calibrar el sistema, iniciar el escaneo y evaluar los resultados: todos los pasos se realizan en un proyecto de SMART Lab.
Estructura modular: Cada SMART Scan+ también puede utilizarse de forma independiente como vibrometro de escaneo 1D completo. Los sistemas existentes pueden ampliarse a 3D o a configuraciones de medición sincronizadas de mayor tamaño.
Aplicaciones típicas: análisis de vibraciones en servicio, análisis modal experimental, NVH, correlación FEM, validación de modelos y Model Updating.

Ver SMART 3D-Scan | Ficha técnica de SMART 3D-Scan (PDF)

Tarjeta de producto para el vibrómetro láser de escaneo 3D Optomet SMART.

SMART 3D-Fiber: medir x, y y z de forma continua en un punto

Con SMART 3D-Fiber, tres haces láser permanecen alineados con el mismo punto de la superficie durante toda la medición. El hardware del equipo transforma continuamente las tres señales de medición en x, y y z y proporciona los componentes de forma sincronizada en las salidas digitales y analógicas. De este modo, se registra la evolución completa del movimiento tridimensional en ese punto.

Comportamiento temporal: Adecuado para procesos continuos, de cambios rápidos, únicos y no repetibles.
Aplicaciones típicas: supervisión de procesos, análisis de componentes pequeños y ligeros, pruebas de placas de circuito impreso y electrónica, así como ensayos de sensores, actuadores y transductores.
Integración: Uso con SMART Lab o salida de las señales x, y y z sincronizadas a un sistema externo de adquisición de datos.
Alineación: Una cámara integrada facilita la alineación de los tres láseres con el mismo punto. Los tres láseres requieren una línea de visión despejada hacia el punto de medición.

Ver SMART 3D-Fiber | Ficha técnica de SMART 3D-Fiber (PDF)

Aplicaciones típicas de la medición de vibraciones 3D

El 3D-Scanning es adecuado cuando el movimiento debe resolverse espacialmente sobre la superficie de un componente. 3D-Single-Point se utiliza cuando se deben registrar x, y y z de forma continua en un punto de medición fijo durante todo un proceso. Los siguientes ejemplos muestran tareas de medición típicas para ambos métodos.

Validación FEM en álabes de turbina y Blisks

Método adecuado: 3D-Scanning

Los álabes de turbina y los Blisks presentan superficies curvadas y suelen mostrar vibraciones de flexión y torsión acopladas. Un escaneo 3D determina x, y y z en numerosos puntos definidos de la superficie y puede asignarlos a los nodos de un modelo FEM.

En un análisis modal experimental con excitación medida, las frecuencias naturales, la amortiguación y las formas modales tridimensionales pueden compararse componente a componente con la simulación. Posteriormente, los datos de medición pueden servir de base para la validación y el Model Updating.

Analizar NVH y ruidos de frenado

Método adecuado: 3D-Scanning

Los discos de freno, las carcasas y los componentes de vehículos pueden moverse simultáneamente en dirección radial, tangencial y normal a la superficie a una misma frecuencia. Un escaneo 3D separa estos componentes direccionales y muestra su distribución espacial sobre el componente.

Esto permite comparar las formas modales relevantes, componente por componente, con un modelo FEM. Las mediciones comparativas muestran posteriormente cómo influyen los cambios geométricos, los apoyos o las medidas de amortiguación en cada una de las direcciones de movimiento.

Verificar componentes ligeros, así como sensores y actuadores

En carcasas de pared delgada, placas de circuito impreso, componentes compuestos ligeros o pequeños mecanismos de precisión, un acelerómetro triaxial puede afectar al resultado de la medición debido a su masa y a los cables conectados. Según el componente, esto puede modificar las frecuencias naturales, la amortiguación y las amplitudes de vibración.

3D-Single-Point registra x, y y z de forma continua en un punto fijo, sin cargar el componente con un sensor. El método también es adecuado para verificar acelerómetros, actuadores piezoeléctricos y transductores cuando, además del movimiento principal previsto, se deben analizar movimientos transversales y acoplamientos.

Monitorización de procesos y fenómenos transitorios

Método adecuado: 3D-Single-Point

Durante procesos de mecanizado, arranque, conmutación, impacto o decaimiento, el movimiento puede cambiar en poco tiempo. Algunos eventos no se pueden repetir de forma fiable.

Con 3D-Single-Point, los tres láseres permanecen orientados hacia el mismo punto de medición. De este modo, x, y y z se registran simultánea y continuamente durante todo el proceso. Así es posible analizar, por ejemplo, cambios de dirección, vibraciones de chatter y estados inestables del proceso.

Escaneo 3D con SMART Lab

SMART Lab integra la planificación de la medición, la configuración del equipo, la medición y la evaluación en un único proyecto. La medición puede prepararse previamente en un modelo CAD o FEM. En el laboratorio, se carga el proyecto, se ajusta automáticamente el montaje y se inicia el escaneo. Los primeros resultados ya son visibles durante la medición. No es necesario volver a introducir los puntos de medición ni cambiar entre diferentes programas.

Flujo de trabajo para el escaneo 3D, paso 4: puntos de medición.

1. Definir los puntos de medición

Una geometría CAD o FEM se importa en SMART Lab como archivo STL, OBJ o NASTRAN. Los puntos de medición pueden definirse directamente sobre la superficie o en nodos FEM seleccionados.

El proyecto puede prepararse sin conexión, por ejemplo, por el ingeniero de cálculo, y utilizarse posteriormente sin modificaciones en el laboratorio.

Flujo de trabajo para escaneo 3D, paso 3: calibración del láser.

2. Calibrar automáticamente el sistema

En el laboratorio, los tres vibrometros se orientan hacia la superficie de medición. SMART Lab compara las imágenes de las cámaras con el modelo, determina la posición de los equipos y calibra automáticamente las tres direcciones de medición.

En una configuración típica, la orientación requiere menos de un minuto por equipo. La calibración automática tarda aproximadamente uno o dos minutos e indica de inmediato si la calidad alcanzada es suficiente para la medición.

Flujo de trabajo para el escaneo 3D, paso 6: análisis.

3. Iniciar el escaneo y evaluar los resultados

Tras el inicio, el sistema mide automáticamente los puntos definidos. La calidad de la señal y los resultados intermedios son visibles ya durante el escaneo. Esto permite verificar con antelación el montaje de medición y los ajustes.

SMART Lab calcula las componentes x, y y z a partir de las tres direcciones de medición. El software muestra datos temporales, espectros y formas de deflexión operativa. En una medición con excitación registrada, también se pueden evaluar FRFs y formas modales tridimensionales. Los datos de medición pueden exportarse, entre otros formatos, como archivos MATLAB, UFF, ATFX o HDF5; las animaciones, como MP4.

3D-Single-Point con SMART 3D-Fiber

Para la medición, el cabezal de fibra 3D se orienta hacia un punto de medición fijo. A continuación, el hardware del equipo calcula continuamente las componentes x, y y z. Las tres componentes se registran simultáneamente, de modo que sus relaciones temporales y de fase se conservan por completo. Esto resulta especialmente adecuado para procesos transitorios, rápidamente cambiantes o no repetibles.

Paso 1: Establecer la conexión

El cabezal de fibra 3D se posiciona de modo que los tres láseres incidan en el mismo punto de la superficie. La cámara integrada muestra las posiciones de los láseres y facilita una orientación precisa.

Para la medición, los tres láseres requieren una línea de visión despejada y una señal óptica de retrodispersión suficiente. A continuación, el cabezal de medición permanece orientado hacia este punto durante todo el proceso.

2. Iniciar la medición y emitir x, y y z

Tras configurar los parámetros de medición, se inicia la medición. El hardware del equipo transforma continuamente las tres señales procedentes de las direcciones de los haces u, v y w en x, y y z.

Las señales temporales sincronizadas están disponibles en SMART Lab y en las salidas digitales y analógicas. Esto permite integrarlas también en sistemas DAQ externos, bancos de ensayo o sistemas de supervisión de procesos. Solo se requiere una excitación adicional si es necesaria para la tarea de medición correspondiente.

¿Qué método de medición se adapta a su aplicación? Un ingeniero de aplicaciones de Optomet evaluará gratuitamente su tarea de medición y le recomendará el método adecuado y la configuración de medición apropiada.

Solicitar la evaluación de la tarea de medición

FAQ: Vibrómetro láser 3D

¿Cuál es la diferencia entre un vibrómetro láser 1D y uno 3D?

Un vibrómetro láser 1D mide la vibración a lo largo de la dirección del haz láser; es decir, exactamente una componente. Un vibrómetro láser 3D utiliza tres haces láser para medir las tres direcciones espaciales y proporciona el vector de vibración completo en coordenadas cartesianas (x, y, z).

¿Cuándo se necesita un vibrómetro láser 3D?

Se requiere un vibrómetro láser 3D cuando son relevantes las vibraciones en el plano, cuando deben analizarse geometrías complejas con curvaturas o superficies de forma libre, o cuando debe realizarse una validación FEM utilizando vectores de desplazamiento 3D completos.

¿Qué significan «en el plano» y «fuera del plano»?

«Fuera del plano» se refiere a vibraciones perpendiculares a la superficie (movimiento normal). «En el plano» se refiere a vibraciones dentro del plano del material, es decir, tangenciales a la superficie. Solo un vibrómetro láser 3D puede separar claramente estas componentes.

¿Cómo funciona la transformación a coordenadas cartesianas?

Los tres láseres miden inicialmente en sus respectivas direcciones de haz (u, v, w). El software SMART Lab calcula automáticamente las componentes de vibración en un sistema de coordenadas cartesianas (x, y, z), alineado con el objeto de ensayo o el modelo FEM.

¿Cuál es la diferencia entre el escaneo 3D y la medición 3D en un único punto?

Un vibrómetro 3D de punto único (SMART 3D-Fiber) mide la vibración tridimensional en un punto de medición fijo. Un vibrómetro de escaneo 3D (SMART 3D-Scan) se desplaza automáticamente por múltiples puntos de forma secuencial y proporciona formas modales 3D completas de toda una superficie.

¿Se puede actualizar un sistema 1D existente a un sistema 3D?

Sí. La SMART-Serie tiene una estructura modular. Un SMART Scan+ existente puede ampliarse en cualquier momento con dos equipos adicionales para formar un SMART 3D-Scan completo.

¿Qué modelos 3D se pueden importar?

SMART Lab admite formatos habituales como STL, OBJ y PLY, así como modelos FEM de NASTRAN. Los puntos de medición pueden colocarse directamente en los nodos FEM.

¿Cómo se realiza la calibración en un sistema de escaneo 3D?

La calibración de los tres haces láser se realiza de forma totalmente automática en SMART Lab. El software verifica la calidad de la calibración y muestra cálculos matemáticos de error.

¿Qué rango de frecuencias puede medirse con un vibrómetro láser 3D?

Con la SMART-Serie se pueden medir frecuencias desde DC hasta 50 MHz.

¿Es posible calcular cargas y tensiones?

Sí. Las deformaciones y las tensiones resultantes pueden calcularse a partir de los vectores de desplazamiento 3D completos, como alternativa a las galgas extensométricas.

¿Qué clase de láser se utiliza?

Los SMART 3D-Vibrometer utilizan fuentes láser seguras para los ojos. El láser de medición SWIR invisible (1550 nm) está clasificado como láser de clase 1 (< 10 mW) y no requiere gafas de protección. El láser piloto visible utilizado para la alineación es de clase 2 (< 1 mW) y también es seguro para los ojos.

¿Los puntos de medición se registran simultáneamente o de forma secuencial?

Los tres láseres de un sistema 3D miden simultáneamente el mismo punto desde distintos ángulos. En un vibrómetro de escaneo 3D, los puntos de medición individuales se recorren de forma secuencial. Con ayuda de una señal de referencia, las mediciones desfasadas en el tiempo se combinan con corrección de fase.

¿Cómo se excita el objeto de ensayo?

La excitación depende de la tarea de medición y puede realizarse mediante un martillo modal, un shaker, un actuador piezoeléctrico o en condiciones reales de funcionamiento. La serie SMART dispone de un generador de señales integrado que puede utilizarse como fuente de excitación definida.

¿Puede integrarse un vibrómetro láser 3D en entornos de automatización?

Sí. Los datos de medición están disponibles tanto en formato digital como analógico y pueden integrarse en bancos de ensayo y cadenas de medición existentes mediante interfaces abiertas. Los disparadores externos permiten procesos de medición sincronizados.

¿Qué distancia de trabajo es posible?

SMART 3D-Scan: El sistema permite distancias de trabajo de aprox. 6,5 mm a 100 m, según el tamaño del objeto y la configuración.

SMART 3D-Fiber: El compacto 3D-Fiber Head tiene una distancia de trabajo fija de 83 mm. Como alternativa, hay disponibles Fiber Heads adicionales con distancias de trabajo de 25 mm a 100 m.