3D振動測定の2つの手法
3D-Scanningでは、定義された部品表面を一点ずつ測定します。各測定点で、システムはx、y、zの時間変化を同時に取得します。これにより、周波数スペクトルと表面の空間的な振動形状を特定できます。
3D-Single-Pointでは、3つの測定方向が測定プロセス全体を通じて同じ点に向けられたままです。ハードウェアはx、y、zを連続的に算出します。これにより、一度限りまたは再現不可能な現象を含め、この点における運動履歴全体を取得できます。
空間振動形状のための3D-Scanning
同期された3台のScanning-Vibrometerが、定義された各表面点を異なる方向から同時に測定します。SMART Labはその結果からx、y、zを算出し、続いて次の測定点に移動します。これにより、曲げ成分とねじり成分、およびIn-plane・Out-of-plane運動を空間的に対応付け、シミュレーションデータと比較できます。
代表的な用途：
- 稼働時振動解析（ODS）およびNVH： 空間的な振動形状、局所的な振動最大値、ならびに連成した曲げ、ねじり、In-plane、Out-of-plane成分を解析。
- 実験モード解析（EMA）： 測定した加振に基づき、固有振動数、減衰、および3次元モード形状を特定。
- FEM相関、モデル検証、Model Updating： 測定データとシミュレーションデータを同一の座標系および対応する節点で比較。測定データはその後、材料パラメータ、接合部、支持条件、境界条件の調整に使用できます。
- 対策の評価： 比較測定により、形状変更、減衰対策、または変更された境界条件の効果を検証。
前提条件： スキャン中、振動は定常的または再現可能である必要があります。基準信号により、順次測定される各点が位相整合された状態で結び付けられます。
連続3D測定のための3D-Single-Point
3本のレーザーは、測定全体を通じて同じ点に向けられたままです。各測定方向は、それぞれのレーザー軸に沿った運動成分を取得します。ハードウェアは3つの測定信号を連続的にx、y、zへ変換し、各成分をデジタル出力およびアナログ出力に同期して提供します。
代表的な用途：
- 過渡的かつ非反復的な現象： 衝撃、切替、起動、減衰の過程における完全な3次元運動履歴を取得。
- プロセス監視： 加工プロセスにおける運動方向を調査。たとえば、びびり振動や不安定なプロセス状態の解析に利用できます。
- 小型・軽量部品： MEMS、プリント基板、電子部品、薄肉構造など、Triaxセンサの質量が測定結果に影響を与えるおそれのある対象を測定。
- センサおよびアクチュエータの試験： 小型センサ、加速度計、アクチュエータ、またはトランスデューサの3軸運動を非接触で評価。
- 高温またはデリケートな表面： 温度、材料特性、または表面の感受性によりセンサの取り付けが不適切な場合に、3軸測定を実施。
前提条件： 3本すべてのレーザーから測定点まで遮るもののない視線が必要です。
適用範囲： この手法では1点における完全な運動履歴を取得できますが、面全体の振動モード形状は取得できません。
3Dレーザー振動計とは？
3Dレーザー振動計は、部品表面の3次元振動を非接触で取得するための光学式測定システムです。手法に応じて、固定された1つの測定点、または定義された表面上の多数の点を測定します。
測定する各位置では、異なる測定方向からの3本のレーザービームが同じ表面点に照射されます。各レーザーは、そのビーム軸に沿った運動成分を取得します。3つの測定値は、まずビーム座標u、v、wで得られます。その後、校正済みの測定ジオメトリに基づき、定義されたデカルト座標系におけるx、y、z成分が算出されます。
3D-Single-Pointでは、装置ハードウェアがこの変換を継続的に実行します。3D-Scanningでは、SMART Labが取得した各表面点についてx、y、zを算出し、その結果を空間分解された振動モード形状として統合します。
測定方向と座標
- ビーム座標u、v、w： 3つのレーザー軸に沿って直接測定される運動成分。
- デカルト成分x、y、z： 定義された座標系においてu、v、wから算出される成分。
- In-plane成分： 局所的な部品表面に対して平行、すなわち接線方向の2つの運動成分。
- Out-of-plane成分： 局所的な部品表面に対して法線方向の運動成分。
- 3D振動ベクトル： x、y、zをまとめたものです。測定位置における運動の大きさと方向を表します。
1Dレーザー振動計は何を測定しますか？
1Dレーザ振動計は、レーザ軸に沿った振動速度または変位を測定します。これにより1つの運動成分を捉えますが、x、y、zにおける完全な運動方向は取得できません。
1Dスキャニング振動計は、表面上の多数の点でこの測定を自動的に繰り返します。これにより空間的に高密度な測定ネットワークが得られますが、各点で取得されるのは引き続き1つの方向成分のみです。
1D振動測定で十分なのはどのような場合ですか？
1D測定は、対象となる運動が主に既知の方向に生じる場合に適しています。代表例として、薄い車体板金の振動解析が挙げられます。その曲げ振動は多くの場合、局所的な表面に対して主に垂直、すなわちOut-of-plane方向に生じます。板金をレーザビームに対してほぼ垂直に照射すると、1Dスキャニング振動計は多数の点で主要な運動成分を取得し、その空間分布を可視化します。
接線方向の運動、連成した曲げ・ねじり成分、またはx、y、zにおける完全な運動も解析する場合は、3D測定が有効です。
測定角度が重要な理由
レーザビームが平坦な表面に垂直に入射する場合、取得されるのは表面法線方向、すなわちOut-of-planeの運動成分のみです。表面を斜めから測定すると、Out-of-plane運動とIn-plane運動の成分が同じ測定信号に含まれます。単一のレーザでは、これらの成分を互いに分離できません。
曲面では、測定角度が点ごとに変化します。そのため、運動をx、y、zに明確に分離するには、複数の測定方向が必要です。
x、y、zの決定方法
3D測定では、3本のレーザが異なる測定方向から同一の表面点を同時に取得します。レーザの空間的な配置は既知で校正されているため、3つの測定信号をx、y、zの成分へ変換できます。
これにより、たとえばIn-plane運動とOut-of-plane運動、あるいは半径方向、接線方向、軸方向の振動成分を分離して評価できます。3Dスキャニングでは、この測定を表面上で定義されたすべての点に対して自動的に繰り返します。
1Dと3Dの概要
- 1D-Single-Point: 固定された1つの測定点における1方向の成分。
- 1D-Scanning: 順次測定される多数の点における1方向の成分。
- 3D-Single-Point: 固定された1つの測定点で、x、y、zを同時かつ連続的に測定。
- 3D-Scanning: 各測定点でx、y、zを同時に測定。表面を点ごとに取得します。
- 重要なポイント: 測定点を増やすほど空間分解能は向上します。x、y、zへの分離を可能にするのは、追加の測定方向です。
3D振動測定が有効なのはどのような場合ですか？
3D振動測定は、複数方向の運動が発生し、それらの成分を分離して評価する必要がある場合に有効です。特に、曲面、連成した曲げ・ねじり振動、およびFEMデータとの方向別比較に適しています。
ブレーキディスクの例：In-planeとOut-of-planeを分離して評価
ブレーキディスクは、表面法線方向だけでなく、ディスク面内の半径方向および接線方向にも動くことがあります。1Dレーザ振動計が捉えるのは、そのレーザ軸に沿った運動成分のみです。運動がこれらの方向にどのように分布しているかは示せません。
3D測定では、x、y、zの各成分を個別に求めます。これにより、振動モードが主として面内運動、面外運動、または連成運動のいずれによって支配されているかを把握できます。
2つの動画は、5,984 kHzにおけるブレーキディスクの同一の測定振動モードを示しています。左が面内成分、右が面外成分です。成分を分けて表示することで、シミュレーションとの成分別比較や、設計変更または減衰対策の評価が容易になります。
曲面および立体部品
曲面では、局所的な表面法線が点ごとに変化します。そのため、単一のレーザでは測定位置によって異なる方向の運動成分が捉えられます。
3D測定では、選択した座標系において各点の運動をx、y、zに分離します。これにより、たとえばタービンブレード、筐体、ブレーキディスク、深絞り板金などの方向成分を相互に比較できます。
連成曲げ・ねじり振動
連成した曲げ・ねじり振動では、表面は同時に複数の方向へ動きます。1D測定ではレーザビームに沿った運動成分は示されますが、全体の運動が各方向にどのように分布しているかは分かりません。
3D測定では、たとえば軸方向、半径方向、接線方向の成分、あるいはx、y、zの各成分を個別に表示します。
FEM相関およびModel Updating
FEMモデルは、各節点における方向を持つ変位を提供します。信頼性の高い比較を行うには、測定データとシミュレーションデータが対応する点に存在し、共通の座標系で表されている必要があります。
3D測定データにより成分別の比較が可能になり、材料パラメータ、接合部、支持条件、境界条件のModel Updatingの基盤として使用できます。
設計対策を的確に評価
変更前後の比較測定により、どの方向成分および振動モードが変化したかを確認できます。これにより、形状変更、減衰対策、または支持条件の変更が意図した効果をもたらすかを検証できます。
測定結果は、その後FEMモデルの予測値と比較できます。
3D振動測定向けOptometシステム
Optometは、SMARTシリーズのシステムにより両方の測定手法を実現しています。SMART 3D-Scanは、定義された部品表面全体にわたりx、y、zを測定します。SMART 3D-Fiberは、固定された1点で3成分を連続的に測定します。いずれのシステムも非接触で動作し、SMART Labまたは既存の測定チェーンに統合できます。
SMART 3D-Scan：空間振動モードを自動取得
SMART 3D-Scanは、同期した3台のSMART Scan+振動計を組み合わせたシステムです。定義された各測定点で、3台すべての装置が異なる方向から同一の表面点を同時に測定します。SMART Labがそこからx、y、zを算出し、続いて次の測定点へ移動します。これにより、定義された測定領域全体を自動的に取得します。
- 結果： 分離されたx、y、z成分を持つ空間分解振動モード。測定した加振を用いることで、実験モーダル解析から三次元固有モードを求めることもできます。
- 一貫したワークフロー： CADまたはFEMモデルのインポート、測定点の定義、システムのキャリブレーション、スキャンの開始、結果の評価まで、すべてのステップを1つのSMART Labプロジェクト内で実行できます。
- モジュラー構成： 各SMART Scan+は、完全な1Dスキャニング振動計として単独でも使用できます。既存システムは、3Dシステムや、より大規模な同期測定セットアップへ拡張可能です。
- 代表的な用途: 運転時振動解析、実験モーダル解析、NVH、FEM相関、モデル検証およびModel Updating。
SMART 3D-Fiber：1点でx、y、zを連続測定
SMART 3D-Fiberでは、3本のレーザービームが測定全体を通じて同一の表面点に向けられた状態を維持します。装置ハードウェアは3つの測定信号を連続的にx、y、zへ変換し、各成分をデジタル出力およびアナログ出力へ同期して提供します。これにより、この点における完全な3次元の運動履歴を取得できます。
- 時間特性: 連続的な現象、急速に変化する現象、一過性の現象、および再現不可能な現象に適しています。
- 代表的な用途: プロセス監視、小型・軽量部品の解析、プリント基板および電子機器の試験、ならびにセンサー、アクチュエータ、トランスデューサの検査。
- 統合: SMART Labでの使用、または同期したx、y、z信号の外部データ収集システムへの出力。
- 位置合わせ: 内蔵カメラにより、3本のレーザーを同じ点に位置合わせできます。3本すべてのレーザーには、測定箇所まで遮るもののない視線経路が必要です。
3D振動測定の代表的な用途
3D-Scanningは、部品表面上の運動を空間的に分解して測定する場合に適しています。3D-Single-Pointは、一連の現象全体にわたり、固定した測定点でx、y、zを連続的に取得する場合に使用します。以下に、両手法の代表的な測定タスクを示します。
タービンブレードおよびBlisksのFEM検証
適した手法：3D-Scanning
タービンブレードおよびBlisksは曲面を持ち、曲げ振動とねじり振動が連成して発生することがよくあります。3Dスキャンでは、多数の定義済み表面点でx、y、zを測定し、それらをFEMモデルの節点に対応付けることができます。
測定した加振を用いる実験モーダル解析では、固有周波数、減衰、3次元モード形状を各成分ごとにシミュレーションと比較できます。測定データはその後、検証およびModel Updatingの基礎として利用できます。
NVHおよびブレーキ騒音の解析
適した手法：3D-Scanning
ブレーキディスク、ハウジング、車両部品は、同じ周波数において半径方向、接線方向、表面法線方向に同時に運動することがあります。3Dスキャンはこれらの方向成分を分離し、部品全体における空間分布を示します。
これにより、関連する振動モードを各成分ごとにFEMモデルと比較できます。比較測定により、形状変更、支持条件、減衰対策が各運動方向にどのような影響を与えるかを確認できます。
軽量部品、センサー、アクチュエータの検査
薄肉筐体、プリント基板、軽量複合部品、小型精密機構では、Triax加速度ピックアップの質量や接続ケーブルが測定結果に影響を及ぼすことがあります。その結果、部品によっては固有振動数、減衰、振動振幅が変化する場合があります。
3D-Single-Pointは、センサーによる部品への負荷をかけることなく、固定された1点でx、y、zを連続的に計測します。この手法は、想定された主運動に加えて横方向の運動や連成も調査する必要がある場合に、加速度ピックアップ、ピエゾアクチュエータ、トランスデューサの検査にも適しています。
プロセス監視と過渡現象
適した手法：3D-Single-Point
加工、起動、切替、衝撃、減衰の各プロセスでは、運動が短時間で変化することがあります。一部の事象は、確実に再現できません。
3D-Single-Pointでは、3本すべてのレーザーが同じ測定点に向けられた状態を維持します。これにより、プロセス全体を通じてx、y、zを同時かつ連続的に計測できます。たとえば、方向変化、びびり振動、不安定なプロセス状態を調査できます。
SMART Labによる3D-Scanning
SMART Labは、測定計画、機器設定、測定、解析を1つのプロジェクトに統合します。測定は、CADまたはFEMモデル上で事前に準備できます。ラボではプロジェクトを読み込み、セットアップを自動的に位置計測して、スキャンを開始します。初期結果は測定中から確認できます。測定点を再入力したり、複数のプログラムを切り替えたりする必要はありません。
1. 測定点を設定
CADまたはFEMの形状データを、STL、OBJ、またはNASTRANファイルとしてSMART Labにインポートします。測定点は表面上に直接設定することも、選択したFEMノード上に設定することもできます。
プロジェクトは、たとえば解析エンジニアがオフラインで準備し、そのまま変更せずにラボで使用できます。
2. システムを自動位置計測
ラボでは、3台のVibrometerを測定面に向けて位置合わせします。SMART Labはカメラ画像をモデルと照合し、機器の位置を特定して、3つの測定方向を自動的に校正します。
一般的なセットアップでは、位置合わせに必要な時間は機器1台あたり1分未満です。自動校正には約1～2分かかり、達成された品質が測定に十分かどうかをすぐに確認できます。
3. スキャンを開始して結果を解析
開始後、システムは設定された測定点を自動的に測定します。信号品質と中間結果はスキャン中から確認できます。これにより、測定セットアップと設定を早期に検証できます。
SMART Labは、3つの測定方向からx、y、zの成分を算出します。ソフトウェアは、時系列データ、スペクトル、運転時振動モードを表示します。加振を取得した測定では、FRFsおよび3次元固有モードも追加で解析できます。測定データは、MATLAB、UFF、ATFX、HDF5形式などでエクスポートでき、アニメーションはMP4として出力できます。
SMART 3D-Fiberによる3D-Single-Point
測定では、3Dファイバーヘッドを固定された測定点に向けて位置合わせします。その後、機器ハードウェアがx、y、zの成分を連続的に算出します。3つの成分はすべて同時に取得されるため、それらの時間関係および位相関係が完全に保持されます。これは特に、過渡的、急速に変化する、または再現不可能なプロセスに適しています。
ステップ1：接続する
3Dファイバーヘッドは、3本すべてのレーザーが同一の表面点に照射されるように配置します。内蔵カメラがレーザー位置を表示し、高精度な位置合わせを支援します。
測定には、3本すべてのレーザーに遮るもののない視線と、十分な光学的後方散乱信号が必要です。その後、測定ヘッドはプロセス全体を通じてこの点に向けた状態を維持します。
2. 測定を開始し、x、y、zを出力
測定パラメータを設定した後、測定を開始します。装置ハードウェアは、ビーム方向 u、v、w からの3つの信号を連続的に x、y、z に変換します。
同期された時系列データは、SMART Lab 内およびデジタル／アナログ出力で利用できます。これにより、外部DAQシステム、試験装置、またはプロセス監視システムにも統合できます。追加の励振は、それぞれの測定課題で必要な場合にのみ必要です。
FAQ: 3Dレーザー振動計
1Dレーザ振動計と3Dレーザ振動計の違いは何ですか？
1台の1Dレーザ振動計は、レーザビームの方向に沿った振動、すなわち1つの成分のみを測定します。3Dレーザ振動計は3本のレーザビームを使用して3つの空間方向すべてを測定し、デカルト座標（x、y、z）における完全な振動ベクトルを提供します。
3Dレーザ振動計はどのような場合に必要ですか？
面内振動が重要である場合、曲面や自由曲面を含む複雑な形状を解析する必要がある場合、または完全な3D変位ベクトルを用いたFEM検証を行う必要がある場合には、3Dレーザ振動計が必要です。
「面内」と「面外」は何を意味しますか？
「面外」とは、表面に垂直な振動（法線方向の運動）を指します。「面内」とは、材料面内、すなわち表面に接する方向の振動を指します。これらの成分を明確に分離できるのは3Dレーザ振動計だけです。
デカルト座標への変換はどのように行われますか？
3本のレーザはまず、それぞれのビーム方向（u、v、w）で測定します。SMART Labソフトウェアは、試験対象またはFEMモデルに合わせたデカルト座標系（x、y、z）における振動成分を自動的に計算します。
3Dスキャンと3D単一点測定の違いは何ですか？
3D単一点振動計（SMART 3D-Fiber）は、固定された1つの測定点における3次元振動を測定します。3Dスキャニング振動計（SMART 3D-Scan）は、多数の測定点を順次自動で移動し、表面全体にわたる完全な3Dモード形状を提供します。
既存の1Dシステムを3Dシステムにアップグレードできますか？
はい。SMART-Serieはモジュール式設計です。既存のSMART Scan+には、完全なSMART 3D-Scanを構成するために、いつでも追加で2台の装置を拡張できます。
どの3Dモデルをインポートできますか？
SMART Labは、STL、OBJ、PLYなどの一般的な形式に加え、NASTRANのFEMモデルにも対応しています。測定点はFEMノード上に直接配置できます。
3Dスキャンシステムでは、どのようにキャリブレーションを実行しますか？
3本のレーザービームのキャリブレーションは、SMART Labで完全自動で実行されます。ソフトウェアはキャリブレーション品質を検証し、数学的な誤差計算を表示します。
3Dレーザー振動計では、どの周波数範囲を測定できますか？
SMARTシリーズによりSMART-Serieでは、DCから50 MHzまでの周波数を測定できます。
荷重および応力の計算は可能ですか？
はい。完全な3D変位ベクトルに基づいて、ひずみとそれに起因する応力を計算できます。これはひずみゲージの代替手段となります。
使用されているレーザークラスは何ですか？
SMART 3D-Vibrometerで採用されているSMART 3D-Vibrometerは、目に安全なレーザー光源を使用しています。不可視のSWIR測定レーザー（1550 nm）はレーザークラス1（< 10 mW）に分類され、保護メガネは必要ありません。位置合わせに使用される可視パイロットレーザーはレーザークラス2（< 1 mW）であり、こちらも目に安全です。
測定点は同時に取得されますか、それとも順次取得されますか？
3Dシステムの3本のレーザーは、異なる角度から同じ点を同時に測定します。3Dスキャニング振動計では、各測定点を順番に測定します。基準信号を用いることで、時間差のある測定結果を位相補正して組み合わせます。
試験対象はどのように加振されますか？
加振方法は測定課題に応じて異なり、モーダルハンマー、シェーカー、圧電アクチュエータ、または実際の運転条件下で実施できます。SMARTシリーズには、規定された加振源として使用できる信号発生器が内蔵されています。
3Dレーザー振動計は自動化環境に統合できますか？
はい。測定データはデジタルおよびアナログの両方で利用でき、オープンインターフェースを介して既存の試験設備や計測チェーンに統合できます。外部トリガーにより、同期された測定プロセスが可能になります。
どの程度の作動距離が可能ですか？
SMART 3D-Scan: このシステムは、対象物のサイズと構成に応じて、約6,5 mmから100 mの作動距離に対応します。
SMART 3D-Fiber: コンパクトな3D-Fiber Headは、83 mmの固定作動距離を備えています。代替として、25 mmから100 mの作動距離に対応する追加のFiber Headsも用意されています。