Um die Schwingungen des Schlittens quantitativ zu bestimmen, soll die Beschleunigung dessen in die drei verschiedenen Raumrichtungen ermittelt werden.

Dafür wird der Bosch XDK Sensor herangezogen. Diese Prototyping-Platform hat diverse Sensoren eingebaut und kann in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden.

Um den Aufwand für das Sammeln der Daten zu minimieren wird ein bereits vorprogrammiertes Beispielprogramm verwendet. Das sogenannte Logger-Beispiel zeichnet, sobald eine Taste gedrückt wird, alle Messwerte von den auf „enable“ gestellten Sensoren auf. Die Daten werden anschließend auf eine SD-Karte gespeichert.

Folgendes logger.ini File liefert dem Sensor die Information, welche Sensoren mit welcher Abtastrate gesampelt werden sollen. Zudem kann man einen Tiefpass vorschalten um Aliasing zu verhindern.

Der eingebaute Beschleunigungssensor, BMA280 speichert die gemessenen Beschleunigungen mit einem Zeitstempel in eine csv-Datei (comma seperated values).

Die Datensätze können dann mithilfe von Tabellenkalkulationsprogrammen oder Matlab ausgewertet werden.

Messungen

Referenzmessung

EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) spielt in der Sensor- und Elektrotechnik eine große Rolle. Störungen und ungewolltes Rauschen wirkt unterschiedlich stark auf das Nutzsignal aus. Dadurch können Fehlinterpretationen des Signals resultieren. Folgende Messung soll den Einfluss der Steuerelektronik und des Verstärkershields auf den Sensor evaluieren.

Der Sensor ist mechanisch von der Kameraschiene entkoppelt.

Folgender Graph zeigt den zeitlichen Verlauf zweier Beschleunigungssignale zweier orthogonal zueinander zeigender Richtungen (parallel zur Horizontalen).

Die Kurve beschreibt die meiste Zeit des Intervalls [0 – 20 000 ms] annähernd eine Gerade. Am Anfang sind deutliche Amplituden erkennbar. Diese wurden höchstwahrscheinlich durch das Betätigen des Startknopfes hervorgerufen. Der Knopf ist direkt, mechanisch mit dem Sensorgehäuse gekoppelt und registriert die Kraft vom Knopfdrücken.

Generell sind aber die Störeinflüsse deutlich kleiner (lassen sich in dieser Skalierung nicht erkennen) als das Nutzsignal.

Messung der Vibrationen bei verschiedenen Geschwindigkeiten

Bei der folgenden Messreihe wird die Ansteuerungsfrequenz des Motors von 10 rpm (U/min) auf 100 rpm in 10 Stufen schrittweise erhöht. Dabei wird jeweils unterschieden, der Schlitten von der Antriebsplattform zum gegenüberliegenden Ende oder in die gegenläufige Richtung verfährt. Bei jeder Messung wurde immer der komplette Fahrweg aufgenommen.

Generell würde, wie im oberen Graph, eine zeitdiskrete Analyse ausreichen um die generelle Vibration des Schlittens zu quantifizieren. Um aber genau zu bestimmen, welche Frequenzen in welchen Anteilen in dem Signal enthalten sind, wird eine Transformation in den Frequenzbereich herangezogen.

Die Abtastrate des Sensors liegt maximal bei 500 Hz. Deshalb kann laut dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem das Spektrum bis 250 Hz (Abtastrate/2) aufgetragen werden.

Bei folgenden Graphen ist die spektrale Verteilung immer einer Messfahrt von sowohl der x-, als auch von der y-Komponente gezeigt.

Die Grafik zeigt deutlich, dass Schwingungen bestimmter Frequenzen deutlich stärker vorkommen, als andere (kein weißes Rauschen, wie bei der EMV-Messung). Außerdem sind deutlich Gemeinsamkeiten der beiden Untergraphen (x-Komponentente / y-Komponente) erkennbar. Der Hauptunterschied ist dabei nur die Amplitude der Schwingungen. Die Schwingungen in die y-Komponente sind dabei bis zu zehnmal größer als die, der gleichen Frequenz in die x-Richtung. Daher wird davon ausgegangen, dass die Schwingungsanregung aus der y-Achse entsteht. Die Schwingungen in x-Richtung ist daher eine Folge der meschanischen Kopplung. Aus diesem Grund wird sich in folgender Betrachtung nur auf die y-Komponente der Beschleunigung bezogen und nur diese ausgewertet. 

In dem unterem Frequenzspektrum sind vier Nadeln (Peaks) bei unterschiedlichen Frequenzen erkennbar. Die erste Nadel repäsentiert die Anregungsfrequenz, mit welcher der Schrittmotor die Spulen ansteuert. Die weiteren Peaks sind die Harmonischen, Schwinungen welche eine n-fache Frequenz der Grundschwingung besitzen. 

In folgender Messung wurde die Amplitude der Grundschwingung bei den einzelnene Drehgeschwindigkeiten gemessen und auf einen Graphen aufgetragen

Wie in diesem Graphen deutlich zu sehen, fällt die Amplitude der Grundschwingung je schneller sich der Motor dreht. Daher soll bei folgenden Auswertungen nur die niedrigste Drehrate des Motors als Referenz gewählt werden um bei den verschiedenen Verbesserungsansätzen die größt mögliche Differenz zu erhalten.