超精密スピンドルの品質性能試験

はじめに

工作機械の重要なコンポーネントの1つはスピンドルです。 機械は完璧な構造とガイドウェイを持つことができますが、スピンドル軸が動くと、ワークピースは幾何学的形状エラーを示します[23]。 何年にもわたって、粗振れ試験[5]から、LVDT、誘導プローブ、静電容量プローブを使用したいくつかの接触および非接触方法[XNUMX]まで、スピンドル軸の動きを特徴付けるいくつかの方法が開発されてきました。 今日、最も受け入れられている方法は、すべての計算が行われるパーソナルコンピュータに計測され接続されたマスターターゲットと静電容量プローブを使用します。

この最新の軸運動測定装置は、サブミクロンの分解能と精度を備えています。 この機器は、主に空気軸受と静水圧スピンドルの研究と製造で使用されています。これらの機器を使用する機械には超精密部品が必要なためです。 これは事実かもしれませんが、最新のスピンドル軸のモーション測定は、SuperPrecision®工作機械メーカーにとっても貴重なリソースです[4]。 これらの測定から取得した情報は、スピンドルの欠陥とその原因を見つけるのに役立ちます。 また、特定のアセンブリプロセスの変更がプラスまたはマイナスの影響を与えるかどうかを識別できます。 次の段落では、スピンドル軸の動きの測定が、SuperPrecision®スピンドルの製造業者に価値ある利点をどのように提供するかを示します。

スピンドル軸の動きを測定する目的

部品の真円度は、完成したマシンで実行されるテストカットによって決定されます。 この時点で、いくつかのカバーとサポートシステムが取り付けられているマシンにスピンドルが組み立てられました。 スピンドルが必要な仕様を満たしていない場合、拒否され、数時間の組み立て時間が無駄になります。 これにより、スピンドル品質の性能テストが必要になります。 SuperPrecision®ターニングセンターの場合、真円度は0.50µm(20µin)未満でなければなりません。 この真円度を達成する製造プロセスが確立されており、ほとんどの部分が安定しています。

それにもかかわらず、機械に取り付ける前に不適合なスピ​​ンドルが検出された場合、不必要な無駄が避けられます。 スピンドルの真円度を測定するには、駆動力源、サンプル部品のワーク保持装置、およびツールのガイドシステムが必要です。 工作機械に取り付けられていないスピンドルにこれらすべての要素を供給することは、非実用的で面倒であり、真円度測定に追加の誤差をもたらす可能性があります。 これらの要因を考慮して、スピンドルが工作機械の外側にあるときに測定する最も実行可能な特性は、スピンドル軸の動きであると判断されました。 その後、スピンドルの真円度と相関させることができます。

測定中のスピンドルは、超精密ターニングセンターで使用されます。 スピンドルは、マシンに取り付けられたときにマルチストランドVベルトトランスミッションによって駆動されます。 生産プロセス中、スピンドルはグリースをパージするための慣らし運転が必要です。 この段階でスピンドル測定を実行することは、簡単に計測および駆動できるため理想的です。 主軸の目的は、スピンドル軸の動きを取得した後、この情報と部品の真円度との関係を見つけることです。

ハードウェアと測定

真円度測定機ロンドコム

図1.真円度測定機Rondcom 54(上)。 真円度測定の出力(下)、XNUMXつの測定値を使用して、切断平均真円度を計算します。

測定する必要がある360つの主要なパラメーターは、出力である部品の真円度と、入力であるスピンドル誤差軸の動きです。 部品の真円度の測定は簡単で簡単です。 直径1インチのC1000黄銅試料を、.0009iprの送り速度で天然ダイヤモンドを使用して1rpmで切断します。 カットの長さも3インチで、1つの真円度測定が行われます:上部中央と下部。 これらXNUMXつの測定値の平均は、使用され、検査ファイルに記録された部品の真円度の値です。図XNUMXを参照してください。

スピンドル軸の動きは、ランインベンチに取り付けられた3チャンネルLION Precision©スピンドルアナライザーを使用して測定されます。 一般的に、この装置は、スピンドルが回転しているときにマスターターゲットからの相対距離を測定する静電容量プローブのセットです。 このデータはすべて、スピンドルアナライザソフトウェア[5]によって処理されます。 このデバイスから取得できる情報の量と量は計り知れませんが、部品の真円度に関連するため、スピンドルの半径方向の動きに集中します。 

静電容量式センサーは、位置合わせ用の微調整ネジを備えた固定具に取り付けられたプローブネストによって固定されています。 図2に示すように。 

ベンチの固有振動数を取得するには、バンプテストを実行します。 フィクスチャがランニングベンチに固定されている場合、セットアップの固有周波数は64 Hzであり、16 rpmのテストrpm周波数よりも高くなっています。 これは、測定に影響を与える可能性のあるフィクスチャ構造の共振を避けるための鍵です[6]。

さらに、スピンドルが停止した状態のランニングベンチでの0.07つの異なるスピンドルセットアップのノイズを測定しました。 ノイズの平均ピークツーピーク値は60µmであることがわかりました。 この値は、探しているものよりも桁違いに小さいため、測定値は信頼できると見なすことができます。 ノイズには、XNUMX Hzの範囲のいくつかの周波数とその高調波が含まれており、周囲の電気システムによって生じる可能性が最も高くなります。 アイドルノイズレベルが許容範囲外の場合、測定セットアップがチェックされ、検出されたノイズソースが除去されます。

ベンチを実行してプローブの巣を保持します

図2プローブネストを保持するために使用されるランインベンチフィクスチャ。 使用されている特大の鋼板に注意してください。

X&Yセンサーからの信号は、5kHzのサンプリング周波数で記録されます。 これらの1つのチャネルのデータは、スピンドルアナライザソフトウェアによって回転する敏感な方向グラフにプロットされます。 このグラフは、主要な異常や問題を検出するために視覚的に検査されます。 私たちの主な関心は、敏感な方向であるX軸プローブによって収集されたデータです。 旋盤の場合、敏感な方向は、工具がXY平面の回転軸に垂直になる方向です。 この軸に沿ったスピンドルの動きは、機械加工部品の真円度に直接影響します[XNUMX]。

単純な時間領域手法から高度な周波数領域フィルタリングまで、エラー軸の動きを分析するためのいくつかのアプローチが存在します[1]、[6]。 同期(または平均)エラーモーションは、その安定性と自己フィルタリングの性質により、主要な分析パラメーターとして選択されています。 同期誤差は、回転周波数の整数倍で発生する総誤差運動の成分です[5]。 これは通常、特定の回転数を平均し、最小内接円と最大内接円の間の距離を計算することによって得られます。 物理的な観点からも、同期エラーを使用することは理にかなっています。これは、切断プロセス中に、非同期エラーのほとんどがフォームではなく表面仕上げ[1]の一部になるためです。

同期エラーの大きさ

図3.同じ軸のモーションデータセットを使用して、異なる回転数の同期誤差が計算され、指数関数的な挙動が容易に観察されます。

軸のモーション測定を簡素化するために、エンコーダーは使用されていません。 回転角度は、マスターターゲットにわずかな偏心(10µm)を残すことで得られます。 これにより、センサーデータに正弦波成分が追加されます。これは、最小二乗正弦波をデータに当てはめることで削除されます。 適合正弦波は、スピンドルの回転角を取得するためにも使用されます。

同期誤差運動の計算に使用される巻き数は、些細な問題ではありません。 図3に示すように、同期エラーの大きさと使用されるターン数の間の動作は指数関数的です。これを考慮すると、十分なターンが使用されていない場合、同期エラーが大きすぎます。 一方、あまりにも多くのターンが使用される場合、同期エラーからの情報は平均化のために失われます。 10回転を使用して同期誤差運動を計算すると、指数関数が平坦化し始めるため、良好なバランスが見つかりました。 さらに、LION©スピンドルアナライザーの計算で使用される回転数のデフォルト値も10です。

期待される真円度モデル

私たちの主な目的は、実行中のベンチで測定された主軸の軸運動を、機械の真円度カット平均と関連付けることです。 機械の真円度カットの出力は、いくつかの要因に依存します。いくつかはスピンドル自体に直接関連し、他は機械アセンブリに依存します。 これは、測定されたスピンドル軸の動きに関係しない変動の原因があるため、理解することが重要です。 この変動の影響を最小限に抑えるために、機械が適切にバランス調整された後に真円度カットが行われます。 平均真円度カットが0.50µmを超える場合、スピンドルは許容できないと見なされます。

予想される真円度の値を取得するために、各回転を2度間隔で分割し、10回転の運動を平均し、最大平均と最小平均の差を取ることにより、スピンドル軸同期誤差を計算しました。 この計算は平均真円度と見なされます。 ただし、この値はプロセスの完全な表現ではありません。 これを念頭に置いて、10回転にわたる最大値と最小値を定義する値を使用して、標準偏差を取得します。 平均と標準偏差では、スチューデントのt分布[7]を使用して、最大の信頼区間の上限と最小の信頼区間の下限が計算されます。 これらの間隔の違いは、予想される真円度です。 図4は、予想される真円度の計算に使用される手順を示しています。

主な目的は機械に不良なスピンドルを取り付けることを避けることであるため、99%の信頼レベルが選択されました。 これが起こると、多大な時間とお金が無駄になります。

真円度モデル

試験結果

期待される対平均の真円度

図5. XNUMXつの測定値の平均から得られた予想される真円度と実際の切削部品の真円度。

提案されたアプローチは、予想される真円度を計算するランニングベンチで軸の動きを測定し、テストカットから真円度を測定することにより、7つの生産スピンドルに適用されました。 これらの結果を図5に示します。

スピンドルが真円度カットに合格するか失敗するかを予測する際に、XNUMXつの期待値のうちXNUMXつが正確であったことが観察できます。 

予想される真円度がスピンドルが通過しないことを示したスピンドル3は、この方法がフェールセーフとして機能することを示しています。 不良スピンドルを良品として認定することは、反対のシナリオよりもはるかにコストがかかります。 予測が許容される最大値(0.50µm)よりも高い真円度の値である場合、スピンドルがさらにチェックされ、障害が存在するかどうかが判断されます。

結論

スピンドルエラー軸の動きを使用する場合、99%の信頼水準で予想される真円度を計算できます。 これは、真円度カットを通過しないスピンドルの組み立てを回避して、製造のための貴重なツールを提供します。 いくつかの固有の変動は、スピンドル軸の動きだけでなく、機械アセンブリから生じることが理解されます。 真円度に影響を与える機械組立要素の例には、バランス、軸振動、機械剛性、部品材料、工具材料、切削パラメータ、補助装置振動などが含まれます。これを考慮に入れると、提案された予想真円度計算のもうXNUMXつの利点は、問題が機械またはスピンドルアセンブリにある場合は、ポイントを特定します。 

謝辞

著者は、この方法論の開発中のTerry S. GeorgeC。とMattB。のすべてのサポートに感謝したいと思います。 さらに、HardingeIncに感謝します。   

レファレンス

  1. B.ブライアン、P。ヴァニエレク、「回転軸の誤差運動に関する用語の統一」20年1975月XNUMX日、CIRP
  2. J.ゴダード、A。カウリー、M。バーデキン、「スピンドル回転精度の評価のための測定システム」18年1972月13日XNUMXth 国際工作機械の設計および研究会議。
  3. シュレシンガー、「工作機械のテスト」、1966 7th ed、Machinery Publishing Co. Ltd.
  4. Kushnir、「超精密ターニングセンター:高精度、ハードターニング、マルチツールマシンツール」20年2013月XNUMX日ASPE
  5. Lion Precision、「取扱説明書Advance Spindle Error Analyzer v7」、2003年
  6. R.マーチ、「精密スピンドルメトロロジー」2010、2nd ed、DEStech Publications
  7. C.モンゴメリー、「統計的品質管理入門」、2009 6th ed、John Wiley&Sons

記事–ハーディンゲ紙