스핀들 축 모션 측정이 초정밀 스핀들에 중요한 이점을 제공하는 방법

소개

공작 기계의 핵심 구성 요소 중 하나는 스핀들입니다. 기계는 완벽한 구조와 가이드 웨이를 가질 수 있지만 스핀들 축이 이동하면 공작물에 기하학적 형태 오류가 발생합니다 [1]. 수년 동안 원유 런아웃 테스트 [23]에서 LVDT, 유도 프로브 및 정전 용량 프로브를 사용하는 여러 접촉 및 비접촉 방법에 이르기까지 스핀들 축 모션을 특성화하기위한 여러 방법이 개발되었습니다 [5]. 오늘날 가장 널리 사용되는 방법은 모든 계산이 이루어지는 개인용 컴퓨터에 계측되고 연결된 마스터 타겟 및 커패시턴스 프로브를 사용합니다.

이 최신 축 모션 측정 기기는 미크론 이하의 분해능과 정확도를 제공합니다. 이 장비는 주로 에어 베어링 및 정수압 스핀들 연구 및 제조 분야에서 사용됩니다. 왜냐하면 이들 장비가 사용되는 기계에는 초정밀 부품이 필요하기 때문입니다. 이것이 사실 일 수도 있지만 최신 스핀들 축 모션 측정은 Super Precision® 공작 기계 제조업체에게도 유용한 리소스입니다 [4]. 이러한 측정에서 얻은 정보는 스핀들 결함과 그 원인을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 특정 조립 공정 변경이 긍정적 또는 부정적인 영향을 미치는지 식별 할 수 있습니다. 다음 단락에서는 스핀들 축 동작 측정이 Super Precision® 스핀들 제조업체에 어떻게 유용한 이점을 제공하는지 보여줍니다.

스핀들 축 운동 측정의 목적

부품 진원도는 완성 된 기계에서 수행 된 테스트 컷에 의해 결정됩니다. 이 시점에서 스핀들은 여러 덮개와지지 시스템이 설치된 기계에 조립되었습니다. 스핀들이 필요한 사양을 충족하지 않으면 거부되고 몇 시간의 조립 시간이 낭비됩니다. 따라서 스핀들 품질 성능 테스트가 필요합니다. Super Precision® 터닝 센터의 진원도는 0.50µm (20µin) 미만이어야합니다. 이 진원도를 달성하기위한 제조 공정이 확립되었고 대부분 안정적이다.

그럼에도 불구하고 부적합 스핀들이 기계에 설치되기 전에 감지되면 불필요한 낭비를 피할 수 있습니다. 스핀들의 진원도를 측정하려면 구동력의 원천, 시료 부품의 작업 고정 장치 및 공구의 안내 시스템이 필요합니다. 공작 기계에 설치되지 않은 스핀들에 이러한 모든 요소를 ​​제공하는 것은 실용적이지 않고 번거로우 며 진원도 측정에 추가 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 요소를 고려하여 스핀들이 공작 기계 외부에있을 때 측정 할 수있는 가장 실현 가능한 특성은 스핀들 축 동작입니다. 이후 스핀들 진원도와 상관 될 수 있습니다.

측정되는 스핀들은 초정밀 터닝 센터에서 사용됩니다. 스핀들은 기계에 설치 될 때 다중 가닥 V 벨트 트랜스미션에 의해 구동됩니다. 생산 과정에서 스핀들은 그리스를 퍼지하기 위해 런인 절차가 필요합니다. 이 단계에서 스핀들 측정을 수행하는 것은 계측 및 구동이 용이하므로 이상적입니다. 스핀들 축 모션을 획득 한 후 주요 목표는이 정보와 부품 진원도 사이의 관계를 찾는 것입니다.

하드웨어 및 측정

진원도 측정기 Rondcom

그림 1. 진원도 측정기 Rondcom 54 (위). 진원도 측정 결과 (하단), 세 가지 측정 값은 절단 평균 진원도를 계산하는 데 사용됩니다.

측정해야하는 두 가지 주요 매개 변수는 출력 인 부품 진원도와 입력 인 스핀들 오류 축 동작입니다. 부품 진원도 측정은 간단하고 간단합니다. C360 황동 1 인치 직경의 시편은 .1000ipr의 공급 속도로 천연 다이아몬드를 사용하여 0009rpm으로 절단됩니다. 절단 길이도 1 인치이며 3 개의 진원도 측정이 수행됩니다 : 상단 중간 및 하단. 이 세 가지 측정의 평균은 검사 파일에 사용 및 기록 된 부품 진원도 값입니다 (그림 1 참조).

스핀들 벤치 모션은 런인 벤치에 장착 된 경우 3 채널 LION 정밀 © 스핀들 분석기를 사용하여 측정됩니다. 일반적으로이 장비는 스핀들이 회전 할 때 마스터 타겟으로부터의 상대 거리를 측정하는 커패시턴스 프로브 세트입니다. 이 모든 데이터는 스핀들 분석기 소프트웨어에 의해 처리됩니다 [5]. 이 장치에서 얻을 수있는 기능과 정보의 양은 엄청나지만, 부품 진원도와 관련되어 있기 때문에 스핀들의 반경 방향 모션에 집중할 것입니다. 

용량 성 센서는 프로브 네스트에 의해 고정되며, 정렬을 위해 미세 조정 나사가있는 고정 장치에 장착됩니다. 그림 2와 같이. 

벤치 고유 주파수를 얻기 위해 범프 테스트가 수행됩니다. 픽스처가 런닝 벤치에 고정되면 셋업의 고유 주파수는 64Hz이며 이는 테스트 rpm 주파수 16Hz보다 높습니다. 이것은 측정에 영향을 줄 수있는 조명기 구조의 공명을 피하는 데 중요합니다 [6].

또한, 스핀들이 정지 된 상태에서 러닝 벤치에서 0.07 가지 스핀들 설정 소음을 측정했습니다. 노이즈의 평균 피크 대 피크 값은 60µm 인 것으로 밝혀졌다. 이 값은 찾고있는 것보다 훨씬 작은 크기이므로 측정을 신뢰할 수있는 것으로 간주 할 수 있습니다. 노이즈에는 XNUMXHz 범위의 일부 주파수와 그 하모닉이 포함되어 있으며 주변 전기 시스템에서 발생했을 가능성이 높습니다. 유휴 노이즈 레벨이 허용 할 수없는 범위에있는 경우 측정 설정을 확인하고 감지 된 노이즈 소스를 제거합니다.

프로브 둥지를 고정하기 위해 벤치 실행

그림 2 프로브 네스트를 고정하는 데 사용되는 런인 벤치 고정구. 사용 된 대형 강판에 유의하십시오.

X & Y 센서의 신호는 5kHz의 샘플링 주파수로 기록됩니다. 이 두 채널의 데이터는 스핀들 분석기 소프트웨어에 의해 회전 감지 방향 그래프에 표시됩니다. 이 그래프는 시각적으로 검사하여 주요 이상이나 문제를 감지합니다. 우리의 주요 관심사는 민감한 방향 인 X 축 프로브에서 수집 한 데이터입니다. 선반의 경우 민감한 방향은 공구가 XY 평면의 회전축에 수직 인 위치입니다. 이 축을 따른 모든 스핀들 동작은 가공 부품 진원도에 직접적인 영향을 미칩니다 [1].

간단한 시간 영역 기술에서 고급 주파수 영역 필터링 [1], [6]에 이르기까지 오차 축 모션을 분석하기위한 몇 가지 접근법이 있습니다. 동기 (또는 평균) 오류 모션은 안정성과 자체 필터링 특성으로 인해 주요 분석 매개 변수로 선택되었습니다. 동기 오류는 회전 주파수의 정수배에서 발생하는 전체 오류 모션의 구성 요소입니다 [5]. 일반적으로 특정 회전 수를 평균하고 최소 및 최대 내접 원 사이의 거리를 계산하여 얻습니다. 물리적 관점에서 볼 때 동기식 오류를 사용하는 것도 의미가 있습니다. 절단 공정 중에 대부분의 비동기 오류는 형태가 아닌 표면 마감 [1]의 일부이기 때문입니다.

동기 오류 크기

그림 3. 동일한 축 모션 데이터 세트를 사용하여 다른 회전 수에 대해 동기 오류를 계산하면 지수 동작이 쉽게 관찰됩니다.

축 모션 측정을 단순화하기 위해 인코더가 사용되지 않습니다. 마스터 앵글에 소량의 편심 (10µm)을 남겨 두어 회전 각도를 얻습니다. 이는 정현파 성분을 센서 데이터에 추가하며, 데이터에 최소 제곱 사인파를 맞춰 제거합니다. 피팅 된 사인파는 스핀들의 회전 각도를 얻는 데에도 사용됩니다.

동기 오류 동작을 계산하는 데 사용되는 회전 수는 사소한 문제가 아닙니다. 그림 3에 표시된 것처럼 동기 오류 크기와 사용 된 회전 수 사이의 동작은 지수 적입니다.이를 고려하여 충분한 회전을 사용하지 않으면 동기 오류가 너무 높아집니다. 반면에 너무 많은 회전을 사용하면 평균 오차로 인해 동기 오류의 정보가 손실됩니다. 10 턴을 사용하여 지수 오차가 평평 해지기 시작하는 동기 오차 운동을 계산할 때 균형이 잘 잡혔습니다. 또한 LION® 스핀들 분석기의 계산에 사용 된 회전 수의 기본값은 10입니다.

예상 진원도 모델

우리의 주요 목표는 러닝 벤치에서 스핀들의 측정 된 축 동작을 기계 진원도 평균과 연관시키는 것입니다. 기계 진원도 절단의 출력은 몇 가지 요소에 따라 달라지며, 일부는 스핀들 자체와 직접 관련이 있고 다른 일부는 기계 어셈블리에 따라 다릅니다. 측정 된 스핀들 축 동작과 관련이없는 변동 원인이 있으므로 이해해야합니다. 이 변형의 영향을 최소화하기 위해 기계가 적절히 균형을 잡고 정렬 된 후 진원도 절단이 수행됩니다. 평균 진원도 컷이 0.50µm 이상이면 스핀들을 사용할 수없는 것으로 간주됩니다.

예상되는 진원도에 대한 값을 얻기 위해 스핀들 축 동기 오류는 각 회전을 2도 간격으로 나누고 동작을 10 회 평균화하고 최대 평균과 최소 평균의 차이를 취하여 계산되었습니다. 이 계산은 평균 진원도로 간주됩니다. 그러나이 값은 프로세스를 완전히 나타내는 것은 아닙니다. 이를 염두에두고 10 턴 이상의 최대 값과 최소값을 정의하는 값이 표준 편차를 얻는 데 사용됩니다. 평균과 표준 편차를 사용하여 스튜던트 t- 분포 [7]을 사용하여 최대에 대한 신뢰의 상한 구간과 최소에 대한 하한값을 계산합니다. 이 간격의 차이는 예상되는 진원도입니다. 그림 4는 예상 진원도를 계산하는 데 사용되는 단계를 보여줍니다.

주요 목표는 기계에 잘못된 스핀들을 설치하지 않는 것이므로 99 %의 신뢰 수준이 선택되었습니다. 이런 일이 발생하면 많은 시간과 돈이 낭비됩니다.

진원도 모델

시험 결과

예상 진원도와 평균 진원도

그림 5. 세 가지 측정의 평균에서 얻은 예상 진원도와 실제 절단 부분 진원도.

제안 된 접근법은 러닝 벤치에서 축 운동을 측정하여 예상 진원도를 계산 한 다음 테스트 컷에서 진원도를 측정하여 7 개의 생산 스핀들에 적용되었습니다. 이 결과는 그림 5에 나와 있습니다.

스핀들이 진원도 컷을 통과 할 수 있는지 예측할 때 XNUMX 개의 예상 값 중 XNUMX 개가 정확함을 알 수 있습니다. 

예상되는 진원도가 스핀들이 통과하지 않음을 나타내는 스핀들 3은이 방법이 안전 장치로 작동 함을 나타냅니다. 불량 스핀들을 양호로 검증하는 것은 반대 시나리오보다 훨씬 비용이 많이 듭니다. 예측이 허용 된 최대 값 (0.50µm)보다 높은 진원도 값인 경우 스핀들이 추가로 검사되어 오류가 있는지 확인합니다.

결론

스핀들 오류 축 동작을 사용할 때 99 %의 신뢰 수준으로 예상 진원도를 계산할 수 있습니다. 이는 진원도 절단을 통과하지 못하는 스핀들의 조립을 방지하여 제조에 유용한 도구를 제공합니다. 일부 내재 된 가변성은 스핀들 축 동작뿐만 아니라 기계 어셈블리에서 비롯됩니다. 진원도에 영향을 미치는 기계 조립 요소의 예로는 균형, 축 진동, 기계 강성, 부품 재료, 공구 재료, 절삭 매개 변수, 보조 장비 진동 등이 있습니다.이를 고려하면 제안 된 진원도 계산의 또 다른 이점은 도움이 될 수 있다는 것입니다. 문제가 기계 또는 스핀들 어셈블리에있는 경우 정확히 지적합니다. 

감사의 글

저자는이 방법론을 개발하는 동안 Terry S. George C.와 Matt B.의 모든 지원에 감사드립니다. 또한 Hardinge Inc.   

추천

  1. B. Bryan, P. Vanherek, "회전축의 에러 모션에 관한 용어 통일", 20 년 1975 월 XNUMX 일, CIRP
  2. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin,“스핀들 회전 정확도 평가를위한 측정 시스템”18 년 1972 월 13 일 XNUMXth 국제 공작 기계 설계 및 연구 회의.
  3. Schlesinger,“공작 기계 시험”, 1966 7th 에드, 기계 출판 주식 회사
  4. Kushnir,“초정밀 터닝 센터 : 고정밀, 하드 터닝, 다중 공구 공작 기계”20 년 2013 월 XNUMX 일
  5. Lion Precision, "명령 수동 사전 스핀들 오류 분석기 v7", 2003
  6. R. March,“정밀 스핀들 계측”2010, 2nd EDTECH 출판물
  7. C. 몽고메리,“통계 품질 관리 소개”, 2009 6th 에디션, John Wiley & Sons

기사 – Hardinge 종이