스핀들 측정 RPM 및 대역폭

정전 식 센서 기술 노트 LT03-0033

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개요

회전 스핀들은 다양한 주파수에서 오류 동작을 생성합니다. 이러한 주파수는 회전 속도, 베어링 구성 요소 모양 오류, 외부 영향 및 기타 원인에 의해 결정됩니다. 이러한 주파수를 조사한 결과 고속 스핀들을 정확하게 측정하는 데 15kHz 대역폭이면 충분합니다.

스핀들 모션

비접촉 센서는 한 축에서 회전 스핀들의 오류 동작을 측정합니다. 해당 축의 동작 주파수에 따라 센서에 필요한 대역폭이 결정됩니다.

스핀들 오류 측정은 일반적으로 여러 축의 센서로 수행됩니다. 이러한 측정 방법을 이해하려면 해당 센서 중 하나만 고려하십시오. 단일 비접촉 센서는 대상이 센서를 향하거나 센서에서 멀어 질 때 한 축에서 회전하는 대상의 변위를 측정합니다.

측정 시스템의 대역폭은 해당 축에서 스핀들의 운동 주파수를 측정 할 수 있어야합니다. 초고속 스핀들의 경우에도 이러한 주파수는 일반적으로 측정 시스템 기능 내에 있습니다.

센서의 대역폭

15kHz 대역폭을 사용하면 70kHz에서 센서 출력이 15 %로 줄어 듭니다. 주파수 응답은 약 10kHz까지 평탄합니다.

Lion Precision CPL190 및 CPL290 정전 용량 센서는 약 10kHz로 "평평"하므로 10kHz로 움직이는 대상의 측정이 정확합니다.

 

10kHz로 평평하지만 "대역폭"은 15kHz입니다. 모든 센서의 대역폭 사양은 출력 전압이 낮은 주파수 (또는 DC) 출력 레벨의 70.7 % (-3dB)로 감소되는 주파수라는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 즉, 변위가 15µm이고 10kHz로 이동하는 타겟은 7µm로만 측정됩니다.

 

기본 빈도

편심으로 인해 모든 회전 대상은 회 전당 한 사이클의 오류 동작을 나타냅니다. 이것은 "기본 빈도"를 설정하며 항상 다음과 같습니다.

기본 주파수 (Hz) = RPM / 60

10kHz의 평탄한 주파수 응답을 가진 센서는 최대 600,000RPM의 속도로 대상의 기본 동작을 정확하게 측정 할 수 있습니다. 표준 15kHz 대역폭 센서는 실제 진폭의 900,000 %에서 70RPM의 회전 속도를 안정적이고 반복적으로 측정 할 수 있습니다.

기본이 아닌 빈도

다른 모든 오류 모션의 주파수는 기본 주파수를 기준으로 측정 할 수 있습니다. 예를 들어, 기본 주파수보다 두 배 높은 주파수는 단순히 "2"로 표시됩니다. 이를 통해 개별 사례와 관련이 없을 수있는 특정 빈도의 사례에 의존하는 대신 일반적인 사례에 대한 논의가 가능합니다.

기본 주파수 이외의 주파수도 스핀들의 에러 동작에 존재합니다. 베어링 부품, 마운트, 모터, 드라이브, 구조적 진동 및 기타 요소의 결함은 각각 고유 주파수에 영향을줍니다. 이러한 에러 모션은 기본 주파수의 정수 및 정수가 아닌 배수에서 발생합니다.

동기식 오류 동작

동기 에러 모션의 일반적인 주파수 분포. 동기 주파수 에러는 기본 주파수의 정수배에서 발생합니다.

기본 주파수의 정수 배수 인 오류 동작은 스핀들이 회전 할 때마다 동일한 각도 위치에서 반복되므로 "동기"라고합니다. 동기 오류는 회 전자 및 고정자 결함, 장착 응력 및 회 전자 또는 고정자의 모양에 영향을 미치는 기타 원인의 결과입니다.

고정자 및 회 전자 모양 오류

동기 오류 동작은 "로브"패턴을 생성합니다. 로브 수가 많을수록 정확한 측정을 위해 더 높은 대역폭이 필요합니다.

고정자와 회전자가 완전히 둥글 지 않습니다. 이러한 불완전 성은 스핀들 기본 동작에서 항상 동기적인 추가적인 주파수를 생성합니다. XNUMX 로브 및 XNUMX 로브 모양은 일반적으로 반올림 오류입니다. 이러한 형식 오류는 기본 주파수보다 XNUMX 배 및 XNUMX 배 높은 스핀들 모션 주파수를 만듭니다. 오른쪽 그림을 참조하십시오.

200,000 엽 오류는 flat-to-10kHz 시스템에서 최대 XNUMXRPM의 속도로 정확하게 기록됩니다.

장착 유도 오류

스핀들을 장착하면 베어링 구조에 응력이 발생하여 약간의 변형이 발생할 수 있습니다. 이들은 동기식 오류 동작을 생성하며 기본적으로 고정자 및 회 전자 모양 오류와 동일하지만 모양 오류는 장착 응력에 의해 발생합니다. 이러한 오류는 기본 주파수 이상에서 발생할 수 있습니다. 이론적으로, 각 마운팅 패스너는 동기 오류 동작에 다른 로브를 추가 할 수 있습니다.

모터 폴 프린트 스루

모터의 자극은 극 사이와 극에서 다른 모터의 회 전자에 수직 힘을 생성합니다. 이 다양한 힘은 모든 회전에서 순환합니다. 스핀들 베어링의 강성에 따라이 변화하는 힘은 스핀들의 오류 동작으로 나타날 수 있습니다. 이 동작은 기본 주파수와 동기화됩니다.

구동 모터의 극 수에 따라 인쇄-스루 오류의 형태가 결정됩니다. 예를 들어, 8 극 모터는 75,000 로브 패턴을 생성하고 flat-to-10kHz 시스템에서 최대 4RPM의 속도로 정확하게 측정됩니다. 일반적인 드라이브 모터에는 6, 8 또는 XNUMX 극이 있습니다. 대형 모터는 더 많은 극을 가질 수 있지만 크기 때문에 오류 모션 주파수를 비교적 낮게 유지하면서 훨씬 느린 속도로 회전합니다.

비동기식 오류 동작

일부 오류 동작은 기본 주파수의 정수가 아닌 배수 인 주파수에서 발생합니다. 이러한 오류는 반복주기를 가질 수 있지만 스핀들 회전의 동일한 각도 위치에서 반복되지는 않습니다. 기본 주파수와 동기화되지 않습니다.

구조 진동

기계 구조 자체는 스핀들 동작에서 나타날 수있는 고유 한 공진 주파수를 갖습니다. 기계 구조의 크기와 질량으로 인해 이러한 주파수는 일반적으로 낮으며 (10-30Hz) 기본 주파수와 동기화되거나 동기화되지 않을 수 있습니다. 낮은 주파수 때문에 센서로 쉽게 측정됩니다.

롤링 요소 베어링 (비동기 오류)

각 베어링 구성 요소에는 고유 한 직경이있어 고유 한 오류 동작 주파수를 생성합니다.

롤링 요소 베어링에는 롤링 요소 자체 (볼 또는 롤러), 내부 레이스, 외부 레이스 및 케이지의 네 가지 기본 구성 요소가 있습니다. 베어링이 회전함에 따라 이러한 요소는 기계적으로 상호 작용합니다. 고유의 결함으로 인해 베어링 힘과 회전축에 편차가 발생하여 스핀들 오류 동작이 발생합니다.

각 베어링 구성 요소에는 스핀들에서 오류 동작을 생성하는 자체 모양 오류가 있습니다. 베어링 구성 요소의 직경 비율과 구름 요소의 접촉각이 기본 주파수와의 관계를 결정합니다. 스핀들 내에서 공명을 방지하기 위해 베어링이 의도적으로 선택되어이 주파수가 스핀들 로터와 동기화되지 않도록합니다. 따라서 이러한 오류는 기본 주파수의 정수가 아닌 배수에서 발생합니다.

베어링 주파수

"베어링 주파수"에서 발생하는 비동기 오류 모션의 일반적인 주파수 분포. 대부분의 분포는 기본 주파수의 4.5 배 미만입니다.

오른쪽의 주파수 분포는 일반적인 볼 베어링의 베어링 주파수가 발생하는 위치를 보여줍니다. 볼 베어링은 기본 주파수의 2 배를 약간 넘는 주파수로 내부 레이스 (볼 패스)를 켭니다. 케이지 주파수는 기본 주파수의 절반 미만입니다.

오른쪽 차트에서 고조파는 4 ± 케이지 주파수에서 발생하고 외부 레이스는 3보다 약간 넘게 나타납니다. 기본 주파수의 4.5 배 이상의 활동은 거의 없습니다. 최대 130,000kHz 시스템으로 최대 10RPM의 스핀들에서 이러한 오류 동작을 정확하게 측정 할 수 있습니다.

아래 표는 기본 주파수의 배수로 표시된 일반적인 베어링 주파수의 다른 예입니다.3. 여기서 가장 높은 주파수는 8.32입니다. 70,000kHz 시스템으로 최대 10RPM의 스핀들에서 이러한 오류 동작을 정확하게 측정 할 수 있습니다.

공 수 볼 디암 피치 디암.

볼 패스 외부

볼 패스 내부

케이지 (FTF)

볼 스핀
15 0.312 " 2.854 " 6.68 8.32 0.45 4.52

 

결론

스핀들 속도는 시간이 지남에 따라 크게 증가했지만 스핀들에서 생성 된 오류 동작 주파수는 여전히 Lion Precision 센서 시스템 15kHz 대역폭으로. 그만큼 스핀들 오류 분석기 고속 스핀들과 함께 사용할 때 효과적이고 정확한 도구입니다.

참조

1 - 정밀 스핀들 계측, Eric R. Marsh, 2008, DesTech Publishing : Lancaster PA.

2 – 구름 베어링 분석, Tedric A. Harris, 1991, John Wiley & Sons : New York

3 - 베어링 주파수NTN 아메리카