Meten van thermische drift van bewerkingsmachinesMikrocentrum 16 maart, Eindhoven

Dr. ir. Guido Florussen

IBS Precision Engineering bv, Esp 201, 5633 AD Eindhoven

Tel : + 31 – (0)40 – 290 1270, Fax + 31-(0)40 – 290 1279, www.ibspe.com

Inhoud

• Introductie “Thermisch gedrag”• Uitleg meetopstelling en meetprincipe• Typische voorbeeld metingen aan machines• Aandachtspunten / opmerkingen / tips• Conclusies• Vragen

IntroductieWaarom drift een bewerkingsmachine? L=*L*T (= thermo-mechanica: beschrijf L)

c**V*T = warmte in – warmte uit (= thermo-dynamica: beschrijf T)

– Materialen zetten uit (a ≠ 0)– Relatief grote uitzetlengten (L ≠ 0)– Relevante machine onderdelen (=structural loop van werkstuk t/m

gereedschap) veranderen van temperatuur (T ≠ 0)– Geleiding, convectie & straling (=warmte-transport)

Belangrijkste warmtebronnen:– Spindel!!– Haudraulische pompen, electronica/besturing, motoren (HSM = High Speed

Machining!)– Snij proces (draaien, frezen, slijpen etc)– Omgeving (laboratorium of workshop condities)!!

IntroductieWat is aan deze drift te doen?

1) Materialen met kleine thermische uitzetting toepassen (zerodur, invar)2) Toepassen meetframe (om L ‘slim’ klein te maken)3) Temperatuur conditioneren: machine en/of omgeving (kost veel energie)

4) Drift machine modelleren (= relatie tussen gemeten temperaturen en drift opstellen: zeer complex probleem)

– Analytische modellen– Emperische modellen– Hybride modellen

Resultaat: gereedschap drift weg/verdraait terwijl machine opwarmd / afkoeld (en deze drift is positie afhankelijk……!!)

Volgende stap: deze drift opmeten (meestal in midden werkbereik…..)

MeetopstellingDoel: bepaal de verplaatsing en/of verdraaiing van de spindel (=kogel) t.o.v. de werkstuk tafel (=sensor) terwijl machine opwarmt.

Norm = ISO230-3 (“Determination of thermal effects”)

Typische test eigenschappen:• Capacitieve sensor• Masterkogel (e < 25 nm)• Duur meting• Maximale spindel snelheid of typische

snelheid bij gebruik machine (of spectrum i.e. DIN8602)

Meetopstelling1) Alleen verplaatsing: X, Y, Z

2) Verplaatsing & Verdraaiing: X, Y, Z, Rx, Ry.

Setup 1 Setup 2

Meetopstelling: targetsMogelijke Targets (eis = electrisch geleidend)

Diameter RPM maximum

Roundness error [nm]

Master Ball 1 inch 60.000 25

Single Ball ½ inch 120.000 50

Dual Ball 1 inch 6.000 50

Gauge pin1 20 mm 80.000 75

Gauge pin2 10 mm 100.000 75

Gauge pin3 3/8 inch 200.000 100

Gauge pin4 1/8 inch 300.000 100

Meetopstelling: probe nestProbe nests = gevonkt precisie onderdeel: sensor gaten moeten elkaar

mooi snijden ipv kruisen (opdat alle sensoren naar de ‘kogel-evenaar kijken’)

Klein (40 mm) Groot (3 inch = 76.2 mm separation distance for tilt)

Materiaal: staal (i.e. nest zet hetzelfde uit als stalen werk stuk)

Meetopstelling: capacitieve sensor• Excitatie = 1 Mhz• Constante oppervlakte (A = constant) • Constant Gap Material (dwz lucht: = air)• Meet verandering luchtspleet “kogel-sensor”• Spot Size 130% of Sensor Size

Meet principe capacitief• Oscillating Electric Field• Senses Conductive Surface (i.e. all metals)• Capacitance is affected by:

Area, Gap, Gap’s dielectric / material, Target geometry– Flat (factor = 1)– Cilinder (factor = 0.97)– Sphere (factor = 0.93)

• Meet verandering in C maat voor verplaatsing• Snel (15 kHz) en nauwkeurig (e < 3.5 nm)• Contactloos meten

Thermische drift metingen: RPM?

Machine opwarmen met draaiende spindel (i.e. voorgespannen lagers):• Constant toerental spindel (meestal maximum);• Spindle spectrum (als percentage van max. snelheid)• Iets anders…

ISO230-3 DIN 8602

WarmtebronnenNaast de spindel zijn er nog de volgende warmtebronnen: • Machine assen (i.e. linear drives, motor, kogelomloopmoer)• Hydraulische pompen/systemen• Tandwieloverbrengingen• Lagers• Electronica, besturing• Omgeving

Aanbevolen: test de machine zoals deze normaal wordt gebruikt. Simuleer normaal gebruik zo goed mogelijk.

Voorbeeld 0: freesmachine bij 2500 RPM

Voorbeeld 0 (geen compensatie)Test: 60 min opwarmen met 2500 RPM

dX= 8.3 m

dY = 38.9 m

dZ = 117 m!!

Voorbeeld 1 (met compensatie)Test: 30 min opwarmen, 10 min afkoelen

Voorbeeld 2 (goede compensatie)Test: snel (=35.000) – langzaam (2.000) – snel (35.000)

Voorbeeld 3 (gekoelde machine)Test: 10.000 RPM, zeer goed gecompenseerd (e < 4 m, dT < 1 K)

Voorbeeld 4 (de ‘smeerpuls’)Test: elke 15 minuten komt er een smeerpuls….

Voorbeeld 5Test: beste machine ooit gemeten

Aandachtspunten1) Shift versus RPM

De spindel verplaatst als functie van het toerental. Lagers zijn i.h.a. voorgespannen: de aanspankracht neemt af bij toenemend toerental (centrifugaal krachten nemen nl. toe): dit kan een significante verplaatsing geven (welke niets met thermisch gedrag te maken heeft!).

Deze verplaatsing is bijna altijd axiaal (i.p.v. radiaal).

Shift versus RPM measurementsMachine 1: van 5.000 tot 42.000 RPM

Aandachtspunten2) Kogel moet goed schoon zijn & blijven.3) Sensor nest moet stabiel zijn; dus goed vastzetten.4) Ruis & trillingen:

a) Mechanisch (bijv. frame trilt, vloer niet stabiel, pomp- Laag-frequent: f < 500 Hz)

b) Elektrisch (sensor pikt EMC straling op: aarding!- Hoog-frequent: f > 500 Hz, meestal 4, 5 kHz). - Keramische lagers, luchtlagers = aarden

Hoe weet je dit ? FFT analyse gebruiken!5) Inductief ???

Keramische spindel (=aarding)

Cilindrische pen (met spherisch kop) & slepende aarde kabel

Keramische spindel (=aarding)

FFT signaal: zonder & met aardingskabel

Foto “carbon-kwastje”. Dit is veel veiliger. Bedenk wat er gebeurt als de spil de draad vangt….

Meet opstelling 2

Mechanisch of Elektrisch?

Capacitive vs Inductive

Electric Field

Capacitive

Eddy-Currrent

130% of Sensing Tip Diam. 300% of Coil Diameter

Magnetic Field

Eddy currents

Inductief: wervelstromen lopen tot zo’n 0.1 – 0.3 mm diepte in de target.Capacitief: slechts enkele atoom lagen

Capacitive vs InductiveCapacitive

Electrical Runout

Eddy-Current

Een perfect ronde kogel geeft “electrical runout”. Deze runout wordt veroorzaakt door materiaal inhomogeniteiten.

Nawoord en Conclusies• Thermische compensatie vindt nu zijn toepassing in industrie!!!• Grootste drift meestal in axiale richting (de Z);• Spindel belangrijkste warmetebron, maar niet enige; Omgeving is ook

altijd belangrijk. (Klimaat-kamer of hal worden soms toegepast). • De gemeten drift varieert sterk:

• actief gekoeld enkele mu’s• spil-groei sensor (nog veel problemen) • geavanceerde compensaties 10-50 m• eenvoudige comp. 20 – 80 m• geen comp. > 100 m;

• Meet capacitief (en niet inductief ivm electrical runout);• Duurmeting (en niet “Shift versus RPM”)• Bouw een stabiele en schone meetopstelling• + & - tekens zijn cruciaal (bij compensatie): controleer dit!