Diagnostics of CNC machine tools spindle errors

ABSTRACT: The work presents characteristics and practical application of Spindle Error Analyzer, an innovative bespoke diagnostic system, designed for precision measurement of spindles used in high-precision CNC machining centers. Conducted tests exemplify that the process of diagnostics without high-precision and effectiveness methods and tools would be difficult. This results from high efficiency and kinematic standards and design complexity of modern machines. Modern engineering machines are equipped in spindles of increasing velocity capability and simultaneously accuracy of rotation, which therefore requires higher-precision bearings and headstock. Spindle bearings determine the geometric accuracy of axes of rotation, the setting of a rotating element, and are for those reasons the main contributing factor to the total error motion. Major applications of the system include: real-time monitoring of the spindle technical condition, potential spindle problem verification, spindle damage recognition (bearings, etc), evaluation of spindle condition at the stage of in-house testing and acceptance tests, verification of working order following crash. The present work analysed the capabilities and efficiency of precise detection of error motions (axial and radial) of the machine tool spindle and unique results of errors, measured by innovative Spindle Error Analyzer.

KEYWORDS: spindle errors, diagnostics of CNC machine tools, monitoring of the spindle condition, geometric accuracy of axes of rotation.

STRESZCZENIE: Wrzeciono jest jednym z najważniejszych zespołów funkcjonalnych każdej obrabiarki skrawającej do metali. Wrzeciona i elektrowrzeciona współczesnych obrabiarek sterowanych numerycznie są skomplikowanymi układami mechatronicznymi napędu ruchu głównego. Od ich dokładności zależy jakość wytwarzanych części, a także wydajność obróbki, trwałość i dokładność całej obrabiarki CNC. Ich łożyska decydują o dokładności położenia osi obrotu, ustaleniu elementu wirującego i przenoszeniu sił skrawania. Jednocześnie należy stwierdzić, że ultraprecyzyjne i wysokoobrotowe wrzeciona należą do najbardziej kosztownych elementów obrabiarki CNC. Ich kontrola, diagnostyka i właściwa eksploatacja jest kluczowym zadaniem w każdym zakładzie przemysłowym. Diagnostyka dynamiczna wrzecion jest możliwa między innymi dzięki analizatorom błędów wrzecion. Jednym z nich jest wykorzystany w pracy (zaprojektowany specjalnie na potrzeby oceny dokładności wrzecion stosowanych w precyzyjnych obrabiarkach CNC) SPINDLE ANALYZER firmy IBS Precision Engineering. Z analiz literatury wynika, że na dokładność obróbki wpływa nie tylko dokładność geometryczna obrabiarki, ale także zmienne w czasie obróbki błędne ruchy zastosowanego wrzeciona. W świetle obserwowanych trendów w konstrukcji obrabiarek i obróbki skrawaniem, stale dąży się do zwiększania prędkości skrawania i zwiększania możliwości wrzecion do osiągania coraz to wyższych prędkości obrotowych. Odgrywają one szczególnie ważną rolę w przypadku obróbki z dużą prędkością obrotową. Badania statyczne (przy nieruchomym wrzecionie lub przy wolnych obrotach) stają się niewystarczające do oceny odchyleń wrzeciona, które zachowuje się zupełnie inaczej w uwzględnianych w pracy warunkach dynamicznych, przy bardzo dużej wartości prędkości obrotowej. Przedstawione w pracy rozkłady całkowitych błędnych ruchów promieniowych synchronicznych i asynchronicznych oraz całkowitych mierzonych przemieszczeń promieniowych w warunkach wysokich obrotów pozwalają ocenić pośrednio stan łożysk, luzy, niedostateczną sztywność czy też niewyważenie.

SŁOWA KLUCZOWE: błędy wrzeciona, diagnostyka obrabiarek CNC, nadzorowanie stanu wrzeciona, dokładność geometryczna osi obrotu.

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• ASHOK S. DENIS, SAMUEL G. L., Modeling, measurement, and evaluation of spindle radial errors in a miniaturized machine tool, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 01/2012.
• BRINGMANN B., Improving Geometric Calibration Methods for Multi-axes Machining Centers by Examining Error Interdependencies Effects, Fortschritt-Berichte VDI, Dusseldorf, 2007.
• BRINGMANN B., KNAPP W. Model-based ‘Chase-the-Ball’ Calibration of a 5-Axes Machining Center, Annals of the CIRP, 55(1), 531–534, 2006.
• CEMPEL CZ., Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, Warszawa, WNT, 1982.
• DZIERŻEK K., Analiza mechatronicznych układów pomiaru położenia, Białystok, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, 2009.
• FAN Kaiguo, YANG Jianguo, YANG Liyan, Orthogonal polynomials-based thermally induced spindle and geometric error modeling and compensation, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 65 (9-12).
• FLORUSSEN G.H.J., DELBRESSINE F.L.M., MOLENGRAFT M.J.G., SCHELLEKENS P.H.J., Assessing geometrical errors of multi-axis machines by three-dimensional length measurements, Measurement, 2001, 30, 241–255.
• IBARAKI S., IRITANI T., MATSUSHITA T., Error map construction for rotary axes on five-axis machine tools by on-the-machine measurement using a touch-trigger probe, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, 68
• IBARAKI S., IRUTANI T., MATSUSHITA T., Calibration of location errors of rotary axes on five-axis machine tools by on-the-machine measurement using a touch-trigger probe, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 58, 44-53.
• JASTRZĘBSKI R., KRAJEWSKI, G., Metody diagnostyki błędów precyzyjnych stołów obrotowych w obrabiarkach CNC, XIV Krajowa i V Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna “Metrologia w Technikach Wytwarzania”, Pułtusk, 11-14 Września, 2011.
• JASTRZĘBSKI R., Metodyka badań elektro-wrzeciennika zabudowanego na obrabiarce, Sprawozdanie NH/B-05-2006, Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek, 2006.
• JASTRZĘBSKI R., SZEPKE A., Badanie wpływu wybranych czynników na dokładność i stabilność pracy elektrowrzeciennika na przykładzie centrum obróbkowego frezarskiego DIANA 1000, Sprawozdanie NH/B-01-2009, Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek Sp. z o.o., 2009.
• JASTRZĘBSKI R., WELK A., Badanie dokładności obrabiarek sterowanych numerycznie. Badanie synchronizacji prędkości obrotowej wrzecion napędzanych silnikiem przez przekładnie pasowe we wrzeciennikach głównym i przechwytującym zainstalowanych w tokarce Venus 350/750. Sprawozdanie NH/B-03-2007, Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek Sp. z o.o., 2007.
• JEMIELNIAK K., Analiza błędnych ruchów wrzecion szybkoobrotowych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, Vol. 24, Nr 2. 2004.
• JÓZWIK J., KURIC I. SÁGA M., LONKWIC P., Diagnostics of CNC Machine Tools in Manufacturing Process with Laser Interferometer Technology. Manufacturing Technology, Vol. 14, No. 1, 2014, p. 23-30
• JÓZWIK J., KURIC I., GROZAV S., CECLAN V., Calibration of 5 axis CNC machine tool with 3D quickSET measurement system, Academic Journal of Manufacturing Engineering, ISSUE 1/2014, vol. 12
• JÓZWIK J., KURIC I., Non-contact diagnostic systems of CNC machine tools. Published by Scientific and Technical Society at the University of Zilina, Zilina, 2013.
• JÓZWIK J., PIEŚKO P., KRAJEWSKI G., Evaluation of QC10 Ballbar diagnostics method for CNC machine, Maintenance and Reliability, 2010, 3(47), 10-20.
• KUMARAN S., FUJII T., HOCKEN R., Simultaneous Measurement of spindle Error Motions: A Simple and Economical Method, Proc. of ASPE 1991 Ann. Conf., Santa Fe, NM, Oct. 1991.
• MAJDA P., Pomiary i kompensacja błędów geometrycznych obrabiarek CNC. Inżynieria Maszyn 2011, 16 (1-2), 126-134.
• MAJDA P., The influence of geometric errors compensation of a CNC machine tool on the accuracy of movement with circular interpolation. Advances in Manufacturing Science and Technology, 2012, 36 (2), 59-67.
• MARCHELEK K., Dynamika obrabiarek, Warszawa, WNT, 1997.
• MARSH E. R., Precision Spindle Metrology. DEStech Publications, 2007, 10.
• MARTIN D.L., TABENKIN A.N., PARSONS F.G., Precision Spindle and Bearing Error Analysis, Int. J. Mach. Tools Manufact., Vol. 35, No.2, pp. 187-193, 1995.
• PAHK H. J., KIM Y.S., MOON J.H., A new technique for volumetric error assessment of CNC machine tools incorporating ball bar measurement and 3D volumetric error model, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1997, 37(11), 1583–1596.
• PAHK H., LEE S.W., Thermal Error Measurement and Real Time Compensation System for the CNC, Machine Tools Incorporating the Spindle Thermal Error and the Feed Axis Thermal Error, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 08/2002.
• POSTLETHWAITE S.R., FORD D.G., MORTON D., Dynamic calibration of CNC machine tools, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1997, 37 (3), 287-294.
• ROBERT G., MARSH E., VALLANCE R., Techniques for calibrating spindles with nanometer error motion, Precision Engineering, 2005, 29: 113-123.
• SZTENDEL S., PISLARU C., LONGSTAFF A.P., FLETCHER S., MYERS A., Five-Axis Machine Tool Condition Monitoring Using dSPACE Real-Time System, Journal of Physics: Conference Series 364, 25th International Congress on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering, 2012.
• TUREK P., KWAŚNY W., JĘDRZEJEWSKI J., Zaawansowane metody identyfikacji błędów obrabiarek, Inżynieria Maszyn, 2010, 5 (1-2), 8-37.
• VELDHUIS S.C., ELBESTAWI M.A. A, Strategy for the Compensation of Errors in Five-Axis Machining, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 1995, 44(1), 373–377.
• WEIKERT S., R-Test, a New Device of Accuracy Measurements on Five Axis Machine Tools, CIRP Annals, 2004, 53, 1, 429.
• WOŹNIAK, A., BYSZEWSKI, M., JANKOWSKI, M., KRAJEWSKI, G., Spatial Characteristics of the Triggering Force of Touch Probes for CNC Machine Tools, 2nd International Conference on Virtual Machining Process Technology, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada, May 13-17, 2013.
• WU L.S., YANG Y., ZHOU D.S., Dynamic Measurement Technology of the Spindle Motion Error of High Speed Spindle, Aviation Precision Manufacturing Technology, 2008, 44(4):26-29.
• WYSOCKI P., Opracowanie metody pomiarów sztywności statycznej w oparciu o tory pomiarowe przemieszczeń liniowych. Sprawozdanie NB-30-1998, Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek, 1998.
• ZHAO XUESEN, SUN TAO, YAN YONGDA, HU ZHENJIANG AND DONG SHEN, A new rotational error measurement method for precision spindle based on the registration analysis of motion topography. The 10th International Symposium of Measurement Technology and Intelligent Instruments. June 29 – July 2 2011/1.
• PN-ISO 230-1:1998 Przepisy badania obrabiarek. Dokładność geometryczna obrabiarek pracujących bez obciążenia lub w warunkach obróbki wykańczającej.
• ISO 230-7: 2006 Test code for machine tools – Part 7: Geometric accuracy of axes of rotation.
• ISO 230-3:2007 Test code for machine tools – Part 3: Determination of thermal effects.
• http://sites.mech.ubc.ca/~xdlu/files/TwoD_ErrorMotion_Special_Presentation.ppsx, (20.10.2014).
• http://blog.aerotechmotioncontrol.com/2012/12/20/rotary-stage-terminology, (20.10.2014).
• http://www.lionprecision.com/products.html, (20.10.2014).
• http://www.ibspe.com, (20.10.2014).

DOI: http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2015.2.88