에어 베어링 스핀들 설치 가이드라인

Celera Motion의 Westwind 에어 베어링 스핀들 기술은 많은 특수 기계 공구, 로봇 자동화 및 반도체 처리 응용 분야에서 채택되어 특히 생산성 향상, 정확성 향상 및 제품 수명을 늘리는 데 사용된다.

이러한 에어 베어링 스핀들은 오일 프리 베어링 솔루션을 제공하며 환경에 오염이 전혀 없다. 지속적으로 고성능을 제공하려면 에어 베어링 스핀들을 기계 내에 올바르게 설치해야 하며, 특히 로봇 팔이나 고속 다축 기계 공구 헤드에 장착하는 것과 같이 동적 응용 분야에 사용하는 경우 더욱 그렇다. 스핀들을 장착하는 것 외에도 모터 구동 버전을 설치할 때의 전기 구동 매개변수와 스핀들 성능에 대한 주변 구성 요소의 상호 작용을 포함하여 스핀들에 필요한 모든 서비스를 신중하게 고려해야 한다.

설치

에어 베어링 스핀들은 작동 시 견고하지만, 사용되는 기계에 부착하는 데 유사한 수준의 정밀도가 필요한 고정밀 장치라는 점을 항상 기억해야 한다. 스핀들을 기계에 부착하는 방법이 스핀들 구조 내에 응력을 생성하여 불완전한 작동으로 이어질 수 없도록 주의해야 한다. 설치가 만족스러운지 확인하는 간단한 첫 번째 단계는 베어링 공기 압력을 낮은 값(0.5~1bar)으로 줄이고 샤프트가 최소한의 노력으로 여전히 손으로 회전하는지 확인하는 것이다. 샤프트가 자유롭게 회전 하지 않으면 큰 문제가 있음을 보여준다. 그러나 여전히 존재할 수 있는 열 변형과 같은 동적 문제는 표시되지 않는다.

<그림1> PCB 드릴링 및 라우팅 에어 베어링 스핀들 설치

클램핑
 

에어 베어링 스핀들은 매우 미세한 베어링 클리어런스로 제조되며, 설치 중에 스핀들이 변형되면 심각한 손상이 발생할 수 있다. 스핀들 본체는 선형 베어링 슬리브 또는 클램프에 위치하기에 적합하다. 스핀들은 단단히 장착되고 변형이 없어야 한다. 이를 위해 다음 단계를 수행해야 한다.

• 스핀들 본체는 위치 직경의 최대 가능 길이에 걸쳐 가볍게 클램핑해야 한다(그림2).

• 조립 전에 스핀들 본체와 하우징 보어를 청소하고 가볍게 그리스를 바르는 것이 필수적이다.

• 클램핑 전에 하우징의 진원도, 크기 및 직진성을 확인해야 한다. 스핀들이 평행한 본체 위치에 클램핑되는 경우 사용할 수 있는 두 가지 기본 클램핑 형태가 있다.(그림2,3).

<그림2> 분할 클램핑

<그림3> 새들 클램핑

분할 클램핑은 <그림2>와 같이 스핀들 하우징의 한쪽만 약간 휘어져 클램핑이 이루어지는 보다 일반적인 형태이다. 이 유형의 클램핑을 채택하는 경우 하우징 보어를 마무리하기 전에 적절한 게이지 플레이트 조각을 슬롯 에 정확하게 장착 하고 클램핑하는 것이 좋다. 하우징 보어가 완성되면 게이지 플레이 트를 제거하고 교체하기 전에 0.001인치(0.0254mm) 정도 연마할 수있다.

새들 클램프를 사용하는 경우 유사한 접근 방식을 채택할 수 있다. 클램핑 힘이 비교적 넓은 영역에 가능한 한 균일하게 분산되도록 주의해야 한다. 가벼운 클램핑만 필요하다. 최대 클램핑 힘은 10ft/ lbs(13Nm)여야 한다. 과도한 힘은 스핀들을 손상시킨다.

포지셔닝
 

에어 베어링은 공기 흐름의 원리에 따라 작동하며, 이 공기의 지속적인 배출이 방해받지 않는 것이 매우 중요하다. 스핀들이 일반적으로 통합 필터를 통해 특정 포트의 수와 전면 샤프트/베어링 인터페이스, 샤프트 보어 또는 특별히 밀봉되지 않은 다른 구성 요소 조인트에서 공기를 배출하는 것은 정상이다. 배출 공기는 따뜻할 수도 있으며(최대 70°C) 열에 민감한 재료나 장치에 영향을 미치지 않도록 주의해야 한다. 또한 배출 흐름을 제한하지 않는 것이 중요하다.

처리
 

공기가 공급되기 전까지 베어링은 강성이 없고, 따라서 샤프트는 스 핀들 내에서 자유롭게 움직일 수 있다는 점을 기억해야 한다. 스핀들 내에서 사용되는 구성 재료는 ‘운송’ 손상에 대해 어느 정도 보호 기능을 제공하도록 선택 되었지만, 구동 장치를 취급하거나 연결할 때는 주의 해야 한다. 왜냐하면 이 상태에서는 샤프트 회전량이 아무리 적더라도 베어링에 손상이 생길 수 있으며, 스핀들이 고속으로 작동하거나 고부하 작동 조건을 얻을 때 까지는 손상이 드러나지 않을 수 있기 때문이다.

스핀들에 공구 고정용 콜릿이 장착된 경우, 공구 또는 관통 핀을 항상 장착하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 내부 구성품이 이완되어 나중에 불균형 문제가 발생할 수 있다. 콜릿에 공구 또는 관통 핀이 장착 되지 않은 상태에서 스핀들을 작동해서는 안 된다.

서비스
 

모든 서비스의 올바른 연결이 가장 중요하다. 적절한 공기 질은 매우 중요하다. 공기는 베어링과 샤프트 사이의 매우 작은 간극을 통해 통제되고 예측 가능한 방식으로 흘러야 하기 때문이다.

공기 압력
 

공기압은 스핀들 입구에 가능한 한 가깝게 측정하여 설정해야 한다. 이것이 불가능한 경우 공기 공급 파이프 직경은 가능한 한 커야 한다(대부분의 경우 최소 6mm 보어가 권장됨). 모든 스핀들에 개별 압력 스위치 보호 기능을 사용하는 것이 좋다.

냉각수
 

냉각수는 사용 시 두 가지 목적을 위해 사용되는데, 첫번째는 고속 장치에서 모터 스테이터와 공기 필름의 전단에 의해 생성된 열을 제거하기 위해서이다. 두번째는 스핀들과 장착 장치 사이의 인터페이스 온도를 안정화하는 목적이다. 이 두 가지 원리는 모두 공구의 매우 일관된 위치 정확도를 제공하는 데 도움이 된다. 올바른 냉각수 흐름과 온도 범위가 중요하다. 각 스핀들은 출구 또는 리턴 포트에서 흐름을 모니터 링하는 것이 좋다. 스핀들 전체에서 10°C 이상의 온도 상승은 문제를 나타낸다. 탈이온수 사용은 내부 구성 요소에 사용된 일부 재료의 침식을 촉진할 수 있으므로 허용되지 않는다.

전기 공급 전선
 

전기 공급선 전기 공급선과 내부 트랜스듀서 배선은 공급 시 플러그에 부착될 수도 있고 부착되지 않을 수도 있다. 어떤 유형이든 스핀들 또는 플러그 외부의 모든 연결은 관련 기계 안전 표준에 따라 수행해야 한다.

모터 보호
 

부적절한 드라이브 유형, 부적절한 드라이브 매개변수 또는 부적절한 냉각 흐름으로 작동하는 것을 포함 하여 스핀들의 잘못된 사용은 스핀들 모터의 과도한 가열을 초래할 수 있다. 이로 인해 스핀들이 영구적으로 손상될 위험을 줄이기 위해 대부분의 Westwind 에어 베어링 스핀들에는 서미스 터가 장착되어 있다. 

서미스터는 내부 모터 온도가 95°C에서 105°C로 상승하면 닫힌 연결에서 열린 회로 조건(저항이 1,000Ω 이상)으로 전환되는 전기적 연결을 제공한다. 닫힌 조건에서만 스핀들 작동을 허용하는 게이트로이 연결을 모니터링하면 스핀들을 여러 잠재적 문제로부터 보호할 수있지만 효과가 제한되는 상황이 있다. 스핀들이 올바르게 설정되고 사용되는지 확인하는 것만큼 좋은 방법은 없다.

스핀들 접지
 

스핀들 본체는 일관된 전위를 갖도록 설계되었으며 일반적으로 접지 되어야 한다. 그러나 Westwind 제품 라인의 지속적인 관찰 절차의 일부로 일부 OEM이 스핀들 접지선을 올바르게 사용하지 않는다는 것이 분명해졌다.

접지선은 안전 예방 조치로 장착되었으며 부적절하게 사용하면 최종 사용자가 위험에 처할 수 있으며, 그 결과 작업자가 접근하는 동안 스핀들 본체 또는 케이블 스크리닝이 높은 전기 전위에 있을 수 있는 상태가 될 수 있다.

많은 PCB 드릴링 머신 OEM은 접촉 드릴링 인터페이스를 사용하고 접지선을 스핀들에 신호를 공급하는 방법으로 사용한다. 이 시스 템이 올바르게 설계되지 않은 경우 스핀들 내부의 모든 내부 단락으로 인해 드라이브에서 적절한 안전 차단 장치가 작동하지 않는다. 또한 신호선과 케이블 스크린은 일반적으로 스핀들에 접지되지 않는다. 통합 속도 프로브를 사용하는 경우 연결 전에 출력 신호 유형과 회전당 펄스 수를 확인해야 한다.

전기 드라이브
 

DC 모터의 경우 모터 전압/주파수 특성 또는 관련 전압 상수는 스핀들에 연결하기 전에 드라이브에서 확인하고 설정해야 한다. 과전압 또는 과소전압은 특정 모터 문제와 가능한 고장을 일으킬 수 있기 때문이다. 일부 전기 드라이브는 에어 베어링 스핀들의 올바른 제어에 문제가 있는 것은 사실이다. 사용되는 모터는 종종 저속 임피던스가 최소인 고주파 장치이고 ‘더럽 거나’ ‘뾰족한’ 파형에 매우 민감하기 때문이다. 이는 샤프트가 회전 운동 에 대한 마찰 저항이 매우 적고 때로는 상당히 높은 극성 관성이 있다는 사실과 결합되어 있다.

운영
 

첫 번째 고려 사항은 스핀들(공기 역학적 베어링 기능을 특별히 설계하지 않은 경우)은 공기 공급 장치가 연결되지 않은 상태에서는 절대로 작동해서는 안된다는 것이다. 마찬가지로 ATC(자동 공구 교환) 시스템이 통합된 경우 공구를 장착하지 않은 상태에서 스핀들을 작동해서는 안 된다. 사양 매개변수를 벗어나 단 몇 분의 1초라도 작동하면 의도한 용도에 스핀 들이 적합하지 않게 될 수 있는 손상이 발생할 수 있다.

모든 관련 공구의 올바른 균형은 공구를 스핀들에 연결하는 방법과 마찬가지로 중요하다. 원심력, 열 또는 편류 효과로 인해 공구 홀더 형상과 위치가 회전 속도 증가에 따라 변경될 수 있다는 점을 기억해야 한다.

고속 스핀들을 설치하는 경우, 특히 기존 기계를 개조하거나 업그 레이드하는 경우, 절삭 재료(절삭 날 수 x 속도) 또는 구동 메커니즘 또는 스핀들(예: 6단 인버터 출력 x 모터 극 쌍 수 x 속도; 터빈 버킷수 x 속도 등)에 의해 유도된 결과 진동 주파수가 기계 구조 또는 작동의 어떤 부분에 대한 모달 주파수와 일치하지 않도록 주의해야 한다.

회전하고 무부하인 스핀들에서 생성되는 진동 레벨은 매우 작으며, 특정 응용 분야에 매우 높은 위치 정확도가 필요하지 않은 한(예: 광학 등) 이러한 진동은 다른 기계 구성 요소에 눈에 띄는 문제를 유발 하지 않아야 한다. 그러나 스핀들 내의 개별 구성 요소와 가스 필름은 고유한 공진 주파수를 가지며 이러한 주파수(또는 때때로 이러한 주파수의 고조파)와 일치하는 강제 진동은 베어링 성능을 부드럽게 만들 수 있다.

스핀들 샤프트는 가스 필름 위에 '부유'하고 있으므로 복합 스프링 시스템에 축 방향과 반경 방향으로 매달려 있는 것으로 간주할 수 있다는 점을 기억해야 한다. 즉, 공간에서 샤프트의 작용은 고려된 평면의 '시스템' 강성(kS)에 영향을 받으며, 여기서 kS는 다음 방정식을 통해 계산된다.

kB는 베어링 강성으로, 속도와 온도에 따라 변한다. k1… kN은 베어 링과 단단한 지면 사이의 모든 개별 구성 요소, 조인트, 메커니즘 등의 강성이다. 이 결과는 시스템 동적 성능(소용돌이 속도) 또는 공진 주파수 또는 고조파에 미치는 영향으로 볼 수 있다. 샤프트는 베어링 ‘스 프링’ 시스템을 통해 기계 유도 스핀들 움직임(의도적이든 아니든)을 겪는다. 이는 동적 효과의 계산을 더욱 복잡하게 만든다.

스핀들이 외부에서 생성된 제어된 움직임을 받는 것으로 알려진 응용 분야에서는 이러한 동작으로 인해 샤프트 자이로스코프 또는 관성 효과에 의해 생성되는 베어링 하중을 추정해야 한다. 대부분의 스핀들 개요 사양과 이론 및 테스트 성능은 스핀들을 독립적으로 고려한 다. 따라서 관련된 힘을 계산하기 전에 시스템에 작용하는 각도 및 선형 가속도를 설정해야 한다.

축과 베어링 사이의 거리가 매우 짧고 이 거리를 이동하는 데 필요한 시간이 매우 짧기 때문에 스핀들이 경험하는 가속도(저크)의 모든 변화를 고려해야 한다. 계산이 매우 어려울 수 있으므로 사용할 기계에 스핀들을 장착한 상태에서 샤프트에서 이러한 동작의 효과를 측정하는 것이 가장 좋다. 일반적인 제어 이동 가속도는 1G에서 5G 정도이지만 시스템 간극, 백래시, 바운스 및 공진으로 인해 스핀들에서 이 값의 2~10배가 발생할 수 있다.

과도한 가속 또는 적용된 진동과 관련된 주요 문제는 베어링에 경미한 손상을 일으켜 일정 기간 동안 성능 저하를 유발할 수 있는 몇 안 되는 메커니즘 중 하나라는 점이다.

유지 관리
 

에어 베어링 스핀들의 장점 중 하나는 필요한 유지 관리가 적다는 것이다. 이는 일반적으로 서비스 품질을 유지하는 것으로 구성되며, 기계에 대한 클램핑을 검사하고, 대부분의 경우 스핀들은 고객이 서비 스할 수 없기 때문에 샤프트 회전의 용이성을 위해 스핀들을 점검한 다. 콜렛을 통합한 스핀들의 경우 올바른 공구 그립력을 보장하기 위해 테이퍼 윤활을 유지해야 할 수 있다.

자료제공: Celera Motion(www.celeramotion.com)