Capstans or lead screws? Comparing the performance of diamond …
Abstract.
The cutting performance of diamond turning machines which employ lead screw driven slides is compared to that of similar machines which use capstan drives. Diamond turned parts are compared using Talystep, Form Talysurf, and Zygo Mark 2 interferometer data. Machine contouring performance is compared using a sinusoidal path technique.
リードスクリュー駆動のスライドを採用したダイヤモンド旋盤の切削性能を、キャプスタン駆動を採用した同様の機械と比較。Talystep、Form Talysurf、Zygo Mark 2の干渉計データを使用して、ダイヤモンド切削部品を比較。機械の輪郭加工性能は、正弦波パス技術を使用して比較されます。
Introduction
Capstan drives have received a considerable amount of attention over the last several years. A number of well known organizations have invested time and effort designing diamond turning machines that use these drives for slide translation.
Capstan drives are generally felt to be superior to ball screws because they eliminate the cyclic errors often associated with screws and because they lower the frequency of tachometer ripple to a point where it falls within the bandwidth of the servo controller. Capstan drives also have very low Coulomb friction compared to ball screws.
Capstan drives, however, have a low mechanical advantage, which limits the thrust force available from the device. This low mechanical advantage also causes the tachometer signal to be vanishingly small, limiting the usefulness of velocity feedback.
The author has had the unique opportunity to analyse the performance of, and produce diamond turned parts on, two ultra-precision diamond turning machines that are mechanically identical except for the slide drives. One machine has slides that have preloaded ball screw drives and the other has air bearing capstan drives. These drives must be capable of moving the slides of the lathe with accuracy and repeatability that is required for ultra-precision work.
キャプスタンドライブは、ここ数年かなりの注目を集めている。多くの有名な組織が、スライドの並進にこのドライブを使用するダイヤモンド旋盤の設計に時間と労力を費やしています。
キャプスタンドライブは、一般的にボールねじよりも優れていると考えられています。その理由は、ねじに関連しがちな周期誤差をなくし、タコメーターのリップルの周波数をサーボコントローラーの帯域幅内に収まる程度まで下げることができるからです。また、キャプスタンドライブは、ボールねじに比べてクーロン摩擦が非常に小さい。
しかし、キャプスタンドライブは機械的優位性が低いため、デバイスから利用できるスラスト力が制限されます。この低い機械的優位性はまた、タコ信号が驚くほど小さくなり、速度フィードバックの有用性を制限します。
筆者は、スライド駆動部以外は機械的に同一の2台の超精密ダイヤモンド旋盤の性能を分析し、ダイヤモンド旋盤加工部品を製作するという、またとない機会に恵まれた。1台はプリロード・ボールねじ駆動のスライド、もう1台はエアベアリング・キャプスタン駆動のスライドである。これらの駆動装置は、超精密加工に要求される精度と再現性で旋盤のスライドを動かすことができなければならない。
Capstan drive slide design
The slides on the capstan drive machine are hydrostatic box slides. The traction drive bar is attached to the slide by a small, spring steel reed. The reed serves to decouple the slide from any small vertical motions of the drive bar, and to ease the alignment of the traction drive to the slide in the vertical plane. Figure 1 illustrates the construction of the slide and the location of the traction drive roll assembly.
[Figure 1 Illustration]
Capstans or lead screws?
[Figure 2: Section through capstan drive roll assembly]
The capstan drive bar is tee shaped in cross section. The top of the bar is about 50 mm wide and the bottom is 25 mm wide. The bottom of the bar runs on the drive rolt. The bar is preloaded against the drive roll by an air bearing that operates on the top surface of the drive bar, forcing it against the roll with about 1800 N.
The capstan drive roll is supported by two air journal bearings. There is no thrust bearing as the roll is located axially by the drive bar, which, in turn, is located by the slide itself. A DC servo motor and tachometer are mounted on one end of the drive roll. Figure 2 shows the construction of the drive roll assembly.
キャプスタン・ドライブ・スライドの設計
キャプスタン駆動機のスライドは、静圧式ボックススライドです。トラクション・ドライブ・バーは、小さなスプリング・スチール製リードによってスライドに取り付けられています。このリードは、ドライブ・バーの小さな上下運動からスライドを切り離し、垂直面におけるトラクション・ドライブのスライドへのアライメントを容易にする役割を果たします。図1はスライドの構造とトラクションドライブロールアセンブリの位置を示しています。
[図1 図解］
キャプスタンかリードスクリューか？
[図2：キャプスタンドライブロールアッセンブリーの断面図］
キャプスタンドライブバーは断面がT字型をしている。バーの上部は幅約50mm、下部は幅25mm。バーの下部はドライブロールの上を走る。バーの上面にはエアベアリングがあり、約1800Nの力でドライブロールに押し付けます。
キャプスタンドライブロールは、2つのエアジャーナルベアリングによって支えられています。スラストベアリングはなく、ロールはドライブバーによって軸方向に配置され、ドライブバーはスライド自体によって配置される。DCサーボモーターとタコメーターがドライブロールの一端に取り付けられている。図2にドライブロールアセンブリの構造を示します。
Lead screw slide design
The slides used on the lead screw driven machine are similar in appearance to those on the capstan drive machine and the guide way systems are identical on the two sets of slides. The slide drive system is, obviously, quite different. These slides have a 5 mm pitch ball screw with a preloaded nut located below the slide on its centre line. The screw is supported by preloaded ball bearings with the thrust bearings located on the end of the screw nearest to the nut when the slide is in the machining theater. A DC servo motor/tachometer is attached to the screw through a flexible coupling.
The ball nut is attached to an intermediate slide. This slide is about 100 mm square in cross section and 300 mm long. The intermediate slide moves on preloaded ball ways. On the opposite end of the intermediate slide (away from the ball nut) is a hydrostatic thrust bearing, which protrudes up above the intermediate slide and engages a recess in the end of the main slide guide way. This bearing serves to transmit thrust from the lead screw to the main slide while effectively decoupling the main slide from pitch, roll, and yaw of the intermediate slide. The technique is so effective that cyclic errors in straightness caused by the ball screw are reduced to less than 10 nm peak to valley. Figure 3 illustrates the construction of the lead screw driven slides.
リードスクリュー・スライドの設計
リードスクリュー駆動機で使用されるスライドは、キャプスタン駆動機で使用されるものと外観が似ており、ガイドウェイシステムも2組のスライドで同一である。スライド駆動システムは、明らかにまったく異なる。これらのスライドには、5mmピッチのボールねじがあり、予圧ナットがスライドの中心線上にあります。このスクリューはプリロード・ボールベアリングで支持され、スラストベアリングは、スライドが加工室にあるとき、ナットに最も近いスクリューの端に配置されています。DCサーボモーター/回転計は、フレキシブルカップリングを介してスクリューに取り付けられています。
ボールナットは中間スライドに取り付けられている。このスライドは断面が約100 mm角で、長さが300 mmある。中間スライドはプリロードされたボールウェイ上を移動します。中間スライドの反対側の端（ボールナットから離れた位置）には静圧スラストベアリングがあり、中間スライドの上方に突出してメインスライドガイドウェイの端にある凹部に噛み合っています。このベアリングは、中間スライドのピッチ、ロール、ヨーからメインスライドを効果的に切り離しながら、リードスクリューからのスラストをメインスライドに伝達する役割を果たします。この技術は非常に効果的で、ボールねじに起因する真直度のサイクル誤差は、山から谷まで10nm未満に低減されます。図3にリードスクリュー駆動スライドの構造を示す。
Conclusions
Retuning the servo drives is not a long nor a complex task. The requirement that it be done, however, in addition to the fact that there is no improvement in cutting results, has led us to the decision to continue to use lead screw drives until such a time when the advantages of capstan drives can be more clearly demonstrated.
It should be noted that these results are valid only for this particular application of the slide drives tested. In other applications, and with different drive designs, the results might well favor one type of drive over the other more emphatically.
結論
サーボドライブの再チューニングは、長くも複雑な作業でもない。しかし、切断結果に改善が見られないという事実に加えて、再チューニングが必要であることから、キャプスタン・ドライブの利点がより明確に示されるまで、リードスクリュー・ドライブを使用し続けるという決断に至った。
これらの結果は、テストしたスライドドライブのこの特定の用途に対してのみ有効であることに留意すべきである。他の用途や異なるドライブ設計では、どちらか一方のタイプのドライブがより強調される結果になるかもしれない。
