VDI 5584-2012 Palletisation for mechanical ultraprecision manufacturing.pdf

1、 ICS 25.060.20, 39.020 VDI-RICHTLINIEN August 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Palettierung fr die mechanische Ultraprzisionsfertigung Palletisation for mechanical ultraprecision manufacturing VDI 5584 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich

2、. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) VDI-Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren VDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahre

3、n, Band 2: Fertigungsverfahren Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedZu beziehen durch/AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772BerlinAlleRechtevorbehalten/All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012FrhereAusgabe:04.11 Entw

4、urfFormeredition:04/11DraftInhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Begriffe 3 3 Palettierung in Produktionsketten der Ultraprzisionsbearbeitung 3 3.1 Mechanische Ultraprzisionsfertigung . 3 3.2 Allgemeine Prinzipien passiver Ausrichtung 4 3.3 Systemgenaui

5、gkeit/ Wiederholgenauigkeit 8 3.4 Einrichten von Einspannfuttern 9 Schrifttum 12 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Terms and definitions 3 3 Palletisation in ultraprecision production chains 3 3.1 Ultraprecision mechanical manufacturing 3 3.2 General principles of passive alignment .

6、 4 3.3 System accuracy/ repeatability . 8 3.4 How to set up chucks . 9 Bibliography 12 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 2 VDI 5584 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unt

7、er Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheber

8、rechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict acc

9、ordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline wit

10、hout infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde im Rahmen des EU-Projektes Production for Microte

11、chnology P4“ erstellt. Dank weitgehender Fortschritte in Maschinen- und Bearbeitungstechnologie lassen sich heute auch mit mechanischen Bearbeitungsverfahren wie Fr-sen und Drehen Genauigkeiten weit unterhalb ei-nes Mikrometers erreichen. Es ist jedoch schwie-rig, diese Genauigkeiten in automatisier

12、ten, mehr-stufigen Produktionsketten zu erreichen, da eine genaue Ausrichtung des Werkstcks in jedem Pro-duktionsschritt erforderlich ist. Eine Herstellung aus einem Stck auf nur einer Maschine ist nur in einzelnen Fllen und meist mit Spezialmaschinen mglich. Automatisierte Refe-renzierung ist (derz

13、eit) fr Ultraprzisionsbearbei-tungsmaschinen (UP-Bearbeitungsmaschinen) noch nicht ausreichend. Manuelle Ausrichtung durch iteratives Justieren und Kontrollmessungen ist zu zeitaufwendig. Darber hinaus ist dies bei Sub-mikrometergenauigkeit schwierig und verlangt uerst geschultes Personal, ist aber

14、auch dann kein robuster, wohldefinierter Prozess mit ausrei-chender Wiederholbarkeit und damit schwierig im Qualittsmanagement zu erfassen. Eine Lsung bietet die Palettierung der Werkst-cke. Die Palette und das Werkstck bilden wh-rend der gesamten Produktionskette eine Einheit. Durch reproduzierbare

15、 Einspannung der Palette in ein Einspannfutter wird die Palette (und das Werk-stck) im Referenzkoordinatensystem der Maschi-ne, welches durch das Spannfutter definiert wird, mit Submikrometergenauigkeit ausgerichtet. Introduction This guideline has been established in the EU-project “Production for

16、Microtechnology P4”. Due to major advances in machine and machining technology, today, mechanical manufacturing processes like milling and turning are capable to achieve accuracies far below one micron. It is dif-ficult, however, to obtain these accuracies in auto-mated multistep production chains b

17、ecause an ex-act alignment of the work piece is necessary in every production step. Manufacturing from the solid on only one machine is possible only in few cases with special ma-chines. Automated referencing is not sufficient (yet) for ultraprecision machines (UP machines). Manual alignment by iter

18、atively adjusting and measuring is very time consuming. Morever, it is difficult to perform with submicron accuracy and requires highly skilled operators. Even then, it is not a well defined robust process with appropriate repeatability and is difficult to integrate in quality management. The pallet

19、isation of the work pieces can provide a solution. The pallet and the work piece represent a fixed unit within the complete production chain. By a reproducible clamping of the pallet in a chuck the pallet (and the work piece) is aligned with submicron accuracy in the reference coordinate system of t

20、he machine which is defined by the chuck. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2012 VDI 5584 3 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie bezieht sich auf das reproduzier-bare Einspannen von Werkstcken in der mec

21、hani-schen Mikrofertigung mit Genauigkeiten unter einem Mikrometer durch die Nutzung von Palettie-rungssystemen. 1 Scope This guideline refers to the reproducible alignment of work-pieces in mechanical micro production with submicron accuracy by the use of palletisation systems. 2 Begriffe In der vo

22、rliegenden Richtlinie werden die nach-folgend aufgefhrten Begriffe verwendet: Palette (Werkstcktrger) Vorrichtung, welche das Werkstck durch die ge-samte automatisierte Produktionskette trgt. Anmerkung: Die Palette hat einem Klemmanschluss an ein Spannfutter. Referenz Vektor, der die Position eines

23、Werkzeugs oder eines Werkstcks in Relation zu einem festen Punkt im Koordinatensystem der Werkzeugma-schine angibt Spannfutter Klemmvorrichtung, die auf die Werkzeugmaschine montiert ist und das x,y,z-Referenzkoordinaten-system fr die Bearbeitung definiert. Anmerkung: Die mechanische Kopplungsvorric

24、htung des Spannfutters richtet die Palette innerhalb des x,y,z-Referenz-koordinatensystems mit einer Wiederholgenauigkeit unter einem Mikrometer aus. 2 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the following terms and definitions apply: Pallet Device which carries the workpiece throu

25、ghout the entire automated production chain. Note: The pallet has a clamping interface towards the chuck. Reference Vector which defines the position of a tool or a workpiece in relation to a fixed point in the ma-chine tool coordinate system. Chuck Clamping device which is mounted on the machine to

26、ol and which defines the x,y,z-reference coordi-nate system for machining. Note: The mechanical coupling interface of the chuck aligns the pallet within the x,y,z-reference coordinate system with submicron repeatability. 3 Palettierung in Produktionsketten der Ultraprzisionsbearbeitung 3.1 Mechanisc

27、he Ultraprzisionsfertigung Mittels mechanischer Ultraprzisionsbearbeitungs-verfahren (UP-Bearbeitungsverfahren) wie Dia-mantdrehen, Einzahnfrsen oder Ultraprzisions-schleifen knnen Werkstcke mit Abmessungstole-ranzen im Submikrometerbereich gefertigt werden. Neben der Verwendung von Ultraprzisionswe

28、rk-zeugmaschinen mit Positionierungsgenauigkeiten von 0,1 m bei 100 mm sind die Aufnahme der Werkstcke und Ausrichtung im Koordinatensys-tem der Maschine zum Erreichen der Genauigkeit wichtig. Die genaue Kenntnis der Werkstckposition ist wesentlich, um Strukturen mit Genauigkeiten im Bereich unterha

29、lb eines Mikrometers zu fertigen. Bei der sogenannten Referenzierung werden die Positionen des Diamantwerkzeugs und des Werk-stcks relativ zu einem definierten Fixpunkt (Refe-renzpunkt) im Koordinatensystem der Werkzeug-maschine festgelegt. Der Referenzpunkt kann ein Punkt auf der Oberflche einer Pr

30、obe oder auf dem Werkstck, ein charakteristischer Punkt im Ar-3 Palletisation in ultraprecision production chains 3.1 Ultraprecision mechanical manufacturing With ultraprecision mechanical machining proc-esses (UP mechanical machining processes) such as diamond turning, fly-cutting or ultraprecision

31、 grinding, work pieces with dimensional accuracies in the sub micrometer range can be manufactured. Besides the use of ultraprecision machine tools with positioning accuracies of 0,1 m per 100 mm, the clamping and alignment of workpieces within the machine tool coordinate system is an important step

32、 to accuracy. The exact knowledge of the workpiece position is essential to machine structures with sub micron precision. In the so-called referencing procedure, the position of the diamond tool and the workpiece is defined relative to a fixed point (reference point) in the machine tool coordinate s

33、ystem. The refer-ence point may be a point on the surface of a sam-ple or on the workpiece itself, a characteristic point within the working space of the machine tool (e.g. centre of a rotational axis) or a point which is de-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 4 VDI

34、5584 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 beitsraum der Maschine (z. B. Zentrum einer Dreh-achse) oder ein messtechnisch definierter Punkt sein (z.B. Fadenkreuz einer Kamera). Bei Kenntnis der exakten Referenzen von Werkzeug und Werk-stck kann das Werkzeug mit Gen

35、auigkeit unter-halb eines Mikrometers an einen Punkt auf der Werkstckoberflche positioniert werden. Die Referenz geht verloren, wenn das Werkstck der Werkzeugmaschine entnommen wird. Dies stellt ein bedeutendes Problem bei der Realisierung von Qualittsschleifen dar. Dort wird das Werk-stck alternier

36、end bearbeitet und vermessen um Formgenauigkeiten im Submikrometerbereich und optische Oberflchenqualitten 10 nm Ra zu erreichen. Die Umdefinieren der Referenz oder das aktive Ausrichten des Werkstcks auf seine Anfangsposi-tion sind zu zeitaufwendig. Die Reproduzierbarkeit hngt stark von den Handfer

37、tigkeiten des Maschi-nenbedieners ab. Die durchgngige Fertigungsqualitt der mechani-schen Ultraprzisionsbearbeitung kann durch ein auf passiver Ausrichtung basierenden Referen-zierungssystem mit Submikrometergenauigkeit sichergestellt werden. Darber hinaus erlaubt eine passive Ausrichtung einen schn

38、ellen und effizien-ten Austausch der Werkstcke, ohne dass Sensoren und Aktuatoren bentigt werden. 3.2 Allgemeine Prinzipien passiver Ausrichtung Ein Objekt das nicht beschleunigt, wenn Krfte auf es ausgebt werden, ist im Krftegleichgewicht. Die resultierende Kraft und das resultierende Mo-ment bezgl

39、ich jedes Punkts verschwinden. Ein Objekt ohne Zwangsbedingungen hat sechs Frei-heitsgrade. Geradlinige Bewegung in drei Raum-richtungen, blicherweise x, y und z sowie Dreh-bewegungen um diese drei Achsen mit Winkeln x(Rollwinkel), y(Nickwinkel) und z(Gierwinkel) sind mglich. Ein Objekt, das mit ein

40、er geeigneten Auflagerung in einer festen Position gehalten wird ist im Gleichgewicht, gleichgltig welche Krfte darauf ausgebt werden. Ein Objekt kann mit verschiede-nen Auflagerungen fixiert werden. Entscheidend dabei ist, wie viele Freiheitsgrade mit einem Ele-ment eingeschrnkt werden. Ein Auflage

41、r heit n-wertig, wenn es n Freiheitgrade einschrnkt. Die rumliche Fixierung eines Objekts verlangt eine hexavalente Auflagerung. Dies kann durch jede Kombination von Fixierungselementen erreicht werden, die eine entsprechende Wertigkeit aufwei-sen, z. B. Stbe, Loslager, Festlager usw. fined by a met

42、rology device (e.g. the crosshair of a CCD camera). Knowing the exact references of the tool and the workpiece, the tool can be positioned to any point on the workpiece surface with sub micrometer accuracy. Once the workpiece is removed from the machine tool, its reference is lost. This is a major p

43、roblem for the realisation of iterative quality loops, where alternating metrology and machining process steps are carried out in order to obtain form accuracies with sub micrometer precision and optical surface qualities 10 nm Ra. Redefining the reference or actively aligning the work piece to its

44、initial position is a time-consuming procedure. The repeatability of this procedure depends on the manual skills of the ma-chine operator. The usage of a sub micron referencing system which is based on passive alignment assures a con-sistent machining quality in ultraprecision me-chanical manufactur

45、ing. Furthermore, the usage of passive alignment enables a quick and efficient exchange of work pieces without the use of any sensors and actuators. 3.2 General principles of passive alignment Any object is balanced if it does not accelerate when forces are exerted on the object. In his case, the re

46、sulting force and the resulting momentum at any point are zero. Any unconstrained object pos-sesses six degrees of freedom. It can move in a straight line (translate) along the three directions in space, typically labelled x, y, and z. It can also rotate around each of these axes, resulting in a x-

47、(roll), y-(pitch) and z-motion (yaw). An object which is held in a fixed position with a suitable support is balanced no matter which forces are exerted on the object. An object can be fixed with diverse supporting elements. The distinctive feature is the number of degrees of freedom which can be bo

48、und with one supporting element. A sup-porting element is called n-valent if it binds n de-grees of freedom. The spatial fixation of an object requires a hexavalent support. This can be realised with any combination of supporting elements which feature an according valence e.g. bars, float-ing beari

49、ngs or fixed bearings. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2012 VDI 5584 5 Bei einer statisch bestimmten Auflagerung ent-spricht die Summe der Wertigkeit der Lagerelemen-te der Anzahl der Freiheitsgrade des Objekts, bei einer statisch unbestimmten Lagerung ist dies nicht der Fall. Wenn Die Summe der Wertigkeiten der Lagerelemente die Anzahl der Freiheitsgrade des Objekts b