關(guān)于數(shù)控機床定位精度檢驗標準的比較分析

楊 斌 昝 林 穆英娟

(上海航天精密機械研究所，上海201600)

加工中心主要是指以數(shù)控銑床為基礎(chǔ)，集銑削、鉆削、攻螺紋、鏜削、銑螺紋等功能于一體的數(shù)控機床［1］。加工中心是一種典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，它的應用從一個方面代表了一個企業(yè)的制造水平。定位精度是加工中心最重要且最具其特征的一項技術(shù)指標，它是指加工中心在數(shù)控裝置控制下各坐標軸運動部件所能達到的目標位置的準確程度，它反映了各坐標軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性，定位精度也可以理解為加工中心的運行精度。因此大多數(shù)數(shù)控機床生產(chǎn)廠商都會在其產(chǎn)品樣本中反映產(chǎn)品的精度指標，并著重介紹其定位精度和重復定位精度。

在選購這類數(shù)控機床時發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外主流數(shù)控機床生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品樣本上，定位精度的表示方法和所執(zhí)行的檢驗標準各不相同，主要有國際標準ISO 230 - 2、ISO 10791 -4、國家標準GB/T 17421.2、機械行業(yè)標準JB/T 8771.4、德國標準VDI/DGQ 3441 和日本標準JIS B6330。其中寧波海天、北一大隈等數(shù)控機床生產(chǎn)廠商執(zhí)行日本標準JIS B6330;大連機床、北京機床研究所等數(shù)控機床生產(chǎn)廠商執(zhí)行國家標準GB/T 17421.2 或機械行業(yè)標準JB/T 8771.4;歐洲知名機床生產(chǎn)廠商如 DMG、HELLER、WILLEMIN 等執(zhí)行德國標準VDI/DGQ 3441;臺灣亞崴同時執(zhí)行德國標準VDI/DGQ 3441和日本標準JIS B6330;沈陽機床和漢川機床同時執(zhí)行機械行業(yè)標準JB/T 8771. 4 和日本標準JIS B6330。從那些執(zhí)行兩種定位精度檢驗標準的數(shù)控機床生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品樣本上可以看出，同樣一臺數(shù)控機床執(zhí)行不同檢驗標準所得到的定位精度值不同，選購數(shù)控機床時很難準確地判斷這臺數(shù)控機床是否滿足使用要求。因此，有必要對各種定位精度檢驗標準的檢驗原理和檢驗方法進行比較分析，為機加工企業(yè)正確采購數(shù)控機床提供參考。

1 定位精度檢驗標準

通過對不同定位精度檢驗標準的分析，可將各定位精度檢驗標準分為以下3 種:

1.1 國際標準和中國標準

國際標準包括ISO 230 -2 和ISO 10791-4，中國標準包括國家標準GB/T 17421.2 和機械行業(yè)標準JB/T 8771. 4。國 家 標 準 GB/T 17421.2 等效采用國際標準ISO 230-2，為規(guī)定定位精度檢驗方法的標準;機械行業(yè)標準JB/T 8771.4 等效采用國際標準ISO 10791-4，為規(guī)定線性軸行程≤2000 mm 的加工中心定位精度檢驗的允差的標準。

(1)檢驗方法

在機床全行程范圍內(nèi)選取一系列目標位置，讓機床運動部件沿著線性軸運動到這一系列目標位置，并記錄其實際位置與目標位置的位置偏差(Xij=Pij-Pi)。運動部件要求5 次往返正反兩個方向檢測這一系列目標位置，目標位置的間隔為Pi=(i-1)P+r(r在不同位置取不同的值)，當行程≤2000 mm 時，P 和r 的取值要保證每米至少有5 個目標位置，并且全程也至少有5 個目標位置;當行程＞2000 mm 時，P 取250 mm。其標準檢驗循環(huán)見圖1 所示［2］。

(2)定位精度表示

雙向定位精度:

1.2 德國標準

(1)檢驗方法

德國標準VDI/DGQ 3441 的檢驗方法與國際標準ISO 230 -2的檢驗方法相同。

(2)定位精度表示

位置不確定性［3］:

1.3 日本標準

(1)檢驗方法

在機床全程范圍內(nèi)選取一系列目標位置，讓機床運動部件沿著線性軸運動到這一系列目標位置，并記錄其實際位置與目標位置的差(Xi1=Pi1-Pi)。運動部件只要求一次往返正反兩個方向檢測這一系列目標位置，當行程≤1000 mm 時，目標位置間隔約為50 mm;當行程＞1000 mm 時，目標位置間隔約為100 mm［4］。其標準檢驗循環(huán)即為圖1 所示的第一個檢驗循環(huán)。

(2)定位精度表示

定位精度:

其中:Xmax為單向趨近某一目標位置Pi所得的位置偏差的極大值;Xmin為單向趨近某一目標位置Pi所得的位置偏差的極小值。

2 不同標準的比較

根據(jù)檢驗方法和數(shù)據(jù)處理方法的不同，可將這幾種定位精度檢驗標準歸為以下兩類:

(1)以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的數(shù)理統(tǒng)計法，國際標準(ISO 230-2、ISO 10791 -4)、中國標準(GB/T 17421.2、JB/T 8771.4)和德國標準(VDI/DGQ 3441)屬于這一類。該類標準認為各個目標位置多次定位所測得的位置偏差呈正態(tài)曲線分布，檢驗時需要對目標位置進行多回合測量，然后利用數(shù)理統(tǒng)計方法計算定位精度。雖然檢驗原理相同，但是國際標準、中國標準的定位精度計算方法與德國標準不同。國際標準計算方法是在每一個目標位置都建立±2Si↑和±2Si↓變化范圍，然后連接成曲線，如圖2 所示，取該曲線的最高點和最低點的差值確定為雙向定位精度，其主要通過量的取大來體現(xiàn)其嚴格的要求，但是沒有反映反向差值和方向?qū)鹊挠绊?，并且計算時用±2倍的擴展不確定度表示對目標位置無限次定位可能產(chǎn)生的誤差范圍，可信度為95.44%。而德國標準則考慮了正反向平均位置偏差標準偏差Si↑＆Si↓及反向差值B的影響，計算時用±3 倍的擴展不確定度表示對目標位置無限次定位可能產(chǎn)生的誤差范圍，可信度為99.74%，其指標較科學、全面和嚴謹。

(2)日本標準JIS B6330 所使用的代數(shù)極差法，這種標準比較簡單，只對選定的各個目標位置作一次正反兩個方向定位檢驗，取位置偏差的極大值與極小值之差作為定位精度的數(shù)值。該標準取樣容量比較小，采用極差方法進行數(shù)據(jù)處理，方法簡單易實施，檢驗出的定位精度數(shù)值比較小，對數(shù)控機床生產(chǎn)廠商宣傳和銷售比較有利。但該方法不能充分反映機床的定位精度，數(shù)值可靠性較差。

表1 典型檢驗結(jié)果［2］

3 檢驗實例

以國家標準GB/T 17421.2—2000 中的典型檢驗結(jié)果為例(見表1 所示)，對以上3 類定位精度檢驗標準進行比較和評定。該典型檢驗結(jié)果是在數(shù)控機床某一軸全行程(行程≤2000 mm)內(nèi)選定11 個目標位置，每個目標位置正反各檢驗5 次所得的結(jié)果。

(1)按國際標準ISO 230 -2或國家標準GB/T 17421.2 計算，定位精度為:

(2)按德國標準VDI/DGQ 3441 計算，位置不確定性為:

(3)按日本標準JIS B6330 計算，定位精度為:

4 結(jié)語

從上述分析和實例計算可以得出，對同一臺數(shù)控機床進行定位精度檢驗，如果使用不同的定位精度檢驗標準，其檢驗結(jié)果是截然不同的。執(zhí)行德國標準VDI/DGQ 3441所獲得的定位精度數(shù)值最大;執(zhí)行國際標準ISO 230 -2 和國家標準GB/T 17421.2 所獲得的定位精度數(shù)值其次，與執(zhí)行德國標準VDI/DGQ 3441 所獲得的定位精度數(shù)值相差不大;執(zhí)行日本標準JIS B6330所獲得的定位精度數(shù)值最小，不到執(zhí)行國際標準ISO 230 -2 和國家標準GB/T 17421.2 所獲得的定位精度數(shù)值的一半。因此，采購數(shù)控機床時，不能單看數(shù)控機床技術(shù)指標數(shù)值的大小，還應該關(guān)注該數(shù)值所執(zhí)行的標準，最好讓數(shù)控機床生產(chǎn)廠商提供執(zhí)行國標時的技術(shù)指標。驗收加工中心時，應該嚴格按照該數(shù)控機床技術(shù)協(xié)議中指定的標準進行檢驗，避免對企業(yè)造成損失。

［1］宗國成，沈為清. 數(shù)控設(shè)備選型實用技術(shù)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2010.3.

［2］國家標準GB/T 17421.2 -2000. 機床檢驗通則 第2 部分:數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定［S］.

［3］德國標準VDI/DGQ 3441 -1977. 機床工作精度和定位精度的統(tǒng)計檢驗原理［S］.

［4］俞暉. 加工中心定位精度和重復定位精度標準淺析［J］. 機械工業(yè)標準化與質(zhì)量，2009，(8):44 -47.