几种机床精度的对比研究.docx

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几种机床精度的对比研究

几种机床精度的对比研究

当一厂商的数控机床销售资料上注明其定位精度为0.006，，而另一厂商类似机床的定位精度为0.008时，往往会认为前者比后者的精度要高。

然而很可能后者比前者更精确，这完全取决于各厂采取何种精度定义和计算方法。

精度的定义

一般来说，精度是指一台机床的刀尖到达程序所设定的目标的能力。

测量这种能力的方法是多种多样的，而最重要的是不同国家采取各不相同的准则。

当日本机床制造厂要制定自己的机床精度时，他们往往参照日本JISB6201、JISB6336或JISB6338标准。

在欧洲，特别是德国，常参照VDI／DGQ3441通则（VDI／DGQ通则仅仅是推荐性的，它们和公布在DIN系统中的标准无关）。

美国的机床制造厂通常参照美国机床制造者协会NMTBA（现更名为美国制造技术协会）在1968年发布并于1972年修改过的《数控机床精度和重复定位精度的定义和评价》。

当查究一台数控机床的精度时，首先需要鉴别其所遵循的是什幺方法，在不同的统计准则下得出的机床精度也不同。

例如，同一台机床，日本JIS的准则得出的精度就大大高干德国VDI或美国NMTBA的准则所得出的精度。

幸好干1988年颁布了国际标准ISO230—2（《数控机床定位精度和重复定位精度的确定》），然而，遗憾的不是人人部尽快的使用这一标准，很多机床制造厂仍然沿用他们自己原有的标准，因此，了解这四种方法就显得尤为重要。

术语相同，含义不同

令人混淆的是在所用的不同方法中，某些相同的术语有着不同的含义，而不同的术语却又有着相同的含义。

很明显，有不少机床制造厂，在销售说明书中却有意无意地混淆术语，把偏差，甚至于把重复定位精度当成精度，而这两种数值常常比精度值更好。

除日本JIS标准外，其余三个标准或通则都是沿机床某一数控轴向在若干个目标点上作多次移动，并根据统计抽样进行而得到的，主要区别处在于：

1．目标点数；

2．移动次数；

3．移动是单向趋近还是双向趋近；

4．最重要的是如何计算精度和其它术语值。

四种方法的要点叙述如下。

因为希望机床制造者有朝一日都将遵循ISO标准，故将这一标准选定为比较的基础。

其扼要的比较项目示干下表中。

本文只考虑线性精度，但决定分度精度的规则与此极为相似。

下面叙述四种标准的要点：

一、ISO230—2标准

沿移动轴线上每一个目标位置点所测精度呈正态分布曲线。

由于移动若干次，可以得到若干个不同的实际位置点，从这些点可导出关于正态曲线的一个标准偏差（Sigma，有时用Σ），土3个标准偏差的离散值（记为±3Σ，即总和为6Σ）大约可以包括对目标位置无穷次趋近所有可能的实际位置点的99．74％。

这个离散值称之为重复定位精度，它是指在一个特定的目标位置的重复定位精度。

而一个标准偏差则大约包括正态曲线中34％的点，其计算公式列于表内。

图1所示为当每次测量都从相同方向移动时昕测到的实际位置点而建立的曲线。

如相反方向（即双向趋近）进行测试，即可建立另一组实际位置点形成的第二个正态分布曲线（图2）。

由于方向改变而产生的误差称为反向误差，主要是系统间隙所造成。

重复定位精度（单向趋近）两组运动得到的两条正态曲线，其差

5次单向测量的位置偏差和平均位置偏差是由于反向误差产生的。

图1图2

按ISO规定，定位精度是若干条正态曲线中的最高与最低极限之间的全部离散值。

重复定位精度是具有最大离散值的目标位置的离散值。

图3

为确定一台机床的位置精度，必须沿运动轴线设定若干个目标位置，然后在每一个目标位置上根据实际位置确定其±3Σ分散值，即可建立一条理论正态曲线。

（双向趋近时则是2条正态曲线），在所有这些正态曲线中的最高与最低之间形成的全部离散值即ISO230—2中规定的定位精度，见图3（本图在每个目标点将正态曲线转90°）。

至于某一运动方向的重复定位精度则是取目标位置上曲线离散值中最大的一个（单向趋近时），双向趋近时取两条双向曲线中曲线离散值的最大者。

由于这种分析方法选定了最坏的定位精度的情况，还包含了几乎100％可能产生的误差，因此可以认为这样得到的数控机床的平均特性将比较好。

二、NMTBA

美国NMTBA的定义和ISO标准非常相似。

其主要区别有三：

1．NMTBA主张单向趋近，而ISO建议双向趋近。

2．NMTBA使用“比例相应增减制”（Slidingscale），这样机床的定位精度与行程长度有关，而ISO标准则不考虑该因素。

这主要由于NMTBA公布于1972年，已比较陈旧，因为控制系统已经采用轴距补偿来修正轴向运动的误差，因此行程长度已不是问题，ISO标准公布于1988年，显然已经考虑这问题。

3．NMTBA用的是“+”和“-”值，而德国VDI和ISO用的是绝对值，实际上常看作是等效的（即±0.003mm=0.006mm）。

尽管从技术上看是不同的，但是两种表示方法一般都解释为相同的。

三、德国通则

德国VDI／DGQ的建议方法和ISO标准及NMTBA定义的很相似，显然是制订ISO标准时引用了先期制订的NMTBA定义和VDI／DGQ中的可取之处。

尽管这三者的计算和术语不尽相同，但关键的定位精度和重复定位精度的计算结果，三者却很接近。

德国VDI方法比其他三种方法的任一种要略激复杂些，所用的有些术语如不仔细分析也容易混淆。

其定位精度一词和ISO标准是不同的，它没有唯一的数学原点，更正确地说，在数学上，它还分成四个因子（术语）：

定位的不准确度，定位离散度，反向误差和位置偏差。

其中，定位不准确度和ISO的定位精度一词最接近，虽然二者的计算方法差别很大，但最终的结果数据却很接近：

二者都沿轴线测其正态曲线的最大离散值，（图4）。

区别在于如何计算这些正态曲线。

图4

VDI通则是将双向趋近中测得的两条正态曲线合成一条，称之为定位离散度，它是将两条曲线平均后的平均标准偏差乘以6而得到的（见图5）。

然后，再将反向误差（U）被2除后加在平均正态曲线（即定应离散度）的两端，即图4中所示的U／2。

图5

VDI通则中对位置偏差的描述和ISO标准不同。

ISO标准对位置偏差的定义为一个目标位置和一个实际位置之间的差值（图1）；而VDI中它则是沿一个轴线方

向上每个实际位置与目标位置比较的诸平均值中的最大差值（图6）。

图6

其重复定位精度和ISO标准非常接近。

它是由目标位置上最大的定位离散度加上反向误差而组成的（图4）

四、日本标准

日本工业标准（JIS）比其他三种方法都简单，而精确度也差些。

JISB6336标准对在双向趋近中所选择的若干个目标位置上只要求做一次测试。

任意一个目标位置和实际位置间对于目标位置的最大位置偏差为定位精度（图7）。

可见，日本标准不考虑ISO标准、VDI通则和NMTBA定义中的±3Σ分散值，通常用这种方法确定的数控机床精度与ISO标准、VDI通则或NMTBA定义相比要显得高些，可以达到2：

1的因数。

图7

JIS标准的重复定位精度是由任一目标位置中取离散值最大者来定的。

将双向趋近中取7次测量得到的最大离散值除以2再加上“±”即重复定位精度（图8）。

图8

我国从70年代中期开始引进的主要是日本的数控机床，当时普遍采用日本JIS标准。

80年代以后，南京机床厂和北京第一机床厂等与西德合作，采用了VDI方法进行检验和验收。

我国的国际GB10931—89《数字控制机床位置精度的评定方法》主要参照了ISO1986年的DIS230／2（国际标准草案）并作了某些修改而制订的，目前正准备根据1988年公布的正式国际标准ISO230—2重新进行修订。

五、机床精度标准的比较

术语或其他数据

ISO

VDI

NMTBA

JIS

目标位置

运动部件按程序应该达到的位置

与ISO相同

与ISO相同

与ISO相同

实际位置

测量的移动部件所达到的位置

与ISO相同

与ISO相同

与ISO相同

所需的目标位置数

2米以内每米5点，大于2米，点数增加

与轴向长度有关，至少5点

未规定，但标准中举例用的20个点

与长度有关，1米以内每50mm一个点，以后每100mm一个点

每个目标位置点上的测量次数

每个方向至少5次

每个方向每米10次

至少7次

定位精度每个方向测量一次，重复定位精度总共测7次

单向/双向

1、单向是从同一方向向目标点趋近若干次的测量结果

2、双向指运动从两个方向趋近

3、建议采用双向

与ISO相同，建议双向

建议单向

与ISO相同，建议双向

位置偏差

实际到达位置和目标点之差

沿某一轴线方向实际位置与每个目标位置比较的平均值的最大差值（见图6）

同ISO定义，但其注解为“从目标点的偏差”

因为对一个目标点只测一次，所以对术语没有注解，对双向趋近测两次

平均位置偏差

在每一个目标位置上位置偏差的代数平均值

同ISO意见，但标注为“平均值”

同ISO意见，但标注为“平均”

不考虑

反向误差

对一个点从两个方向趋近时，平均位置偏差之间的差值

与ISO相同

与ISO相同，但称之为“失动”

不考虑

标准偏差

式中，

N—测量次数；i—任意一次测量；Xij—任意一次测量时的位置偏差；Xj—平均位置偏差

与ISO相同

与ISO相同

不考虑

定位精度

不考虑位置和运动方向，X+3∑和X-3∑极限值之间的最大差值。

既实用于单向，也适用于双向。

由于存在反向误差，对双向来讲，离散值越大，定位精度越差

未规定“精度”术语，虽然计算方法不同（图4和图5），但用的“定位不精确度”与ISO的“定位精度”相类似

与ISO相类似，用“精度”

与另三者中的任一个都很不同，“定位精度”是任意实际位置和目标位置之间测出的最大变化量（图7）

重复定位精度（单向或双向）

取各目标位置上的最大离散值（图3）

与ISO标准相类似（见图4）

与ISO标准相类似

与另三者中的任一个都不同，“重复定位精度”是将目标位置的最大离散值除以2再加上"±"（见图8）