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機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)
閱讀：1015 發(fā)布時(shí)間：2010-12-28
機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)比較
2010-6-18 16:35:30
在一份數(shù)控機(jī)床的*文章上，機(jī)床A的“定位精度”標(biāo)為0.004mm，而在另一生產(chǎn)商的樣本上，同類機(jī)床B的“定位精度”標(biāo)為0.006mm。從這些數(shù)據(jù)，你會(huì)很自然地認(rèn)為機(jī)床A比機(jī)床B的精度要高。然而，事實(shí)上很有可能機(jī)床B比機(jī)床A的精度要高，問題就在于機(jī)床A和B的精度分別是如何定義的。
所以，當(dāng)我們談到數(shù)控機(jī)床的“精度”時(shí)，務(wù)必要弄清標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)的定義及計(jì)算方法。
1 精度定義
一般說來，精度是指機(jī)床將刀尖點(diǎn)定位至程序目標(biāo)點(diǎn)的能力。然而，測量這種定位能力的辦法很多，更為重要的是，不同的國家有不同的規(guī)定。
日本機(jī)床生產(chǎn)商標(biāo)定“精度”時(shí)，通常采用JISB6201或JISB6336或JISB6338標(biāo)準(zhǔn)。JISB6201一般用于通用機(jī)床和普通數(shù)控機(jī)床，JISB6336一般用于加工中心，JISB6338則一般用于立式加工中心。上述三種標(biāo)準(zhǔn)在定義位置精度時(shí)基本相同，文中僅以JIS B6336作為例子，因?yàn)橐环矫嬖摌?biāo)準(zhǔn)較新，另一方面相對于其它兩種標(biāo)準(zhǔn)來說，它要稍稍一些。
歐洲機(jī)床生產(chǎn)商，特別是德國廠家，一般采用VDI/DGQ3441標(biāo)準(zhǔn)。
美國機(jī)床生產(chǎn)商通常采用NMTBA（National Machine Tool Builder's Assn）標(biāo)準(zhǔn)（該標(biāo)準(zhǔn)源于美國機(jī)床制造協(xié)會(huì)的一項(xiàng)研究，頒布于1968年，后經(jīng)修改）。
上面所提到的這些標(biāo)準(zhǔn)，都與ISO標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。
當(dāng)標(biāo)定一臺數(shù)控機(jī)床的精度時(shí)，非常有必要將其采用的標(biāo)準(zhǔn)一同標(biāo)注出來。同樣一臺機(jī)床，因采用不同標(biāo)準(zhǔn)會(huì)顯示出不同的數(shù)據(jù)（采用JIS標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)比用美國的NMTBA標(biāo)準(zhǔn)或德國VDI標(biāo)準(zhǔn)明顯偏小）。
2 同樣的指標(biāo)，不同的含義
經(jīng)常容易混淆的是：同樣的指標(biāo)名在不同的精度標(biāo)準(zhǔn)中代表不同的意義，不同的指標(biāo)名卻具有相同的含義。上述4種標(biāo)準(zhǔn)，除JIS標(biāo)準(zhǔn)之外，皆是在機(jī)床數(shù)控軸上對多目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行多回合測量之后，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來的，其關(guān)鍵不同點(diǎn)在于:（1）目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量;（2）測量回合數(shù);（3）從單向還是雙向接近目標(biāo)點(diǎn)（此點(diǎn)尤為重要）;（4）精度指標(biāo)及其它指標(biāo)的計(jì)算方法。
這是4種標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵區(qū)別點(diǎn)描述，正如人們所期待的，總有一天，所有機(jī)床生產(chǎn)商都統(tǒng)一遵循ISO標(biāo)準(zhǔn)。因此，這里選擇ISO標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)。附表中對4種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較，本文僅涉及線性精度，因?yàn)樾D(zhuǎn)精度的計(jì)算原理與之基本一致。
3 ISO標(biāo)準(zhǔn)
在所有現(xiàn)行的精度測量過程中，沿軸向分布的各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上都假設(shè)存在一條正態(tài)分布曲線（圖1）。由于是多回合的測量過程，因此對應(yīng)于每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)來說，都存在一個(gè)實(shí)際測定點(diǎn)系列分布，通過對這種分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算（累積，多次S），即可定義該正態(tài)曲線。
一個(gè)±3次標(biāo)準(zhǔn)偏差（記做±3s──亦即共6s）可以覆蓋無限個(gè)實(shí)際點(diǎn)中約99.74%的位置分布情形。而這個(gè)發(fā)散度即稱作重復(fù)精度，它是指某一目標(biāo)點(diǎn)處的重復(fù)精度。
圖1中的正態(tài)曲線是指從單方向接近目標(biāo)點(diǎn)的曲線（稱為單向），如果從反方向接近目標(biāo)點(diǎn)（稱為雙向），將會(huì)出現(xiàn)第二條正態(tài)分布曲線（圖2），兩次不同方向時(shí)的結(jié)果偏差稱反向誤差。理論上它是由于系統(tǒng)的反向間隙所產(chǎn)生的。很明顯，同一機(jī)床采用單向檢測的數(shù)字結(jié)果要比雙向檢測時(shí)好看得多。
| 機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)比較表 | |||||||||||||||||||||
| 指標(biāo)及其它 | ISO標(biāo)準(zhǔn) | VDI標(biāo)準(zhǔn) | NMTBA標(biāo)準(zhǔn) | JIS標(biāo)準(zhǔn) | |||||||||||||||||
| 要求目標(biāo)點(diǎn)數(shù) | 每1~2m 5個(gè)點(diǎn)，再長則增加 | 取決于軸長度，但zui少不能少于5點(diǎn) | 不做定義 | 取決于長度，每50mm到1000mm一個(gè)點(diǎn)，爾后每100mm一個(gè)點(diǎn) | |||||||||||||||||
| 目標(biāo)點(diǎn)接近次數(shù) | 單向zui少5次 | 單向每米10次 | zui少7次 | 單向1次計(jì)量定位精度，7次計(jì)量重復(fù)精度 | |||||||||||||||||
| 單/雙向（單向指測量過程中總是從一個(gè)方向接近目標(biāo)點(diǎn)，雙向指從兩個(gè)方向） | 建議雙向 | 建議雙向 | 建議單向 | 建議雙向 | |||||||||||||||||
| 定位偏差 | 實(shí)際位置與目標(biāo)位置之差 | 沿軸向的目標(biāo)點(diǎn)與對應(yīng)的實(shí)際位置點(diǎn)之平均值間的zui大差值（圖6） | 與ISO同，但定義為“目標(biāo)偏差”指標(biāo) | 沒有此項(xiàng)指標(biāo)，因?yàn)閱蜗騼H一次，雙向僅兩次接近目標(biāo)點(diǎn) | |||||||||||||||||
| 平均定位偏差 | 某一目標(biāo)位置處定位偏差的代數(shù)平均值 | 與ISO同，但定義為“平均值” | 與ISO同，但定義為“平均” | 沒有此項(xiàng)指標(biāo) | |||||||||||||||||
| 反向誤差 | 分別從不同方向接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的平均定位偏差之差值 | 同ISO | 與ISO同，但定義為“空動(dòng)” | 沒有此項(xiàng)指標(biāo) | |||||||||||||||||
| 標(biāo)準(zhǔn)偏差 |
| 沒有此項(xiàng)指標(biāo) | |||||||||||||||||||
| 定位精度 | +3s與-s極限值的zui大差額（不考慮位置和運(yùn)動(dòng)方向）適用于單向及雙向。由于存在反向誤差，雙向時(shí)發(fā)散度大，精度值也大 | 沒有“精度”這個(gè)指標(biāo)，但有“定位不確定性”與之含義相似，但計(jì)算方法不同（圖4和圖5） | 與ISO相近，但定義為“精度” | 與另外三種精度有很大差異，定位精度為實(shí)際位置與對應(yīng)目標(biāo)位置差值的zui大值（圖7） | |||||||||||||||||
| 重復(fù)精度（單向或雙向） | 目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)發(fā)散度的zui大值（圖3） | 與ISO相近（圖4） | 與ISO相近 | 與另外三種精度有很大差異。它是指目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的zui大發(fā)散度除以2（圖8） | |||||||||||||||||
為了標(biāo)定機(jī)床的定位精度，必須在運(yùn)動(dòng)軸向上建立一些目標(biāo)位置點(diǎn)，然后根據(jù)目標(biāo)位置點(diǎn)對應(yīng)的一系列實(shí)際位置點(diǎn)計(jì)算±3s的分布。如果一條理論正態(tài)曲線──或雙向時(shí)的兩條──在每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上形成，在經(jīng)過3s分布之后，所有正態(tài)曲線中zui上端曲線與zui下端曲線之間的展寬即ISO230-1標(biāo)準(zhǔn)中所指的定位精度（圖3）。
軸向重復(fù)精度指目標(biāo)點(diǎn)處一條正態(tài)曲線zui大展寬（單向）或兩條正態(tài)曲線（雙向）之和的zui大展寬。一個(gè)zui簡單的理解：重復(fù)精度大約為定位精度的½，但也有例外，并且有時(shí)出入還很大。圖3中目標(biāo)點(diǎn)的正態(tài)曲線旋轉(zhuǎn)了90°，目的是為了更加直觀地表達(dá)展寬的概念。由于這種分析方法基于zui差的定位精度情形，并且?guī)缀醺采w100%的可能的不準(zhǔn)確性，因此可以期望用它能較好地評價(jià)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際性能。
4 NMTBA標(biāo)準(zhǔn)
美國的NMTBA標(biāo)準(zhǔn)與ISO標(biāo)準(zhǔn)非常近似，一個(gè)區(qū)別就是：NMTBA標(biāo)準(zhǔn)喜歡采用單向測量，而ISO標(biāo)準(zhǔn)建議雙向測量；另一區(qū)別是：NMTBA標(biāo)準(zhǔn)采用“滑動(dòng)尺”（如同VDI標(biāo)準(zhǔn)），這樣把精度與軸的長度關(guān)聯(lián)起來，而這一點(diǎn)ISO標(biāo)準(zhǔn)并未涉及。單從這一點(diǎn)來看，1972年出版的NMTBA標(biāo)準(zhǔn)也許有點(diǎn)過時(shí)，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)功能，諸如絲桿間隙補(bǔ)償?shù)龋┈F(xiàn)在已經(jīng)能夠調(diào)整軸向移動(dòng)中產(chǎn)生的誤差──不論軸的長短，而1988年出版的ISO標(biāo)準(zhǔn)則很顯然地反映出這一點(diǎn)。同樣應(yīng)該注意的是，NMTBA標(biāo)準(zhǔn)在滑動(dòng)尺這一點(diǎn)上與VDI標(biāo)準(zhǔn)相似。
還有一點(diǎn)區(qū)別，那就是NMTBA以正負(fù)值反映，而VDI和ISO以值反映，實(shí)際上值與正值和負(fù)值相等（也就是+0.002mm，-0.002mm或±0.002mm=0.004mm），兩種表達(dá)方式總的來說有相同的解釋，但技術(shù)上來說還是不一樣的。
5 德國標(biāo)準(zhǔn)
德國采用的標(biāo)準(zhǔn)VDI/DGQ（Verein Deutscher Ingeieure/Deutsche Gesellschaft fuer Qualitaet）與ISO及NMTBA標(biāo)準(zhǔn)基本相近，或者更準(zhǔn)確地說，ISO標(biāo)準(zhǔn)與VDI及NMTBA標(biāo)準(zhǔn)相近。因?yàn)楹蠖咴谇罢咧皢柺啦⑶液苊黠@地被前者用做基礎(chǔ)。盡管計(jì)算方法及指標(biāo)有區(qū)別，但關(guān)鍵計(jì)算結(jié)果，即定位精度和重復(fù)精度在三種標(biāo)準(zhǔn)中相近。
德國VDI方法是文中所提及各種方法中zui復(fù)雜的一種，該標(biāo)準(zhǔn)中的一些指標(biāo)，若不做仔細(xì)分析，則很難搞清楚。指標(biāo)“定位精度”不象在ISO標(biāo)準(zhǔn)中只有單一數(shù)字表達(dá)，而是分成四個(gè)部分：定位不確定性（P），定位發(fā)散度（Ps），反向誤差（U）和定位偏差（Pa）。
與ISO標(biāo)準(zhǔn)中的定位精度zui相近的是VDI中的定位不確定性（P），盡管這兩項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算過程不大一樣，但zui終結(jié)果卻極為近似：都是計(jì)算沿軸向的正態(tài)曲線的zui大展寬（圖4）區(qū)別僅在于正態(tài)分布曲線的計(jì)算方法。VDI標(biāo)準(zhǔn)將雙向測量的兩根正態(tài)曲線合并為一體，定義為定位發(fā)散度（Ps）它是通過首先取平均值，然后進(jìn)行六次平均標(biāo)準(zhǔn)差（即6s，圖5）而得出的，然后將反向誤差（U）除以2，每一半加至平均正態(tài)曲線（即定位發(fā)散度）的一端（圖4中的“U/2”）。
指標(biāo)“定位偏差”在VDI中的描述與ISO標(biāo)準(zhǔn)中的同名指標(biāo)不同，在ISO標(biāo)準(zhǔn)中它是指目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)之差（圖1），在VDI標(biāo)準(zhǔn)中是指沿軸向的各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的一系列實(shí)際位置點(diǎn)的平均值的zui大差額（圖6）。
軸向重復(fù)精度與ISO標(biāo)準(zhǔn)中的定義很相似，它是由目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的zui大定位發(fā)散度加上反向誤差而得到的（圖4）。
6 JIS標(biāo)準(zhǔn)
日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS遠(yuǎn)比前述任一精度標(biāo)準(zhǔn)簡單，自然也遠(yuǎn)不如前述任一精度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確。JIS B6336僅要求一次往返目標(biāo)點(diǎn)檢測（雙向）目標(biāo)點(diǎn)與其對應(yīng)實(shí)際點(diǎn)列之間的zui大定位偏差即為定位精度（圖7）JIS B6336根本不考慮ISO、VDI和NMTBA中運(yùn)用的±3s分布。
用這種方法計(jì)量出的數(shù)控機(jī)床的精度結(jié)果給人的感覺是無論比ISO標(biāo)準(zhǔn)還是NMTBA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量的都要高，數(shù)值比例為1:2。JIS標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)精度是指目標(biāo)點(diǎn)處的zui大分散度。這種通過7次雙向測量得出的zui大分散度除以2，然后冠以“±”值，即表達(dá)出重復(fù)精度（圖8）。
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總之，單根據(jù)樣本等資料標(biāo)注的精度數(shù)值，很難一下判別孰精孰粗，用戶必須仔細(xì)分析，切莫上當(dāng)。