数控机床位置精度检测及标准研究
摘要
随着数控机床在我国的发展普及，为准确把握数控机床的性能，有必要对数控机床进行位置精度检测，并对检测结果正确评价。本文对数控机床在我国的发展普及，数控机床位置精度的概念及其重要性，误差组成及误差检测项目，常用检测方法和评定标准等内容进行了介绍；同时综合利用表格、曲线、文字等形式对四种位置精度标准进行较深入的比较研究，得出了一定结论，并且通过在本校实验室实测一台数控机床所得数据进行例证。通过本课题的研究，指出了数控机床位置精度检测评定标准之间的差异，在解决由于数控机床位置精度标准不同而引发争议的问题上做出了尝试的解答。
关键字：数控机床,位置精度，位置精度检测，双频激光干涉仪，标准
Measurements and Standards of The Positioning Accuracy of The CNC Machine Tools
ABSTRACT
With the popularization of the CNC machine tools in CHINA, to find out the real performances of them, it is necessary to perform some measurements of positioning accuracy and make correct evaluations to the relating data. In the text, the popularization of the CNC machine tools in CHINA is introduced. Also introduced are the definition and importance of the positioning accuracy, with the positioning accuracy error and common measuring items included. Followed are the common measuring methods and the relating standards of the CNC machine tools described in details. After that, compare the differences between the four different standards thoroughly, using forms, graphs and words. Drew conclusions based on the forms, graphs and words mentioned above. Certified the conclusions with the data captured in the school laboratory tested one CNC machine tools. Through the study of the subject, the differences between the standards of positioning accuracy of the CNC machine tools are reported and made a answer to the problems concerning the debates aroused by the differences of the standards.
KEY WORDS：CNC Machine Tools, Positioning Accuracy, Measurements of Positioning Accuracy, Interferometer, Standard
目录
第1章 绪 论错误！未定义书签。
1.1 数控机床的重要性错误！未定义书签。
1.2 数控机床发展概况错误！未定义书签。
1.3 学习数控机床位置精度检测及评定标准差异的重要性错误！未定义书签。
1.4 本文的主要内容错误！未定义书签。
第2章 位置精度错误！未定义书签。
2.1 数控机床位置精度的概念错误！未定义书签。
2.2 定位误差的特征分量错误！未定义书签。
2.2.1 系统误差错误！未定义书签。
2.2.2分散性(即随机误差)错误！未定义书签。
2.2.3 反向定位的失动量错误！未定义书签。
2.2.4 最小可能移动量错误！未定义书签。
2.3 机床位置精度的主要检测项目错误！未定义书签。
第3章 数控机床位置精度的检测错误！未定义书签。
3.1 标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法错误！未定义书签。
3.1.1测量原理错误！未定义书签。
3.1.2 测量方法错误！未定义书签。
3.1.3目标位置及循环方式的选择错误！未定义书签。
3.1.4 误差分析错误！未定义书签。
3.2 双频激光干涉仪检测法错误！未定义书签。
3.2.1 双频激光干涉仪的工作原理错误！未定义书签。
3.2.2 雷尼绍激光校准系统错误！未定义书签。
3.2.3 测量误差分析错误！未定义书签。
3.3 对比和分析错误！未定义书签。
第4章 数控机床位置精度检测的标准错误！未定义书签。
4.1国际标准 ISO 230-2错误！未定义书签。
4.1.1 术语和代号错误！未定义书签。
4.1.2 目标位置的选取错误！未定义书签。
4.1.3 结果评价错误！未定义书签。
4.2 中国标准 GB 10931-89错误！未定义书签。
4.2.1 术语和代号错误！未定义书签。
4.2.2 位置精度的评定项目错误！未定义书签。
4.2.3 目标位置的选择错误！未定义书签。
4.3 德国标准VDI/DGQ 3441错误！未定义书签。
4.4 日本标准 JIS B 6336错误！未定义书签。
第5章 数控机床位置精度评定标准的分析和比较错误！未定义书签。
5.1 数据处理方法的比较错误！未定义书签。
5.2 标准的对比分析错误！未定义书签。
5.2.1 标准的列表对比错误！未定义书签。
5.2.2 标准的图象比较错误！未定义书签。
5.3 立式加工中心MCV-510检测实例错误！未定义书签。
5.3.1 以中国标准GB 10931-89 进行计算错误！未定义书签。
5.3.2 按国际标准进行评定错误！未定义书签。
5.3.3 按德国标准进行评定错误！未定义书签。
5.3.4 按日本标准评定错误！未定义书签。
第6章 结论和展望错误！未定义书签。
参考文献错误！未定义书签。
致谢错误！未定义书签。
第1章 绪 论
1.1 数控机床的重要性
数控机床是数值控制的工作母机的总称，它包括数控金属切削机床、锻压机床等。它综合应用了现代机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、液压气动技术、光电技术以及配套技术等领域中的最新成果，融合了“高效、精密、柔性、集成”四大特点，是国民经济的重要基础装备，是机械、电子、汽车、石化和建筑等支柱产业及能源、交通、原材料、通讯等基础产业实现生产现代化的重要手段。数控机床的广泛应用对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。数控机床的技术水平与拥有量是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。而以数控机床为基础建的柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的发展程度，更是一个国家现代化技术和管理水平的综合反映。
1.2 数控机床发展概况
追求高效、高能、以最大限度满足用户需要是机床行业永久性的技术课题。世界各国机床业为了扩大机床加工内容和加强国际市场的竞争力，都以最大限度地满足用户的需要为最高宗旨，他们按照用户提出的各种技术指标和性能要求，不断开发代表本身水平的新型机种，在竞争异常激烈的环境中求生存、求发展。由于数控机床在国家经济发展中处于重要的战略地位，因此，世界各国政府都给予了极大关注。工业发达国家如日本、美国、意大利等，通过制定产业政策，从产业结构、技术发展路线、产品开发、投融资渠道、设备折旧制度、进口限制、出口鼓励、培育市场、人员培训等方面给予大力支持。在这个历史背景下，近十年来世界数控机床的年产量增加了近10倍，发展速度之快，是空前的。
我国数控机床起步于1958年，到1981年以后开始有较大的发展。经过“六五”、“七五”、“八五’的科技攻关和对部分数控机床主机、数控系统和相关配套件重点生产企业进行技术改造使其已初具规模。近年来，我国数控机床的应用范围已从飞机制造、军工、仪器仪表、汽轮机等行业扩展到铁路、纺织、机械制造特别是汽车制造等行业。全国约有90%的行业在应用数控机床。目前，我国数控机床的拥有量已达23000余台。数控机床的产量也从1980年的692台增长到1993年的9478台，不仅是在产量和品种上有了很大增长，在加工工艺、控制技术等方面也有了不少创新和发展。由天津第一机床总厂、中国科学院沈阳计算机技术研究所、中国科学院北京电工研究所、铁道部天津机车车辆厂、天津微特电机厂联合研制的五轴联动高档叶轮立式加工中心达到世界先进水平，并打破了“巴统”的限制，使我国加工中心生产又出现了新的飞跃。由天津市磨床总厂自行开发研制的我国第一台大型精密数控强力成型磨床，填补了国内空白，达到国际同类机床80年代水平，不仅满足了国内用户的迫切需要，而且可替代进口，售价仅是进口的25%,具有重大的经济和社会效益。总之，我国数控机床近年有了很大发展，但是在数量上、质量上、供货周期等诸多方面还存在着很多问题。与世界上各工业发达国家相比，差距仍然很大，尚不能满足我国国民经济总的发展要求。
进入90年代后，随着我国汽车、能源、交通等产业建设速度的加快，给数控机床的市场带来了空前的发展机遇。然而，据有关部门统计，1993年我国数控机床的消费量为18525台，而国内生产量仅为9478台，进口量竟达10751台，分别为三年前消费量的7.6倍，生产量的3.6倍，进口量的24倍。从以上数据可以看出:我国数控机床的市场需求旺盛，前景看好，同时，处于发展中的我国数控机床制造业正承受着巨大的冲击。市场竞争和不平衡的加剧，使我国数控机床处于生存危机之中。［5］
1.3 学习数控机床位置精度检测及评定标准差异的重要性
针对我国数控机床需求大，进口依赖性强的特点，学习了解如何评定数控机床性能，显得十分重要。数控机床定位精度是数控机床最重要的、最能代表机床特征的一项指标。德国工程师协会和德国质量学会发布的VDI/DGQ3441《机床工作精度和位置精度的统计检验原理》技术规范中，明确指出:“确定机床的位置精度，特别是数控机床有重大意义。”该规范又着重指出:“在一切有定位装置的机床，特别是数控机床，位置精度是一个重要的特征。”同时，由于数控机床起步较晚,一些工业发达国家在发展数控机床的过程中逐渐形成了各自不同的定位精度评定标准,后来形成的国际标准也未能得到完全贯彻。因为不同厂商采用不同的定位精度评定标准,检验方法各异,所以单从广告提供的允差值并不能正确比较数控机床定位精度的水平。当某一机床制造厂商在某数控机床销售广告上注明其定位精度为0.01mm，而另一厂商在类似机床的样本上标明其定位精度为0.02mm时，用户往往会认为前者比后者的精度高，然而很可能后者比前者精度更高，这完全取决于各厂商采取何种精度定义和计算方法。[2][7][8]
1.4 本文的主要内容
本文对数控机床位置精度的概念、误差组成和相关检测方法――标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法和双频激光干涉仪检测法及相关评定标准――中国标准GB 10931-89,国际标准 ISO 230-2,德国标准 VDI/DGQ 3441和日本标准 JIS B 6336进行了介绍，同时通过表格、曲线和文字等方式对数控机床位置精度的评定标准进行比较，指出了评定标准之间的差异。本文意在通过阐明数控机床位置精度的检测方法和标准之间的差异，为解决由于数控机床位置精度评定标准不一而引发争议的问题做出尝试性的解答。
第2章 位置精度
2.1 数控机床位置精度的概念
数控机床定位精度指的是机床各坐标轴在数控装置控制下运动部件所能达到的目标位置的准确程度。机床各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的,各运动部件在程序指令控制下所能达到的精度直接影响加工零件的精度,它反映了机床轴在行程内任意定位点的定位稳定性,所以机床制造厂在销售产品样本中为反映该机床的精度指标,着重介绍了直线轴的定位精度和重复定位精度。[6]
2.2 定位误差的特征分量
一个移动部件沿直线(或圆)向既定位置趋近定位，总会存在定位误差。定位误差的基本特征分量主要有四项。
2.2.1 系统误差
系统误差是指在一定或整个行程中的系统性误差(图2-1)。它的特殊部分就是周期性误差。
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