数控机床精度评估.pdf

一 2 加 航空精密糊追技术 l 7 年第 暮第2 期 数控机床精度评估 中固 航空 精密 机械研究所 许恰如 r 芦 Jjr 摘 要 舟 绍 了 数 控 机 床 静 神 态 精 度 测 试 的 内 謇 和 算 法 特 度 中 的 位 王 度 夏 曲 度 关 键词 数 控机床 静盔擅廑 动 态精度 工 序能力 I 删T p a p z I 瑚k e s R IO i n t 帕 d I 1 c 0 n t o t h e 岫 b a n d蝴 岫f o r b o t h s r a c y a n d d V m m c a c o fNC g l a c h i n et o o k p e yt b 0 I 0 rt h e p o B i I i o n i n g c 哪o f a o c u r a c y a n dth e p r o c e s s c a mb o j o f由 m 日 c 岬 x w N C m a 曲血 t o o l曲 妇 脏 q n呵d y o a m a 伍 a c y p m o e 随p a 呦 数控技术是信息技术与制造技术的结合点 数控机床是信息系统中的捷效执行部分 是制造 过程中信息物化和增值的重要环节 是技术改造的 重点 数控机床的静动态精度 特别是静态精度 中的位置度 通常称为定位精度 以及动态精度中 的工序能力 对机床选型 验收 精度补偿 以至 并行工程中可制造性设计的评价至关重要 购置数控机械加工中心对 有许多圆煮需要 考虑 如 机床的型式 立式 卧式 立卧两用 取决 于加工的内容 机床的大小 安装台面的大小或机床的行 程 取捷于工件的大小 装夹方法与央具的大小 以及刀具的长度 刀盘直径等因素 刀具与刀库 刀具锥柄的大小 拉紧螺栓 的型式 V型槽的结构决定了刀具的总体结构 希 望刀具在机床间共享时必须注意B0标准与B r 标 准 在 V型槽 定位映口对称性 拉紧螺桂等 的区别 特别要注意刀柄与换刀机器人的兼容性 至于刀库配置的大小则棍换刀的频繁程度及加工每 一 零件所需刀具数而定 一 安装台面型式 可为槽型或孔型 棍所 央具而定 数控系统 首先是可控轴数以及联动轴数 的多少 一般为2 5 轴 其次是手工缩程功能的 强弱 程序的2 3 维仿真能力 再则是通信接 口 如 A一 2 3 2 c申口 D NC口 或局域网接 口 机床精度 一般只结出机床的移动轴和转 台的定位精度 无疑它是最重要的指标之一 且廊 高于加工零件的相应精度 由于这方面各国标准不 一 厂家说明书上的指标有些混乱 有必要加以澄 清 而动态精度 如工序能力 n0 0 C a p b i l i t y 和工序能力指数 I a d o f P r o c C a p a h l i t y 制 造厂商一般不结 用户可按定义自 行测试 1 精度测试内 窖 机床验收时精度测试内 容如下 广形状 如安装台面的平面度 导轨平直 l 度 多在 制造厂进行 静 l l 一 平行度 安 装面与 主轴和軎导轨 志 l 行程的平行度 精 I 卜垂直麈 安装面 与主轴和各 导轨 度 l I 行程的垂直度 l 倾斜度 特 殊安装台面或摆动头 L 位量卜 一 跳 动 主轴 轴向 或 轻向跳动 l 舟度台 面轴向 跳动和中 廿 I 孔的径向跳动 l 共面度 立 轴与卧轴的不 重合度 L位量度 移动轴的定位精度和转台 或摇动 的定位精度 即 P一位置不确定性 一 位量偏差 u 反向量程 一 位置傲度 动 广N A S 标准试件 f 加工中心倒行试件 志 卜 用户指定的试 件 按合同专门 安排 精f 度 L 工序能力和工序能力指数 维普资讯 苎 垫 垫 生 丝 塞 茎 苎 2 静态定位精度评估方法与标堆 l 评怙方法 按照我国机挂工业部部钡标准 1 B 2 2 5 4 8 5 对 手动操纵的坐标幢床 坐标磨床等采用代数定义 法 对各樊我控机 床的定位精 度 均按 国标 G B I O I 一 跛 采用数理统计定义法 数理统计定义法对全行程上选取m十目标位 置 只 E P 中的每一个 分别扶正 负两个方向各进行有限的H次 不小于 5 定 位 测出正 负向每次定位时 第i 次第 个目标 点 移动部件 实际到达位置 与目 标 位置弓的位 置偏差五 箭头向上代表正向 向下代表反向 由于位置偏整x 都是典型的服从正态分布规律的 随机变量 因此可用有限个子样的统计量 其算术 平均值和标准偏差 来近似代替 趋于无穷时的母 体统计量数学期望值 和标准误差 算术平均 值 1 x J 十x 2 x x 1 n 标准偏差 R 厂 一 a s v M 墨一 以土3 口为分散性宽度 可计算出 位置精度的4 个评定指标 位置不确定性只 位置偏差 反向 误差 位置散虚只 如图 1 所示 星 一兰 一 3 S o l f f 田 i 位置精度指标 f 耋 I 三 t I f 2 7 反向误差U 眦 国标为反向差值口 u I 1一 置 l 8 u u 位置散度 国标为重复定位精度 最大位置散度 P 6 1 0 P 6 I l l t 6 2 位置偏差 国拆为位置系统偏差 置 f 盖 1 2 J I X 一 X l l 4 位置不确定性P 国标近似为双向定位精度功 P 一 j 只 2 l 一一 一 2 1 0 5 2 2 国际评估标准 一 2 2 1 英国标准璐 4 6 5 6 P a I t 1 6 R出皿 1 璐 4 6 5 6 P a r t 1 6目前包括直线与旋转轴的位 置精度校准 标准修订后将包括角度与直线度的测 量 改名为B s 3 8 0 0 R t f a l 3 对长度小于 2 m的规定是 至少有 5 次来回 目 标分割通常是一致的 为免掩盖周期误 差 可包括一个随机量 每米至少有5 个目标点 圆 对长度大于 2 m的规定是 至少有 胥 全长有一次驭向来回 目标间隔 2 5 0 日 其它规定同上 对旋转轴的规定是 测量的基本位置是O 9 o 1 踯 2 7 0 因为可以连续旋转 进一步的测量可在一系 列的目 标点 等角分陌加上随机量 测量结果以三位一体图的方式 给出单向 取 向重复精度和平均反向值 2 2 2 基于英国 标准的 I S O O P 眦 R 2 1 9 8 8 午 布的 0 2 3 o 一 2 与B S 4 6 5 6 完全一致 I I 维普资讯 航空 精密翻 造技术 f 卿 7 年茅 喜茅2 期 2 工3 美目的N舳A 美国的N M I B A包括直线与旋转轴的位置精 度技准 数据采集建议如下 目标的选择 在工作范囤内应有足够的点 以了解机床的能力 一 目标分隔通常是相等的 但应包括一十古 量小有效位的随机量 测量可以是单向或双向 不加说明就是单 方向 至少有7 次单向测量 采集数据以前机床要运转 校准时温度变 化耍监视井记录 理想的机床温度应稳定在 2 山I 德国标准V D I I D C 5 4 4 1 R妇 3 mt 4 V D G Q 3 4 4 1 在采集数据时建议 目标分隔应包括一十随机量 每米至少有 1 O 十目标点 对长度太于2 m时 每个分度单位 p m o f s c l e 至少有一十目标点 每次 量都是双向来回 至少有5 次来回 综上所述 I S O标准就是英国标准 与美国和 德国标准相比 计算结果大致相当 只有日本的 J I S B 6 3 5 0 出人较大 因此日 本近年来已改而采用 l s O标准 2 卫 5 测量机 测量机按I S O l 0 3 P 鼍 2 标准 一般采用由5 十球或多至2 5 十球组成的空间样件法测量 相应 的各国标准有 英蛋的E M MA标准 测量机协会规定用 5 个块规在7 十空间位置 进行3 十方向的测量 1 0 5 个测试数据中有5 个超差就不合格 1 5 个就得 重测不合格点 直至合格 德国的V D k V DE 2 6 1 7 标准 美国的I 9 1 1 2 M标准 3 测量仪器 职叛激光干涉便 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪基础上发 展的一种外差式干涉仪 被 信号载菠在一个固 定的频差上 使整个系坑为交流系统 太大提高抗 干扰能力 是机床现场精度测试的理想工具 常用 的有l 口 5 5 2 8 和础 璐m w ML 1 0 双频激光干涉仪的误差恃递函数为 L 6 5 1 0 一 蚰6 T L r 0 0 r P 0 D 4 H 1 0 一 一 4 占 一 一 6 式中 L 厶 测量值的相对误差 电子线路及运算误差 激光渡长精度 占 只 占 仔一气温 气压 工件湿度 偏高标准状况值 6 被测件的线嘭胀系数及其误差 值 T 6 被测件温度及其误差值 设 标准温度为 见表1 5 1 0 一 用于折射率修正的E d h1 公式 误差值 表 1 环境误差 由此可见一 5 x 1 o 一 6 州N 3 项是仪器 本身难以避免的误差 其均方值即为仪器精度 通常为 士 n l L 分辨率当 量 m 当量0 1 1 1 长度l m对 误差为 0 2 m 式中L为被测长度 单位为m 实际使用中 虽有温差补偿 由于其他测量环 境变化和仪器安装 如阿贝误差 余弦误差 空 程误差 一难以达到上述扳限精度 4 C 岫 a 嘲 鼓控设备的真正精度是通过加工才综合体现出 来 如加工中心的NA s 标准试件测试 或用户自 选的工件测试 考虑加工的分散度 可用设备的工 序能力C来测试 鉴于量常见的加工尺寸符合高斯分布 通过 适当的坑计方法 如统计过程控制就能检出反常现 维普资讯 敷拄轧床精度译估 t 2 3 象 评估其实质并消除其影响 统计过程控制的目 的是 检查过程的均值和均方值 研究上述值随时间的变化 据此对数控设备进行S P C的3 项试验 过程控 制 试验 m e 0 嘲 删 t 即极限控制试验 其目 的是检查过程是否失去控制 失控时 尽 管子集的分布是正态的 但其平均值将与在控的 均值有较大差异 正态试验 m e n 0 m血 坤t e s t 对正态分布 可进行偏斜度 和峭 度 t 0 分析 偏斜度系数是衡量分布偏斜程度的 指数 衡量平均值的偏移 J I N 1 7 式中 加工工件的观测数 一关键尺寸测量值 0 分布右偏 均值偏右 进而分析均 值偏移的原园 进行修正 峭度是分布平坦或突出度的衡量 指数 反 映均方差的变化 壶 三 二 一 3 分布平塌 均方差变 大 加工质量恶化 工序能力 q 所谓工序能力分析 是对工序输出满足工程标 准或顾客所提出的技术规格的程度进行分析与评 价 前提是工序应处于统计控制状态 即工序输 出应为一个可预测的稳定的分布 工序能力指数是对特定零件所选择的工序能力 进行评价的主要度量指标 多年来一直沿用 和 两个指数 第一代工序能力指数用 c 表示 对双侧公 差 O L L S L 6 a 1 9 它是产品公差和 6 倍标准偏差的比值 由于c 只反映了公差带宽度与工序能力 6 之间相对关 系 而没有反映工序质量特征值的均值 相对公 差带的位置关系 所以只是反映了工序的加工质 量满足技术标准的潜在能力 C值越高 生产偏 差越小 c 1 3 3 时 相当于 4 o时 合格品覆 盖率为9 9 9 9 4 仅有0 0 0 6 的产品超差 当然 c 过商表明工艺过程选择不当 设备太好 超过实际 需要 有些浪费 产品的废品概率可按下列公式计 算 P I 一 3 e 却 式中 或然率积分 即 0 6 7 o 时 为 卯 1 0 0 o 时 为 8 2 0 0 时 为9 5 4 3 0 0 o时 为9 9 7 土 4 0 0 d时 为9 9 捌 第二代工序能力指数c 考虑了工序质量特性 值的均值相对公差带的位置关系 即公差带的不 均匀分布 血 抽 2 Z 1 式中 由于上下限不一定与均值对称 口 表示 u s L M 6 表示 M L S L 假设工序质量特征值是正态分布 工序均值 等于公差带中 D 值M 那么废品率计算同c 如果 工序均值 不等于公差带中心值M 那么废品率 为 器 k l 一 3c 1 卜 3c 1 2 式中 为工序均值对其目标值的偏移量 与公 差带宽度的半值之比 为工序输出均值 对其目标值M 的偏移 量 M k 一 M f n s u s L L s L 2 A u s L I S L C 2 3 1 9 8 8 年c 抽 c 蛔 g 和s n g 等提出新一代工 序能力指数c U S L L S L e c v l v l 3 个工序能力指数问的关系刚有 t 1 一 一 3 o I I 时 c 固 当 I 且q 1 3 时 c c 工序不合格率与c 和 的关系 不 异 差 的 II 和 吼 时 L 0 我所对进口的C N C精密数控车柬所作的分析 表明 尽管机床主轴精度高 因此形状精度 如圆 度 同轴度的 和 值大子 1 0 但刀架定位精度 低 因而零件的尺寸控制精度较低 C 仅 左 右 见图2 百 分 比 l I l I L sL 4 9 9 9 5 US L如 0 0 5 尺寸 tar a 口 00 0 7 3 8 9 2 Cp 0 2 2 6 C 0 2 1 7 图2 某机廉的工序能力图 5结论 0数控机床验收时 机床精度特别是静态 精度的定位精度和动态精度的工序能力 是至关 重要的指标 定位精度按国标 G B 1 0 9 3 1 8 9 采用数理 统计定义法评估 也可采用国际标准 2 3 0 2 或德国标准V D I f1 G Q 3 4 4 1 等测定 动态精度一般数控机床按制造厂厂标规 定零件验收 加工中心按N A g 试件验收 厂方一 般不提供 G c 值 用户可按腻S I C的概念 自 行测试 这对垒面评定机康质量和控制批量生产 质量甚有价值 双顿激光干涉仪是现场精度测试的理想