数控机床精度评估

1、 2t 2t 2t 数控机床精度评估申国紋空洁密机械研究所许恰如Ln i«ixi介绍了數控机床駅 动态辆度测试的内容和算法符別旻铮杏林度中的位更必 以及为态输度 中的工序能力.关键词：”数控机床Jg阖近葩度 工序能力lAhstncti This papa makes an lBtedudion to the test oonten© and algorithmi for both static accuracy and dynamic accuracy of NC machine took, especially those for the positioning accu

2、racy of static accuracy and the process capability of dynamic Bccumcy.KeymrdK NC machine tool static accuracy dynamic accuracy process capability 2t 2t 动-态摘度丄工序能力师工序能力指數数控技术是佶息技术与制造技术的结合点. 数控机床是俏息系统中的施效执行部分.是制适 过程中佶息物化和増值的亶要环节.樂技术改造的 重点.數控机床的静动态精度.待别是静态精度 中的位置度.通常称为定位精度.以及动态精度中 的丁序能力对机床选教.验收、精度补偿、以至

3、 并行工程中可制造性设计的评价至关重要.物M数控机床或加工中心时有许多因素需要 考也如: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 程取决于工件的大小装夹方法与夹具的大小. 以及刀具的长度、刀盘直径等因素；刀具与刀库：刀具锥衲的大小拉崇嫖栓 的型式.V型槽的结构决定了刀具的总体结拘.希 望刀具在机床间共享时必须注意ISO标准与BT标 准（在V型槽、定位缺对称性、拉紧螺栓等） 的区别；待别要注童刀柄与换刀机器人的兼容性. 至于刀库配査的大小则视换刀的频緊程度及加工每 一孚件所需刀具数而定；安装台面型式：可为槽型或孔型，视所配 夹具页定；数控系统：首

4、先姥可控釉数以及联动轴数 的多少.一般为2 5轴；其次堆手工编程功能的 强弱；程序的2 3维仿真能力；再则是通信接 口，如E1A-232C申DNC 口，或局城网接 口；'机床精度：一般只给岀机床的移动轴和转 台的定位精度.无疑它是最蛍要的指标之一，目应 高于加工零件的相应精度.由于这方面各国标准不 -厂家说明书上的指标有些混乱有必要加以澄 W.而动态精度.如工序能力（PKg Capabilrty） 和工序能力疽数（Index of Pftg Capability）制 逍厂商一般不给，用户可按定义自片测试.1精度测试内容机床验收时精度测试内容如下一形状：如安装台面的平而度.导轨平直度、多

5、在制适厂逬行一平行度：安装面与主轴和各导轨行程的平行度一垂立度：安装歯与主轴玮各导轨行理的垂立度便斜度：特殊安装台面或摆动关 -位 -M 动：主轴轴向或径向跳动 分度台面轴向跳动和中心 !孔的径向跳动P共面度：立轴与卧轴的不玄合度 一位置度：多动轴的定位精度和转台 或躍动头的定也精度，即 P位置不*定性P.-位個差 "“一反向*谨亠NAS标准试件（加工中心例行试件） -用户侖定的试件（按合局专门安排）2祕定位度评估方杀与标准 11评伎方法“7按照我国机械工业部部颁标准JB2254-85对 手动操纵的坐标#床、坐标腐床等采用代敛定义 法；对各类數控机床的定位箱度，均按国标 GBIO93

6、1 -89,釆用数理统计定义法：数理统卄定义法对全行程上选取皿个目标位 1 P“ P“垃” P.中的毎一个分别从正、 负两个方向各进行有限的只次6不小于5)定 位，刊出正、负向每状定位时(第i次第/个目标 点)移动部件实际到达也耳与目标位畳£的位 置偏差X小(箭头向上代表正向向下代表反向). 由于位偏差Xq都是典熨的服从正态分布规律的 瓯机变因此可用有限个子样的统计其算术 平均值和怵准備差.来近似代瞽丹趋于无穷时的每 体统计量数学期望值P和标准涙差"珥算术平均 值：P a X = Xt + X? +4X.)=-r(1)标椎偏差S:E (尤- x)2i-rQ) 以±

7、3(7为分散性宽度，可计算出位畳精匱的4个评定描标：位不4定性只位畫偏差P八反向 误整、位置敢度匸如图1所示:闇1仪置辅度羽标(6A (島 W 0/2反向溟差也(国标为反向差6B)U= I X；t -Yl I U./U1位置敵度彳(国标为尾复定位精度R) 量大位散度Pi=6i(10)(II)(12)(13)Pi=6Ej°位覽備差PJ国标为位畳系统僞差Po)=£X, «(.Yy t +Xj 1)/2P产I空-匕” I-位置不杲定性P(国标近似为双向定位精度 =P « 盼口+即/21_.冷(S+PJ/21- 05) 22国际评估标准-°211 英田

8、标准 BS 4656 Part 16(Rtferaoe 1)BS 4656 Part 16目前赳括宜线与旋转轴的位 債精度校准，标准修订后将包括角度与宜线度的側 量改名为 BS 3800 (Rcfaence 13). 对长度小于2m的规定是：至少有5次来回；目标分割通常是一致的，为免掩盘周期涙 差.可包荷一个裁机;毎米至少有5个目标点.®对长度大于2m的规定暑：至少有沿全长有一次双向来回.目标间隔 250 mm;其E规定同上.讨族转轴的规定是：测的基本位置是0°> 90 180 270; 因为可以连续旋转，进一步的则董可在系 列的目标点.等角分隔加上販机测量结果以三位

9、一休图的方式.给出单向.双 向重复箱度和平均反向值.X12 基干英国忻准的 ISO230: Part2 (Rcfewce 2)1988年公布的ISO 230-2与BS 46%完全一致.紈空*«««*>朋7年第站*第2期2X3吳国的NMTBA美国的NMTBA包括直找与誠转轴的位去箱 度校准.数据采集建议如下：目标的选择.在工作范PS内应有足够的点 以了解机床的能力；目标分隔通常是相等的.但应包括一个含 最小有蚊仪的随机量；测录可以是单向或双向.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 化要监现并记录；理想的机床温度应稳定在2

10、0t t124 復国标准 VDI/DGQ S441 （Refercnoe 3 and4）VDI/DGQ 3441在采集数据时建议：目标分隔应包括一个随机;每米至少有10个目标点；对长度大于2m时.每个分度单位（per unit of scab）至少有一个目标点；毎次渭*都是双向来回至少有5次来回.综上所述，ISO标准就是英国标准，与美国和 篦国标准相比，计算结杲大致相当.只有日本的 JIS-B633O出入较大.因此日本近年来已改而采用 ISO标亀225测量机團量机按ISO 10S60 Part2标准.一般采用由5 个球或多至25个球组成的空间样件法洌量相应 的各国标准有:英国的CMMA标准，側

11、量机协会规定用5 个块规在7个空间位JL进行3个方向的测* 105 个测试数据中育5个超差就不合格 1 5个就得 鱼测不合格点.宜至合格；徳国的VDI/VDE 2617标准；姜国的B89J.12M标准.3双H激光干涉仪”剑双獗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.被洌信号载波在一个固 定的频差上悭整个系统为交流系统.大大提高抗 干扰能力.是机床现场捕度测试的理想工具，常用 的有 HP 5528和 RENISHAW ML10.双頻激光干涉仪的课差传通函数为：%. &N 认=5x 1厂+ +（烦T -厶N 如0276P+ CMH） xKT-必 （耳-20）加（16）式

12、中：5厶/厶测录值的相对谋差，&N/N 电子线路及运算误差； 小小、激光披长精度；<5父8P、<5ff一气温、气压、工件湿度 偏高标准欣况值；汉办_被測件的线膨胀系数及其误差 值；T.、bT被测件温度及其误差值.设 标准温度为20匕见表1；5 x 10“ 一用于折射率修正的Edlen公式 误差值.紈空*«««*>朋7年第站*第2期紈空*«««*>朋7年第站*第2期环境參Ffi ST/t± 0.2± W湿度iH/Pk± 100被测工件魁度± 0.1被测工件线矗呆敷&

13、#177; lx 10 *舷衣1:0.933 T0.00273 P0.KKMHciSK（几一绚加x 10 'x 10 *x Wx 10"x 101表1环境误差对测* 结 ± 0.19± 0.14± O.（M果的影响 X 10 X 0“X 10"紈空*«««*>朋7年第站*第2期紈空*«««*>朋7年第站*第2期由此可见5x10 3N/N,必。几3项遇仪器 本身难以避免的误差.其均方值即为仪器精度. 通常为：±（aiL+分辨率当量）畑，当量Qi皿 长庚hr时

14、、误差为±Q2“m式中L为被测长度. 单位为m实际便用中.虽有温差补偿.由于其他渭量环 境变化和仪器安装（如阿贝误差、余弦误差.空 程误差）.难以达到上述扱限精度.4动态精度湘设的工序能力Cp（tteprocc数控设备的真正精度是通过加工才综合体现出 来.如加兀中心的NAS标准试件测试.或用户自 逸的工件测试；考虑加工的分散度，可用设备的工 序能力C.来测试鉴于量常丸的加工尺寸符合髙斯分布.通过 适当的统计方法，如铳计过程控制就能检岀反常现 象，评估其实质并消除其形响.绣计过程務制的目 的是：检査过程的均值和均方值；研究上述值随时何的变化.据此对数控设备进行SPC的3项试验叫 过程控

15、制试验 (the procea cootrol tat)，即极限控制试验.其目的是检査过程悬否失去控制.失控时尽 管子集的分布是正态的.但其平均值将与在控的 均值有校大差异 正态试骏(也C noiminality test).对正态分布.可进行偏斜度(Skewness)和靖 度(Kurtosis)分析.偏斜度系数是街量分布偏斜程度的.指数5 衡量平均值的偏移：* (X厂莎9f = (17)式中：N加工工件的观側数；Xi一关健尺寸側值.<0,分布左偏.均值偏左；5=0.对称 分布；g沁 分布右偏.均值偏右.进而分析均 值偲移的原因进行修正.硝度是分布平坦或突出度的衡量.指数的反 映均方差的

16、变化：y (AJ-X) 43”(X 厂灯(18)鸟ft <3,分布陡娟，均方差箱小，加工质量改 善；g产3,分布匀称；的>3,分布平塌，均方差变 大.加工质量恶化 工序能力"5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 出应为一个可预刊的稳定的分布.工序能力指数是对特定零件所选择的工序能力 进行评价的主旻度量指标.多年来一宜沿用q和5 两个指数。第一代工序能力指数用C,表示.对双侧公 差：C产(USL-LSL)®(它是产品公差和6倍标准偏差的比值.由于C, 只反庚了公差带宽度与

17、工序能力弘之间相对关 系.而没有反映工序质量特征值的均值“相对公 差带的位关系，所以只是反映了工序的加工质 量満足技术标准的潜在能力.q值越高.生产倔 差越小.q=i33时.相当于土 "时合格品覆 盖率为99.9W%仅有036%的产品超差.当然C, 过离表明工艺过程选择不当设备太好.翅过实际 需旻.有些浪费.产品的废品概卓可按下列公式:计 算：”一巩坨)(20)式中：败)或然率积分.即土 067(7时.为50%;± LOOa 时.为 67.8%； ± 2咖时.为 95.4%;± 3.00a 时为 99.7%; 土 4.00。时，为 99994%;第二代工

18、序能力指數C“考虑了工序质量待性 值的均值相对公差带的位竇关系.即公差带的不 均匀分布：CM=min(a, b)/刃)式中：由于上下限不一定与均值对称.a表示 (USL-AO. b 表示(M-LSL)假设T序质量待征值是正态分布，工序均值“ 等于公差带中心值M那么废品車计算同C”；如果 工序均值“不等于公差带中心值M,那么废品率 为：3Cp(l+Jc)+O3C,(l_lc)/2= 1-2 堆(1*)+巩3C/2(22)式中：*为工序均值对其目标值的偏移量A与公 差带宽度的半值之比：A为工序输出均值卩对其目标值M的備移 *> A =“-Mk-(g-Mi/a5(USL-LSL)-2A/(US

19、L-LSL) (B)1988年Chan, Cheng和Spring等提出新一代工 序能力指数C.J1】：USL-LSLC.2二_丁鼻一(24)6。1 +(A (a) J 1 +(A/(j)3个工序能力指数间的关系则有：q 产 q(17)=q-A/3“(25) 当A/tr-0时，C厂fC,； 当0VA0V1时.C”和C”的差异不 大； c严 hi时.q.>c； 当 A/aA I 且 C.Y13时.C”vC“； 工旁不合格車与C,和&的关系：P=l-e(3q+A/a)+Q(3Cp-A/0)"2(26)假如能够拿握产品冬件的关键參数，如精密 偶件孔.轴配合的精度上、下限.US

20、L和LSL及 具体分布(a, W.通过SPC分析知道加工设备的均 方差。或从生产厂商得到C,和C”值J就能对 设备的胜任与否.产品的合格車.为并行工程的设 计的可制造性DFM作出正确的估计典型应用之一是精密偶件的配磨.Tkbwtin是 世界上苣先采用Marpg配磨装的磨床公可.配 上Marpos Dirac的Tsdiudm搐床加工阀芯阀龚 时.费标为:圆度：a0005mm;直线度：0.0005mm;圆柱度：0.0005mm;表面粗糙度：Ra0.08Mm; 配磨公差：优于03m;公司给出的相应工序能力：q>lQ我所对进口的CNC精密数控车床所作的分析 表明尽管机床主轴精度高.因此形状精度.如圆 度、同轴度的Cp和C”值大于1Q但刀架定位精度 低，因而寥件的尺寸控制精度较低.C”仅02左 右.见图2.尺寸；mme 0.0073892C,: 0226 J 0.2175结论 数控机床验收时.机床精度箝别是静态 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. 定位辅度按国标GB10931-89.采用数理 统计定义法评估.也可采用国际标椎ISO 230-2, 或徴国标准VDI/DGQ 3441等测定 动态将度一般数控机床按制逍厂厂标规 定參件验收；加工中心按NAS试件验收.厂方一 般不提供G(CR值.用户可按照SPC的概念自 行测试.这