機床精度標準比較
2010-6-18 16:35:30
在一份數(shù)控機床的*文章上，機床a的“定位精度”標為0.004mm，而在另一生產(chǎn)商的樣本上，同類機床b的“定位精度”標為0.006mm。從這些數(shù)據(jù)，你會很自然地認為機床a比機床b的精度要高。然而，事實上很有可能機床b比機床a的精度要高，問題就在于機床a和b的精度分別是如何定義的。
所以，當我們談到數(shù)控機床的“精度”時，務必要弄清標準、指標的定義及計算方法。
1 精度定義
一般說來，精度是指機床將刀尖點定位至程序目標點的能力。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。
日本機床生產(chǎn)商標定“精度”時，通常采用jisb6201或jisb6336或jisb6338標準。jisb6201一般用于通用機床和普通數(shù)控機床，jisb6336一般用于加工中心，jisb6338則一般用于立式加工中心。上述三種標準在定義位置精度時基本相同，文中僅以jis b6336作為例子，因為一方面該標準較新，另一方面相對于其它兩種標準來說，它要稍稍一些。
歐洲機床生產(chǎn)商，特別是德國廠家，一般采用vdi/dgq3441標準。
美國機床生產(chǎn)商通常采用nmtba（national machine tool builder's assn）標準（該標準源于美國機床制造協(xié)會的一項研究，頒布于1968年，后經(jīng)修改）。
上面所提到的這些標準，都與iso標準相關聯(lián)。
當標定一臺數(shù)控機床的精度時，非常有必要將其采用的標準一同標注出來。同樣一臺機床，因采用不同標準會顯示出不同的數(shù)據(jù)（采用jis標準，其數(shù)據(jù)比用美國的nmtba標準或德國vdi標準明顯偏?。?
2 同樣的指標，不同的含義
經(jīng)常容易混淆的是：同樣的指標名在不同的精度標準中代表不同的意義，不同的指標名卻具有相同的含義。上述4種標準，除jis標準之外，皆是在機床數(shù)控軸上對多目標點進行多回合測量之后，通過數(shù)學統(tǒng)計計算出來的，其關鍵不同點在于:（1）目標點的數(shù)量;（2）測量回合數(shù);（3）從單向還是雙向接近目標點（此點尤為重要）;（4）精度指標及其它指標的計算方法。
這是4種標準的關鍵區(qū)別點描述，正如人們所期待的，總有一天，所有機床生產(chǎn)商都統(tǒng)一遵循iso標準。因此，這里選擇iso標準作為基準。附表中對4種標準進行了比較，本文僅涉及線性精度，因為旋轉(zhuǎn)精度的計算原理與之基本一致。
3 iso標準
在所有現(xiàn)行的精度測量過程中，沿軸向分布的各個目標點上都假設存在一條正態(tài)分布曲線（圖1）。由于是多回合的測量過程，因此對應于每個目標點來說，都存在一個實際測定點系列分布，通過對這種分布的標準偏差計算（累積，多次s），即可定義該正態(tài)曲線。
一個±3次標準偏差（記做±3s──亦即共6s）可以覆蓋無限個實際點中約99.74%的位置分布情形。而這個發(fā)散度即稱作重復精度，它是指某一目標點處的重復精度。
圖1中的正態(tài)曲線是指從單方向接近目標點的曲線（稱為單向），如果從反方向接近目標點（稱為雙向），將會出現(xiàn)第二條正態(tài)分布曲線（圖2），兩次不同方向時的結果偏差稱反向誤差。理論上它是由于系統(tǒng)的反向間隙所產(chǎn)生的。很明顯，同一機床采用單向檢測的數(shù)字結果要比雙向檢測時好看得多。
機床精度標準比較表
指標及其它
iso標準
vdi標準
nmtba標準
jis標準
要求目標點數(shù)
每1~2m 5個點，再長則增加
取決于軸長度，但zui少不能少于5點
不做定義
取決于長度，每50mm到1000mm一個點，爾后每100mm一個點
目標點接近次數(shù)
單向zui少5次
單向每米10次
zui少7次
單向1次計量定位精度，7次計量重復精度
單/雙向（單向指測量過程中總是從一個方向接近目標點，雙向指從兩個方向）
建議雙向
建議雙向
建議單向
建議雙向
定位偏差
實際位置與目標位置之差
沿軸向的目標點與對應的實際位置點之平均值間的zui大差值（圖6）
與iso同，但定義為“目標偏差”指標
沒有此項指標，因為單向僅一次，雙向僅兩次接近目標點
平均定位偏差
某一目標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”
沒有此項指標
反向誤差
分別從不同方向接近目標點時的平均定位偏差之差值
同iso
與iso同，但定義為“空動”
沒有此項指標
標準偏差
s=
[
n
（xij-xj）²
]
½
s
i
其中：n=接近次數(shù)
i=某一次接近
xij第i次的定位偏差
xj平均定位偏差
n-1
沒有此項指標
定位精度
+3s與-s極限值的zui大差額（不考慮位置和運動方向）適用于單向及雙向。由于存在反向誤差，雙向時發(fā)散度大，精度值也大
沒有“精度”這個指標，但有“定位不確定性”與之含義相似，但計算方法不同（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，定位精度為實際位置與對應目標位置差值的zui大值（圖7）
重復精度（單向或雙向）
目標點對應發(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。它是指目標點對應的zui大發(fā)散度除以2（圖8）
為了標定機床的定位精度，必須在運動軸向上建立一些目標位置點，然后根據(jù)目標位置點對應的一系列實際位置點計算±3s的分布。如果一條理論正態(tài)曲線──或雙向時的兩條──在每個目標點上形成，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標準中所指的定位精度（圖3）。
軸向重復精度指目標點處一條正態(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zui簡單的理解：重復精度大約為定位精度的½，但也有例外，并且有時出入還很大。圖3中目標點的正態(tài)曲線旋轉(zhuǎn)了90°，目的是為了更加直觀地表達展寬的概念。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%的可能的不準確性，因此可以期望用它能較好地評價數(shù)控機床的實際性能。
4 nmtba標準
美國的nmtba標準與iso標準非常近似，一個區(qū)別就是：nmtba標準喜歡采用單向測量，而iso標準建議雙向測量；另一區(qū)別是：nmtba標準采用“滑動尺”（如同vdi標準），這樣把精度與軸的長度關聯(lián)起來，而這一點iso標準并未涉及。單從這一點來看，1972年出版的nmtba標準也許有點過時，因為控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，諸如絲桿間隙補償?shù)龋┈F(xiàn)在已經(jīng)能夠調(diào)整軸向移動中產(chǎn)生的誤差──不論軸的長短，而1988年出版的iso標準則很顯然地反映出這一點。同樣應該注意的是，nmtba標準在滑動尺這一點上與vdi標準相似。
還有一點區(qū)別，那就是nmtba以正負值反映，而vdi和iso以值反映，實際上值與正值和負值相等（也就是+0.002mm，-0.002mm或±0.002mm=0.004mm），兩種表達方式總的來說有相同的解釋，但技術上來說還是不一樣的。
5 德國標準
德國采用的標準vdi/dgq（verein deutscher ingeieure/deutsche gesellschaft fuer qualitaet）與iso及nmtba標準基本相近，或者更準確地說，iso標準與vdi及nmtba標準相近。因為后二者在前者之前問世并且很明顯地被前者用做基礎。盡管計算方法及指標有區(qū)別，但關鍵計算結果，即定位精度和重復精度在三種標準中相近。
德國vdi方法是文中所提及各種方法中zui復雜的一種，該標準中的一些指標，若不做仔細分析，則很難搞清楚。指標“定位精度”不象在iso標準中只有單一數(shù)字表達，而是分成四個部分：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標準中的定位精度zui相近的是vdi中的定位不確定性（p），盡管這兩項指標的計算過程不大一樣，但zui終結果卻極為近似：都是計算沿軸向的正態(tài)曲線的zui大展寬（圖4）區(qū)別僅在于正態(tài)分布曲線的計算方法。vdi標準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，然后進行六次平均標準差（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“定位偏差”在vdi中的描述與iso標準中的同名指標不同，在iso標準中它是指目標點與實際點之差（圖1），在vdi標準中是指沿軸向的各個目標點對應的一系列實際位置點的平均值的zui大差額（圖6）。
軸向重復精度與iso標準中的定義很相似，它是由目標點對應的zui大定位發(fā)散度加上反向誤差而得到的（圖4）。
6 jis標準
日本工業(yè)標準jis遠比前述任一精度標準簡單，自然也遠不如前述任一精度標準準確。jis b6336僅要求一次往返目標點檢測（雙向）目標點與其對應實際點列之間的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中運用的±3s分布。
用這種方法計量出的數(shù)控機床的精度結果給人的感覺是無論比iso標準還是nmtba標準計量的都要高，數(shù)值比例為1:2。jis標準的重復精度是指目標點處的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，即表達出重復精度（圖8）。
總之，單根據(jù)樣本等資料標注的精度數(shù)值，很難一下判別孰精孰粗，用戶必須仔細分析，切莫上當。