关于数控机床定位精度检验标准的比较分析

杨 斌 昝 林 穆英娟

(上海航天精密机械研究所，上海201600)

加工中心主要是指以数控铣床为基础，集铣削、钻削、攻螺纹、镗削、铣螺纹等功能于一体的数控机床［1］。加工中心是一种典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的应用从一个方面代表了一个企业的制造水平。定位精度是加工中心最重要且最具其特征的一项技术指标，它是指加工中心在数控装置控制下各坐标轴运动部件所能达到的目标位置的准确程度，它反映了各坐标轴在行程内任意定位点的定位稳定性，定位精度也可以理解为加工中心的运行精度。因此大多数数控机床生产厂商都会在其产品样本中反映产品的精度指标，并着重介绍其定位精度和重复定位精度。

在选购这类数控机床时发现，国内外主流数控机床生产厂商的产品样本上，定位精度的表示方法和所执行的检验标准各不相同，主要有国际标准ISO 230 - 2、ISO 10791 -4、国家标准GB/T 17421.2、机械行业标准JB/T 8771.4、德国标准VDI/DGQ 3441 和日本标准JIS B6330。其中宁波海天、北一大隈等数控机床生产厂商执行日本标准JIS B6330;大连机床、北京机床研究所等数控机床生产厂商执行国家标准GB/T 17421.2 或机械行业标准JB/T 8771.4;欧洲知名机床生产厂商如 DMG、HELLER、WILLEMIN 等执行德国标准VDI/DGQ 3441;台湾亚崴同时执行德国标准VDI/DGQ 3441和日本标准JIS B6330;沈阳机床和汉川机床同时执行机械行业标准JB/T 8771. 4 和日本标准JIS B6330。从那些执行两种定位精度检验标准的数控机床生产厂商的产品样本上可以看出，同样一台数控机床执行不同检验标准所得到的定位精度值不同，选购数控机床时很难准确地判断这台数控机床是否满足使用要求。因此，有必要对各种定位精度检验标准的检验原理和检验方法进行比较分析，为机加工企业正确采购数控机床提供参考。

1 定位精度检验标准

通过对不同定位精度检验标准的分析，可将各定位精度检验标准分为以下3 种:

1.1 国际标准和中国标准

国际标准包括ISO 230 -2 和ISO 10791-4，中国标准包括国家标准GB/T 17421.2 和机械行业标准JB/T 8771. 4。国 家 标 准 GB/T 17421.2 等效采用国际标准ISO 230-2，为规定定位精度检验方法的标准;机械行业标准JB/T 8771.4 等效采用国际标准ISO 10791-4，为规定线性轴行程≤2000 mm 的加工中心定位精度检验的允差的标准。

(1)检验方法

在机床全行程范围内选取一系列目标位置，让机床运动部件沿着线性轴运动到这一系列目标位置，并记录其实际位置与目标位置的位置偏差(Xij=Pij-Pi)。运动部件要求5 次往返正反两个方向检测这一系列目标位置，目标位置的间隔为Pi=(i-1)P+r(r在不同位置取不同的值)，当行程≤2000 mm 时，P 和r 的取值要保证每米至少有5 个目标位置，并且全程也至少有5 个目标位置;当行程＞2000 mm 时，P 取250 mm。其标准检验循环见图1 所示［2］。

(2)定位精度表示

双向定位精度:

1.2 德国标准

(1)检验方法

德国标准VDI/DGQ 3441 的检验方法与国际标准ISO 230 -2的检验方法相同。

(2)定位精度表示

位置不确定性［3］:

1.3 日本标准

(1)检验方法

在机床全程范围内选取一系列目标位置，让机床运动部件沿着线性轴运动到这一系列目标位置，并记录其实际位置与目标位置的差(Xi1=Pi1-Pi)。运动部件只要求一次往返正反两个方向检测这一系列目标位置，当行程≤1000 mm 时，目标位置间隔约为50 mm;当行程＞1000 mm 时，目标位置间隔约为100 mm［4］。其标准检验循环即为图1 所示的第一个检验循环。

(2)定位精度表示

定位精度:

其中:Xmax为单向趋近某一目标位置Pi所得的位置偏差的极大值;Xmin为单向趋近某一目标位置Pi所得的位置偏差的极小值。

2 不同标准的比较

根据检验方法和数据处理方法的不同，可将这几种定位精度检验标准归为以下两类:

(1)以概率论和数理统计为基础的数理统计法，国际标准(ISO 230-2、ISO 10791 -4)、中国标准(GB/T 17421.2、JB/T 8771.4)和德国标准(VDI/DGQ 3441)属于这一类。该类标准认为各个目标位置多次定位所测得的位置偏差呈正态曲线分布，检验时需要对目标位置进行多回合测量，然后利用数理统计方法计算定位精度。虽然检验原理相同，但是国际标准、中国标准的定位精度计算方法与德国标准不同。国际标准计算方法是在每一个目标位置都建立±2Si↑和±2Si↓变化范围，然后连接成曲线，如图2 所示，取该曲线的最高点和最低点的差值确定为双向定位精度，其主要通过量的取大来体现其严格的要求，但是没有反映反向差值和方向对精度的影响，并且计算时用±2倍的扩展不确定度表示对目标位置无限次定位可能产生的误差范围，可信度为95.44%。而德国标准则考虑了正反向平均位置偏差标准偏差Si↑＆Si↓及反向差值B的影响，计算时用±3 倍的扩展不确定度表示对目标位置无限次定位可能产生的误差范围，可信度为99.74%，其指标较科学、全面和严谨。

(2)日本标准JIS B6330 所使用的代数极差法，这种标准比较简单，只对选定的各个目标位置作一次正反两个方向定位检验，取位置偏差的极大值与极小值之差作为定位精度的数值。该标准取样容量比较小，采用极差方法进行数据处理，方法简单易实施，检验出的定位精度数值比较小，对数控机床生产厂商宣传和销售比较有利。但该方法不能充分反映机床的定位精度，数值可靠性较差。

表1 典型检验结果［2］

3 检验实例

以国家标准GB/T 17421.2—2000 中的典型检验结果为例(见表1 所示)，对以上3 类定位精度检验标准进行比较和评定。该典型检验结果是在数控机床某一轴全行程(行程≤2000 mm)内选定11 个目标位置，每个目标位置正反各检验5 次所得的结果。

(1)按国际标准ISO 230 -2或国家标准GB/T 17421.2 计算，定位精度为:

(2)按德国标准VDI/DGQ 3441 计算，位置不确定性为:

(3)按日本标准JIS B6330 计算，定位精度为:

4 结语

从上述分析和实例计算可以得出，对同一台数控机床进行定位精度检验，如果使用不同的定位精度检验标准，其检验结果是截然不同的。执行德国标准VDI/DGQ 3441所获得的定位精度数值最大;执行国际标准ISO 230 -2 和国家标准GB/T 17421.2 所获得的定位精度数值其次，与执行德国标准VDI/DGQ 3441 所获得的定位精度数值相差不大;执行日本标准JIS B6330所获得的定位精度数值最小，不到执行国际标准ISO 230 -2 和国家标准GB/T 17421.2 所获得的定位精度数值的一半。因此，采购数控机床时，不能单看数控机床技术指标数值的大小，还应该关注该数值所执行的标准，最好让数控机床生产厂商提供执行国标时的技术指标。验收加工中心时，应该严格按照该数控机床技术协议中指定的标准进行检验，避免对企业造成损失。

［1］宗国成，沈为清. 数控设备选型实用技术［M］. 北京:机械工业出版社，2010.3.

［2］国家标准GB/T 17421.2 -2000. 机床检验通则 第2 部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定［S］.

［3］德国标准VDI/DGQ 3441 -1977. 机床工作精度和定位精度的统计检验原理［S］.

［4］俞晖. 加工中心定位精度和重复定位精度标准浅析［J］. 机械工业标准化与质量，2009，(8):44 -47.