數控車床位置精度檢測與評定方法對比分析

王 勝 劉宏昭

1.西安理工大學，西安，710048 2.陜西工商職業學院，西安，710119

0 引言

加工零部件的質量取決于機床本身的性能，因此，在機床出廠和使用之前，明確其性能十分關鍵［1］。

數控機床的精度主要包括幾何精度、位置精度和加工精度［2］。數控機床幾何精度綜合反映了該機床關鍵機械零部件及其組裝后的幾何形狀誤差。幾何精度合格與否是定位精度和工作精度測定是否準確的基本條件，只有在穩定的、小于允差的幾何精度條件下，測量、檢驗位置精度和工作精度才有實質意義［3］。在數控機床的精度檢測中，位置精度是數控機床最重要的也是最能代表機床特征的一項指標［4］。數控機床位置精度主要包括定位精度、重復定位精度和反向差值三個指標［5］，其測量工具主要有線紋尺或步距規、電子測微計、準直儀和激光干涉儀等。

數控機床在制造過程中不可避免地存在加工誤差。目前國內外評定數控機床精度的標準很多，如我國的GB/T17421.2－2000《機床檢驗通則第2部分：數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》和GB/T23569－2009《重型臥式車床檢驗條件精度檢驗》，德國的VDI/DGQ3441《工作精度和位置精度的統計檢驗原理》，日本的JIS－B6336《數控機床試驗方法通則》，美國機床制造者協會（NMTBA）《數字控制機床的精度與重復性的定義和評估》標準等。許多學者對機床評定方法進行了研究，如蔡有杰［6］應用 VDI/DGQ3441和GB10931－89《數字控制機床位置精度評定方法》來評定數控機床的位置精度，林璨［7］應用 GB10931－89、VDI/DGQ3441和 NMTBA標準評定數控機床的位置精度，王昀希［8］應用VDI/DGQ3441和JIS－B6336來評定數控機床的位置精度。以上研究對象均為普通數控機床，且都存在著評定方法不全面和評定標準陳舊等問題。目前，關于數控車床位置精度評價方法的研究還不多。

本文以某重型數控車床為研究對象，首先介紹了數控機床位置精度常用的檢測工具及測量方法并分析其各自優缺點；然后介紹了目前國內外4種典型的數控機床位置精度評定標準，并采用激光干涉儀實測了縱向進給系統中某段位移的位置精度，采用4種評定標準對定位精度、重復定位精度、反向差值和系統偏差進行了計算，對計算結果進行了對比分析。

1 檢測工具及其測量方法

1.1 線紋尺及其測量原理

用線紋尺測量或定位時，與讀數顯微鏡、光學讀數頭或光電顯微鏡等配套使用。線紋尺的刻線精度可達±1μm/1000μm或更高。圖1為線紋尺測量示意圖，其測量原理為：采用精密線紋尺（將每毫米細分為1000等分）與讀數顯微鏡，以線紋尺刻線為標準，與運動部件移動的距離進行比較從而測出偏差［9］。

圖1 線紋尺測量示意圖

將線紋尺安裝在被測直線方向上，讀數顯微鏡固定在移動部件上，部件在位置P1時讀數顯微鏡讀數，部件移動至目標位置P2時讀數顯微鏡再次讀數，用兩次讀數之差與移動距離進行比較得到測量值。該方法可以實現任意點直線位置精度的測量，但測量裝置受線紋尺規格（≤1m）和機床結構的限制，測量范圍小，測量精度和效率會隨著線紋尺的長度增加而下降。因此該方法較適合于小范圍的直線位置精度測量。

1.2 步距規及其測量原理

步距規測量原理如圖2所示。l1，l2，…，lm按100mm間隔遞增，即l1＝100mm，l2＝200mm，…。l1，l2，…，lm的實際數值作為定位精度檢測時的目標位移。以某重型數控車床Z軸位置精度為例，測量時將步距規置于刀架上，使步距規軸線與Z軸軸線平行，Z軸歸零；將杠桿千分表固定在固定部件上，表頭接觸到起始位置時表針置零；用數控程序控制刀架按照圖3所示的循環圖移動，移動距離依次為l1，l2，…，lm，表盤上的讀數為該位置的單向位置偏差，按照標準循環圖測量5次，記錄各點讀數，按照GB/T17421.2－2000規定對數據進行處理，可確定位置精度值。

圖2 步距規測量原理圖

圖3 標準檢驗循環圖

步距規測量方法簡便，設備安裝方便，但測量精度和效率低，僅適用于中低檔機床的標定和出廠檢驗［10］。

1.3 電子測微計及其測量原理

電子測微計適用于機械加工中的精密測量，配以相應的測量裝置可進行工件外形尺寸及部分形位公差的測量，其優點是測量角度時能夠消除定位誤差，從而提高測量精度。

電子測微計的分辨率一般為0.1～0.001μm，與其他傳感器組成測量系統后，測量精度較低，檢驗重復性差，不能真實反映機床的位置精度，另外，對于控制軸的角位移測量，誤差尤為明顯［11］。

1.4 自準直儀及其測量原理

自準直儀是利用光學自準直原理將角度測量轉換為線性測量的一種計量儀器，它廣泛用于小角度測量、平板的平面度測量、導軌的平直度與平行度測量等［12］。

自準直儀主要由具有一定焦距的物鏡（望遠鏡）、帶有分劃板、照明裝置的自準直測微目鏡以及置于被測對象上的反射鏡組成。目前使用的自準直儀主要有3種：光學自準直儀、平直度檢查儀和光電自準直儀［13］。圖4所示為光學自準直儀基本測量原理。

圖4 自準直儀測量原理圖

分劃板置于物鏡的焦平面上，其上的O點位于物鏡的光軸上，光源發出的光線通過O點經過物鏡后成一束與光軸平行的光線射向反射鏡。當反射鏡面垂直于光軸時，光線仍按原路返回，經物鏡后仍成像在分劃板上O處，與原目標重合。如果反射鏡與光軸有一傾角α，則反射光線的偏轉角為2α，通過物鏡后成像在分劃板上的O′處，此時線位移OO′＝e，表示偏轉角度的大小，即

式中，f′為物鏡的焦距。

當α很小時，tan2α≈2α，則

將角度誤差轉化為精度值即可。

自準直儀測量范圍小（最高達1000″），全程精度為±0.25″，分辨力為0.005″～10″，無論從分辨力和測量范圍還是精度來看，都存在一定的差距，因此，它屬于中低端檢測工具。

1.5 激光干涉儀及其測量原理

激光干涉儀是目前應用最廣泛的數控機床精度檢測設備，可以測量Z向尺寸達80m的機床精度并診斷各種幾何誤差［14］，其測量精度比傳統方法至少高10倍以上，可達±1.1μm（0～40℃），測量范圍廣（線性測長40m，位選80m），測量速度快（60m/min），分辨率高（0.001μm）。

圖5為激光干涉儀測量原理圖。來自激光頭的光束進入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束；一束光（稱為參考光束）被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光（稱為測量光束）則穿過分光鏡到達線性反射鏡2；然后，兩束光都被反射回分光鏡，重新匯合后回到激光器，激光器內的探測器辨識兩束光之間的干涉。在測量過程中，一個光學組件保持靜止，另一個光學組件沿被測量軸移動。通過監測測量光束和參考光束之間的光路差異的變化，得到定位精度值。

圖5 激光干涉儀線性測量原理圖

本文研究對象為某重型數控車床，其特點是機床規格大，縱向進給位移長達18 000mm。傳統位置精度檢測方法多采用線紋尺或步距規、電子測微計、準直儀等，對應的測量設備的標準器件較重。傳統位置精度檢測方法的測量精度較低，受環境溫度影響大，其檢驗方法極冗長乏味，且檢驗重復性也很差，難以反映受檢機床的真正精度。另外，數據處理必須手工進行，繁瑣、易出錯。因此，本研究采用ML10激光干涉儀進行測量。激光干涉儀可實現自動數據采集和數據分析，節省時間又避免操作誤差，它可與PC機進行聯網通信，避免了人工計算。

2 4種評定方法對比分析

2.1 4種標準評定規定

GB/T17421.2－2000、VDI/DGQ3441、JISB6336、NMTBA標準這4種標準評定方法的區別在于數據處理方法的不同。上述4種標準的數據處理方法可分為兩類：第一類是以數據統計和概率論為基礎，認為對一條數控軸上選定的若干個目標位置進行多次定位所測得的誤差呈正態曲線分布，用3S（或2S）表示對目標位置進行無數次定位可能產生的誤差，置信度為99.73%（或95.45%）。屬于此類數據處理方法的評定標準有GB/T17421.2－2000、VDI/DGQ3441和 NMTBA標準。第二類以代數極差方法為基礎進行計算，JIS－B6336屬于此類方法。該方法比較簡單，對測試數據只作簡單的代數運算，也就是說，以代數差或極大極小值之差作為結果。4種標準評定步驟如表1所示。

本文利用上述4種評定標準對數控機床位置精度進行評定，為了便于對比計算和符號統一，設Pi為目標位置，Pij為實際位置，Xij↑和Xij↓分別表示第i點第j次從正方向、負方向趨近i點的位置偏差，其關系如下：

位置偏差Xij為

某一位置雙向平均位置偏差Xi為

表1 位置精度4種評定方法

某一點的單向定位標準不確定度估算值Si↑和Si↓分別為

2.2 4種評定方法對比

4種評價方法對比如表1所示。由表1可以看出，JIS－B6336只測量一次定位精度且不包括重復精度，GB/T17421.2－2000、VDI/DGQ3441測量5次，NMTBA標準測量7次，它們均包括重復精度。

2.2.1 定位精度

GB/T17421.2－2000 為 雙 向 測 試；VDI/DGQ3441以各目標位置的平均偏差與各目標位置偏差的三倍來評定，兩種方法的數據結果基本相當；NMTBA標準采用7次數值統計，單向和雙向不確定，NMTBA標準略低于GB/T17421.2－2000；JIS－B6336采用極差法，方法簡單，但統計特性差，可靠性一般。

2.2.2 重復定位精度

GB/T17421.2－2000采用單向最大值來評定；VDI/DGQ3441以各目標位置正反方向平均偏差的三倍來評定，數據結果略低于GB/T17421.2－2000；NMTBA標準采用7次數值統計，數據結果略低于 GB/T17421.2－2000；JISB6336采用7個數據極差法進行評定，復現性略差。

2.2.3 反向差值

GB/T17421.2－2000和 VDI/DGQ3441基本相同，用絕對值表示，JIS－B6336用帶符號的數值表示偏差方向。NMTBA標準未檢測該項目。

2.2.4 系統偏差

只 有 GB/T17421.2 － 2000 和 VDI/DGQ3441進行系統偏差計算。GB/T17421.2－2000進行單向和雙向系統偏差計算，而VDI/DGQ3441只計算雙向偏差，兩種標準的雙向偏差計算方法相同。

3 位置精度評定實例分析

3.1 測量實驗過程及結果

測量原理及過程見文獻［15］。由于進行精度測量時對周圍環境要求高，而本研究對象體積大、縱向進給距離長，要保證恒溫有一定難度，因此依據GB/T23569－2009的要求，縱向進給方向分別選取離主軸箱1000mm、8000mm處進行測量，結果如表2和圖6所示。

表2 縱向進給方向某段位移測量統計表

圖6 縱向進給方向某段位移位置精度實測曲線

3.2 評定數據計算結果

根據表1所示4種標準規定的評定方法，得到本研究對象的位置精度結果，如表3所示。

分析表3可以看出：

（1）定位精度。應用 GB/T17421.2－2000和VDI/DGQ3441的評定結果分別為22.438μm和23.204μm，基本一致，存在微小差別；JISB6336評定方法簡單，NMTBA標準評定定位精度時與GB/T17421.2－2000方法基本相同，但計算公式存在2Si和3Si的不同，因此結果有一定差距。

表3 測量段位置精度4種評定結果 μm

（2）重復定位精度。應用 GB/T17421.2－2000和 VDI/DGQ3441的評定結果分別為16.329μm和15.237μm，差別微小；JIS－B6336評定方法簡單，NMTBA標準評定所使用的公式也 不 同。因 此，GB/T17421.2－2000、VDI/DGQ3441與JIS－B6336、NMTBA標準之間不具備可比性。

（3）反向差值。應用 GB/T17421.2－2000和VDI/DGQ3441的評定結果均為9.380μm，完全一致，JIS－B6336由于采用了7次測量，得到的值更為精確。

（4）系統偏差。只有 GB/T17421.2－2000和VDI/DGQ3441對系統偏差進行了評定，結果分別為14.740μm和10.385μm，評定方法基本相同，只是計算公式有稍微差別。

4 結論

（1）本文通過對數控機床位置檢測工具及檢測方法的分析對比，分析了4種常用檢測方法的優缺點。對某型數控車床縱向進給系統位置精度進行了局部測量，結果符合國標規定。但在全程位移具體測量時，測量環境對測量結果有較大影響。運用局部測量數據，結合正確的數學模型得到全域數值有待于進一步研究探討。

（2）GB/T17421.2－2000和 VDI/DGQ3441檢測指標全面，JIS－B6336次之，NMTBA最少，總體而言，VDI/DGQ3441和 GB/T17421.2－2000更為嚴謹。

（3）GB/T17421.2－2000的定位精度A及重復定位精度R主要通過增大測量值來體現嚴要求，但未能反映反向差值與方向性的影響；VDI/DGQ3441與NMTBA標準的定位精度Ab、重復定位精度P更能全面評價機床的內部質量。

因此，我們在制造特別是進口機床時，不能只關注指標大小，而要根據不同的標準，科學地分析精度指標，避免誤判和造成不必要的損失。

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