(高清版)GBT 17421.2-2023 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

代替GB/T17421.2—2016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Testcodeformachinetools—Part2:Determiofpositioningofnumericallycontrolledaxes国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ V 1 1 1 54.1环境 5 64.3温升 65检验程序 6 6 65.3测量 7 8 8 87制造商/供方和用户之间的协商要点 9 98.1表达方法 9 附录A(资料性)线性定位测量的测量不确定度估算简易方法 A.1扩展测量不确定度的估算 A.2测量不确定度的促成因素 A.4估算扩展不确定度的举例 24附录B(资料性)阶梯循环 附录C(资料性)周期性定位误差 C.2已知周期间隔的周期性定位误差 附录D(资料性)用标准球阵列或步距规进行线性定位误差测量 D.2用球阵列和线性位移多传感器装置测量 D.3用球阵列或步距规和接触式触发测头测量 34ⅡGB/T17421.2—2023/ISO附录E(资料性)最小增量步长 35 35E.2检验条件 35 37ⅢV1本文件规定了通过直接测量机床的单个轴线来检验和评定数控机床轴线度的方法。这种方法对线性轴线和回转轴线检验方法涉及每个位置上的重复测量。本文件给出了与检验有关的参数的定义和计算方法。ISO/TR230-9:2005的附录C中描述了不确定度的估算方法。附录A提供了估算测量不确定度的方法。附录B描述了可供选择应用的阶梯循环。这一循环的结果既不用在与本文件有关的技术文献中，也不用于验收，除非制造商/供方与机床用户之间签订有特殊的书面协议。出于机床验收目的考附录C给出了周期性定位误差相关内容。附录D描述了用标准球阵列和步距规进行检验。附录E给出了最小增量步长相关内容。下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文GB/T17421.1—2023机床检验通则第1部分：在无负荷或准静态条件下机床的几何精度(ISO230-1:2012,ISO/TR230-9:2005机床检验通则第9部分：ISO230机床检验系列标准的不确定度估算的基本方程(Testcodeformachinetools—Part9:EstimationofmeasurementuncertaintyformachinetooltestsaccordingtoseriesISO230,b在数字控制下运动部件沿轴线移动的最大直线行程或绕轴线回转的最大行程。2P₁(i=1～m)X,=P,-P3GB/T17421.2—2023/I为获得扩展不确定度而用作合成标准不确定度倍率的一个数值某一位置的单向平均定位偏差meanunidirec由n次单向趋近某一位置P,所得的定位偏差的算术平均值。和某一位置的双向平均定位偏差meanbi-directionalpositioningdeviationatapositionX某一位置的反向误差reversalerroratapositB从两个方向趋近某一位置P₁时两单向平均定位偏差之差。轴线反向差值reversalvalueofanaxisB沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的绝对值|B₁|中的最大值。轴线平均反向误差meanreversalerrorofanaxis轴线平均反向差值meanreversalvalueofanaxisB沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值B₁的算术平均值。4在某一位置的单向轴线重复定位精度的估算值estimatorfortheunidirectionalaxispositioning通过对某一位置P,的n次单向趋近所获得的定位偏差标准不确定度的估算值。和某一位置的单向重复定位精度unidirectionalpositioningrepeatabilityatapoR,个=4S,个和某一位置的双向重复定位精度bi-directionalpositioningrepeatabilR轴线单向重复定位精度unidirectionalpositioningrepeatabilityofanax沿轴线或绕轴线的任一位置P₁的单向重复和轴线双向重复定位精度bi-directionalpositioningrepeatabilityofanR沿轴线或绕轴线的任一位置P;的重复定位精度的最大值。轴线单向定位系统误差unidirectionalsystematicpositioningerro沿轴线或绕轴线的任一位置P₁上单向趋近的单向平均定位偏差X₁个和X₁y的最大值与最小值5和轴线双向定位系统误差bi-directionalsystematE沿轴线或绕轴线的任一位置P₁上双向趋近的单向平均定位偏差X;个和X,↓的最大值与最小值M沿轴线或绕轴线的任一位置P₁的双向平均定位偏差X,的最大值与最小值的代数差。轴线单向定位误差unidirectionalpositioning和轴线双向定位误差bi-directionalpositioningerroro轴线双向定位精度bi-directionalpositioA<数值补偿>离散点，在误差表、补偿表或在空间误差表格中提供的几何误差数值表征。负责在安装现场提供机床操作和性能试验的适宜温度环境。当用户遵守机床制造商/供方所提出的规最为理想的是测量仪器和被检对象处于20℃的环境下进行检测。如不在20℃下检测，则应修正轴线定位系统或机床工件/刀具夹持部件与检测设备间的名义差胀(NDE),以获得修正到20℃的检测6结果。在这种情况下，需要测量机床和检测设备代表性部位的温度，用相关的热膨胀系数进行数学修应该注意，任何与20℃的温差均可对有效膨胀系数下的不确定度产生一个机床和检具应在检测环境中放置足够长的时间(最好过夜)以确保检验前达到热稳定状态。应避免在检验前12h和检验过程中以摄氏度每小时(℃/h)为单位的环境温度变化率应在制造商/供方和被检机床应完成装配并充分运转。如有必要，在开始检验定位精度和重复定位精度之前，机床调为了在正常工作条件下检验机床，检验前应按制造商/供方的规定或制造商/供方与用户的协议进5检验程序机床按编制程序使运动部件沿着或围绕被测轴线运动到一系列的目标位置， (1)i——现行目标位置的序号；r——预期的周期性定位误差(例如滚珠丝杠导程变化以及直线或回转刻度尺的节距变化所引起的误差)在士一个周期范围内的随机数，以确保周期差的相关信息，r应取目标位置的间距p的士30%范围内。7GB/T17421.2—2023/I测量装置用于测量轴线运动方向上夹持刀具的部件和夹持工件的部件之间产线性轴线的定位误差和重复定位精度测量采用的仪器通常为经过校准的激光干涉仪(包括跟踪干行程至100mm的短轴线定位误差和重复定位精度测量时也可使用远程线性位移传感器。如果进行精确的NDE修正，检验报告上应说明机床部件上温度传感器的位置，用于NDE修正的回转轴线的定位误差和重复定位精度测量采用的仪器通常为光学多面体和自准直仪，带激光干涉5.3.2行程至2000mm的线性轴线的检验在行程至2000mm的线性轴线上，应按5.2规定每米至少选择5个目标位置，并在全程上至少也应有5个目标位置。b——位置i(m=8);8和和和和轴线行程超过4000mm时，5.3.2规定的试验次数以及在正常工作范围内的位置应按照制造3>90°和≤180°58对每个目标位置P,在每一个方向上作5次趋近(n=5),要计算第3章中定义的参数。还要计算和对每一目标位置P₁在每个方向上作1次趋近(n=1),要计算第3章中定义的适当参数。但对轴9i)确定第1个和最后1个目标位置。 GB/T17421.2—2023/I8.2参数以下参数均以数字给定。选取带(*)参数的检验结果可为机床验收提供依据。对表2给出的结果，在表3、图2和图3中作了展示。给出每个参数的同时应给出带有包含因子为2的测量不确定度U,即U(k=2)。对于测量不确定对于线性轴线而言，附录A描述了估算测量不确定度的简易方法，其中还包括了举例。更详细的信息和公式参见ISO/TR230-9:2005的附录C。8.2.2行程至2000mm的线性轴线和行——轴线双向定位误差*A——轴线单向定位误差*A个和Av——轴线双向定位系统误差*EMR——轴线单向重复定位精度·——轴线反向误差*BB——轴线双向定位系统误差·EE个和E↓MBB在GB/T17421.1—2023中定义了机床轴线的误差运动。通常，通过在一定测量间隔采集到的偏差值并按规定的方法进行处理来评定误差运动，主要产生与名义运动相关的单个误差参数。误差，Ecx表示X轴线运动在C轴线方向(绕Z轴旋转)的角度误差，及Exx表示X轴线运动的定位误差符号的下标。如X轴线的单向定位误差，A个或A↓可表示为Exx,A或Exx.A;,C轴的反向误差专用测量仪器自动报告结果。因此，应用GB/T17421.1—2023中新的特征符号表示法可能要经过一i123456789目标位置(P₁)趋近方向个个个个个个个个个定位偏差2345单向平均定位偏差(X)标准不确定度估算值(S,)单向重复定位精度(R,=4S,)反向误差(B₁)双向重复定位精度(R)i123456789双向平均定位偏差(X₁)单向双向反向误差(B)不适用不适用平均反向误差(B)不适用不适用双向平均定位系统误差范围不适用不适用0.004±0.004(k=2)[0.0015-(一0定位系统误差(E)0.004[0.0034—(一0.0006)]0.008±0.004(k=2)[0.0034—(一0重复定位精度(R)0.003(在i=11)0.003(在i=10)定位误差(A)0.006[0.0040—(一0.0018)]0.006[0.0006—(一0.0055)]0.010±0.004(k=2)[0.0040—(一0注1:不确定度数值根据表A.5;包含因子，k,根据3.9。注2:表中给出的数值均为四舍五入数值。表3补充图2和图3以图形表示的检验结果的检验报告信息示例年/月/日x××立式加工中心，编号：×××测量仪器名称和编号：激光干涉仪×××,编号：×××结束温度工作台，中心热膨胀系数(用于NDE修正)刀具基准偏置(X/Y/Z):工件基准偏置(X/Y/Z):结束温度—0.004-x。X0X0图2双向定位误差和重复定位精度YY一0.004—0.006(资料性)线性定位测量的测量不确定度估算简易方法测量不确定度的估算按ISO/TR230-9:2005中附录C的程序和公式进行。在ISO/TR230-9:在本附录中，相关促成因素对测量不确定度的影响，如：测量装置的校正，用扩展测量不确定度A.2.1总则而言，测量装置分辨力的影响可以忽略不计，并且可以依据ISO/TR230-9:2005中的C.2.2和公UUULURA.2.3由于测量装置对机床在检轴线的移位而产生的扩展不确定度U整位本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的C.2.3和公式(C.5)为基础。测量装置应对准并平行于机床被检轴线放置，否则会产生测量误差。这种影响是二阶的，然而如移位(失准)量大于1mm,并且如果机床被检轴线小于300mm,则会产生严重影响。公式(A.4)和表A.1呈现了移位的影响效果。在使用光学测量设备，例如激光干涉仪的情况下，如果反射光束的运动正如设备制造商所推荐的那样，移位量将在1mm范围内。如果仅仅是出于获得足够的返回光束强度的目的而进行校准的话(这是不提倡的做法),那么移位量可能会达到4mm。在使用机械测量装置，例如线性刻度尺的情况下，由一个侧面辅助进行校准将会产生小于0.5mm的移位量。L——测量长度，单位为米(m)。表A.1由测量设备的移位产生的扩展测量不确定度U容位测量长度013601249011259001136001135000123000112000011A.2.4由于机床温度补偿产生的扩展不确定度本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的C.2.4为基础。如果不在20℃进行测量，就要对机床(或工件)与测量装置之间的相对膨胀进行补偿。这项工作通常是在不易察觉下，由测量装置自动进行补偿。对于本文件而言，补偿所需要的温度测量会产生一个测量不确定度，并将它增添到长度测量的总测对于补偿而言，还需要机床(或工件)与测量装置的热膨胀系数。它们的不确定度是长度测量的不本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的公式(C.6)为基础。其他影响因素包括温度传感器的安装(应该将其牢固地固定在机床部件上)和温度传感器的测量不根据传感器制造商提供的操作说明，将温度传感器安装固定在代表性测量点上。传感器的可能误差范围可以用作估算测量不确定度。常用的温度传感器偏差范围大约在0.7℃(±0.35℃)。如果温度传感器安装不正确或置于非代表性测量点上，测量误差可能超过4℃。表A.2列出了温度传感器测量表A.2温度测量误差的影响UM℃(士0.1)(士0.25)00111346001124680122371134611357125713736大多数激光干涉仪系统会对装置的膨胀(如气温的影响)自动做出补偿，并且在规定的装置测量不确定度中包括了这种补偿的不确定度。在这些情形下，不用计算由于装置温度测量产生的扩展测量不膨胀，不在20℃的温度补偿同样也会自动完成。唯一的误差是机床工件夹持装GB/T17421.2—2023/I温差。在将线性刻度尺安装到机床上之后的几分钟时间里，这个温差会显著地小于0.1℃。对于由机R(θ)——由于测量不确定度产生的可能温度范围或是机床工件夹持装置与(机械)测量装置之间不确定度表达式包括了由装置温度测量产生的不确定度(或不在20℃温度下测量的补偿不确定度),或者如果测量装置采用了机床(或工件)的温度，则可以将UM.装置设为A.2.4.3由于膨胀系数产生的扩展不确定度本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的公式(C.7)为基础。在实际中，机床和测量装置的膨胀系数来自手册或指南。实际的膨胀系数可能会与这些资料数据线的线性刻度尺而言，这个差别范围是2pm/(m·℃);与标称值相比，复合材料会显示出更大的偏表A.3表示了在轴线长度为1m的条件下，热膨胀系数不确定度与长度测量温度两者之间的关℃Ug的系数膨胀系数的误差范围1(士0.5)234659636912357表A.3由于热膨胀系数不确定度产生的测量不确定度(续)℃膨胀系数的误差范围123(士1.5)461122300000112231235736969注1:UE=系数×L;注2:UE的单位为微米(μm);注3:L的单位为米(m)。应估算由于机床(或工件)的膨胀系数的可能误差而产生的扩展不确定度UE,机床[见公式(A.7)],以及由于测量装置的膨胀系数的可能误差而产生的扩展不确定度UE,装量[见公式(A.8)]。如果测量装置的不确定度表达式中包括了不在20℃温度测量的补偿不确定度，则可将UE,装置设为零值。式中：UE,机床——由于机床(或工件)热膨胀系数的可能误差产生的扩展测量不确定度，单位为微米△T——与20℃的差值，单位为摄氏度(℃)△T=(T-20)℃;T——机床或工件的温度，单位为摄氏度(℃);L——测量长度，单位为米(m);R(a)——机床(或工件)膨胀系数的误差范围，单位为微米每米摄氏度[μm/(m·℃)]。UE.装置——由于长度测量装置热膨胀系数的可能误差产生的扩展测量不确定度，单位为微米(μm),如果测量装置的不确定度表达式包括了由装置温度测量产生的不确定度(或不在20℃温度测量的补偿不确定度),则可以将Ue,按置设为零值；△T——与20℃的差值，单位为摄氏度(℃),△T=(T-20)℃;T——测量装置的温度，单位为摄氏度(℃);R(a)——测量装置膨胀系数的误差范围，单位为微米每米摄氏度[μm/(m·℃)]。A.2.5由于环境变化误差Eve产生的扩展不确定度Ueve本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的C.2.5和公式(C.9)为基础。在大多数测量过程中，发现温度变化可能会对机床和测量装置造成影响。按4.1和4.3的要求，应该将这些变化的影响控制在最小范围内。剩余影响可通过一个简单的试验得到检查。在开始长度测量之前，长度测量装置应先进行设置确保能观测到被测轴线最大距离，而设置应不受机床任何环境变化误差的影响，如，所有装置部件均直接固定在机床床身上或附近。在长度测量所需的大致时间内，记录测量装置的读数。读数的范围Eve,为剩余环境变化误差，根据公式(A.9),它可以用作估算相应的不确定度。在长度测量方向上和所需的大致测量时间里，如果已知机床工作台不受环境变化影响，可以将测量装置固定在工作台上进行检验。在这种情况下，长度测量装置用于测量机床夹持刀具部件与夹持工件部件之间的相对运动，移动至极限位置(最大距离),并在该位置进行环境变化误差测量。Ueve=0.6·Eve……UEyE由于环境变化产生的扩展测量不确定度，单位为微米(μm);A.2.6由于环境变化误差产生的重复定位精度值的修正本条仅适用于2000mm行程及以下的测量。本条所使用的公式以第4章、A.2.4和ISO/TR230-9:2005中的C.2.5为基础。任何环境变化误差(Eve),都将增加轴线重复测量的标准偏差，因而增加重复定位精度值R,R个和Rl。如进行了环境变化误差试验，并且如果重复定位精度值在被检轴线较长测量长度上有效的话，那么重复定位精度值可按公式(A.10)进行修正：S修正后个，↓——单向轴线重复定位精度标准偏差S,的修正估算值，由于环境影响进行修正；S,,——单向轴线重复定位精度标准偏差的估算值(见3.18);UEvE由于环境变化产生的扩展测量不确定度；R正个，修正单向重复定位精度，由于环境影响进行修正；A.3.2～A.3.6所使用的公式以第3章和ISO/TR230-9:2005中的C.4为基础。对于线性轴线行程至2000mm时，假设正向运行5次和负向运行5次；对于线性轴线行程超过2000mm时，仅在正向运行1次和负向运行1次。本条仅适用于2000mm行程及以下的测量。本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的A.3.3反向误差扩展不确定度U(B)的估算本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的C.4.3和公式(C.14)为基础，见公式(Aa)当轴线行程至2000mm时U(B)=0.9·UEvE…………(A.12)b)当轴线行程超过2000mm时U(B)=2·UeveA.3.4双向重复定位精度的扩展不确定度U(R)本条仅适用于2000mm行程及以下的测量。本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的U(R)=2.2·Ueve本条所使用的公式以ISO/TR230-9:2005中的C.4.5和公式(C.16)为基础，见公式(A.15)至公a)当轴线行程至2000mm时：GB/T17421.2—2023/Ib)当轴线行程超过2000mm时：式中：式中：式中： ●对于线性刻度尺，通过一个侧面校正至0.5mm之内； 车间温度在20℃±5℃范围内：●对于激光干涉仪，机床温度测量的误差范围是0.7℃;●对于线性刻度尺，与机床温度的差值是0.1℃(通常在几分钟后达到此温度); ●对于激光干涉仪，返回的光束要校正至1mm之内(推荐程序); 车间温度在20℃±1℃范围内； ●对于激光干涉仪，机床温度测量的误差范围是0.2℃;●对于线性刻度尺，与机床温度的差值是0.05℃(通常在10min以内达到此温度);U误差范围校正值，假设的℃℃0,包含在U装置中膨胀系数的误差范围R(a)0,包含在U装a中GB/T17421.2—2023/ISO230-2U212改善工业条件U校正值，假设的℃℃0,包含在U装n中膨胀系数的误差范围R(a)表A.5估算扩展测量不确定度的样例(改善工业条件下使用激光干涉仪进行激光定位测量)(续)U0,包含在U囊w中U误差范围校正值，假设的℃℃表A.6估算测量不确定度的样例(平均工业条件下使用线性刻度尺进行线性定位测量)(续)U膨胀系数的误差范围R(a)212改善工业条件U校正值，假设的℃表A.7估算扩展测量不确定度的样例(改善工业条件下使用线性刻度尺进行线性定位测量)(续)U℃膨胀系数的误差范围R(a)℃表A.8由于环境变化误差产生的不确定度而修正重复由Ueve产生的R值的修正U公式未修正修正后相关的S+值(在目标9)相关的S一值(在目标9)相关的B值(在目标9)GB/T17421.2—2023/I(资料性)本附录描述了可供选择应用的阶梯循环(见图B.1)。在检验中使用阶梯循环与使用图1(见5.3.2)所示的标准检验循环得到的结果可能不同。标准检验循环中，从相反方向趋近两端点目标位置的时间间隔相差很大。而阶梯循环中从任一方中热影响在反向误差B和重复定位精度R上可能是明显的。GB/T17421.2—2023/I(资料性)C.1总则数控轴线的定位可能会受到周期性误差的影响，如与滚珠丝杠的螺距和按5.2,数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定是在选定目标位置上进行的，目标位置的选择本附录描述的试验(根据制造商/供方和用户之间的具体协议)将进一步研究与不同类型的线性或C.2中所述的方法进行充分采样。别研究(见图C.2)。然而，此类系统的规定性能通常并不严格，对周期性误差的广泛调查可能是不合对于使用不带整体轴承的角度编码器的角度位置反馈系统，测量刻度尺与被控回转轴之间的径向在有些情况下，用已知周期性误差分量间隔的约数来代用于本试验的装置和仪器可与在5.3.1中所述的用于确定定位误差和重复定位精度的装置和仪器在预期周期性误差的两个周期内选择至少21个均匀分布的目标位置。在全部目标位置进行1次带有间接测量系统和螺距为10mm的滚珠丝杠的机床GB/T17421.2—2023/IS图C.1配有螺距为10mm的滚珠丝杠，电机直接驱动，角度编码器安装在电机轴上的X轴周期性线性定位误差示例如果位置反馈环包括电机轴上的角度编码器和从轴到驱动线性运动的滚珠丝杠之间的齿轮或皮带传动，则存在额外的周期性误差源。图C.2显示了由传动比3.5:1的齿轮或皮带的传动缺陷以及螺距为10mm的滚珠丝杠周期误差相结合所引起的周期性误差。11CY图C.2配有螺距为10mm的滚珠丝杠，电机通过传动比3.5:1驱动，角度编码器安装在电机轴上的Y轴周期性线性定位误差示例GB/T17421.2—2023/ISO23线性位移多传感器装置(如图D.3)已经商用。它们通常能够确定已知尺寸球体相对于多传感器装按制造商/供方的使用说明书将多传感器装置固定在机床夹持刀具部件上并校正。在规定的测量测量时，根据图1所述的检验程序(见5.3.2),将机床轴线被程控移动至定位偏差由多传感器装置系统计算并记录，检验结用球阵列和线性位移多传感器装置测量也可提供有关直线度偏差的有用信息。然而，鉴于本附录用接触式触发探测系统结合标准球阵列或步距规也能对线性轴线定位精度和重复定位精度进行参照ISO230-10的规定确定探测系统的性能。通过将实测位置与校准的基准检具的相关位置进行比较来评定测量结果。采用接触式触发测头进行测量不能提供双向定位误差和双向重复定位精度的相关信息。虽然通过本章所述的试验能得到定位误差方面有价值的信息，但其结果仍不能与按第5章和第6机床被设计为可在各种进给速度下，沿各个运动轴的行程范围内运行。沿单个运动轴定位的一个重要方面是定位的分辨力，被称为最小增量步长或最小定位增量。该性能限制了机床在位置上进行微通过最小增量步长检验确定机床能在一定时间段内定位的最小增量。该项检验通常不包括在验收下述检验设备和程序适用于所有线性运动轴线。类似的程序也可用于回转运动轴线。任何具有较小的机械或电气滞后(小于等于预期最小增量步长的20%)