数控车床位置精度检测与评定方法对比分析_王胜

'中国机械工程第２４卷第１４期２０１３年７月下半月数控车床位置精度检测与评定方法对比分析王胜１，２１刘宏昭１．西安理工大学，西安，７１００４８２．陕西工商职业学院，西安，７１０１１９摘要：为了得到最佳的数控车床位置精度检测和评定方法，介绍了数控车床常用的位置精度测量工具和方法，对几种检测方法进行了对比分析，介绍了目前国内外常用的４种评定标准；利用激光干涉仪测量某重型数控车床位置精度值，利用上述４种评定标准对位置精度具体指标———定位精度、重复定位精度、反向差值和系统偏差进行计算，对计算结果进行了分析对比；明确了各种评定方法的具体运用情况，从而为数控车床的生产、验收和使用中的位置精度检测提供指导。关键词：数控车床；精度检测；评定方法；对比分析中图分类号：ＴＨ１１５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１３．１４．００４ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓｏｆＮＣＬａｔｈｅＰｏｓｉｔｉｏｎＡｃｃｕｒａｃｙ１，２１ＷａｎｇＳｈｅｎｇＬｉｕＨｏｎｇｚｈａｏ１．Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ，７１００４８２．ＳｈａａｎｘｉＢｕｓｉｎｅｓｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ，７１０１１９Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｔｈｅｂｅｓｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆＮＣｌａｔｈｅ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｏｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｉｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｆｏｒＮＣｌａｔｈｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｓｅｖｅｒａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｆｏｕｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄｓｗｅｒｅｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒｒｏｒｖａｌｕｅｓｆｏｒＮＣｌａｔｈｅｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅ－ｔｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ———ｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｒｅｐｅａｔａｂｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕ－ｒａｃｙ，ｒｅｖｅｒｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｄｅｖｉａｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｏｕｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｃｌａｒｉｆｉｅｓｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｃｒｅｔｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｗｈｅｎｔｈｅｆｏｕｒｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｇｕｉｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｈｅｃｋｉｎｇｆｏｒＮＣｌａｔｈｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮＣｌａｔｈｅ；ａｃｃｕｒａｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ０引言数控机床在制造过程中不可避免地存在加工加工零部件的质量取决于机床本身的性能，误差。目前国内外评定数控机床精度的标准很因此，在机床出厂和使用之前，明确其性能十分关多，如我国的ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００《机床检验通键［１］。则第２部分：数控轴线的定位精度和重复定位精数控机床的精度主要包括几何精度、位置精度的确定》和ＧＢ／Ｔ２３５６９－２００９《重型卧式车床度和加工精度［２］。数控机床几何精度综合反映了检验条件精度检验》，德国的ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１《工该机床关键机械零部件及其组装后的几何形状误作精度和位置精度的统计检验原理》，日本的差。几何精度合格与否是定位精度和工作精度测ＪＩＳ－Ｂ６３３６《数控机床试验方法通则》，美国机床定是否准确的基本条件，只有在稳定的、小于允差制造者协会（ＮＭＴＢＡ）《数字控制机床的精度与的几何精度条件下，测量、检验位置精度和工作精重复性的定义和评估》标准等。许多学者对机床［６］度才有实质意义［３］。在数控机床的精度检测中，评定方法进行了研究，如蔡有杰应用ＶＤＩ／位置精度是数控机床最重要的也是最能代表机床ＤＧＱ３４４１和ＧＢ１０９３１－８９《数字控制机床位置精［７］特征的一项指标［４］。数控机床位置精度主要包括度评定方法》来评定数控机床的位置精度，林璨定位精度、重复定位精度和反向差值三个指标［５］，应用ＧＢ１０９３１－８９、ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１和ＮＭＴＢＡ［８］标准评定数控机床的位置精度，王昀希应用其测量工具主要有线纹尺或步距规、电子测微计、准直仪和激光干涉仪等。ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１和ＪＩＳ－Ｂ６３３６来评定数控机床的位置精度。以上研究对象均为普通数控机床，收稿日期：２０１２—０５—０２且都存在着评定方法不全面和评定标准陈旧等问基金项目：国家科技重大专项（２０１０ＺＸ０４０１４－０１２）；国家自然题。目前，关于数控车床位置精度评价方法的研科学基金资助项目（５１２０５３０７）；陕西省重点学科建设专项资金资助项目；陕西高校省级重点实验室科研项目（２０１０ＪＳ０８０）；陕究还不多。西省教育厅专项科研项目（１１ＪＫ０８５８）本文以某重型数控车床为研究对象，首先介·１８６２· 数控车床位置精度检测与评定方法对比分析———王胜刘宏昭绍了数控机床位置精度常用的检测工具及测量方法并分析其各自优缺点；然后介绍了目前国内外４种典型的数控机床位置精度评定标准，并采用激光干涉仪实测了纵向进给系统中某段位移的位置精度，采用４种评定标准对定位精度、重复定位精度、反向差值和系统偏差进行了计算，对计算结果进行了对比分析。１检测工具及其测量方法１．１线纹尺及其测量原理用线纹尺测量或定位时，与读数显微镜、光学图２步距规测量原理图读数头或光电显微镜等配套使用。线纹尺的刻线精度可达±１μｍ／１０００μｍ或更高。图１为线纹尺测量示意图，其测量原理为：采用精密线纹尺（将每毫米细分为１０００等分）与读数显微镜，以线纹尺刻线为标准，与运动部件移动的距离进行比较［９］从而测出偏差。图３标准检验循环图数据进行处理，可确定位置精度值。步距规测量方法简便，设备安装方便，但测量精度和效率低，仅适用于中低档机床的标定和出［１０］厂检验。图１线纹尺测量示意图１．３电子测微计及其测量原理将线纹尺安装在被测直线方向上，读数显微电子测微计适用于机械加工中的精密测量，镜固定在移动部件上，部件在位置Ｐ１时读数显配以相应的测量装置可进行工件外形尺寸及部分微镜读数，部件移动至目标位置Ｐ２时读数显微形位公差的测量，其优点是测量角度时能够消除镜再次读数，用两次读数之差与移动距离进行比定位误差，从而提高测量精度。较得到测量值。该方法可以实现任意点直线位置电子测微计的分辨率一般为０．１～精度的测量，但测量装置受线纹尺规格（≤１ｍ）和０．００１μｍ，与其他传感器组成测量系统后，测量精机床结构的限制，测量范围小，测量精度和效率会度较低，检验重复性差，不能真实反映机床的位置随着线纹尺的长度增加而下降。因此该方法较适精度，另外，对于控制轴的角位移测量，误差尤为合于小范围的直线位置精度测量。［１１］明显。１．２步距规及其测量原理１．４自准直仪及其测量原理步距规测量原理如图２所示。ｌ１，ｌ２，…，ｌｍ按自准直仪是利用光学自准直原理将角度测量１００ｍｍ间隔递增，即ｌ１＝１００ｍｍ，ｌ２＝２００ｍｍ，转换为线性测量的一种计量仪器，它广泛用于小…。ｌ１，ｌ２，…，ｌｍ的实际数值作为定位精度检测时角度测量、平板的平面度测量、导轨的平直度与平的目标位移。以某重型数控车床Ｚ轴位置精度为［１２］行度测量等。例，测量时将步距规置于刀架上，使步距规轴线与自准直仪主要由具有一定焦距的物镜（望远Ｚ轴轴线平行，Ｚ轴归零；将杠杆千分表固定在固镜）、带有分划板、照明装置的自准直测微目镜以定部件上，表头接触到起始位置时表针置零；用数及置于被测对象上的反射镜组成。目前使用的自控程序控制刀架按照图３所示的循环图移动，移准直仪主要有３种：光学自准直仪、平直度检查仪，ｌ，…，ｌ，表盘上的读数为该位［１３］动距离依次为ｌ１２ｍ和光电自准直仪。图４所示为光学自准直仪置的单向位置偏差，按照标准循环图测量５次，记基本测量原理。录各点读数，按照ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００规定对分划板置于物镜的焦平面上，其上的Ｏ点位·１８６３· 中国机械工程第２４卷第１４期２０１３年７月下半月本文研究对象为某重型数控车床，其特点是机床规格大，纵向进给位移长达１８０００ｍｍ。传统位置精度检测方法多采用线纹尺或步距规、电子测微计、准直仪等，对应的测量设备的标准器件较重。传统位置精度检测方法的测量精度较低，受图４自准直仪测量原理图环境温度影响大，其检验方法极冗长乏味，且检验于物镜的光轴上，光源发出的光线通过Ｏ点经过重复性也很差，难以反映受检机床的真正精度。物镜后成一束与光轴平行的光线射向反射镜。当另外，数据处理必须手工进行，繁琐、易出错。因反射镜面垂直于光轴时，光线仍按原路返回，经物此，本研究采用ＭＬ１０激光干涉仪进行测量。激镜后仍成像在分划板上Ｏ处，与原目标重合。如果光干涉仪可实现自动数据采集和数据分析，节省反射镜与光轴有一倾角α，则反射光线的偏转角时间又避免操作误差，它可与ＰＣ机进行联网通为２α，通过物镜后成像在分划板上的Ｏ′处，此时信，避免了人工计算。线位移ＯＯ′＝ｅ，表示偏转角度的大小，即ｅ＝ｆ′ｔａｎ２α（１）２４种评定方法对比分析式中，ｆ′为物镜的焦距。当α很小时，ｔａｎ２α≈２α，则２．１４种标准评定规定α＝ｅ／（２ｆ′）（２）ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００、ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１、ＪＩＳ－将角度误差转化为精度值即可。Ｂ６３３６、ＮＭＴＢＡ标准这４种标准评定方法的区自准直仪测量范围小（最高达１０００″），全程别在于数据处理方法的不同。上述４种标准的数精度为±０．２５″，分辨力为０．００５″～１０″，无论从分据处理方法可分为两类：第一类是以数据统计和辨力和测量范围还是精度来看，都存在一定的差概率论为基础，认为对一条数控轴上选定的若干距，因此，它属于中低端检测工具。个目标位置进行多次定位所测得的误差呈正态曲１．５激光干涉仪及其测量原理线分布，用３Ｓ（或２Ｓ）表示对目标位置进行无数激光干涉仪是目前应用最广泛的数控机床精次定位可能产生的误差，置信度为９９．７３％（或度检测设备，可以测量Ｚ向尺寸达８０ｍ的机床精９５．４５％）。属于此类数据处理方法的评定标准有［１４］ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００、ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１和ＮＭＴ－度并诊断各种几何误差，其测量精度比传统方法至少高１０倍以上，可达±１．１μｍ（０～４０℃），测ＢＡ标准。第二类以代数极差方法为基础进行计量范围广（线性测长４０ｍ，位选８０ｍ），测量速度快算，ＪＩＳ－Ｂ６３３６属于此类方法。该方法比较简（６０ｍ／ｍｉｎ），分辨率高（０．００１）。单，对测试数据只作简单的代数运算，也就是说，μｍ图５为激光干涉仪测量原理图。来自激光头以代数差或极大极小值之差作为结果。４种标准的光束进入线性干涉镜，在此光束被分成两束；一评定步骤如表１所示。束光（称为参考光束）被引向装在分光镜上的反射本文利用上述４种评定标准对数控机床位置镜，另一束光（称为测量光束）则穿过分光镜到达精度进行评定，为了便于对比计算和符号统一，设线性反射镜２；然后，两束光都被反射回分光镜，Ｐｉ为目标位置，Ｐｉｊ为实际位置，Ｘｉｊ↑和Ｘｉｊ↓分重新汇合后回到激光器，激光器内的探测器辨识别表示第ｉ点第ｊ次从正方向、负方向趋近ｉ点的两束光之间的干涉。在测量过程中，一个光学组位置偏差，其关系如下：件保持静止，另一个光学组件沿被测量轴移动。位置偏差Ｘｉｊ为通过监测测量光束和参考光束之间的光路差异的Ｘｉｊ＝Ｐｉｊ－Ｐｉ（３）变化，得到定位精度值。某一位置的单向平均位置偏差Ｘｉ↑、Ｘｉ↓分别为ｎ１Ｘｉ↑＝ｎ∑Ｘｉｊ↑烌ｊ＝１（４）ｎ烍１Ｘｉ↓＝∑Ｘｉｊ↓ｎｊ＝１烎某一位置双向平均位置偏差Ｘｉ为Ｘｉ↑＋Ｘｉ↓Ｘｉ＝（５）２图５激光干涉仪线性测量原理图·１８６４· 数控车床位置精度检测与评定方法对比分析———王胜刘宏昭表１位置精度４种评定方法ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１备注单向：Ａ↑＝ｍａｘ［Ｘｉ↑＋２Ｓｉ↑］－Ｓｊ：正反向位置偏差ｍｉｎ［Ｘｉ↑－２Ｓｉ↑］Ｐ＝ｍａｘ［（Ｘｊ↑＋Ｘｊ↓）／２＋值；Ａ↓＝ｍａｘ［Ｘｉ↓＋２Ｓｉ↓］－３（Ｓｊ↑＋Ｓｊ↓）／２＋ｕｊ／２］－ｕｊ：不确定度分量；定位精度ｍｉｎ［Ｘｉ↓－２Ｓｉ↓］ｍｉｎ［（Ｘｊ↑＋Ｘｊ↓）／２－Ａ↑，Ａ↓：单向定位精双向：３（Ｓｊ↑＋Ｓｊ↓）／２－ｕｊ／２］度；Ａ＝ｍａｘ［Ｘｉ↑＋２Ｓｉ↑，Ｘｉ↓＋２Ｓｉ↓］－Ａ：双向定位精度ｍｉｎ［Ｘｉ↑－２Ｓｉ↑，Ｘｉ↓－２Ｓｉ↓］Ｐｓ：重复定位精度；单向：Ｒ↑＝ｍａｘ［Ｒｉ↑］重复定位Ｒ↑，Ｒ↓：单向重复定Ｒ↓＝ｍａｘ［Ｒｉ↓］ｍａｘ（Ｐｓ）＝ｍａｘ［（６Ｓｊ↑＋Ｓｊ↓）／２］精度位精度；双向：Ｒ＝ｍａｘ［Ｒｉ］Ｒ：双向重复定位精度反向差值Ｂ＝ｍａｘ［｜Ｂｉ｜］ｍａｘ（ｕ）＝ｍａｘ［｜（Ｘｉ↑－Ｘｉ↓）｜］Ｂ，ｕ：反向差值单向：Ｅ↑＝ｍａｘ［Ｘｉ↑］－ｍｉｎ［Ｘｉ↑］Ｅ↑，Ｅ↓：单向系统偏系统偏差Ｅ↓＝ｍａｘ［Ｘｉ↓］－ｍｉｎ［Ｘｉ↓］Ｐａ＝ｍａｘ［Ｘｊ］－ｍｉｎ［Ｘｊ］差；双向：Ｐａ：双向系统偏差Ｅ＝ｍａｘ［Ｘｉ↑，Ｘｉ↓］－ｍｉｎ［Ｘｉ↑，Ｘｉ↓］ＪＩＳ－Ｂ６３３６ＮＭＴＢＡ标准备注单向：Ａｕ↑＝ｍａｘ［Ｘｉ↑＋３Ｓｉ↑］－ｍｉｎ［Ｘｉ↑－３Ｓｉ↑］Ａｕ↑，Ａｕ↓：单向定位Ａｕ↓＝ｍａｘ［Ｘｉ↓＋３Ｓｉ↓］－精度；定位精度Ａ＝Ｐ１ｊ－Ｐｊｍｉｎ［Ｘｉ↓－３Ｓｉ↓］Ａ：定位精度；双向：Ａｂ：双向定位精度Ａｂ＝ｍａｘ［（Ｘｊ↑＋Ｘｊ↓）／２＋３Ｓｉ］－ｍｉｎ［（Ｘｊ↑＋Ｘｊ↓）／２－３Ｓｉ］单向：Ｒ：重复定位精度；ｍａｘ（Ｐｓ↑）＝ｍａｘ［６Ｓｊ↑］重复定位［ｍａｘ（Ｘｉ↑）－ｍｉｎ（Ｘｉ↑）］Ｐｓ↑，Ｐｓ↓：单向重复Ｒ＝±ｍａｘ（Ｐｓ↓）＝ｍａｘ［６Ｓｊ↓］精度２定位精度；双向：Ｐｓ：双向定位精度ｍａｘ（Ｐｓ）＝ｍａｘ［６Ｓｊ］Ｂ＝Ｘｊ↑－Ｘｊ↓＝７７反向差值１１未检测Ｂ：反向差值７∑Ｘｊ↑－７∑Ｘｊ↓ｉ＝１ｉ＝１系统偏差未检测未检测某一点的单向定位标准不确定度估算值相当；ＮＭＴＢＡ标准采用７次数值统计，单向和双Ｓｉ↑和Ｓｉ↓分别为向不确定，ＮＭＴＢＡ标准略低于ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－ｎ２０００；ＪＩＳ－Ｂ６３３６采用极差法，方法简单，但统计Ｓｉ↑＝１（Ｘ）２烌∑ｉｊ↑－Ｘｉ↑槡ｎ－１ｊ＝１特性差，可靠性一般。（６）烍ｎ２．２．２重复定位精度Ｓｉ↓＝１（Ｘ）２∑ｉｊ↓－Ｘｉ↓ｎ－１槡ｊ＝１烎ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００采用单向最大值来评２．２４种评定方法对比定；ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１以各目标位置正反方向平均４种评价方法对比如表１所示。由表１可以偏差的三倍来评定，数据结果略低于ＧＢ／看出，ＪＩＳ－Ｂ６３３６只测量一次定位精度且不包括Ｔ１７４２１．２－２０００；ＮＭＴＢＡ标准采用７次数值统重复精度，ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００、ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１计，数据结果略低于ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００；ＪＩＳ－测量５次，ＮＭＴＢＡ标准测量７次，它们均包括重Ｂ６３３６采用７个数据极差法进行评定，复现性复精度。略差。２．２．１定位精度２．２．３反向差值ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００为双向测试；ＶＤＩ／ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００和ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１基ＤＧＱ３４４１以各目标位置的平均偏差与各目标位本相同，用绝对值表示，ＪＩＳ－Ｂ６３３６用带符号的置偏差的三倍来评定，两种方法的数据结果基本·１８６５· 中国机械工程第２４卷第１４期２０１３年７月下半月数值表示偏差方向。ＮＭＴＢＡ标准未检测该３位置精度评定实例分析项目。２．２．４系统偏差３．１测量实验过程及结果只有ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００和ＶＤＩ／测量原理及过程见文献［１５］。由于进行精度ＤＧＱ３４４１进行系统偏差计算。ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－测量时对周围环境要求高，而本研究对象体积大、２０００进行单向和双向系统偏差计算，而ＶＤＩ／纵向进给距离长，要保证恒温有一定难度，因此依ＤＧＱ３４４１只计算双向偏差，两种标准的双向偏差据ＧＢ／Ｔ２３５６９－２００９的要求，纵向进给方向分计算方法相同。别选取离主轴箱１０００ｍｍ、８０００ｍｍ处进行测量，结果如表２和图６所示。表２纵向进给方向某段位移测量统计表目标点数ｉ１２３４５６７位置（ｍｍ）０８０．０００１６０．０００２４０．０００３２０．０００４００．０００４８０．０００机床行驶方向↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑Ｊ＝１－１．６０００．３００－４．８００３．９００－２．６００２．９００２．７００－１．５００１．３０００．６００５．８００１．３００７．２００１．４００目标Ｊ＝２－０．９０００－３．６００４．９００－２．５００４．１００３．８００－０．７００１．５００１．６００６．８００２．７００８．７００２．７００点偏Ｊ＝３－０．３００１．１００－２．６００７．０００－１．３００６．１００４．９００１．１００３．５００３．２００８．５００３．５００１０．３００３．３００差值Ｊ＝４０．３００２．４００－１．３００７．１００－０．７００６．９００６．３００２．１００４．４００４．５００９．５００４．４００１１．２００４．６００（μｍ）Ｊ＝５２．１００２．９０００．１００７．５００２．２００６．６００７．５００２．２００５．１００４．８００１０．８００４．７００１２．６００４．６００单向均位－０．８００１．３４０－２．４４０６．０８０－０．９８０５．３２０５．０４００．６４０３．１６０２．９４０８．２８０３．３２０１０．０００３．３２０偏差（μｍ）标准不确定度１．４０８１．２７４１．９１７１．５８５１．９５１１．７３８１．９１５１．６７０１．７０５１．８１９２．０１４１．３７５２．１１１１．３５５Ｓｉ（μｍ）２Ｓｉ（μｍ）２．８１６２．５４８３．８３３３．１７０３．９０２３．４７７３．８３０３．３３９３．４１１３．６３８４．０２８２．７５１４．２２１２．７１１平均２Ｓｉ↓（μｍ）－２．８９６－１．２０８－６．２７３２．９１０－４．８８２１．８４３１．２１０－２．６９９－０．２５１－０．６９８４．２５２０．５６９５．７７９０．６０９平均２Ｓｉ↑（μｍ）２．７３６３．８８８１．３９３９．２５０２．９２２８．７９７８．８７０３．９７９６．５７１６．５７８１２．３０８６．０７１１４．２２１６．０３１４Ｓｉ（μｍ）５．６３１５．０９８７．６６６６．３４０７．８０５６．９５４７．６６１６．６７９６．８２１７．２７５８．０５７５．５０２８．４４３５．４２１反向差值Ｂｉ１．４２０８．５２０６．３００－４．４００－０．２２０－４．９６０－６．６８０（μｍ）双向重复精度６．７８４１５．５２３１３．６７９１１．５７０７．２７５１１．７３９１３．６１２Ｒｉ（μｍ）双向均位误差０．６３０１．８２０２．１７０２．８４０３．０５０５．８００６．６６０（μｍ）表３测量段位置精度４种评定结果μｍ评定ＧＢ／Ｔ１７４２１．２ＮＭＴＢＡＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１ＪＩＳ－Ｂ６３３６指标－２０００标准Ａ↓：２２．４３８Ａｕ↓：２６．２８７定位Ａ↑：１３．０２１２３．２０４１４．９００Ａｕ↑：１９．０３２精度ＡＡ：２２．４３８Ａｕ：１７．８９２重复Ｒ↓：８．４４３Ｐｓ↓：１７．２４５定位Ｒ↑：１０．９６４１５．２３７７．０５０Ｐｓ↑：１９．４５６精度ＲＲ：１６．３２９Ｐ：３１．２６７反向９．３８０９．３８０８．３１０差值Ｂ系统１４．７４０１０．３８５偏差图６纵向进给方向某段位移位置精度实测曲线度时与ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００方法基本相同，但３．２评定数据计算结果计算公式存在２Ｓｉ和３Ｓｉ的不同，因此结果有一定根据表１所示４种标准规定的评定方法，得差距。到本研究对象的位置精度结果，如表３所示。（２）重复定位精度。应用ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－分析表３可以看出：２０００和ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１的评定结果分别为（１）定位精度。应用ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００１６．３２９μｍ和１５．２３７μｍ，差别微小；ＪＩＳ－Ｂ６３３６和ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１的评定结果分别为２２．４３８μｍ评定方法简单，ＮＭＴＢＡ标准评定所使用的公式和２３．２０４μｍ，基本一致，存在微小差别；ＪＩＳ－也不同。因此，ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００、ＶＤＩ／Ｂ６３３６评定方法简单，ＮＭＴＢＡ标准评定定位精ＤＧＱ３４４１与ＪＩＳ－Ｂ６３３６、ＮＭＴＢＡ标准之间不·１８６６· 数控车床位置精度检测与评定方法对比分析———王胜刘宏昭具备可比性。ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣＩＮＣＩＮＮＡＴＩＶｅｒｔｉｃａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇＣｅｎ－（３）反向差值。应用ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００ｔｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ和ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１的评定结果均为９．３８０μｍ，完Ｓｃｉｅｎｃｅ），２００３，９（４）：３４２－３４５．［４］ＱｉｕＨｕａ，ＬｉＹａｎｂｉｎ，ＬｉＹａｎ．ＡＮｅｗＭｅｔｈｏｄａｎｄ全一致，ＪＩＳ－Ｂ６３３６由于采用了７次测量，得到ＤｅｖｉｃｅｆｏｒＭｏｔｉｏｎＡｃｃｕｒａｃｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＮＣ的值更为精确。ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ．Ｐａｒｔ２：ＤｅｖｉｃｅＥｒｒｏｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（４）系统偏差。只有ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００ａｎｄＴｒａｊｅｃｔｏｒｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆＧｅｎｅｒａｌＰｌａｎａｒ和ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１对系统偏差进行了评定，结果Ｍｏｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００１，分别为１４．７４０μｍ和１０．３８５μｍ，评定方法基本相４１：５３５－５５４．同，只是计算公式有稍微差别。［５］周汉辉．数控机床精度检测项目及常用工具［Ｊ］．制造技术与机床，１９９９（８）：６９．４结论ＺｈｏｕＨａｎｈｕｉ．ＣＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＡｃｃｕｒａｃｙＴｅｓｔｉｎｇ（１）本文通过对数控机床位置检测工具及检ＰｒｏｇｒａｍｓａｎｄＴｏｏｌｓ［Ｊ］．ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ，１９９９（８）：６９．测方法的分析对比，分析了４种常用检测方法的［６］蔡有杰．数控机床位置精度评定方法对比与分析优缺点。对某型数控车床纵向进给系统位置精度［Ｊ］．机械科学与技术，２０１２，３１（１）：１２２－１２４．进行了局部测量，结果符合国标规定。但在全程ＣａｉＹｏｕｊｉｅ．ＴｈｅＣｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅ位移具体测量时，测量环境对测量结果有较大影ＡｃｃｕｒａｃｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＣＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ［Ｊ］．Ｍｅ－响。运用局部测量数据，结合正确的数学模型得ｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎ－到全域数值有待于进一步研究探讨。ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，３１（１）：１２２－１２４．（２）ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００和ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１［７］林璨．数控机床位置精度检测与三种评定方法的对检测指标全面，ＪＩＳ－Ｂ６３３６次之，ＮＭＴＢＡ最少，比认识［Ｊ］．现代计量测试，１９９６（１）：３２－３４．总体而言，ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１和ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－ＬｉｎＣａｎ．ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＡｃｃｕｒａｃｙｆｏｒＮＣ＆ＣＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓａｎｄＣｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄ２０００更为严谨。ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．（３）ＧＢ／Ｔ１７４２１．２－２０００的定位精度Ａ及ＭｏｄｅｒｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＴｅｓｔｉｎｇ，１９９６（１）：３２－３４．重复定位精度Ｒ主要通过增大测量值来体现严［８］王昀希．数控机床验收中位置精度评定方法探讨要求，但未能反映反向差值与方向性的影响；［Ｊ］．计量技术，２００６（９）：２３－２５．ＶＤＩ／ＤＧＱ３４４１与ＮＭＴＢＡ标准的定位精度Ａｂ、ＷａｎｇＪｕｎｘｉ．ＰｏｓｉｔｉｏｎａｌＡｃｃｕｒａｃｙＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ重复定位精度Ｐ更能全面评价机床的内部质量。ＭｅｔｈｏｄＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ［Ｊ］．因此，我们在制造特别是进口机床时，不能只ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（９）：２３－２５．［９］余耀强．两种模式的光栅尺、线纹尺检具［Ｊ］．金属关注指标大小，而要根据不同的标准，科学地分析加工，２００２（９）：５４－５５．精度指标，避免误判和造成不必要的损失。ＹｕＹａｏｑｉａｎｇ．ＴｗｏＭｏｄｅｓｏｆＧｒａｔｉｎｇａｎｄＬｉｎｅＳｃａｌｅＳｕｂｍｉｔ［Ｊ］．ＭｅｔａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００２（９）：５４－５５．参考文献：［１０］李斌，田莺，刘红奇．数控车床误差快速检测与精［１］张小平．数控车床直线位置精度的检测评定和调试度标定［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（１７）：１８－２１．［Ｊ］．机电技术，２００６，２９（２）：３９－４２．ＬｉＢｉｎ，ＴｉａｎＹｉｎｇ，ＬｉｕＨｏｎｇｑｉ．ＦａｓｔＥｒｒｏｒＭｅａｓ－ＺｈａｎｇＸｉａｏｐｉｎｇ．ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｏｒＣＮＣＬａｔｈｅＮＣＴｕｒｎｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｓＬｉｎｅＰｏｓｉｔｉｏｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎ［Ｊ］．［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１１，３９（１７）：ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２９（２）：３９－４２．１８－２１．［２］ＫｏｉｃｈｉｒｏＩｗａｓａｗａ，ＡｋｉｔｏＩｗａｍａ，ＫｉｍｉｙｕｋｉＭｉｔｓｕｉ．［１１］阎树田，张思成，胡立志．金属切削机床主轴运动ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＭｅａｓｕｒｉｎｇＭｅｔｈｏｄｆｏｒＳｅｖｅｒａｌ误差影响的数学分析［Ｊ］．中国机械工程，２００２，１３ＴｙｐｅｓｏｆＰｒｏｇｒａｍｍｅｄＴｏｏｌＰａｔｈｓｆｏｒＮＣＭａｃｈｉｎｅ（９）：７３７－７３９．ＴｏｏｌｓＵｓｉｎｇａＬａｓｅｒＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒＹａｎＳｈｕｔｉａｎ，ＺｈａｎｇＳｉｃｈｅｎｇ，ＨｕＬｉｚｈｉ．Ｍａｔｈｅｍａｔ－ａｎｄａＲｏｔａｒｙＥｎｃｏｄｅｒ［Ｊ］．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｆｌｕｅｎｃｅｓＣａｕｓｅｄｂｙＭｅｔａｌＣｕｔｔｉｎｇ２００４，２８：３９９－４０８．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＳｐｉｎｄｌｅＥｒｒｏｒＭｏｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ［３］陈勇，陈慧宝，孙桂清．ＣＩＮＣＩＮＮＡＴＩ立式加工中心ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，１３（９）：７３７－７３９．改造精度的测试与分析［Ｊ］．上海大学学报（自然科［１２］陈颖，张学典，逯兴莲，等．自准直仪的现状与发展学版），２００３，９（４）：３４２－３４５．趋势［Ｊ］．光机电信息，２０１１，２８（１）：６－９．ＣｈｅｎＹｏｎｇ，ＣｈｅｎＨｕｉｂａｏ，ＳｕｎＧｕｉｑｉｎｇ．ＡｃｃｕｒａｃｙＣｈｅｎＹｉｎｇ，ＺｈａｎｇＸｕｅｄｉａｎ，ＬｕＸｉｎｇｌｉａｎ．Ｃｕｒｒｅｎｔ·１８６７· 中国机械工程第２４卷第１４期２０１３年７月下半月数控机床进给系统机械刚度的闭环参数辨识陈光胜李郝林林献坤上海理工大学，上海，２０００９３摘要：对于高速高精度机床，进给系统机械刚度是影响机床动态特性的重要参数。以采用商用数控系统的机床为研究对象，提出了机械刚度闭环辨识的新方法。针对移动工作台机械系统的二阶系统模型，推导出全闭环条件下的刚度辨识递推公式，通过输入二次位移曲线实现系统的持续有效激励。为验证提出的机械刚度辨识方法的有效性，进行了仿真和实验，结果表明，提出的刚度闭环辨识方法不受数控系统的开放性限制，方法简便、有效，适合生产现场。关键词：高速、高精度；进给系统；机械刚度；辨识中图分类号：ＴＰ２７３．１ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１３．１４．００５ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｉｆｆｎｅｓｓＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒＦｅｅｄＳｙｓｔｅｍｏｆＣＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓｕｎｄｅｒＣｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓＣｈｅｎＧｕａｎｇｓｈｅｎｇＬｉＨａｏｌｉｎＬｉｎＸｉａｎｋｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００９３Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｈａｓａｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ＆ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｓｅｒｖｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃａｎｂｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｕｎｄｅｒｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓｉｎｗｈｉｃｈｐｏｐｕｌａｒｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ（ＣＮＣ）ｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎ２ｏｒｄｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｗｏｒｋｔａｂｌｅ，ａｎｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｆｆ－ｎｅｓｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｉｎｐｕｔｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｏｍｍａｎｄｓｗｈｉｃｈｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓａｍｕｌｔｉ－ｓｅｇｍｅｎｔｑｕａｄｒａｔｉｃｃｕｒｖｅｔｏＣＮＣｓｙｓｔｅｍ．Ｔｏｖｅｒｉｆｙｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＣＮＣｓｙｓｔｅｍｅｖｅｎｃｌｏｓｅｄ－ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｆｅｅｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ０引言扮演了非常重要的角色。进给系统动态参数如机对于高速高精度机床，进给系统的动态特性床工作台的质量、阻尼、机械刚度和摩擦力等均对系统动态特性有重要影响。关于质量、阻尼、摩擦收稿日期：２０１２—０４—１９力的辨识理论和方法在文献［１－３］中均有描述。基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００５１５８）；国家科技支文献［４］将工作台等效为一阶系统，摩擦模型采用撑计划资助项目（２０１２ＢＡＦ０１Ｂ００）ＳｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｏｆＡｕｔｏｃｏｌｌｉｍａ－Ｔｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００３ｔｏｒ［Ｊ］．ＯＭＥＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２０１１，２８（１）：６－９．（１１）：７６－７７．［１３］黄天喜，严祯，曾韬．几种测量机床导轨直线度误［１５］王胜，刘宏昭，原大宁．重型数控卧式车床位置精差的方法［Ｊ］．机械工程与自动化，２００８（４）：１８６－度的激光测量与误差补偿［Ｊ］．西安理工大学学报，１８９．２０１１，２７（１）：２７１－２７４．ＨｕａｎｇＴｉａｎｘｉ，ＹａｎＺｈｅｎ，ＺｅｎｇＴａｏ．ＳｅｖｅｒａｌＷａｎｇＳｈｅｎｇ，ＬｉｕＨｏｎｇｚｈａｏ，ＹｕａｎＤａｎｉｎｇ．ＬａｓｅｒＭｅｔｈｏｄｓｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅＬｉｎｅａｒＥｒｒｏｒｏｆＭａｃｈｉｎｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＥｒｒｏｒｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆＰｏｓｉｔｉｏｎＴｏｏｌＧｕｉｄｅｗａｙ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕ－ＡｃｃｕｒａｃｙｆｏｒＣＮＣＨｅａｖｙ－ｄｕｔｙＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＬａｔｈｅｔｏｍａｔｉｏｎ，２００８（４）：１８６－１８９．［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，［１４］孟凯，乔炜，骆朝晖．先进检测仪器在数控机床精２０１１，２７（１）：２７１－２７４．（编辑苏卫国）度验收中的应用［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００３（１１）：７６－７７．作者简介：王胜，男，１９７４年生。西安理工大学机械与精密仪ＭｅｎｇＫａｉ，ＱｉａｏＷｅｉ，ＬｕｏＺｈａｏｈｕｉ．ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａ－器工程学院博士研究生，陕西工商职业学院工程管理系副教授。ｔｉｏｎｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｓｔｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅＣＮＣ主要研究方向为数控机床可靠性及精度分析。刘宏昭，男，１９５４年生。西安理工大学机械与精密仪器工程学院教授、博士研究生ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＡｃｃｕｒａｃｙ［Ｊ］．ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅ导师。·１８６８·'