別被機(jī)床樣本上的精度欺騙了!
大家在購(gòu)買(mǎi)機(jī)床時(shí)經(jīng)常會(huì)關(guān)注精度指標(biāo)，如某日系品牌a標(biāo)注的定位精度為±0.002mm；某德系品牌b標(biāo)注的定位精度為0.006mm。大家會(huì)理所當(dāng)然的認(rèn)為a比b的精度要高，事實(shí)真的是這樣的嗎？
要搞清楚這件事情必須要先明白精度的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法。
1、精度定義
一般說(shuō)來(lái)，精度是指機(jī)床將刀尖點(diǎn)定位至程序目標(biāo)點(diǎn)的能力。然而，丈量這種定位能力的辦法很多，更為重要的是，不同的國(guó)家有不同的規(guī)定。
日本機(jī)床生產(chǎn)商標(biāo)定“精度”時(shí)，通常采用jisb6201或jisb6336或jisb6338標(biāo)準(zhǔn)。jisb6201一般用于通用機(jī)床和普通數(shù)控機(jī)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(biāo)準(zhǔn)在定義位置精度時(shí)基本相同，文中僅以jis b6336作為子，由于一方面該標(biāo)準(zhǔn)較新，另一方面相對(duì)于其它兩種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，它要稍稍一些。
歐洲機(jī)床生產(chǎn)商，特別是德國(guó)廠家，一般采用vdi/dgq3441標(biāo)準(zhǔn)。
美國(guó)機(jī)床生產(chǎn)商通常采用nmtba(national machine tool builder's assn)標(biāo)準(zhǔn)(該標(biāo)準(zhǔn)源于美國(guó)機(jī)床制造協(xié)會(huì)的一項(xiàng)研究，頒布于1968年，后經(jīng)修改)。
上面所提到的這些標(biāo)準(zhǔn)，都與iso標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。
當(dāng)標(biāo)定一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的精度時(shí)，非常有必要將其采用的標(biāo)準(zhǔn)一同標(biāo)注出來(lái)。同樣一臺(tái)機(jī)床，因采用不同標(biāo)準(zhǔn)會(huì)顯示出不同的數(shù)據(jù)(采用jis標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)比用美國(guó)的nmtba標(biāo)準(zhǔn)或德國(guó)vdi標(biāo)準(zhǔn)明顯小很多)。
2、同樣的指標(biāo)，不同的含義
經(jīng)常輕易混淆的是：同樣的指標(biāo)名在不同的精度標(biāo)準(zhǔn)中代表不同的意義，不同的指標(biāo)名卻具有相同的含義。上述4種標(biāo)準(zhǔn)，除jis標(biāo)準(zhǔn)之外，皆是在機(jī)床數(shù)控軸上對(duì)多目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行多回合丈量之后，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來(lái)的，其關(guān)鍵不同點(diǎn)在于:(1)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目;(2)丈量回合數(shù);(3)從單向還是雙向接近目標(biāo)點(diǎn)(此點(diǎn)尤為重要);(4)精度指標(biāo)及其它指標(biāo)的計(jì)算方法。
3、iso標(biāo)準(zhǔn)
在所有現(xiàn)行的精度丈量過(guò)程中，沿軸向分布的各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上都假設(shè)存在一條正態(tài)分布曲線(圖1)。由于是多回合的丈量過(guò)程，因此對(duì)應(yīng)于個(gè)目標(biāo)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，都存在一個(gè)實(shí)際測(cè)定點(diǎn)系列分布，通過(guò)對(duì)這種分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算(累積，多次s)，即可定義該正態(tài)曲線。
一個(gè)±3次標(biāo)準(zhǔn)偏差(記做±3s--亦即共6s)可以覆蓋無(wú)窮個(gè)實(shí)際點(diǎn)中約99.74%的位置分布情形。而這個(gè)發(fā)散度即稱作重復(fù)精度，它是指某目標(biāo)點(diǎn)處的重復(fù)精度。
圖1 圖2
圖1中的正態(tài)曲線是指從單方向接近目標(biāo)點(diǎn)的曲線(稱為單向)，假如從反方向接近目標(biāo)點(diǎn)(稱為雙向)，將會(huì)出現(xiàn)第二條正態(tài)分布曲線(圖2)，兩次不同方向時(shí)的結(jié)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(jī)床采用單向檢測(cè)的數(shù)字結(jié)果要比雙向檢測(cè)時(shí)好看得多。
為了標(biāo)定機(jī)床的定位精度，必須在運(yùn)動(dòng)軸向上建立一些目標(biāo)位置點(diǎn)，然后根據(jù)目標(biāo)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一系列實(shí)際位置點(diǎn)計(jì)算±3s的分布。假如一條理論正態(tài)曲線──或雙向時(shí)的兩條──在每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上形成，在經(jīng)過(guò)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iso230-1標(biāo)準(zhǔn)中所指的定位精度(圖3)。
軸向重復(fù)精度指目標(biāo)點(diǎn)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(gè)zui簡(jiǎn)單的理解：重復(fù)精度大約為定位精度的½，但也有例外，并且有時(shí)出進(jìn)還很大。圖3中目標(biāo)點(diǎn)的正態(tài)曲線旋轉(zhuǎn)了90°，目的是為了更加直觀地表達(dá)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%的可能的不正確性，因此可以期看用它能較好地評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際性能。
圖3
4、nmtba標(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)的nmtba標(biāo)準(zhǔn)與iso標(biāo)準(zhǔn)非常近似，一個(gè)區(qū)別就是：nmtba標(biāo)準(zhǔn)喜歡采用單向丈量，而iso標(biāo)準(zhǔn)建議雙向丈量；另一區(qū)別是nmtba標(biāo)準(zhǔn)采用“滑動(dòng)尺”(如同vdi標(biāo)準(zhǔn))，這樣把精度與軸的長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)起來(lái)，而這一點(diǎn)iso標(biāo)準(zhǔn)并未涉及。單從這一點(diǎn)來(lái)看，1972年出版的nmtba標(biāo)準(zhǔn)也許有點(diǎn)過(guò)期，由于控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，諸如絲桿間隙補(bǔ)償?shù)取，F(xiàn)在已經(jīng)能夠調(diào)整軸向移動(dòng)中產(chǎn)生的誤差──不論軸的是非，而1988年出版的iso標(biāo)準(zhǔn)則很顯然地反映出這一點(diǎn)。同樣應(yīng)該留意的是，nmtba標(biāo)準(zhǔn)在滑動(dòng)尺這一點(diǎn)上與vdi標(biāo)準(zhǔn)相似。
還有一點(diǎn)區(qū)別，那就是nmtba以正負(fù)值反映，而vdi和iso以盡對(duì)值反映，實(shí)際上盡對(duì)值與正值和負(fù)值相等(也就是0.002mm，-0.002mm或±0.002mm=0.004mm)，兩種表達(dá)方式總的來(lái)說(shuō)有相同的解釋，但技術(shù)上來(lái)說(shuō)還是不一樣的。
5、 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)
德國(guó)采用的標(biāo)準(zhǔn)vdi/dgq(verein deutscher ingeieure/deutsche gesellschaft fuer qualitaet)與iso及nmtba標(biāo)準(zhǔn)基本相近，或者更正確地說(shuō)，iso標(biāo)準(zhǔn)與vdi及nmtba標(biāo)準(zhǔn)相近。由于后二者在前者之前問(wèn)世并且很明顯地被前者用做基礎(chǔ)。盡管計(jì)算方法及指標(biāo)有區(qū)別，但關(guān)計(jì)算結(jié)果，即定位精度和重復(fù)精度在三種標(biāo)準(zhǔn)中相近。
德國(guó)vdi方法是文中所提及各種方法中zui復(fù)雜的一種，該標(biāo)準(zhǔn)中的一些指標(biāo)，若不做仔細(xì)分析，則很難搞清楚。指標(biāo)“定位精度”不象在iso標(biāo)準(zhǔn)中只有單一數(shù)字表達(dá)，而是分成四個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程不大一樣，但*結(jié)果卻極為近似：都是計(jì)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(jì)算方法。vdi標(biāo)準(zhǔn)將雙向丈量的兩根正態(tài)曲線合并為一體，定義為定位發(fā)散度(ps)它是通過(guò)首先取均勻值，然后進(jìn)行六次均勻標(biāo)準(zhǔn)差(即6s，圖5)而得出的，然后將反向誤差(u)除以2，每一半加至均勻正態(tài)曲線(即定位發(fā)散度)的一端(圖4中的“u/2”)。
圖4 圖5
指標(biāo)“定位偏差”在vdi中的描述與iso標(biāo)準(zhǔn)中的同名指標(biāo)不同，在iso標(biāo)準(zhǔn)中它是指目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)之差(圖1)，在vdi標(biāo)準(zhǔn)中是指沿軸向的各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一系列實(shí)際位置點(diǎn)的均勻值的zui大差額(圖6)。
圖6
軸向重復(fù)精度與iso標(biāo)準(zhǔn)中的定義很相似，它是由目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的zui大定位發(fā)散度加上反向誤差而得到的(圖4)。
6、jis標(biāo)準(zhǔn)
日本產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)jis遠(yuǎn)比前述任一精度標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單，自然也遠(yuǎn)不如前述任一精度標(biāo)準(zhǔn)正確。jis b6336僅要求一次往返目標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)(雙向)目標(biāo)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)實(shí)際點(diǎn)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(yùn)用的±3s分布。
圖7
用這種方法計(jì)量出的數(shù)控機(jī)床的精度結(jié)果給人的感覺(jué)是無(wú)論比iso標(biāo)準(zhǔn)還是nmtba標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量的都要高，數(shù)值比例為1:2。jis標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)精度是指目標(biāo)點(diǎn)處的zui大分散度。這種通過(guò)7次雙向丈量得出的zui大分散度除以2，然后冠以“±”值，即表達(dá)出重復(fù)精度(圖8)。
圖8
總結(jié)
通常德國(guó)機(jī)采用vdi3441標(biāo)準(zhǔn)，如：dmg mori(德馬吉森精機(jī))、index(因代克斯)等；其他歐洲機(jī)采用iso標(biāo)準(zhǔn)，如：mikron(米克朗)、parpas(帕爾怕斯)等；日本機(jī)采用jis標(biāo)準(zhǔn)，如：mazak(馬扎克)、makino(牧野)等；當(dāng)然也有一些品牌為彰顯自己對(duì)品質(zhì)的高要求，不采用本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)而采用vdi3441標(biāo)準(zhǔn)的，如：hurco(赫克)、alex-tech(伍將)等。所以我們不能簡(jiǎn)單根據(jù)樣本數(shù)據(jù)來(lái)判斷，一定要搞清楚執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，仔細(xì)分析，避免掉進(jìn)宣傳陷阱。