ГОСТ ISO 230-1-2018. Межгосударственный стандарт. Нормы и правила испытаний станков. Часть 1. Геометрическая точность станков, работающих на холостом ходу или в квазистатических условиях

Приложение A

(справочное)

 

СИСТЕМА КООРДИНАТ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

И ПОГРЕШНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ

 

A.1 Общие положения

Хотя номенклатура станочных осей перемещения определена в ISO 841, оси имеющихся марок могут не соответствовать заданным характеристикам геометрических погрешностей станка и управляющих устройств, предназначенных для компенсации этого несоответствия.

Настоящее приложение предоставляет систематический путь для определения координатных систем металлорежущих станков, в которых точно определено геометрическое соотношение между осями перемещения и связанных с этим погрешностей.

В целях оценки геометрической точности станка и/или компенсации погрешности программного обеспечения необходимо при описании положений и направлений осей перемещения в системе координат определять погрешность настройки между этими осями для станков любой конфигурации и компоновки.

Во избежание излишних измерений погрешности настройки между осями перемещения точка отсчета и направление системы координат станка выбираются таким образом, чтобы определять главную ось перемещения (два основных направления) и вторичные оси перемещения (определяются три направления).

В качестве пояснения к описанию приведены три примера: один для трехосного металлорежущего станка (см. A.5), один для пятиосного металлорежущего станка (см. A.6) и один для многоцелевого токарного центра (A.7). Показано, что для полной характеристики трехосного металлорежущего станка необходимы пять погрешностей ориентации - три погрешности перпендикулярности осей плюс две погрешности направления шпинделя металлорежущего станка относительно системы координат, а для характеристики пятиосного станка и многоцелевого токарного центра требуется 12 погрешностей положения и ориентации.

A.2 Базовая прямая линия оси линейного перемещения

Базовая прямая линия оси линейного перемещения в 3D-системе координат представляется прямой линией с двумя направлениями (углами). Кроме того, для линейных осей с числовым управлением позиционированием погрешность в нулевом положении (например, E_Z0Z) включает также в большинстве случаев термины, представленные на рисунке A.1.

 

 

X_N - номинал оси X; E_Z0Z - начало отсчета погрешности оси Z;

Y_N - номинал оси Y; E_A0Z - погрешность перпендикулярности

оси Z к Y; Z_N - номинал оси Z; E_B0Z - погрешность

перпендикулярности оси Z к X; Z_A - фактическая базовая

линия перемещения компонента вдоль оси Z

 

Рисунок A.1 - Погрешности позиционирования

и ориентации линейной оси Z

 

Примечание - Обычно погрешность нулевой позиции линейной оси (например, E_Z0Z) могут сводить к нулю (0), когда контролируют геометрическую точность металлорежущего станка.

 

Из-за погрешностей перемещения по горизонтальным и вертикальным прямым линиям (продольному и поперечному крену, повороту вокруг вертикали) траектория линейного перемещения компонента не является прямой линией, а располагается в пространстве подобно траектории a, представленной на рисунке A.2.

 

 

X - ось X (номинальная); Y - ось Y (номинальная); Z - ось Z

(номинальная); a, b - фактическая траектория линейного

перемещения номинальной оси Y; E_AY - угловая погрешность оси

Y в направлении оси A (поперечный крен); E_BY - угловая

погрешность оси Y в направлении оси B (продольный крен);

E_CY - угловая погрешность оси Y в направлении оси C (поворот

вокруг вертикали); E_XY - отклонение от прямолинейности оси Y

в направлении оси X; E_YY - погрешность позиционирования оси

Y; E_ZY - отклонение от прямолинейности оси Y в направлении

оси Z

 

Рисунок A.2 - Металлорежущий станок с погрешностями

перемещения вдоль линейной оси Y

 

Форма этой траектории зависит от ее местоположения в рабочем пространстве так же, как и от величины и направления искаженного линейного перемещения (например, может измениться до траектории b, показанной на рисунке A.2). Если учесть все фактические перемещения линейной оси, фактическую траекторию b можно рассчитать на основе траектории a, представленной на рисунке A.2.

Пользователь самостоятельно решает, какую траекторию использовать в качестве базовой. Эта базовая траектория необходима для определения базовой прямой линии линейной оси перемещения, например ее конечной точки. Базовую прямую линию в станках с 3D-системой координат определяют параметры двух направлений (углы). В случае, приведенном на рисунке A.2, базовая прямая линия оси Y определяет погрешность перпендикулярности оси Y к оси X - E_C0Y и к оси Z - E_A0Y.

A.3 Базовая прямая линия оси вращения

Базовой прямой линией, представляющей ось вращения вращающегося компонента с соответствующими аксиальными и радиальными погрешностями, а также качанием (опрокидыванием), является средняя линия самого компонента.

Среднюю линию вращающегося компонента представляет прямая линия, имеющая четыре параметра: две координаты положения вдоль осей координат, перпендикулярных номинальному направлению оси вращения, и два угла направлений в 3D-системе координат. Две погрешности положения и две погрешности направления оси вращения, номинально параллельной базовой оси Z, представлены на рисунке 13 (см. 3.5.8). Аналогично для осей вращения с числовым программным управлением позиционированием погрешность позиционирования точки отсчета угловых положений оси (например, E_C0C) также включается в общее число терминов, обозначающих погрешности.

Как правило, при контроле геометрической точности станков погрешности начала отсчета угловых положений оси вращения (например, E_C0C) можно сводить к нулю.

A.4 Система координат металлорежущего станка

Как установлено ISO 841, система координат станка представляет собой прямоугольную систему координат по правилу "правой руки". Положение и направление системы координат металлорежущего станка обычно определены осями перемещения его подвижных компонентов.

Начало отсчета и базовые линии системы координат металлорежущего станка могут быть выбраны произвольно. Однако более практичным является использование для определения положения и направления системы координат станка тех базовых линий осей перемещения, шесть параметров которых сходятся в нулевой точке. Это делается в первую очередь для выбора главной оси перемещения путем настройки ее базовой прямой линии коаксиально (соосно) с одной из осей системы координат станка и определения таким образом двух параметров ее ориентации и ортогональной плоскости, в которой лежат две другие оси системы координат станка. Далее выбирают вторую ось перемещения для того, чтобы ее базовая прямая линия определяла третий параметр направления как результат ее проекции на ранее определенную плоскость. Наконец, выбирают точку отсчета системы координат, определяющую три параметра положения. Выбор главной и второй оси, а также точки отсчета системы координат металлорежущего станка зависит от его конструкции, возможностей механической коррекции и механической и/или программной компенсации.

Три приведенных в A.5 - A.7 примера (трехосного и пятиосного металлорежущих станков и многоцелевого токарного центра) наглядно иллюстрируют, как проводят выбор системы координат металлорежущего станка, чьи параметры требуется измерить.

Иногда для базирующейся на программном обеспечении компенсации погрешности оптимизированную систему координат станка рассчитывают на основе требований, определяемых пользователем. Приемлемым приемом определения ориентации системы координат станка является ее максимальная близость к физической оси станка (например, к оси главного шпинделя) и расположение в интересующей точке, допустим в центральной точке рабочего объема.

A.5 Система координат для трехосного металлорежущего станка

В таблице A.1 приведены обозначения погрешностей 13 параметров положения и направления для металлорежущего станка, представленного на рисунке A.2.

 

Таблица A.1

 

Погрешности параметров положения и направления

для трехосного металлорежущего станка

 

Ось Y	Ось X	Ось Z	(C)-шпиндель
-	EX0X	-	EX0(C)
EY0Y	-	-	EY0(C)
-	-	EZ0Z	-
EA0Y	-	EA0Z	EA0(C)
-	EB0X	EB0Z	EB0(C)
EC0Y	EC0X	-	-

 

Обозначения погрешностей параметров положения и направления металлорежущего станка в таблице A.1 соответствуют выбору фактической системы координат станка в качестве системы координат для контроля этих параметров. Поскольку в принципе начальную точку положений линейной оси станка можно принимать за точку отсчета при проверке геометрической точности этого станка, данные таблицы A.1 можно упростить, преобразовав их в данные таблицы A.2.

 

Таблица A.2

 

Упрощенный перечень погрешностей параметров положения

и направления для полной характеристики трехосного

металлорежущего станка

 

Ось Y	Ось X	Ось Z	(C)-шпиндель
-	(0)	-	EX0(C)
(0)	-	-	EY0(C)
-	-	(0)	-
EA0Y	-	EA0Z	EA0(C)
-	EB0X	EB0Z	EB0(C)
EC0Y	EC0X	-	-

 

Если для определения положения и направления линейных осей металлорежущего станка использована его система координат, в таблице A.2 пять позиций и направлений можно сводить к нулю (или к любому произвольному номиналу).

Рассмотрены следующие примеры:

- если в качестве главной оси выбрана ось Y, базовую прямую линию этой оси, обозначаемую через E_A0Y и E_C0Y, соосную с осью Y системы координат станка, устанавливают в нулевую позицию;

- если в качестве второй оси выбрана ось X, базовую прямую линию этой оси устанавливают в нулевую позицию и определяют направление оси X системы координат станка, обозначаемое через E_B0X;

- если положение (C)-шпинделя (точка пересечения средней линии оси шпинделя с плоскостью XY) определяет точку отсчета системы координат станка, к нулю можно сводить два параметра - E_X0(C) и E_Y0(C).

Следовательно, для испытуемого станка, представленного на рисунке A.2, остается измерять только пять погрешностей направления (см. таблицу A.3).

 

Таблица A.3

 

Минимальное количество погрешностей параметров для полной

характеристики трехосного металлорежущего станка

 

Ось Y	Ось X	Ось Z	(C)-шпиндель
-	(0)	-	0
(0)	-	-	0
-	-	(0)	-
0	-	EA0Z	EA0(C)
-	0	EB0Z	EB0(C)
0	EC0X	-	-

 

Позицию функциональной точки режущего инструмента на оси Z можно принять за Z-базу для точки отсчета системы координат металлорежущего станка.

Примечание - Эта процедура относится к установлению системы координат обрабатываемой заготовки, где база отсчета A определяет главную ось, база отсчета B - вторую ось, а база отсчета C - точку отсчета системы координат заготовки.

 

Итак, для полной характеристики трехосных металлорежущих станков требуется следующий сводный перечень результатов измерения погрешностей геометрических параметров, связанных с погрешностями направления:

- E_C0X - погрешность перпендикулярности оси X к оси Y;

- E_A0Z - погрешность перпендикулярности оси Z к оси Y;

- E_B0Z - погрешность перпендикулярности оси Z к оси X;

- E_A0(C) - погрешность перпендикулярности оси (C) к оси Y;

- E_B0(C) - погрешность перпендикулярности оси (C) к оси X.

Определив систему координат металлорежущего станка, можно относительно этой системы определять положения и направления всех функциональных поверхностей станка - стола, пазов, торца шпинделя и т.д.

A.6 Система координат пятиосного металлорежущего станка

Обозначения погрешностей 23 параметров положения и направления для полной характеристики пятиосного металлорежущего станка, представленного на рисунке A.3, приведены в таблице A.4.

 

 

1 - поворотный стол (ось C'); 2 - салазки стола (ось X');

3 - станина; 4 - салазки стойки (ось Y); 5 - стойка;

6 - салазки траверсы; 7 - траверса; 8 - поворотная

шпиндельная головка (ось A); 9 - шпиндель (C1)

 

Рисунок A.3 - Конструкция пятиосного металлорежущего станка

 

Таблица A.4

 

Погрешности параметров положения и направления для полной

характеристики пятиосного металлорежущего станка

 

Ось C	Ось X	Ось Y	Ось Z	Ось A	(C1)
EX0C	EX0X	-	-	-	EX0(C1)
EY0C	-	EY0Y	-	EY0A	EY0(C1)
-	-	-	EZ0Z	EZ0A	-
EA0C	-	EA0Y	EA0Z	EA0A	EA0(C1)
EB0C	EB0X	-	EB0Z	EB0A	EB0(C1)
EC0C	EC0X	EC0Y	-	EC0A	-

 

В принципе, если только возможно в процессе проверки геометрической точности станка все начальные позиции линейных осей и осей вращения сводить в нулевую точку, можно упростить данные таблицы A.4, преобразовав их в данные таблицы A.5.

 

Таблица A.5

 

Упрощенный перечень погрешностей параметров для полной

характеристики пятиосного металлорежущего станка

 

Ось C	Ось X	Ось Y	Ось Z	Ось A	(C1)
EX0C	(0)	-	-	-	EX0(C1)
EY0C	-	(0)	-	EY0A	EY0(C1)
-	-	-	(0)	EZ0A	-
EA0C	-	EA0Y	EA0Z	(0)	EA0(C1)
EB0C	EB0X	-	EB0Z	EB0A	EB0(C1)
(0)	EC0X	EC0Y	-	EC0A	-

 

Для дальнейшего упрощения испытаний пятиосного металлорежущего станка систему координат станка выбирают следующим путем:

- ось X определена в качестве главной оси;

- ось Y - в качестве второй оси;

- отсчет производят вдоль оси C на той высоте (ось Z), где средняя линия оси A пересекается с плоскостью ZY, если все указанные оси сходятся в одной точке, которую можно принять за начало отсчета.

В результате остается проверять только 12 параметров, представленных в таблице A.6.

 

Таблица A.6

 

Минимальное число погрешностей параметров для полной

характеристики пятиосного металлорежущего станка

 

Ось C	Ось X	Ось Y	Ось Z	Ось A	(C1)
0	(0)	-	-	-	EX0(C1)
0	-	(0)	-	EY0A	EY0(C1)
-	-	-	(0)	0	-
EA0C	-	0	EA0Z	(0)	EA0(C1)
EB0C	0	-	EB0Z	EB0A	EB0(C1)
(0)	0	EC0Y	-	EC0A	-

 

Итак, суммарным результатом является следующий перечень погрешностей геометрических параметров, измерение которых необходимо для полной характеристики пятиосного металлорежущего станка:

- E_A0C - погрешность перпендикулярности C к Y;

- E_B0C - погрешность перпендикулярности C к X;

- E_C0Y - погрешность перпендикулярности Y к X;

- E_A0Z - погрешность перпендикулярности Z к Y;

- E_B0Z - погрешность перпендикулярности Z к X;

- E_Y0A - смещение (сдвиг) Y от A к C;

- E_B0A - погрешность параллельности A и X относительно плоскости ZX;

- E_C0A - погрешность параллельности от A до X относительно плоскости XY;

- E_X0(C1) - смещение (сдвиг) X от (C1) к C относительно плоскости XY;

- E_Y0(C1) - смещение (сдвиг) Y от (C1) к C относительно плоскости XY;

- E_A0(C1) - погрешность перпендикулярности (C1) к Y;

- E_B0(C1) - погрешность перпендикулярности (C1) к X.

Для полной оценки эксплуатационных показателей станка следует также измерять расстояние от оси A до функциональной точки инструмента вдоль оси шпинделя (C1). Это расстояние следует учитывать, если кинематические испытания, такие как ходовые испытания для аналогичного трехосного станка, производят с использованием детали со сферической поверхностью и датчиков или обрабатывающего инструмента на шаровом шарнире в станках с наклонной шпиндельной головкой. Однако для этой цели предпочтительнее параметры положения инструмента, а параметры положения станка не учитывают, и в настоящее приложение они не включены.

Выбор начала отсчета, главной и второй оси системы координат металлорежущего станка различен для разных установок, используемых для измерения геометрической точности. Независимо от выбора системы координат металлорежущего станка, число подлежащих измерению параметров остается 12 и состоит из трех параметров положения и девяти параметров направления. Измерение меньшего числа погрешностей, чем указано, дает неполное описание погрешностей положения и направления испытуемого станка. Измерение большего числа погрешностей является избыточным. Один результат измерения или более могут быть выведены из комбинации результатов измерений оставшихся параметров. Например, в рассматриваемом случае отсутствует необходимость измерять параллельность осей (C1) и C, поскольку эту величину можно вычислить из E_A0C, E_A0(C1), E_B0C и E_B0(C1).

Примечание - Иногда это удобно для описания погрешностей перемещений какой-либо оси относительно той оси, на которой она установлена. Запись погрешностей параметров, приведенная в 3.6.7, можно также использовать для описания погрешностей параметров в относительных понятиях. Например, в станке конструкции, приведенной на рисунке A.3, перпендикулярность средней линии оси вращения A к оси Z в "относительной" нотации представлена E_B(0Z)A, что соответствует разности E_B0A - E_B0Z в "абсолютной" нотации. Изучить происхождение процедуры минимального числа погрешностей в "относительной" нотации можно, например, в [12].

 

A.7 Система координат для полной характеристики многоцелевого токарного центра

Для многоцелевого токарного центра, представленного на рисунке A.4, измерению подлежат 23 погрешности параметров положения и направления, сведенные в таблицу A.7.

 

 

1 - рабочий шпиндель (ось C'); 2 - головка рабочего

шпинделя; 3 - станина; 4 - салазки стойки (ось Z);

5 - стойка (ось Y); 6 - поперечные салазки (ось X);

7 - наклонная шпиндельная головка (ось B);

8 - инструментальный шпиндель (ось A)

 

Рисунок A.4 - Конструкция многоцелевого токарного центра

 

Таблица A.7

 

Погрешности параметров положения и направления для полной

характеристики многоцелевого токарного центра

 

Ось C	Ось Z	Ось Y	Ось X	Ось B	Ось (A) - шпиндель
EX0C	-	-	EX0X	EX0B	-
EY0C	-	EY0Y	-	-	EY0(A)
-	EZ0Z	-	-	EZ0B	EZ0(A)
EA0C	EA0Z	EA0Y	-	EA0B	-
EB0C	EB0Z	-	EB0X	EB0B	EB0(A)
EC0C	-	EC0Y	EC0X	EC0B	EC0(A)

 

Поскольку в принципе все нулевые позиции линейных осей и осей вращения в процессе испытания можно сводить в начало отсчета системы координат, данные в таблице A.7 можно упростить, преобразовав их в данные таблицы A.8.

 

Таблица A.8

 

Упрощенный перечень погрешностей параметров

для многоцелевого токарного центра

 

Ось C	Ось Z	Ось Y	Ось X	Ось B	Ось (A) - шпиндель
EX0C	-	-	(0)	EX0B	-
EY0C	-	(0)	-	-	EY0(A)
-	(0)	-	-	EZ0B	EZ0(A)
EA0C	EA0Z	EA0Y	-	EA0B	-
EB0C	EB0Z	-	EB0X	(0)	EB0(A)
(0)	-	EC0Y	EC0X	EC0B	EC0(A)

 

Для дальнейшего упрощения испытаний многоцелевого токарного центра систему координат станка выбирают следующим путем:

- в качестве главной оси определена ось Z;

- в качестве второй оси - ось X;

- отсчет производят вдоль средней линии оси B на той координате оси Y, где средняя линия оси A пересекается с плоскостью YZ, если все указанные оси сходятся в одной точке, которую можно принять за начало отсчета.

В результате для измерения погрешности останутся только 12 параметров, представленных в таблице A.9.

 

Таблица A.9

 

Минимальное число погрешностей параметров для полной

характеристики многоцелевого токарного центра

 

Ось C	Ось Z	Ось Y	Ось X	Ось B	Ось (A) - шпиндель
EX0C	-	-	(0)	0	-
EY0C	-	(0)	-	-	0
-	(0)	-	-	0	EZ0(A)
EA0C	0	EA0Y	-	EA0B	-
EB0C	0	-	EB0X	(0)	EB0(A)
(0)	-	EC0Y	0	EC0B	EC0(A)

 

Таким образом, для многоцелевого токарного центра получается следующий итоговый перечень подлежащих измерению погрешностей геометрических параметров, относящихся к позиционированию и ориентации:

- E_X0C - смещение оси X от C к B относительно плоскости XY;

- E_Y0C - смещение оси Y от C к (A) относительно плоскости XY;

- E_A0C - погрешность параллельности C с Z в плоскости YZ;

- E_B0C - погрешность параллельности C с Z в плоскости ZX;

- E_B0X - погрешность перпендикулярности X к Z;

- E_A0Y - погрешность перпендикулярности Y к Z;

- E_C0Y - погрешность перпендикулярности Y к X;

- E_A0B - погрешность перпендикулярности B к Z;

- E_C0B - погрешность перпендикулярности B к X;

- E_Z0(A) - смещение Z от (A) к B относительно плоскости YZ;

- E_B0(A) - погрешность перпендикулярности (A) к Z;

- E_C0(A) - погрешность параллельности (A) с X в плоскости XY.

Для полной оценки эксплуатационных характеристик многоцелевого токарного центра следует также измерять расстояние от оси B до функциональной точки инструмента вдоль шпинделя [оси (A)]. Это расстояние необходимо учитывать в том случае, если кинематические испытания, аналогичные ходовым испытаниям трехосного металлорежущего станка, проводят с использованием сферического калибра и датчиков (R-тест, испытание на надежность) или измерительного инструмента на выдвижном шпинделе в станках с наклонной головкой шпинделя. Однако это не дает возможности учитывать параметры позиционирования станка, а только в некоторой степени параметры позиции инструмента, поэтому они не включены в настоящее приложение.

Выбранные начало отсчета, главная ось системы координат дают различные результаты для различной номинальной геометрической точности измерений. Число параметров, подлежащих измерению, не зависит от выбора системы координат станка и остается равным 12, в том числе три параметра положения и девять параметров направления. Это демонстрируют примеры, в которых начало отсчета системы координат станка выбрано иным путем.

Выбор системы координат металлорежущего станка альтернативным путем проводят следующим образом:

- в качестве главной оси выбирают ось Z;

- в качестве второй оси - ось X;

- отсчет производят вдоль средней линии оси C на той координате оси Z, где средняя линия оси B пересекается с плоскостью ZX, если все указанные оси сходятся в одной точке, которую можно принять за начало отсчета.

В результате для измерения погрешности из параметров, представленных ранее в таблице A.8, останутся 12 параметров, приведенных в таблице A.10.

 

Таблица A.10

 

Минимальное число погрешностей параметров для полной

характеристики многоцелевого токарного центра

для альтернативного начала отсчета системы координат

такого станка

 

Ось C	Ось Z	Ось Y	Ось X	Ось B	Ось (A) - шпиндель
0	-	-	(0)	EX0B	-
0	-	(0)	-	-	EY0(A)
-	(0)	-	-	0	EZ0(A)
EA0C	0	EA0Y	-	EA0B	-
EB0C	0	-	EB0X	(0)	EB0(A)
(0)	-	EC0Y	0	EC0B	EC0(A)

 

Таким образом, для многоцелевого токарного центра с альтернативным выбором начала отсчета системы координат получается следующий итоговый перечень подлежащих измерению погрешностей геометрических параметров, относящихся к позиционированию и ориентации:

- E_A0C - погрешность параллельности C и Z в плоскости YZ;

- E_B0C - погрешность параллельности C и Z в плоскости ZX;

- E_A0Y - погрешность перпендикулярности Y к Z;

- E_C0Y - погрешность перпендикулярности Y к X;

- E_B0X - погрешность перпендикулярности X к Z;

- E_X0B - смещение X от B к C относительно плоскости XY;

- E_A0B - погрешность перпендикулярности B к Z;

- E_C0B - погрешность перпендикулярности B к X;

- E_Y0(A) - смещение Y от (A) к C относительно плоскости YZ;

- E_Z0(A) - смещение Z от (A) к B относительно плоскости YZ;

- E_B0(A) - погрешность перпендикулярности (A) к Z;

- E_C0(A) - погрешность параллельности (A) и X в плоскости XY.