ISO 230-3:2001
(Main)Test code for machine tools - Part 3: Determination of thermal effects
Test code for machine tools - Part 3: Determination of thermal effects
Code d'essai des machines-outils — Partie 3: Évaluation des effets thermiques
La présente partie de l'ISO 230 définit trois essais qui sont: - l'essai d'erreur due à des variations de la température ambiante (ETVE); - l'essai de déformation thermique due à une broche en rotation; - l'essai de déformation thermique due au mouvement le long d'un axe linéaire. Les essais de déformation thermique due à un mouvement linéaire (voir article 7) s'appliquent uniquement aux machines à commande numérique (CN) et sont destinés à mesurer les effets des dilatations et contractions thermiques d'un axe sur l'exactitude du positionnement et sur la répétabilité. Pour des raisons pratiques, les méthodes d'essai décrites dans l'article 7 s'appliquent à des machines à axes linéaires d'une longueur inférieure ou égale à 2 000 mm. Si ces essais sont réalisés sur des machines dont les axes dépassent 2 000 mm de long, il est recommandé de déterminer pour les essais une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage normale de chaque axe. Il convient de noter qu'il n'est pas prévu de fixer des valeurs de tolérances pour les essais décrit dans la présente partie de l'ISO 230.
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Relations
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ISO 230-3:2001 is a standard published by the International Organization for Standardization (ISO). Its full title is "Test code for machine tools - Part 3: Determination of thermal effects". This standard covers: La présente partie de l'ISO 230 définit trois essais qui sont: - l'essai d'erreur due à des variations de la température ambiante (ETVE); - l'essai de déformation thermique due à une broche en rotation; - l'essai de déformation thermique due au mouvement le long d'un axe linéaire. Les essais de déformation thermique due à un mouvement linéaire (voir article 7) s'appliquent uniquement aux machines à commande numérique (CN) et sont destinés à mesurer les effets des dilatations et contractions thermiques d'un axe sur l'exactitude du positionnement et sur la répétabilité. Pour des raisons pratiques, les méthodes d'essai décrites dans l'article 7 s'appliquent à des machines à axes linéaires d'une longueur inférieure ou égale à 2 000 mm. Si ces essais sont réalisés sur des machines dont les axes dépassent 2 000 mm de long, il est recommandé de déterminer pour les essais une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage normale de chaque axe. Il convient de noter qu'il n'est pas prévu de fixer des valeurs de tolérances pour les essais décrit dans la présente partie de l'ISO 230.
La présente partie de l'ISO 230 définit trois essais qui sont: - l'essai d'erreur due à des variations de la température ambiante (ETVE); - l'essai de déformation thermique due à une broche en rotation; - l'essai de déformation thermique due au mouvement le long d'un axe linéaire. Les essais de déformation thermique due à un mouvement linéaire (voir article 7) s'appliquent uniquement aux machines à commande numérique (CN) et sont destinés à mesurer les effets des dilatations et contractions thermiques d'un axe sur l'exactitude du positionnement et sur la répétabilité. Pour des raisons pratiques, les méthodes d'essai décrites dans l'article 7 s'appliquent à des machines à axes linéaires d'une longueur inférieure ou égale à 2 000 mm. Si ces essais sont réalisés sur des machines dont les axes dépassent 2 000 mm de long, il est recommandé de déterminer pour les essais une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage normale de chaque axe. Il convient de noter qu'il n'est pas prévu de fixer des valeurs de tolérances pour les essais décrit dans la présente partie de l'ISO 230.
ISO 230-3:2001 is classified under the following ICS (International Classification for Standards) categories: 25.080.01 - Machine tools in general. The ICS classification helps identify the subject area and facilitates finding related standards.
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 230-3
First edition
2001-03-01
Test code for machine tools —
Part 3:
Determination of thermal effects
Code d'essai des machines-outils —
Partie 3: Évaluation des effets thermiques
Reference number
©
ISO 2001
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Contents Page
Foreword.iv
Introduction.v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .1
4 Preliminary remarks .5
4.1 Measuring units .5
4.2 Reference to ISO 230-1.5
4.3 Recommended instrumentation and test equipment.5
4.4 Machine conditions prior to testing.6
4.5 Testing sequence.6
4.6 Test environment temperature.6
5 Environmental temperature variation error (ETVE) test .6
5.1 General.6
5.2 Test method.7
5.3 Interpretation of results .7
5.4 Presentation of results.10
6 Thermal distortion caused by rotating spindle .10
6.1 General.10
6.2 Test method.10
6.3 Interpretation of results .13
6.4 Presentation of results.16
7 Thermal distortion caused by moving linear axes.16
7.1 General.16
7.2 Test method.16
7.3 Interpretation of results .19
7.4 Presentation of results.21
Annex A (informative) Information on displacement transducers .23
Annex B (informative) Guidelines on the required number of displacement transducers.27
Annex C (informative) Guidelines for machine tool thermal environment.33
Bibliography.35
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this part of ISO 230 may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 230-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 39, Machine tools, Subcommittee
SC 2, Test conditions for metal cutting machine tools.
ISO 230 consists of the following parts, under the general title Test code for machine tools:
— Part 1: Geometric accuracy of machines operating under no-load or finishing conditions
— Part 2: Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes
— Part 3: Determination of thermal effects
— Part 4: Circular tests for numerically controlled machine tools
— Part 5: Determination of the noise emission
— Part 6: Diagonal displacement test
Annexes A to C of this part of ISO 230 are for information only.
iv © ISO 2001 – All rights reserved
Introduction
The purpose of ISO 230 is to standardize methods of testing the accuracy of machine tools, excluding portable
power tools.
This part of ISO 230 specifies test procedures to determine thermal effects caused by a variety of heat inputs
resulting in the distortions of a machine tool structure or the positioning system. It is a recognized fact that the
ultimate thermo-elastic deformation of a machine tool is closely linked to the operating conditions. The test
conditions described in this part of ISO 230 are not intended to simulate the normal operating conditions, but are to
facilitate performance estimation and to determine the effects of environment on machine performance. For
example, use of coolants may significantly affect the actual thermal behaviour of the machine. Therefore, these
tests should be considered only as the preliminary tests towards the determination of actual thermo-elastic
behaviour of the machine tool if such determination becomes necessary for machine characterization purposes.
The tests are designed to measure the relative displacements between the component that holds the tool and the
component that holds the workpiece as a result of thermal expansion or contraction of key structural elements.
The tests described in this part of ISO 230 can be used either for testing different types of machine tools (type
testing) or testing individual machine tools for acceptance purposes. When the tests are required for acceptance
purposes, it is up to the user to choose, in agreement with the supplier/manufacturer, those tests relating to the
properties of the components of the machine which are of interest. The mere reference to this part of the test code
for the acceptance tests, without agreement on the parts to be applied and the relevant charges, cannot be
considered as binding for one or other of the contracting parties. One significant feature of this part of ISO 230 is its
emphasis on environmental thermal effects on all the performance tests described in other parts of ISO 230 related
to linear displacement measurements (such as linear displacement accuracy, repeatability and the circular tests).
The suppliers/manufacturers should provide thermal specifications for the environment in which the machine can
be expected to perform with the specified accuracy. The machine user should be responsible for providing a
suitable test environment by meeting the supplier/manufacturer’s thermal guidelines or otherwise accepting
reduced performance. An example of environmental thermal guidelines is given in annex C.
A relaxation of accuracy expectations is required if the thermal environment causes excessive uncertainty or
variation in the machine tool performance and does not meet supplier/manufacturer’s thermal guidelines. If the
machine does not meet the performance specifications, the analysis of the combined standard thermal uncertainty
provides help identifying sources of problems. Combined standard thermal uncertainty is defined in 3.6 as well as
[1]
in ISO 16015 .
INTERNATIONAL STANDARD ISO 230-3:2001(E)
Test code for machine tools —
Part 3:
Determination of thermal effects
1 Scope
This part of ISO 230 defines three tests, which are:
� environmental temperature variation error (ETVE) test;
� thermal distortion test caused by rotating spindles;
� thermal distortion test caused by moving linear axes.
The tests for thermal distortion caused by moving linear axes (see clause 7) are applicable to numerically
controlled (NC) machines only and are designed to quantify the effects of thermal expansion and contraction of the
axes on positioning accuracy and repeatability. For practical reasons, the test methods described in clause 7 apply
to machines with linear axes up to 2 000 mm in length. If they are used for machines with axes longer than
2 000 mm, a representative length of 2 000 mm in the normal range of each axis should be chosen for the tests.
It should be noted that it is not foreseen to determine numerical tolerances for the tests described in this part of
ISO 230.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this part of ISO 230. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these publications
do not apply. However, parties to agreements based on this part of ISO 230 are encouraged to investigate the
possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated
references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC maintain
registers of currently valid International Standards.
ISO 1:1975, Standard reference temperature for industrial length measurements.
ISO 230-1:1996, Test code for machine tools — Part 1: Geometric accuracy of machines operating under no-load
or finishing conditions.
ISO 230-2:1997, Test code for machine tools — Part 2: Determination of accuracy and repeatability of positioning
numerically controlled axes.
ISO 230-4:1996, Test code for machine tools — Part 4: Circular tests for numerically controlled machine tools.
3 Terms and definitions
For the purposes of this part of ISO 230, the following terms and definitions apply.
3.1
machine scale
measurement system integrated into a machine providing the linear or rotary position of the machine’saxis
3.2
nominal differential thermal expansion
NDE
difference between the estimated expansion of a measured object and that of the test equipment owing to their
temperatures deviating from 20 °C
3.3
uncertainty of nominal differential thermal expansion
u
NDE
combined uncertainty caused by the uncertainties of coefficients of thermal expansion of the measured object and
that of the test equipment
NOTE It is obtained as the square root of the sum of the squares of the uncertainties of nominal expansions of the
measured object and the test equipment.
3.4
environmental temperature variation error
1)
ETVE
estimate of the maximum possible measurement uncertainty induced solely by the variation of the environment
temperature during any time period while performance measurements are carried out on a machine tool
NOTE The notation ETVE indicates that the ETVE value is obtained along the Z direction and the value corresponds
(Z, 8°C)
to an environmental temperature variation of 8 �C.
3.5
uncertainty due to environmental temperature variation error
u
ETVE
standard uncertainty in performance measurements caused by the effects of environmental temperature changes
on the machine
NOTE 1 It is calculated as the square root of the square of ETVE divided by 12.
NOTE 2 The basis for the estimation of this uncertainty for a machine tool is the environment test according to clause 5.
3.6
2)
combined standard thermal uncertainty
u
CT
combined uncertainty in length measurements caused by an environment with a temperature other than a constant
and uniform 20 °C
NOTE 1 It is a combination by square root of sum of squares of uncertainty of environmental temperature variation error
(u ), uncertainty of temperature measurements (u ) and the uncertainty of nominal differential thermal expansion (u ).
ETVE TM NDE
[1]
NOTE 2 A detailed description of estimating the combined standard thermal uncertainty is given in ISO 16015 .
3.7
d
X1, 60
range of displacement in the direction of the X axis observed at position P (away from the spindle nose) within the
first 60 min of the tests for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.8
d
X1, t
range of displacement in the direction of the X axis observed at position P (away from the spindle nose) within the
total spindle running period, t, of the test for thermal distortion caused by the rotating spindle
1) It is recognized that the ISO terminology requires the term “deviation” instead of the term “error” in this definition. However,
due to the long history of ETVE usage, the committee agreed to keep the term as an exception to the above-mentioned ISO
terminology.
[1]
2) This term is equivalent to “combined standard dimensional uncertainty due to thermal effects” defined in ISO 16015 .
2 © ISO 2001 – All rights reserved
3.9
d
X2, 60
range of displacement in the direction of the X axis observed at position P (close to spindle nose) within the first
60 min of the test for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.10
d
X2, t
range of displacement in the direction of the X axis observed at position P (close to the spindle nose) within the
total spindle running period, t, of the tests for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.11
d
Y1, 60
range of displacement in the direction of the Y axis observed at position P (away from the spindle nose) within the
first 60 min of the test for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.12
d
Y1, t
range of displacement in the direction of the Y axis observed at position P (away from the spindle nose) within the
total spindle running period, t, of the test for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.13
d
Y2, 60
range of displacement in the direction of the Y axis observed at position P (close to the spindle nose) within the
first 60 min of the test for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.14
d
Y2, t
range of displacement in the direction of the Y axis observed at position P (close to the spindle nose) within the
total spindle running period, t, of the tests for thermal distortion caused by the rotating spindle
3.15
d
Z, 60
range of displacement in the direction of the Z axis within the first 60 min of the test for thermal distortion caused by
the rotating spindle
3.16
d
Z, t
range of displacement in the direction of the Z axis within the total spindle running period, t, of the test for thermal
distortion caused by the rotating spindle
3.17
d
A, 60
range of angular deviation around the X axis within the first 60 min of the test for thermal distortion caused by the
rotating spindle
3.18
d
A, t
range of angular deviation around the X axis within the total spindle running period, t, of the test for thermal
distortion caused by the rotating spindle
3.19
d
B, 60
range of angular deviation around the Y axis within the first 60 min of the test for thermal distortion caused by the
rotating spindle
3.20
d
B, t
range of angular deviation around the Y axis within the total spindle running period, t, of the test for thermal
distortion caused by the rotating spindle
3.21
e1
X, +
total range of thermal drift of the target position 1, in the direction of the X axis for the positive direction, during the
test cycle
3.22
e1
X, �
total range of thermal drift of the target position 1, in the direction of the X axis for the negative direction, during the
test cycle
3.23
e2
X, +
total range of thermal drift of the target position 2, in the direction of the X axis for the positive direction, during the
test cycle
3.24
e2
X, �
total range of thermal drift of the target position 2, in the direction of the X axis for the negative direction, during the
test cycle
3.25
e1
Y, +
total range of thermal drift of the target position 1, in the direction of the Y axis for the positive direction, during the
test cycle
3.26
e1
Y,�
total range of thermal drift of the target position 1, in the direction of the Y axis for the negative direction, during the
test cycle
3.27
e2
Y, +
total range of thermal drift of the target position 2, in the direction of the Y axis for the positive direction, during the
test cycle
3.28
e2
Y,�
total range of thermal drift of the target position 2, in the direction of the Y axis for the negative direction, during the
test cycle
3.29
e1
Z, +
total range of thermal drift of the target position 1, in the direction of the Z axis for the positive direction, during the
test cycle
3.30
e1
Z, �
total range of thermal drift of the target position 1, in the direction of the Z axis for the negative direction, during the
test cycle
3.31
e2
Z, +
total range of thermal drift of the target position 2, in the direction of the Z axis for the positive direction, during the
test cycle
3.32
e2
Z, �
total range of thermal drift of the target position 2, in the direction of the Z axis for the negative direction, during the
test cycle
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4 Preliminary remarks
4.1 Measuring units
In this part of ISO 230, all linear dimensions and deviations are expressed in millimetres. All angular dimensions
are expressed in degrees. Angular deviations are, in principle, expressed in ratios but in some cases, microradians
or arcseconds may be used for classification purposes. The equivalent of the following expressions should always
be kept in mind:
0,010/1 000 = 10�rad� 2�
The temperatures are expressed in degrees Celsius (�C).
4.2 Reference to ISO 230-1
To apply this part of ISO 230, reference should be made to ISO 230-1, especially for the installation of the machine
before testing and for the recommended accuracy of the testing equipment.
4.3 Recommended instrumentation and test equipment
The measuring instruments recommended here are only examples. Other instruments capable of measuring the
same quantities and having the same or greater accuracy may be used. The following instrumentation and test
equipment are recommended for clauses 5, 6 and 7:
a) displacement measuring system with adequate range, resolution, thermal stability, and accuracy (for example
laser interferometer for thermal distortion caused by moving linear axes, capacitive, inductive or retractable
contacting displacement sensors for environment testing and thermal distortion caused by rotating spindles);
b) temperature sensors (for example thermocouple, resistance or semiconductor thermometer) with sufficient
resolution and accuracy;
c) data acquisition equipment, such as a multi-channel chart recorder which continuously monitors and plots all
3)
channels, or a computer-based system in which all channels are sampled at least once every 5 min , and
data is stored for subsequent analysis;
NOTE Manual data processing is permissible if a computer system is not available.
d) test-mandrel, preferably made of steel with the design to be specified in machine-specific standards or agreed
between supplier/manufacturer and user, see ISO 230-1:1996, clause A.3;
e) fixture in which to mount the displacement transducers, constructed preferably from steel with the design to be
specified in machine-specific standards or agreed between supplier/manufacturer and user. The design should
minimize local distortions caused by temperature gradients in the fixture.
When necessary and practicable, the axial displacement transducer (see Figures 1, 2 and 3) may be placed
directly against the spindle nose to eliminate the effect of the thermal expansion of the test mandrel.
Long-term accuracy of the measuring equipment shall be verified, for example, by transducer drift tests (see
clause A.5).
The measuring instruments shall be thermally stabilized before starting the tests.
3) Some temperature compensation systems exhibit cycle times shorter than 5 min. In such cases, the frequency for
monitoring should be increased accordingly.
4.4 Machine conditions prior to testing
The machine shall be completely assembled and fully operational in accordance with the supplier's/manufacturer's
instructions which must be recorded. All necessary levelling operations, geometric alignment and functional checks
shall be completed satisfactorily before starting the tests.
The machine shall be powered up with auxiliary services operating and axes in “Hold” position, with no spindle
rotation, for a period sufficient to stabilize the effects of internal heat sources as specified by the
supplier/manufacturer or as indicated by the test instrumentation. The machine and the measuring instruments
shall be protected from draughts and external radiation such as those from overhead heaters or sunlight, etc.
All tests shall be carried out with the machine in the unloaded condition. Where a machine involves rotating both
the workpiece and the tool on separate spindles, the tests described in clauses 5 and 6 shall be carried out for
each spindle with respect to a common fixed location on the machine structure. If any hardware or software based
compensation capability or facilities for minimizing thermal effects, such as air or oil showers, are available on the
machine tool they shall be used during the tests and the usage of these facilities shall be recorded.
4.5 Testing sequence
The tests described in clauses 5, 6 and 7 may be used either singly or in any combination. When used in
combination, they should be executed in the same sequence as they are given in this part of ISO 230.
4.6 Test environment temperature
According to ISO 1, all dimensional measurements shall be made when the measuring instruments and the
measured objects (for example machine tool) are in equilibrium with the environment where the temperature is kept
at 20 °C. If the environment is at a temperature other than 20 °C, nominal differential thermal expansion (NDE)
correction between the measurement system and the measured object (machine tool) has to be made to correct
the results to correspond to 20 °C. For example, in a typical linear displacement measurement using laser
interferometer, ambient temperature around the laser beam and the temperature of machine scale should be
recorded during the measurements. The expected length change of the laser interferometer (due to change in laser
wavelength as a function of the ambient temperature and pressure) and that of the machine scale (as a response
to its temperature) shall be calculated. The difference between these two length expansions is calculated as NDE
and used to correct the raw measurement data from the laser interferometer to determine the linear displacement
deviations at 20 °C. However, in this part of ISO 230, since the aim is to identify the machine’s behaviour under
possibly varying environmental temperature conditions, the requirement for NDE corrections is relaxed. NDE
correction is allowed only between the test equipment and the part of the machine where the workpiece is usually
located. Built in NDE correction used for the normal operation of machine tool shall be used; additional NDE
correction just for the measurements shall not be used to correct the thermal distortions of machine scales.
5 Environmental temperature variation error (ETVE) test
5.1 General
Environmental temperature variation error (ETVE) tests are designed to reveal the effects of environmental
temperature changes on the machine and to estimate the thermally induced error during other performance
measurements. They shall not be used for machine comparison. ETVE shall be determined by the drift test using
the procedure described in 5.2. If the correct operation of the measuring instrument requires compensation for
environment factors such as air temperature and pressure, then these shall be used. If the measuring instrument
incorporates facilities for NDE correction then these facilities should be used, provided that the material
temperature sensor is placed on the part of the machine where the workpiece is normally located. The use of such
facilities shall be recorded.
It is recommended that the supplier/manufacturer offer guidelines regarding the thermal environment which can be
considered as acceptable for the machine to perform with the specified accuracy. Such general guidelines could
contain, for example, a specification on the mean room temperature, maximum amplitude and frequency range of
deviations from this mean temperature and environmental thermal gradients. It is the user's responsibility to provide
6 © ISO 2001 – All rights reserved
an acceptable thermal environment for the operation and the performance testing of the machine tool at the
installation site. However, if the user follows the guidelines provided by the machine supplier/manufacturer, the
responsibility for machine performance according to the specifications reverts to the machine
supplier/manufacturer.
The total uncertainty in the performance measurements of the machine tool caused by the thermal effects is
defined as the combined standard thermal uncertainty. The combined standard thermal uncertainty (see 3.6) can
be estimated with the help of the described test, when the environmental conditions during the performance
measurement and the ETVE test are comparable. It shall not exceed an amount that is mutually agreed between
the user and the supplier/manufacturer.
5.2 Test method
Figures 1, 2 and 3 show examples of typical measurement set-ups for a vertical- and horizontal-spindle machining
centre and a turning centre, respectively. The fixture in which the displacement transducers are mounted shall be
securely fixed to the non-rotating workholding or tool-holding zone of the machine to measure:
a) the relative displacements between the component that holds the tool and the component that holds the
workpiece along the three orthogonal axes parallel to the axes of travel of the machine; the exact position of
the measurement set-up shall be recorded along with the test results;
b) tilt or rotation around the X and Y axes of the machine tool.
The temperature of the machine structure, as close as possible to the front spindle bearing, and the ambient air
temperature in the close vicinity of the machine and at the same elevation of the spindle nose should be monitored
4)
at least once every 5 min . It is important to measure the ambient air temperature at a suitable distance from the
machine to avoid any influence by the heating up of the machine (for example by hydraulic components) on the
ambient air temperature. Although the measured temperatures do not exactly correlate to the measured
displacements, they are indications of the thermal changes in the environment and the machine structure.
NOTE To ensure the consistency of the ETVE results, it is necessary to monitor the ETVE testing process in such a way
that significant changes in measurement conditions are recognizable.
Once set up, the drift test should be allowed to continue as long as possible, with a minimum deviation from normal
performance measurement conditions. In situations where a periodic pattern of activity (such as periodic resetting
of test equipment with respect to a measurement reference) is observed, the test duration should be over some
period of time during which most events are repeated or any other duration agreed by the supplier/manufacturer
and the user.
5.3 Interpretation of results
As a general rule, the results are plotted in graphs of thermal distortion and temperature versus time as shown in
the example given in Figure 4. However, this resultant plot shall not be used for the purposes of machine
comparison. The ETVE values obtained from such a plot are used for considering the combined standard thermal
uncertainty in measurements such as linear displacement accuracy along each machine axis or the circular
measurements in the three orthogonal planes of the machine work zone. In order to apply the combined standard
thermal uncertainty to any performance measurement, the ambient temperature should be recorded continuously
during that particular performance measurement process. If the recording shows a significant change of conditions
compared to the conditions in which ETVE values were obtained, the ETVE results are null and void for that
measurement process. In these cases, a re-evaluation of ETVE should be conducted, or conditions corrected to
5)
those for which the ETVE applies . In addition, measuring instruments shall be thermally stabilized.
4) Some temperature compensation systems exhibit cycle times shorter than 5 min. In such cases, the frequency for
monitoring should be increased accordingly.
5) Maximum variations of ambient temperature measured during machine performance tests should be smaller or equal to the
change of ambient temperature measured during ETVE tests (clause 5).
Key
1 Ambient air temperature sensor 4 Displacement transducers
2 Spindle bearing temperature sensor 5 Fixture
3 Test mandrel 6 Fixture bolted to table
Figure 1 — Typical set-up for tests of ETVE and thermal distortion of structure caused by rotating spindle
on a vertical spindle machining centre
Key
1 Ambient air temperature sensor
2 Spindle bearing temperature sensor
Figure 2 — Typical set-up for tests of ETVE and thermal distortion of structure caused by rotating spindle
on a horizontal spindle machining centre
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Key
1 Ambient air temperature sensor 5 Fixture
2 Spindle bearing temperature sensor 6 Turret
3 Test mandrel 7 Chuck
4 Displacement transducers
Figure 3 — Typical set-up for tests of ETVE and thermal distortion of structure caused by rotating spindle
on a slant bed turning centre
Measurements in different directions should use different ETVE values obtained from the same plot. For example,
linear displacement measurements along the Z axis of the machine should use the maximum range of thermal
distortion in the Z direction for a period of time it takes to carry out the linear displacement measurements as the
ETVE(Z) value. The ETVE(Y) and ETVE(X) values can be determined in the same way for the two other directions.
In the case of measurements involving more than one axis movement, such as the circular measurements in the
XY plane for example, the maximum value of ETVE(X) and ETVE(Y) is generally taken as the ETVE value.
For angular deviation measurement, ETVE values are obtained by calculating the maximum range of the tilts
around X and Y axes for the period of time it takes to carry out the angular deviation measurements. The tilt angles
A and B, at any given time, are calculated by dividing the difference between the two displacement transducer
readings along an axis divided by the distance, l, between these two transducers facing the same direction. The
following formulae are used for these calculations:
A= (Y1� Y2)/l
B= (X1� X2)/l
ETVE = maximum range of A
A
ETVE = maximum range of B
B
In order to determine ETVE for a given performance test (for example for a given direction of measurement) on a
machine tool, one has to look for an interval on the ETVE plot that is as long as the time period corresponding to
that performance test and that has the maximum slope. The maximum variation observed within that time interval
becomes the effective ETVE value for that test. For example, referring to Figure 4, ETVE for the linear positioning
X
test of a machine tool that lasts about 1 h is determined by the time interval 90 min to 150 min on the time scale.
The ETVE value for this test obtained from the plot in that interval is 0,001 5 mm.
5.4 Presentation of results
As a general rule, the measurement data are plotted in graphs of distortion and temperature versus time as shown
in Figure 4. The ETVE values for each direction should be recorded to indicate the amount of temperature variation
during the observation period, for example ETVE = 0,001 mm.
Z, 1,2 °C
The following information should also be reported with the results of the test as shown in Figure 5:
a) location of the measurement set-up (coordinates of position P , see Figure 1);
b) locations of temperature sensors;
c) types of sensors;
d) design and material of the test mandrels and fixtures;
e) thermal compensation procedures/ facilities used;
f) any special test procedures agreed upon;
g) time and date of the test;
h) machine preparation procedure prior to testing (including the time period for operating auxiliary services prior
to testing);
i) positive direction of deviations in X, Y, Z, A, B if different from the coordinate systems shown in Figures 1, 2, 3
and 5.
6 Thermal distortion caused by rotating spindle
6.1 General
This test is carried out to identify the effects of the internal heat generated by rotation of the spindle and the
resultant temperature gradient along the structure on the distortion of the machine structure observed between the
workpiece and the tool. Since it is related to the heat generation by the spindle, this test is carried out on machines
with rotating spindles only.
6.2 Test method
Figures 1, 2 and 3 show typical measurement set-ups for vertical- and horizontal-spindle machining centres and a
turning centre, respectively. The fixture in which the displacement transducers are mounted shall be securely fixed
to the non-rotating workholding or tool-holding zone of the machine to measure:
a) the relative displacements between the component that holds the tool and the component that holds the
workpiece along the three orthogonal axes parallel to the axes of travel of the machine; the exact position of
the measurement set-up shall be recorded along with the test results;
b) tilt or rotation around the X and Y axes of the machine tool.
10 © ISO 2001 – All rights reserved
Environmental thermal variation error (ETVE)
As an example, for a test that takes 1 h, the following ETVE values are obtained from the above graphs:
ETVE = 0,001 5 mm (90 min to 150 min) ETVE = 3" (110 min to 170 min)
X; 1,1 °C A; 1,1 °C
ETVE = 0,000 6 mm (230 min to 290 min) ETVE = 3" (110 min to 170 min)
Y; 0,6 °C B; 1,1 °C
ETVE = 0,001 mm (100 min to 160 min)
Z; 1,2 °C
a c
Ambient temperature Rotation around X
b d
Spindle temperature Rotation around Y
Figure 4 — Temperature and distortion versus time for ETVE test
Date of test: YY/MM/DD
Machine: AAA, vertical spindle machining centre/
X = 1 000, Y = 600, Z = 800
Temperature sensor/position (ambient): thermocouple/from the spindle front face
Y = 300 (front), X = 200 (right)
Test mandrel:
steel, 11µm/m °C,� 60 mm, length 200 mm,
No. 40 taper
Fixture:
steel, 11µm/m °C, 200� 100� 50, fixed on
the table centre
Thermal compensation used: oil cooler with spindle temperature sensor
Warm-up procedures: cold start
Axes slide position: X = 500 mm, Y = 300 mm, Z = 400 mm, C = 0
Measuring position P : X = 500 mm, Y = 300 mm, Z = 220 mm (height from
table surface)
150 mm
Sensor distance l (P P )
1 2
(for ETVE) (for rotating spindle)
�1
—
� spindle speed regime: 4 000 min const.
� dwell time at each spindle speed: — none
� special remarks: — none
Key
1 Ambient air temperature sensor 4 Displacement transducers
2 Spindle bearing temperature sensor 5 Fixture
3 Test mandrel 6 Fixture bolted to table
Figure 5 — Typical presentation of set-up information for the tests of ETVE and thermal distortion caused
by rotating spindle
12 © ISO 2001 – All rights reserved
The temperature of the machine structure, as close as possible to the front spindle bearing, and the ambient air
temperature in the close vicinity of the machine and at the same elevation of the spindle nose should be monitored
6)
at least once every 5 min . It is important to measure the ambient air temperature at a suitable distance from the
machine to avoid any influence by the heating up of the machine (for example by hydraulic components) on the
ambient temperature. Although these temperatures do not exactly correlate to the measured displacements, they
are indications of the thermal changes in the environment and the machine structure.
The test procedure should follow one of the two specified spindle speed regimes described below:
� variable speed spectrum, for instance, as shown in Figure 6;
� constant speed as a percentage of maximum speed.
The choice of the test procedure with spindle speed spectrum and the percentages shall be specified in machine-
specific standards. If necessary, the supplier/manufacturer and user may agree on a different, special test schedule
(for example a certain warm-up cycle before the test) corresponding to their own special requirements. The spindle
speed spectrums selected generally reflect practical usage of the machine tool. For example, for machining
centres, a spindle speed spectrum consisting of different spindle speeds over 2 min to 15 min for each spindle
speed, with periodical stops of 1 min to 15 min in between may be selected to represent typical machining
conditions.
All transducer outputs shall be monitored for a period of 4 h. Alternatively, ending the measurements is allowed
when the distortion change during the last 60 min is less than 15 % of the maximum distortion registered over the
first hour of the test or any other conditions agreed between the user and the supplier/manufacturer are met. Then,
the spindle is stopped for a minimum period of 1 h while monitoring the transducers is continued. The effects of test
7)
mandrel runout should be eliminated during the tests when the spindle is rotating.
6.3 Interpretation of results
The measurement results should be plotted in graphs of thermal distortion and temperatures (ambient and spindle
bearing temperatures) versus time as shown in Figure 7.
The effects of warming up the machine structure on the ability of the machine to maintain the position of the tool
relative to the workpiece can be assessed from these graphs. It should be noted that the starting and stopping of
the spindle may cause offsets in the plots due to the effect of test mandrel runout. These effects should be ignored
during the evaluation of thermal deflection.
The graph for angular distortion (Figure 7) is generated by calculating tilt angles A and B as described in 5.3.
6) Some temperature compensation systems exhibit cycle times shorter than 5 min. In such cases, the frequency for
monitoring should be increased accordingly.
7) The elimination of the effects of test mandrel runout can be achieved by low-pass filters, averaging, or by synchronizing
data acquisition with spindle orientation.
Figure 6 — Sample spindle speed spectrum for thermal distortion tests
14 © ISO 2001 – All rights reserved
a d
Machine structure temperature Rotation about X
b e
�1
Ambient temperature Maximum spindle speed = 6 000 min
c
Rotation about Y
X1 (mm) Y1 (mm) Z (mm) A (arcsec) B (arcsec)
During the first 60 min 0,008 0,048 622
�0,061
During the spindle running period, t, 0,020 0,124 24 38
�0,108
of 240 min
Distance (l) 150 mm
Figure 7 — Temperature and distortion versus time plot for thermal distortion caused by rotating spindle
on a machining centre
6.4 Presentation of results
The range of displacements along each machine axis within the first 60 min (d , d , d , d , d )
X1, 60 Y1, 60 Z, 60 A, 60 B, 60
and during the total spindle running period (d , d , d , d , d ), where t is the time at the end of the spindle
X1, t Y1, t Z, t A, t B, t
running period, shall be recorded along with the distance, l, between the two displacement transducers facing the
same direction (see Figures 1, 2 and 3). These values, as shown in Table 1, shall be presented with the
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 230-3
Première édition
2001-03-01
Code d'essai des machines-outils —
Partie 3:
Évaluation des effets thermiques
Test code for machine tools —
Part 3: Determination of thermal effects
Numéro de référence
©
ISO 2001
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Sommaire Page
Avant-propos.iv
Introduction.v
1 Domaine d'application.1
2Références normatives .1
3Termesetdéfinitions.2
4 Remarques préliminaires.5
4.1 Unités de mesure.5
4.2 Références à l'ISO 230-1 .5
4.3 Instruments et équipements d'essai recommandés .5
4.4 État de la machine avant essai.6
4.5 Ordre des essais.6
4.6 Température de l'environnement d'essai.8
5 Essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE).9
5.1 Généralités .9
5.2 Méthode d'essai .9
5.3 Interprétation des résultats .10
5.4 Présentation des résultats.12
6Déformation thermique due à une broche en rotation.12
6.1 Généralités .12
6.2 Méthode d'essai .12
6.3 Interprétation des résultats .15
6.4 Présentation des résultats.15
7Déformation thermique due aux déplacements le long des axes linéaires.17
7.1 Généralités .17
7.2 Méthode d'essai .17
7.3 Interprétation des résultats .21
7.4 Présentation des résultats.21
Annexe A (informative) Informations sur les transducteurs de déplacement .23
Annexe B (informative) Lignes directrices sur le nombre de transducteurs de déplacement nécessaire.28
Annexe C (informative) Lignes directrices sur l'environnement thermique des machines-outils .34
Bibliographie .36
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiéeaux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude aledroit de fairepartie ducomité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments delaprésente partie de l’ISO 230 peuvent faire l’objet
de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas
avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
La Norme internationale ISO 230-3 a étéélaborée par le comité technique ISO/TC 39, Machines-outils,
sous-comité SC 2, Conditions de réception des machines travaillant par enlèvement de métal.
L'ISO 230 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Code d'essai des machines-outils:
— Partie 1: Précision géométrique des machines fonctionnant à vide ou dans des conditions de finition
— Partie 2: Détermination delaprécision et de la répétabilité de positionnement des axes en commande
numérique
— Partie 3: Évaluation des effets thermiques
— Partie 4: Essais de circularité des machines-outils à commande numérique
— Partie 5: Déterminationdel’émission sonore
— Partie 6: Essai de déplacement en diagonale
Les annexes A àCdelaprésente partie de l’ISO 230 sont données uniquement à titre d’information.
iv © ISO 2001 – Tous droits réservés
Introduction
Le but de l'ISO 230 est de normaliser des méthodes d'essai pour vérifier la précision des machines-outils, à
l'exception des outils alimentés.
La présente partie de l'ISO 230 spécifie les procédures d'essais à suivre afin de déterminer les effets thermiques
dus à toutes sortes d'apports calorifiques et ayant pour résultat une déformation de la structure d'une machine-outil
ou d'un système de positionnement. C'est un fait reconnu que la déformation thermoélastique limite d'une
machine-outil est étroitement liée aux conditions d'utilisation. Les conditions d'essai décrites dans la présente
partie de l'ISO 230 ne sont pas sensées simuler des conditions d'utilisation normales, mais doivent faciliter
l'évaluation des performances et déterminer les effets de l'environnement sur les performances de la machine.
L'utilisation de produits réfrigérants, par exemple, peut affecter de manière significative les réactions thermiques
d'une machine-outil. C'est pourquoi, il convient de considérer ces essais uniquement comme des essais
préparatoires à la détermination du comportement thermoélastique réel d'une machine-outil si une telle
détermination s'avère nécessaire dans le cadre de la caractérisation des machines. Les essais sont destinés à
mesurer les déplacements relatifs entre le dispositif de maintien de l'outil et le dispositif de maintien des pièces à
usiner dus à la dilatation ou la contraction thermique des éléments clés de la structure.
Les essais décritsdanslaprésente partie de l'ISO 230 peuvent servir aux essais de différents types de machines-
outils (essai de type) ou d'une machine-outil individuelle à des fins de réception. Lorsque des essais de réception
sont prescrits, il incombe à l'utilisateur, en concertation avec le fournisseur/fabricant, de sélectionner les essais
relatifs aux caractéristiques des composants de la machine ayant un intérêt. Le simple fait de se référer à la
présente partie du code d'essai pour les essais de réception, sans accord sur les parties à appliquer et les charges
appropriées, ne peut en aucun cas être considéré comme contraignant pour l'une ou l'autre des parties
contractantes. Une caractéristique significative de la présente partie de l'ISO 230 est l'importance qu'elle donne
aux effets thermiques environnementaux sur les essais de performance relatifs à la mesure des déplacements
linéaires (tels que l'exactitude des déplacements linéaires, la répétabilité et les essais de circularité)décrits dans
les autres parties de l'ISO 230. Il est recommandé que les fournisseurs/fabricants donnent des spécifications sur
l'environnement thermique dans lequel la machine doit fonctionner avec l'exactitude spécifiée. Il convient que
l'utilisateur de la machine assure un environnement adapté aux essais en se conformant aux lignes directrices sur
les conditions thermiques fournies par le fournisseur/fabricant ou, dans le cas contraire, qu'il accepte une réduction
des performances. Un exemple de lignes directrices en matière d'environnement thermique est donné dans
l’annexe C.
En cas d'incertitude ou de variation excessive des performances de la machine-outil dues à un environnement
thermique non conforme aux lignes directrices du fournisseur/fabricant sur les conditions thermiques, il est prescrit
d'accepter un écart par rapport à l'exactitude attendue. En cas de non-conformité de la machine aux spécifications
de performance, l'analyse de l'incertitude thermique type combinéepeut aider à identifier la source du problème.
[1]
L'incertitude thermique type combinéeest définie en 3.6 ainsi que dans l’ISO 16015 .
NORME INTERNATIONALE ISO 230-3:2001(F)
Code d'essai des machines-outils —
Partie 3:
Évaluation des effets thermiques
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 230 définit trois essais qui sont:
� l’essai d'erreur due à des variations de la température ambiante (ETVE);
� l’essai de déformation thermique due à une broche en rotation;
� l’essai de déformation thermique due au mouvement le long d'un axe linéaire.
Les essais de déformation thermique due à un mouvement linéaire (voir article 7) s'appliquent uniquement aux
machines à commande numérique (CN) et sont destinés à mesurer les effets des dilatations et contractions
thermiques d'un axe sur l'exactitude du positionnement et sur la répétabilité. Pour des raisons pratiques, les
méthodes d'essai décrites dans l'article 7 s'appliquent à des machines à axes linéaires d'une longueur inférieure ou
égale à 2 000 mm. Si ces essais sont réalisés sur des machines dont les axes dépassent 2 000 mm de long, il est
recommandé de déterminer pour les essais une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage normale de
chaque axe.
Il convient de noter qu'il n'est pas prévu de fixer des valeurs de tolérances pour les essais décrit dans la présente
partie de l'ISO 230.
2Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente partie de l'ISO 230. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente partie de l'ISO 230 sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de l'ISO et de la CEI possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur.
ISO 1:1975, Température normale de référence des mesures industrielles de longueur.
ISO 230-1:1996, Code d'essai des machines-outils — Partie 1: Précision géométrique des machines fonctionnant à
vide ou dans des conditions de finition.
ISO 230-2:1997, Code d'essai des machines-outils — Partie 2: Déterminationdela précision et de la répétabilité
de positionnement des axes en commande numérique.
ISO 230-4:1996, Code d'essai des machines-outils — Partie 4: Essais de circularité des machines-outils à
commande numérique.
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l'ISO 230, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
échelle de machine
système de mesure intégréà la machine indiquant la position linéaire ou angulaire de l'axe de la machine
3.2
dilatation thermique différentielle nominale
NDE
différence entre la dilatation estiméed'unobjet mesuré et celle de l'équipement d'essai due à leur température
différente de 20 °C
3.3
incertitude due à la dilatation thermique différentielle nominale
u
NDE
incertitude combinée due aux incertitudes sur les coefficients de dilatation thermique de l'objet mesuré et à celle de
l'équipement d'essai
NOTE Elle est calculée en prenant la racine carrée delasomme des carrés des incertitudes de la dilatation nominale de
l'objet mesuré et de l'équipement d'essai.
3.4
erreur de variation de température ambiante
1)
ETVE
estimation de l'éventuelle incertitude de mesure maximale due uniquement aux variations de la température
ambiante pendant une quelconque durée de temps pendant laquelle une mesure de performance est réaliséesur
une machine-outil
NOTE La notation ETVE indique que la valeur ETVE est obtenue le long de l'axe des Z et que la valeur correspond
(Z, 8°C)
à une variation de température ambiante de 8 °C.
3.5
incertitude due à l'erreur de variation de température ambiante
u
ETVE
incertitude type des mesures de performances due aux effets des variations de température ambiante sur la
machine
NOTE 1 Elle est calculée en prenant la racine carréeducarré de l’ETVE divisée par 12.
NOTE 2 L'essai d'environnement conformément à l'article 5 constitue la base de l'estimation de cette incertitude pour une
machine-outil.
3.6
2)
incertitude thermique type combinée
u
CT
incertitude combinée des mesures de longueur due à un environnement qui est à une température différente de
20 °C constante et uniforme
1) Il est reconnu que la terminologie ISO prescrit le terme «écart» au lieu de «erreur». Toutefois, le comité technique a
accepté de garder le terme comme une exception à la terminologie ISO susmentionnée en raison de l'ancienneté du terme
ETVE.
2) Ce terme est équivalent à«incertitude dimensionnelle type combinée due aux effets thermiques» définie dans
[1]
l’ISO 16015 .
2 © ISO 2001 – Tous droits réservés
NOTE1 Il s'agit de laracinecarréedela somme descarrés de l'incertitude due à l'erreur de variation de température
ambiante (u ), de l'incertitude des mesures de températures (u ) et de l'incertitude due à la dilatation thermique
ETVE TM
différentielle nominale (u ).
NDE
[1]
NOTE 2 Une description détaillée de l'estimation de l'incertitude thermique type combinée est fournie dans l’ISO 16015 .
3.7
d
X1, 60
étendue du déplacement observéeau point P (loin du nez de broche) dans la direction de l’axe X pendant les
premières 60 min de l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.8
d
X1, t
étendue du déplacement observéeaupoint P (loin du nez de broche) dans la direction de l’axe X pendant toute la
période t de fonctionnement de la broche pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.9
d
X2, 60
étendue du déplacement observéeaupoint P (proche du nez de broche) dans la direction de l’axe X pendant les
premières 60 min de l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.10
d
X2, t
étendue du déplacement observéeaupoint P (proche du nez de broche) dans la direction de l’axe X pendant
toute la période t de fonctionnement de la broche pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en
rotation
3.11
d
Y1, 60
étendue du déplacement observéeau point P (loin du nez de broche) dans la direction de l’axe Y pendant les
premières 60 min de l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.12
d
Y1, t
étendue du déplacement observéeaupoint P (loin du nez de broche) dans la direction de l’axe Y pendant toute la
période t de fonctionnement de la broche pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.13
d
Y2, 60
étendue du déplacement observéeaupoint P (proche du nez de broche) dans la direction de l’axe Y pendant les
premières 60 min de l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.14
d
Y2, t
étendue du déplacement observéeaupoint P (proche du nez de broche) dans la direction de l’axe Y pendant
toute la période t de fonctionnement de la broche pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en
rotation
3.15
d
Z, 60
étendue du déplacement dans la direction de l’axe Z pendant les premières 60 min de l'essai de déformation
thermique due à la broche en rotation
3.16
d
Z, t
étendue du déplacement dans la direction de l’axe Z pendant toute la période t de fonctionnement de la broche
pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.17
d
A, 60
étendue de l'écart angulaire autour de l'axe des X pendant les premières 60 min de l'essai de déformation
thermique due à la broche en rotation
3.18
d
A, t
étendue de l'écart angulaire autour de l'axe des X pendant toute la période t de fonctionnement de la broche
pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.19
d
B, 60
étendue de l'écart angulaire autour de l'axe des Y pendant les premières 60 min de l'essai de déformation
thermique due à la broche en rotation
3.20
d
B, t
étendue de l'écart angulaire autour de l'axe des Y pendant toute la période t de fonctionnement de la broche
pendant l'essai de déformation thermique due à la broche en rotation
3.21
e1
X, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 1 dans la direction de l’axe X dans le sens positif, pendant le
cycle d'essai
3.22
e1
X, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 1 dans la direction de l’axe X dans le sens négatif, pendant le
cycle d'essai
3.23
e2
X, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 2 dans la direction de l’axe X dans le sens positif, pendant le
cycle d'essai
3.24
e2
X, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 2 dans la direction de l’axe X dans le sens négatif, pendant le
cycle d'essai
3.25
e1
Y,�
étendue totale de la dérive thermique au point visé 1 dans la direction de l’axe Y dans le sens positif, pendant le
cycle d'essai
3.26
e1
Y,�
étendue totale de la dérive thermique au point visé 1 dans la direction de l’axe Y dans le sens négatif, pendant le
cycle d'essai
3.27
e2
Y,�
étendue totale de la dérive thermique au point visé 2 dans la direction de l’axe Y dans le sens positif, pendant le
cycle d'essai
4 © ISO 2001 – Tous droits réservés
3.28
e2
Y,�
étendue totale de la dérive thermique du point visé 2 dans la direction de l’axe Y dans le sens négatif, pendant le
cycle d'essai
3.29
e1
Z, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 1 dans la direction de l’axe Z dans le sens positif, pendant le
cycle d'essai
3.30
e1
Z, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 1 dans la direction de l’axe Z dans le sens négatif, pendant le
cycle d'essai
3.31
e2
Z, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 2dans ladirection de l’axe Z dans le sens positif, pendant le
cycle d'essai
3.32
e2
Z, �
étendue totale de la dérive thermique au point visé 2 dans la direction de l’axe Z dans le sens négatif, pendant le
cycle d'essai
4 Remarques préliminaires
4.1 Unités de mesure
Dans la présente partie de l'ISO 230, toutes les dimensions et tous les écarts linéaires sont exprimésen
millimètres. Tous les angles sont exprimés en degrés. Les écarts angulaires sont, en principe, exprimésen fraction
mais des microradians ou des secondes d'arc peuvent être utilisés dans certains cas pour des raisons de
classification. Il convient toujours de se rappeler les équivalences suivantes:
0,010/1 000 = 10�rad� 2�
Les températures sont exprimées en degrésCelsius (°C).
4.2 Références à l'ISO 230-1
Pour l'application de la présente partie de l'ISO 230, il convient de se référer à l'ISO 230-1, notamment pour ce qui
concerne l'installation des machines avant essais et l'exactitude recommandée des appareils de contrôle.
4.3 Instruments et équipements d'essai recommandés
Les instruments de mesures recommandés dans le présent paragraphe sont uniquement donnés à titre d'exemple.
D'autres instruments, qui permettent de mesurer les mêmes grandeurs et qui ont une exactitude égale ou
supérieure, peuvent être utilisés. Les instruments et équipements d'essai suivants sont recommandés pour les
articles 5, 6 et 7:
a) système de mesure de déplacement ayant une étendue, une résolution, la stabilité thermique et une
exactitude appropriées (par exemple interféromètre à laser pour les déformations thermiques dues aux
déplacements le long d'un axe linéaire, capteurs de déplacement par contact capacitif, inductif ou rétractable
pour les essais d'environnement et les déformations thermiques dues à des broches rotatives);
b) capteurs de température (par exemple thermocouple, thermomètre à résistance électrique, ou à semi-
conducteur) d'une résolution et d'une exactitude suffisantes;
c) équipements d'acquisition de données, tels qu'un enregistreur de diagramme multicanal qui surveille et trace
continuellement tous les canaux, ou un système informatique qui recueille les données de tous les canaux au
3)
moins une fois toutes les 5 min et qui sauvegarde ces données pour une analyse ultérieure;
NOTE Le traitement manuel des données est admis si aucun système informatique n'est disponible.
d) mandrins d'essai, de préférence en acier et conçuconformément aux spécifications de la norme spécifique à
la machine ou par accord conclu entre le fournisseur/fabricant et l'utilisateur, voir l'ISO 230-1:1996, article A.3;
e) dispositifs de fixation des transducteurs de déplacements, fabriquésdepréférence en acier et conçu
conformément aux spécifications de la norme spécifique à la machine ou par accord conclu entre le
fournisseur/fabricant et l'utilisateur. Il est recommandé que la conception réduise au minimum les déformations
locales dues à des gradients de température dans le dispositif de fixation.
Si nécessaire et réalisable, il est admis de placer le transducteur de déplacement axial directement contre la tête
de broche (voir Figures 1, 2 et 3) afin d'éliminer les effets de dilatation thermique du mandrin d'essai.
L'exactitude à long terme du matériel de mesure doit être vérifiée, par exemple par des essais de dérives des
transducteurs (voir article A.5).
Les instruments de mesure doivent être stabilisés thermiquement avant de commencer les essais.
4.4 État de la machine avant essai
La machine doit être complètement assembléeet être en ordre de marche conformément aux instructions du
fournisseur/fabricant qui doivent être consignées. Toutes les opérations nécessaires de nivellement, d'alignement
géométrique et les contrôles fonctionnels doivent avoir été effectués de manière satisfaisante avant le début des
essais.
La machine doit être mise sous tension, tous les services auxiliaires étant en fonctionnement et les axes en
position «Arrêt», sans rotation de la broche, pendant une période suffisamment longue pour stabiliser les effets
d'une source interne de chaleur conformément aux spécifications du fournisseur/fabricant ou selon les indications
des instruments d'essai. La machine et les instruments de mesure doivent être protégés des courants d'air et des
rayonnements extérieurs tels que ceux provenant de radiateurs aériens, du soleil, etc.
Tous les essais doivent être réalisé sur la machine à vide. Lorsque le fonctionnement de la machine implique la
rotation de la pièce à usiner et de l'outil sur des broches séparées, les essais décrits dans les articles 5 et 6 doivent
être réalisés pour chaque broche par rapport à un point de référence fixe commun sur la structure de la machine.
Si des moyens ou des installations de compensation (matériels ou informatiques) destinés à réduire au minimum
les effets thermiques, tels que des projections d'air ou d'huile, sont disponibles sur la machine-outil, ces
installations doivent être utilisées pendant les essais et leur utilisation doit être consignée.
4.5 Ordre des essais
Les essais décrits dans les articles 5, 6 et 7 peuvent être réaliséssoit séparément, soit ensembles. S'ils sont
combinés, il convient de les réaliser dans l'ordre dans lequel ils sont donnés dans la présente partie de l’ISO 230.
3) Certains systèmes de compensation de température ont des cycles inférieurs à 5 min. Dans ce cas, il convient d’augmenter
la fréquence de la surveillance en conséquence.
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Légende
1 Capteur de température d'air ambiant 4 Transducteurs de déplacement
2 Capteur de température du palier de broche 5 Montage
3 Mandrin d'essai 6 Montage boulonnéà la table
Figure 1 — Installation type pour essai d'ETVE et de déformation thermique de la structure due à une
broche en rotation sur une machine à broche verticale
Légende
1 Capteur de température d'air ambiant
2 Capteur de température du palier de broche
Figure 2 — Installation type pour essai d'ETVE et de déformation thermique de la structure due à une
broche en rotation sur une machine à broche horizontale
Légende
1 Capteur de température d'air ambiant 5 Montage
2 Capteur de température du palier de broche 6 Tourelle
3 Mandrin d'essai 7 Mandrin de serrage
4 Transducteurs de déplacement
Figure 3 — Installation type pour essai d'ETVE et de déformation thermique de la structure due à une
broche en rotation sur un centre de tournage à banc incliné
4.6 Température de l'environnement d'essai
Conformément à l’ISO 1, toutes les mesures de dimensions doivent être réalisées lorsque les instruments de
mesure et les objets mesurés (par exemple la machine-outil) sont en équilibre thermique avec l'environnement
dont la température est maintenue à 20 °C. Si l'environnement est à une température différentede20 °C, il faut
appliquer la correction pour la dilatation thermique différentielle nominale (NDE) entre le système de mesurage et
l'objet mesuré (la machine-outil) afin de présenter les résultats corrigés à 20 °C. Il convient par exemple de
consigner la température ambiante autour du rayon laser et la température de l'échelle de machine lors des
mesures de déplacements linéaires normaux à l'aide d'un interféromètre à laser. Le changement prévu de la
longueur donnée par l'interféromètre à laser (résultat du changement de la longueur d'onde du laser en fonction de
la température et de la pression ambiante) ainsi que celui de l'échelle de machine (en fonction de sa température)
doivent être calculés. La différence entre ces deux dilatations de longueur donne la NDE qui est utilisée dans la
correction des données de mesure brutes fournies par l'interféromètre à laser, correction qui sert à déterminer les
écarts de déplacement linéaire à 20 °C. Toutefois, les prescriptions de corrections NDE ne sont pas applicables
dans la présente partie de l'ISO 230, puisque le but de cette dernière est d'identifier le comportement de la
machine lors d'éventuels variations de la température ambiante. Les corrections NDE sont uniquement autorisées
entre l'équipement d'essai et la partie de la machine où la pièce à usiner doit normalement se trouver. Il faut utiliser
les corrections NDE incorporées utilisées pour le fonctionnement normal de la machine-outil; des corrections NDE
additionnelles uniquement pour les mesurages ne doivent pas servir à corriger les déformations thermiques des
échelles de machine.
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5 Essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE)
5.1 Généralités
Les essais d'erreur de variation de température ambiante (ETVE) sont destinés à identifier les effets des
changements de température ambiante sur la machine et d'évaluer l'erreur induite thermiquement pendant les
autres mesurages de performance. Ils ne doivent pas être utilisés pour des comparaisons de machines. L'ETVE
doit être déterminée par l'essai de dérive en utilisant la procédure décrite en 5.2. Si des compensations de facteurs
environnementaux tels que la température et la pression de l'air sont prescrits pour le bon fonctionnement des
instruments de mesure, celles-ci doivent être appliquées. Si les instruments de mesure comprennent des
dispositifs de corrections NDE, il convient d'utiliser ces dispositifs à condition de placer le capteur de température
du matériau sur l'élément de la machine où la pièce à usiner doit normalement se trouver. L'utilisation de tels
dispositifs doit être consignée.
Il est recommandé que le fournisseur/fabricant donne des lignes directrices sur l'environnement thermique qui peut
être considéré comme acceptable pour que la machine puisse fonctionner avec l'exactitude spécifiée. De telles
lignes directrices générales peuvent contenir, par exemple, des spécifications sur la température ambiante
moyenne, l'amplitude et l'étendue de fréquences maximales des écarts par rapport à cette température moyenne,
et sur les gradients thermiques environnementaux. L'utilisateur a la responsabilité d'assurer un environnement
thermique acceptable pour les essais de fonctionnement et de performance de la machine-outil sur le site
d'installation. Toutefois, si l'utilisateur se conforme aux lignes directrices données par le fournisseur/fabricant de la
machine, la responsabilité de la conformité des performances de la machine aux spécifications incombe au
fournisseur/fabricant.
La somme des incertitudes de mesures de performance de la machine-outil dues aux effets thermiques est définie
comme l'incertitude thermique type combinée. L'incertitude thermique type combinée (voir 3.6) peut être évaluée
avec l'aide de l'essai décrit, quand les conditions environnementales pendant le mesurage de performance et les
essais ETVE sont comparables. Elle ne doit pas dépasser une valeur convenue entre l'utilisateur et le
fournisseur/fabricant.
5.2 Méthode d'essai
Les Figures 1, 2 et 3 illustrent respectivement des exemples d'installations de mesure types pour des machines
universelles d'usinage à broche horizontale, à broche verticale et pour un centre de tournage. Les dispositifs de
fixation sur lesquels les transducteurs de déplacements sont montés, doivent être solidement fixés aux zones de
montage de pièce ou de montage d’outils non rotatives de la machine pour mesurer:
a) les déplacements relatifs entre l'élément qui maintient l'outil et l'élément qui maintient la pièce à usiner le long
des trois axes orthogonaux parallèles aux axes de déplacement de la machine; la position exacte de
l'installation de mesure doit être consignéeavec les résultats d'essai;
b) l'inclinaison ou la rotation autour des axes X et Y de la machine-outil.
4)
Il convient toutes les 5 min au minimum de mesurer la température de la structure de la machine, le prèsque
possible du palier avant de la broche, et la température de l'air ambiant autour de la machine à la hauteur de la tête
de broche. Il est important de mesurer la température de l'air ambiant à une distance appropriée de la machine afin
d'éviter toute influence de la température de l'air ambiant par l'échauffement de la machine (par exemple par des
composants hydrauliques). Bien que les températures mesurées ne correspondent pas exactement aux
déplacements mesurés, elles fournissent des indications sur les changements thermiques de l'environnement et de
la structure de la machine.
NOTE Afin d'assurer la cohérence des résultats ETVE, il est nécessaire de surveiller le procédé d'essai ETVE de manière
à identifier les changements importants des conditions de mesure.
4) Certains systèmes de compensation de température ont des cycles inférieurs à 5 min. Dans ce cas, il convient d’augmenter
la fréquence de la surveillance en conséquence.
Une fois installé, il convient de poursuivre l'essai de dérive aussi longtemps que possible avec des écarts
minimaux par rapport aux conditions normales de mesure de performances. Pour les situations où des activités
périodiques sont observées (tels que la remise à zéro périodique de l'équipement d'essai par rapport à une
référence de mesure), il est recommandé de réaliser les essais sur une période pendant laquelle la plupart des
événements sont répétés ou sur une quelconque autre période convenue par le fournisseur/fabricant et l'utilisateur.
5.3 Interprétation des résultats
En règle générale, les résultats sont tracés sur des graphiques de déformation thermique et de température en
fonction du temps, comme représentéà titre d'exemple à la Figure 4. Ces courbes de résultats ne doivent toutefois
pas être utilisées pour des comparaisons de machines. Les valeurs ETVE obtenues d'un tel graphique sont
utilisées pour déterminer l'incertitude thermique type combinée lors de mesures, par exemple les mesures
d'exactitude du déplacement linéaire le long de chaque axe de la machine ou les mesures de circularité dans les
trois plans orthogonaux de la zone d'usinage de la machine. Afin d'appliquer l'incertitude thermique type combinée
à une quelconque mesure de performance, il convient de noter la température ambiante de manière continue
pendant ce procédé de mesure de performance particulier. Si ces enregistrement révèlent des changements
significatifs des conditions par rapport aux conditions dans lesquelles les valeurs ETVE ont été obtenues, les
résultats ETVE sont nuls et sans effet pour le procédé de mesure donné. Dans ce cas, il convient de réaliser une
5)
nouvelle estimation ETVE ou d'adapter les conditions aux conditions auxquelles l'ETVE s'applique . Les
instruments de mesures doivent en outre être stabilisés d'un point de vue thermique.
Il convient que les mesures dans différentes directions utilisent des valeurs différentes de ETVE obtenues à partir
du même relevé. Il est par exemple recommandé d'utiliser l'étendue maximale de déformation thermique dans la
directiondel’axe Z comme valeur ETVE(Z) pendant la duréenécessaire aux mesures de déplacements linéaires le
long de l'axe des Z. Les valeurs ETVE(Y) et ETVE(X) peuvent être déterminées de la même manière pour les deux
autres directions. Pour les mesures de déplacements sur plusieurs axes simultanément, telles que les mesures de
circularité dans le plan XY par exemple, la valeur maximale de ETVE(X) et ETVE(Y) est généralement prise
comme valeur ETVE.
Pour les mesures d'écart angulaire, les valeurs ETVE sont obtenues en calculant l'étendue maximale d'inclinaison
autour des axes X et Y pendant la duréedelamesure de l'écart angulaire. Les angles d'inclinaison A et B sont
calculées pour un instant donné, endivisantladifférence entre les valeurs données par les deux transducteurs de
déplacement le long d'un axe par la longueur, l, entre ces deux transducteurs orientés dans la même direction. Les
formules suivantes sont utilisées pour ces calculs:
A= (Y1� Y2)/l
B= (X1� X2)/l
ETVE = étendue maximale de A
A
ETVE = étendue maximale de B
B
Afin de déterminer l'ETVE pour un essai de performance donné (par exemple pour une direction de mesure
donnée) sur une machine-outil, il faut rechercher un intervalle sur la courbe ETVE qui soit aussi long que la durée
correspondante de l'essai de performance et qui ait une pente maximale. La variation maximale observée dans cet
intervalle de temps devient la valeur ETVE réelle pour cet essai. En se référant à la Figure 4 par exemple, ETVE
X
pour l'essai de positionnement linéaire d'une machine-outil d'une durée d'environ 1 h est déterminée par l'intervalle
de temps 90 min à 150 min sur l'échelle de temps. Pour cet essai, le graphique indique une valeur ETVE de
0,001 5 mm dans l'intervalle donné.
5) Il convient que les variations maximales de température ambiante mesurées pendant les essais de performances de la
machine soient inférieures ou égales aux changements de température ambiante mesurés pendant les essais ETVE (article 5).
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Erreur de variation de température ambiante (ETVE)
À titre d'exemple, les valeurs ETVE suivantes ressortent des graphiques ci-dessus pour un essai d'une duréede1 h:
ETVE = 0,001 5 mm (90 min à 150 min) ETVE = 3" (110 min à 170 min)
X; 1,1 °C A; 1,1 °C
ETVE = 0,000 6 mm (230 min à 290 min) ETVE = 3" (110 min à 170 min)
Y; 0,6 °C B; 1,1 °C
ETVE = 0,001 mm (100 min à 160 min)
Z; 1,2 °C
a c
Température ambiante Rotation autour de X
b d
Température de la broche Rotation autour de Y
Figure 4 — Température et déformation en fonction du temps pour les essais ETVE
5.4 Présentation des résultats
Généralement les données de mesure sont reportées sur des graphiques de déformationet detempérature en
fonction du temps comme représentéà la Figure 4. Il convient de consigner les valeurs ETVE pour chaque
direction afin d'indiquer la valeur des variations de température pendant la période d'observation, par exemple
ETVE =0,001mm.
Z, 1,2 °C
Il convient également de reporter les informations suivantes avec les résultats des essais comme illustréà la
Figure 5:
a) position de l'installation de mesure (coordonnées du point P ,voirFigure1);
b) positions des capteurs de température;
c) types de capteurs;
d) conception et matériau des mandrins d'essai et des montages;
e) procédures/moyens de compensation thermique utilisés;
f) toute procédure d'essai spéciale convenue;
g) date et heure de l'essai;
h) procéduredepréparation de la machine avant l'essai (y compris la période de fonctionnement des services
auxiliaires avant l'essai);
i) la direction positive des écarts dans les directions X, Y, Z, A, B si elles sont différentes des systèmes de
coordonnées montrées dans les Figures 1, 2, 3 et 5.
6Déformation thermique due à une broche en rotation
6.1 Généralités
Le présent essai est réalisé afin d'identifier les effets dus à la chaleur interne générée par la rotation de la broche
et les gradients de température résultant le long de la structure sur les déformations de la structure de la machine
observées entre la pièces à usiner et l'outil. Puisque ces effets sont dus à la génération de chaleur par la broche, le
présent essai est uniquement réalisé sur des machines à broches en rotation.
6.2 Méthode d'essai
Les Figures 1, 2 et 3 illustrent les installations de mesure types pour des machines universelles d'usinage à broche
horizontale, à broche verticale et pour un centre de tournage respectivement. Les dispositifs de fixation sur
lesquels les transducteurs de déplacements sont montés doivent être solidement fixés aux zones non-rotatives de
support de pièce ou de support d'outil de la machine pour mesurer:
a) les déplacements relatifs entre l'élément qui maintient l'outil et l'élément qui maintient la pièces à usiner le long
des trois axes orthogonaux parallèles aux axes de déplacement de la machine; la position exacte de
l'installation de mesure doit être enregistréeavec les résultats;
b) l'inclinaison ou la rotation autour des axes X et Y de la machine-outil.
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Date de l'essai: AA/MM/JJ
Machine: AAA, centre d'usinage à broche verticale/
X = 1 000, Y = 600, Z = 800
Capteur de température/position (ambiant) thermocouple/de la face avant de la broche
Y = 300 (avant), X = 200 (droite)
Mandrin d'essai:
acier, 11µm/m °C,� 60 mm, longueur 200 mm,
cône n° 40
Dispositif de fixation:
acier, 11µm/m °C, 200� 100� 50, fixé au
centre de la table
Compensation thermique utilisée: refroidissement par huile avec capteur de
température de la broche
Procédurede miseentempérature: démarrage à froid
Position de chariot: X = 500 mm, Y = 300 mm, Z = 400 mm, C = 0
Point de mesure P :
X = 500 mm, Y = 300 mm, Z = 220 mm (hauteur
au-dessus de la surface de la table)
150 mm
Distance l entre les capteurs (P P )
1 2
(pour ETVE) (pour broche en rotation )
�1
— Vitesse de rotation de la broche: —
4 000 min const.
— Temps d'arrêt pour chaque vitesse de broche — aucun
— Remarque particulière — aucune
Légende
1 Capteur de température de l'air ambiant 4 Transducteurs de déplacement
2 Capteur de température du palier de broche 5 Dispositif de fixation
3 Mandrin d'essai 6 Dispositif de fixation boulonnéà la table
Figure 5 — Présentation type des informations sur l'installation pour les essais ETVE
et de déformation thermique due à une broche en rotation
Il convient de mesurer la température de la structure de la machine aussi près que possible du palier avant de la
broche ainsi que la température de l'air ambiant autour de la machine à la hauteur de la tête de broche toutes les
6)
5min au minimum. Il est important de mesurer la température de l'air ambiant à une distance appropriéedela
...
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