ISO 230-3:2020
(Main)Test code for machine tools — Part 3: Determination of thermal effects
Test code for machine tools — Part 3: Determination of thermal effects
This document defines four tests: — an environmental temperature variation error (ETVE) test; — a test for thermal distortion caused by rotating spindles; — a test for thermal distortion caused by moving linear axes; — a test for thermal distortion caused by rotary motion of components. 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 as well as the angular deformation of structures. 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 is chosen for the tests. The tests correspond to the drift test procedure as described in ISO/TR 16015:2003, A.4.2, applied for machine tools with special consideration of thermal distortion of moving linear components and thermal distortion of moving rotary components. On machine tools equipped with compensation for thermal effects these tests demonstrate any uncertainty in nominal thermal expansion due to uncertainty of coefficient of thermal expansion and any uncertainty of length due to temperature measurement.
Code d'essai des machines-outils — Partie 3: Évaluation des effets thermiques
Le présent document définit quatre essais: — l'essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE); — l'essai pour la déformation thermique due à une broche en rotation; — l'essai pour la déformation thermique due au déplacement le long d'axes linéaires; — l'essai pour la déformation thermique due au mouvement rotatif des composants. Les essais de déformation thermique due au déplacement le long des axes linéaires (voir Article 7) s'appliquent uniquement aux machines à commande numérique (CN) et sont destinés à mesurer les effets de dilatation et de contraction thermiques, ainsi que la déformation angulaire des structures. Pour des raisons pratiques, les méthodes d'essai décrites à l'Article 7 s'appliquent aux machines à axes linéaires ayant 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 longueur, une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage normale de chaque axe est à déterminer pour les essais. Les essais correspondent au mode opératoire de l'essai de dérive tel que décrit dans l'ISO/TR 16015:2003, A.4.2, appliqué aux machines-outils avec une attention particulière à la distorsion thermique des composants linéaires en mouvement et à la distorsion thermique des composants rotatifs en mouvement. Sur les machines-outils équipées d'une compensation des effets thermiques, ces essais montrent toute incertitude de dilatation thermique nominale due à l'incertitude du coefficient de dilatation thermique et toute incertitude de longueur due à la mesure de température.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 230-3
Third edition
2020-11
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 2020
© ISO 2020
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Published in Switzerland
ii © ISO 2020 – All rights reserved
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 tool conditions prior to testing . 6
4.5 Testing sequence . 6
4.6 Test environment temperature . 6
4.7 Uncertainty due to temperature effects . 7
5 Environmental temperature variation error (ETVE) test . 7
5.1 General . 7
5.2 Test method . 8
5.3 Interpretation of results .11
5.4 Presentation of results .14
6 Thermal distortion caused by rotating spindle .15
6.1 General .15
6.2 Test method .15
6.3 Interpretation of results .17
6.4 Presentation of results .17
7 Thermal distortion caused by linear motion of components .19
7.1 General .19
7.2 Test method .20
7.2.1 Measurement positions .20
7.2.2 Setup of instruments .20
7.2.3 Test cycle .26
7.2.4 Temperature measurements .27
7.2.5 Compensations .27
7.3 Presentation of results .27
8 Thermal distortion due to rotary motion of components .31
8.1 General .31
8.2 Test method .31
8.2.1 Target positions .31
8.2.2 Test setup .31
8.2.3 Test cycle .33
8.2.4 Temperature measurements .34
8.2.5 Presentation of results .34
Annex A (informative) Information on linear displacement sensors .37
Annex B (informative) Guidelines on the required number of linear displacement sensors .41
Annex C (informative) Guidelines for machine tool thermal environment .44
Annex D (informative) Alternative measurement devices and set-ups .46
Bibliography .50
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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 39, Machine tools, Subcommittee SC 2,
Test conditions for metal cutting machine tools.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 230-3:2007), which has been technically
revised. The main changes compared to the previous edition is the addition of Clause 8 for checking
thermal effects of machine tool rotating heads and tables.
A list of all parts in the ISO 230 series can be found on the ISO website.
iv © ISO 2020 – All rights reserved
Introduction
The purpose of the ISO 230 series is to standardize methods of testing the accuracy of machine tools,
excluding portable power tools.
This document 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 document are not intended to simulate the normal
operating conditions but are to facilitate performance estimation and to determine the effects of
environment on machine tool performance. For example, use of coolants can significantly affect
the actual thermal behaviour of the machine tool. Therefore, these tests are 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, contraction, or distortion of relevant
structural elements.
The tests described in this document 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. A simple reference to this part of the test code for the acceptance tests, without agreement on
the tests to be applied and the relevant charges, cannot be considered as binding for any contracting
party. One significant feature of this document is its emphasis on environmental thermal effects on
all the performance tests described in other parts of the ISO 230 series related to linear displacement
measurements (such as linear positioning accuracy, repeatability and the circular tests). The suppliers/
manufacturers are expected to provide thermal specifications for the environment in which the
machine can be expected to perform with the specified accuracy. The machine user is 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 in accuracy expectations is required if the thermal environment causes excessive
uncertainty or variation in the machine tool performance and does not meet the 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 3.13 as well as in ISO/TR 16015.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 230-3:2020(E)
Test code for machine tools —
Part 3:
Determination of thermal effects
IMPORTANT — The electronic file of this document contains colours which are considered to be
useful for the correct understanding of the document. Users should therefore consider printing
this document using a colour printer.
1 Scope
This document defines four tests:
— an environmental temperature variation error (ETVE) test;
— a test for thermal distortion caused by rotating spindles;
— a test for thermal distortion caused by moving linear axes;
— a test for thermal distortion caused by rotary motion of components.
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 as well as the angular deformation of structures. 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 is chosen for the tests.
The tests correspond to the drift test procedure as described in ISO/TR 16015:2003, A.4.2, applied
for machine tools with special consideration of thermal distortion of moving linear components and
thermal distortion of moving rotary components. On machine tools equipped with compensation
for thermal effects these tests demonstrate any uncertainty in nominal thermal expansion due to
uncertainty of coefficient of thermal expansion and any uncertainty of length due to temperature
measurement.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 230-1:2012, Test code for machine tools — Part 1: Geometric accuracy of machines operating under
no-load or quasi-static conditions
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions in ISO 230-1:2012 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
machine scale
measurement system integrated into a machine providing the linear or rotary position of the
machine’s axis
EXAMPLE Linear and rotary encoders are typical machine scales.
3.2
coefficient of thermal expansion
α
ratio of the fractional change of length to the change in temperature
Note 1 to entry: For the purpose of this document, a range of temperature from 20 °C to any temperature, T, is
considered. Formula (1) is used:
LL−
T 20
α()20,T = (1)
LT×−20
()
where
T is the temperature of the object in °C;
L is the length of a measured object or of a portion of the scale of a length test equipment at tem-
perature T = 20 °C;
L is the length of a measured object or of a portion of the scale of a length test equipment at tem-
T
perature T.
[SOURCE: ISO/TR 16015:2003, 3.1.1, modified — Note 1 to entry has been changed and the where clause
has been added.]
3.3
nominal coefficient of thermal expansion
α
n
approximate value for the coefficient of thermal expansion (3.2) over a range of temperature from
20 °C to T
3.4
uncertainty of coefficient of thermal expansion
u
α
parameter that characterizes the dispersion of the values that can reasonably be attributed to the
coefficient of thermal expansion (3.2)
3.5
thermal expansion
Δ
E
change in the length of a measured object or a portion of the scale of a length test equipment in response
to a temperature change
3.6
nominal thermal expansion
Δ
NE
estimate of the thermal expansion (3.5) of a measured object or a portion of the scale of a length test
equipment from 20 °C to their average temperatures at the time of measurement
Note 1 to entry: This estimate is based on nominal coefficients of thermal expansion [see Formula (2)]:
Δ =×α LT×−20 (2)
()
NE n
where
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α is the nominal coefficient of thermal expansion (3.3) of the object’s material;
n
L is the length of the object;
T is the average temperature of the object (°C).
3.7
uncertainty in nominal thermal expansion due to uncertainty in α
u
Δ,NE
uncertainty in the nominal thermal expansion (3.6) arising from uncertainty of coefficient of thermal
expansion (3.4)
Note 1 to entry: This uncertainty can be calculated by Formula (3):
uL=×()Tu−×20 (3)
Δ,NE α
where
L is the length of the object;
T is the temperature of the object (°C);
u is uncertainty of coefficient of thermal expansion (3.4).
α
3.8
uncertainty of length due to temperature measurement
u
TM
uncertainty in a measured length due to the uncertainty of the temperature at which the length
measurement was conducted
3.9
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
3.10
uncertainty of nominal differential thermal expansion
u
NDE
combined uncertainty caused by the uncertainties of thermal expansion (3.5) of the measured object
and that of the test equipment
Note 1 to entry: 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 [see Formula (4)].
uu=+u (4)
NDEEMET
where
u is the uncertainty of nominal expansion of the measured object;
EM
u is the uncertainty of nominal expansion of the test equipment.
ET
Note 2 to entry: For evaluation of uncertainty see ISO/TR 16015:2003, 5.3.
3.11
environmental temperature variation error
E
TVE
estimate of the maximum possible measurement variation induced solely by the variation of the
environment temperature during any time period while performance measurements are carried out on
a machine tool
EXAMPLE The notation E (Z, 8 °C) indicates that the E value is obtained along the Z direction and the
TVE TVE
value corresponds to an environmental temperature variation of 8 °C.
3.12
uncertainty due to environmental temperature variation error
u
ETVE
standard measurement uncertainty contribution in performance measurements carried out on a
machine tool caused by the effects of environmental temperature changes
Note 1 to entry: It can be calculated as the square root of the square of E divided by 12 [see Formula (5) and
TVE
ISO/TR 230-9]:
E
TVE
u = (5)
ETVE
Note 2 to entry: The basis for the estimation of this uncertainty for a machine tool is the environment test
according to Clause 5.
3.13
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 to entry: This term is equivalent to combined standard dimensional uncertainty due to thermal effects as
defined in ISO/TR 16015.
Note 2 to entry: It is a combination by square root of sum of squares of uncertainty due to environmental
temperature variation error (3.12), u , length uncertainty due to uncertainty of temperature measurements,
ETVE
u , and the uncertainty of nominal differential thermal expansion (3.10), u [see Formula (6)]:
TM NDE
22 2
uu=+uu+ (6)
CT ETVE TM NDE
Note 3 to entry: A detailed description of estimating the combined standard thermal uncertainty is given in
ISO/TR 16015.
3.14
thermal distortion of moving rotary component
d(E )
αOβ xx,t
range of linear or angular displacement of moving rotary component along rotary axis β or of axis
average line of spindle β in the direction of α within (the first) t min of the tests (at position xx)
EXAMPLE The notation d(E ) indicates that the thermal distortion, within the first 60 min, of axis
XOC P1,60
average line of axis C in X direction at position P1 (away from the spindle nose) is referenced.
Note 1 to entry: Possible notations for α are: X, Y, Z, A, B, C. Possible notations for β are: C, C1, A, B, or any spindle
axis. Possible notations for xx are: P1 (position P1, away from the spindle nose) and P2 (position P2, close to
spindle nose); position reference xx is omitted for values of linear displacement in the Z direction and angular
displacements (A, B, and C).
Note 2 to entry: For notation E , see ISO 230-7.
αOβ
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Note 3 to entry: d(E ) is a special case of this thermal distortion indicating radial expansion of the rotary
ROT
component T. Similarly, d(E ) is the thermal growth of the rotary component rotating around C in the axial
ZOT
direction.
3.15
thermal distortion of moving linear component
d(E )
α γ xx,t
range of linear or angular displacement, in the direction of α, of moved machine component along
linear axis γ within (the first) t min of the tests for thermal distortion caused by moving linear axis (at
position xx)
EXAMPLE The notation d(E ) indicates that the thermal distortion, within the first 60 min, of linear
BX P1,60
axis X in B direction (rotation around Y) at target position P1 (e.g. right position in Figure 8) is referenced.
Note 1 to entry: Possible notations for α are: X, Y, Z, A, B, C. Possible notations for γ are: X, X1, Y, Z, W or any linear
axis. Possible notations for xx are: P1 and P2, xx can also be expressed in words, e.g. left and right.
4 Preliminary remarks
4.1 Measuring units
In this document, 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, micro-radians or arc-seconds may be used for clarification purposes. Formula (7) should
always be kept in mind:
0,/010 1000=≈10μ″rad2 (7)
The temperatures are expressed in degrees Celsius (°C).
4.2 Reference to ISO 230-1
To apply this document, reference shall be made to ISO 230-1, especially for the installation of the
machine before testing and for the recommended measurement uncertainty of the test equipment.
4.3 Recommended instrumentation and test equipment
The measuring instruments recommended in this subclause are examples. Other instruments capable
of measuring the same quantities and having the same or smaller measurement uncertainty may be
used. The following instrumentation and test equipment are recommended for Clauses 5, 6, 7 and 8.
4.3.1 Displacement measuring system, with adequate range, resolution, thermal stability, and
measurement uncertainty (e.g. 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 and rotary components).
4.3.2 Temperature sensors (e.g. thermocouple, resistance or semiconductor thermometer), with
adequate resolution and measurement uncertainty.
4.3.3 Data acquisition equipment, such as a multi-channel chart recorder which continuously
monitors and plots all channels, or a computer-based system in which all channels are sampled at least
1)
once every 5 min , and data is stored for subsequent analysis.
NOTE Manual data processing is possible if a computer system is not available.
1) Some temperature compensation systems exhibit cycle times shorter than 5 min. In such cases, the frequency
for monitoring can be increased to five readings per cycle if possible.
4.3.4 Test mandrel, respectively precision sphere for rotary components, preferably made of steel
with the design to be specified in the relevant machine-specific standards or agreed between supplier/
manufacturer and user (see ISO/TR 230-11:2018, 6.3 and 6.4).
End surface of test mandrel needs proper flatness and squareness to axis of mandrel as these deviations
influence measurement uncertainty directly. To minimize such uncertainty, spherical ended mandrel
or precision spheres can be used.
When selecting the test mandrel, maximum safe rotational speed needs to be considered.
4.3.5 Fixture in which to mount the displacement sensors, preferably made of steel, with the design to
be specified in the relevant machine-specific standards or agreed between supplier/manufacturer and user.
The design should minimize local distortions caused by temperature gradients in the fixture.
When evaluating angular deviations, the distance between displacement sensors has to be selected in
order to achieve adequate range, resolution and measurement uncertainty.
When necessary and practicable, the axial displacement sensor (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
temperature stability test (cap test, see A.5).
The measuring instruments shall be thermally stabilized before starting the tests.
4.4 Machine tool conditions prior to testing
The machine tool shall be completely assembled and fully operational in accordance with the supplier's/
manufacturer's instructions which shall be recorded. All necessary levelling operations, geometric
alignment and functional checks shall be completed satisfactorily before starting the tests.
The machine tool 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 tool
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 tool in the unloaded condition. Where a machine tool
involves rotating both the workpiece and the cutting 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 tool 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, 7 and 8 may be used either singly or in any combination.
4.6 Test environment temperature
According to ISO 1, unless otherwise specified, 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) shall be made to correct the results to correspond to 20 °C (or to
the specified reference temperature). 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
6 © ISO 2020 – All rights reserved
(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
document, 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.
4.7 Uncertainty due to temperature effects
The ETVE test (Clause 5), along with the uncertainty due to environmental temperature variation
error, u , and the tests (Clauses 6 to 8) for thermal distortions [d(E ) , d(E ) ], provide the
ETVE αOβ xx,t α γ xx,t
temperature effects that contribute to the uncertainty of performance and/or performance evaluation
of machine tools.
In addition to these test results, other contributors to the uncertainty are the uncertainty in nominal
thermal expansion due to uncertainty of coefficient of thermal expansion (u , u ) and the uncertainty
α Δ,NE
of length due to temperature measurement, u . All contributors are to be considered to estimate the
TM
combined standard thermal uncertainty, u , or any other combined thermal uncertainties.
CT
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 tool and to estimate the thermally induced error
during other performance measurements. They shall not be used for machine tool comparison. E
TVE
shall be determined 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 tool 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 tool to perform with the specified accuracy. Such
general guidelines can 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 (see Annex C). It is the user's responsibility to provide 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 3.13) 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.
According to 4.4 the machine tool axes shall be powered up and in “Hold” position. On some machine
designs, especially on a vertical or slant axis, the axis may warm up in “Hold” position. If this is the case,
the ETVE test may be carried out with the machine completely shut off. By mutual agreement between
the manufacturer/supplier and the user, ETVE test may also be preceded by an appropriate warm-up
period. This condition shall be stated in the test report.
5.2 Test method
Figures 1, 2 and 3 show examples of typical measurement setups for a vertical- and horizontal-spindle
machining centre and a turning centre, respectively. The fixture in which the linear displacement
sensors are mounted shall be securely fixed to the non-rotating workholding or tool-holding component
of the machine tool to measure:
a) the relative displacements between the component that holds the cutting 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 setup shall be recorded along with the test results;
b) the tilt or rotation around the X and Y axes of the machine tool.
WARNING — Figures 1 to 3 show test mandrels that need end surfaces with proper flatness
and squareness to the axis of the mandrel as these deviations influence the measurement
uncertainty directly. To minimize such uncertainty, spherical ended mandrel or precision
spheres can be used.
The temperature of the machine tool structure, as close as possible to the front spindle bearing or at a
point agreed between the supplier/manufacturer and the user, and the ambient air temperature in the
close vicinity of the machine (if the machine is enclosed, then the temperature sensor should be placed
outside this enclosure) and at the same height as the spindle nose should be monitored at least once
2)
every 5 min . It is important to measure the ambient (environmental) 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 tool structure.
NOTE To ensure the consistency of the ETVE results, the ETVE testing process is monitored in such a way
that significant changes in measurement conditions including environmental conditions are recognizable.
Once set up, the ETVE 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.
2) Some temperature compensation systems exhibit cycle times shorter than 5 min. In such cases, the frequency
for monitoring can be increased to five readings per cycle if possible.
8 © ISO 2020 – All rights reserved
Key
1 ambient air temperature sensor P1 measuring position 1
2 spindle bearing temperature sensor P2 measuring position 2
3 test mandrel l distance between measuring positions P1 and P2
4 linear displacement sensors X1 sensor measuring displacement along X-direction at
measuring position 1
5 fixture X2 sensor measuring displacement along X-direction at
measuring position 2
6 fixture bolted to table Y1 sensor measuring displacement along Y-direction at
measuring position 1
Y2 sensor measuring displacement along Y-direction at
measuring position 2
Z sensor measuring displacement along Z-direction
Figure 1 — Typical setup for tests of ETVE and thermal distortion of structure caused by rotating
spindle and thermal distortion caused by moving linear axis on a vertical machining centre
Key
1 ambient air temperature sensor P1 measuring position 1
2 spindle bearing temperature sensor P2 measuring position 2
3 test mandrel l distance between measuring positions P1 and P2
4 linear displacement sensors X1 sensor measuring displacement along X-direction at
measuring position 1
5 fixture
6 fixture bolted to workholding pallet X2 sensor measuring displacement along X-direction at
measuring position 2
Y1 sensor measuring displacement along Y-direction at
measuring position 1
Y2 sensor measuring displacement along Y-direction at
measuring position 2
Z sensor measuring displacement along Z-direction
Figure 2 — Typical setup for tests of ETVE and thermal distortion of structure caused by rotating
spindle and thermal distortion caused by moving linear axis on a horizontal machining centre
10 © ISO 2020 – All rights reserved
Key
1 ambient air temperature sensor P1 measuring position 1
2 spindle bearing temperature sensor P2 measuring position 2
3 test mandrel l distance between measuring positions P1 and P2
4 linear displacement sensors X1 sensor measuring displacement along X-direction at
measuring position 1
5 fixture Y1 sensor measuring displacement along Y-direction at
measuring position 1
6 turret X2 sensor measuring displacement along X-direction at
measuring position 2
7 chuck Y2 sensor measuring displacement along Y-direction at
measuring position 2
Z sensor measuring displacement along Z-direction
Figure 3 — Typical setup for tests of ETVE and thermal distortion of structure caused by rotating
spindle and thermal distortion caused by moving linear axis on a slant bed turning centre
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 examples given in Figure 4. However, this resultant plot shall not be used for the purposes
of machine comparison. The E values obtained from such a plot are used for considering the combined
TVE
standard thermal uncertainty in measurements such as linear positioning error 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
E values were obtained, the ETVE test results are null and void for that measurement process. In
TVE
these cases, a re-evaluation of E should be conducted, or conditions corrected to those for which the
TVE
3)
E applies . In addition, measuring instruments shall be thermally stabilized.
TVE
Measurements in different directions should use different E values obtained from the same plot. For
TVE
example, positioning error measurements along the Z axis of the machine tool should use the maximum
range of thermal distortion in the Z direction for the period of time it takes to carry out the positioning
error measurements as the E (Z) value. The E (Y) and E (X) values can be determined in the
TVE TVE TVE
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
E (X) and E (Y) is generally taken as the E value.
TVE TVE TVE
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 according to ISO 841, at any given time, are calculated by dividing the difference
between the two displacement sensor readings along an axis divided by the distance, l, between these
two transducers sensing in the same direction. Formulae (8) to (11) are used for these calculations:
Al=−YY12 / (8)
()
Bl=−XX12 / (9)
()
EAAi=max mumrangeof (10)
()
TVE
EBBi=max mumrangeof (11)
()
TVE
NOTE The resulting values are represented according to ISO 841 sign convention.
In order to determine E for a given performance test (for example for a given direction of
TVE
measurement) on a machine tool, one has to look for an interval on the E plot that is as long as the
TVE
time period corresponding to that performance test and that has the maximum slope. The maximum
variation observed within that time interval becomes the effective E value for that test. For example,
TVE
referring to Figure 4, E (X) for the test of linear positioning error of a machine tool that lasts about
TVE
1 hour is determined by the time interval 90 min to 150 min on the time scale. The E value for this
TVE
test obtained from the plot in that interval is 0,001 5 mm.
3) Maximum variations of ambient temperature measured during machine performance tests are expected to be
smaller or equal to the change of ambient temperature measured during ETVE tests (Clause 5).
12 © ISO 2020
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 230-3
Troisième édition
2020-11
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 2020
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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CH-1214 Vernier, Genève
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Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Remarques préliminaires . 5
4.1 Unités de mesure . 5
4.2 Référence à l'ISO 230-1 . 5
4.3 Instruments et équipement d'essai recommandés . 5
4.4 État de la machine-outil avant essai . 6
4.5 Ordre des essais . 7
4.6 Température de l'environnement d'essai . 7
4.7 Incertitude due aux effets de la température . 7
5 Essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE) . 8
5.1 Généralités . 8
5.2 Méthode d'essai . 8
5.3 Interprétation des résultats .12
5.4 Présentation des résultats .15
6 Déformation thermique due à une broche en rotation .17
6.1 Généralités .17
6.2 Méthode d'essai .18
6.3 Interprétation des résultats .19
6.4 Présentation des résultats .19
7 Déformation thermique due aux déplacements linéaires des composants .21
7.1 Généralités .21
7.2 Méthode d'essai .22
7.2.1 Positions de mesure .22
7.2.2 Installation des instruments .22
7.2.3 Cycle d'essai .28
7.2.4 Mesurages de température .29
7.2.5 Compensations .29
7.3 Présentation des résultats .29
8 Déformation thermique due au mouvement rotatif des composants .33
8.1 Généralités .33
8.2 Méthode d'essai .33
8.2.1 Points visés .33
8.2.2 Montage d'essai .33
8.2.3 Cycle d'essai .35
8.2.4 Mesurages de température .36
8.2.5 Présentation des résultats .36
Annexe A (informative) Informations sur les capteurs de déplacement linéaire .39
Annexe B (informative) Lignes directrices sur le nombre nécessaire de capteurs de
déplacement linéaire .44
Annexe C (informative) Lignes directrices sur l'environnement thermique des machines-outils .47
Annexe D (informative) Autres dispositifs et installations de mesure .50
Bibliographie .55
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 confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité 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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 39, Machines-outils, sous-comité SC 2,
Conditions de réception des machines travaillant par enlèvement de métal.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 230-3:2007), qui a fait l’objet d’une
révision technique. La principale modification par rapport à l’édition précédente est l’ajout de l’Article 8
pour vérifier les effets thermiques des têtes et tables rotatives des machines-outils.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 230 se trouve sur le site Web de l’ISO.
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
Introduction
La série ISO 230 a pour objet de normaliser des méthodes d'essai pour vérifier l'exactitude des machines-
outils, à l'exception des machines-outils électriques portatives.
Le présent document spécifie les modes opératoires d’essai destinés à déterminer les effets thermiques
dus à divers apports de chaleur et engendrant une déformation de la structure d'une machine-outil
ou d'un système de positionnement. Il est admis que la déformation thermoélastique limite d'une
machine-outil est étroitement liée aux conditions d'utilisation. Les conditions d'essai décrites dans
le présent document ne sont pas destinées à simuler des conditions d'utilisation normales, mais elles
ont pour but de faciliter l'évaluation des performances et de déterminer les effets de l'environnement
sur les performances de la machine-outil. Par exemple, l'utilisation de fluides de refroidissement
peut considérablement affecter le comportement thermique de la machine-outil. Ces essais sont
donc uniquement considérés comme des essais préalables à la détermination du comportement
thermoélastique réel de la machine-outil, si une telle détermination s'avère nécessaire dans le cadre de
la caractérisation de la machine. Les essais sont destinés à mesurer les déplacements relatifs entre le
composant qui maintient l'outil et le composant qui maintient la pièce à usiner, à la suite d'une dilatation,
d'une contraction ou d’une distorsion thermique des principaux éléments de la structure.
Les essais décrits dans le présent document peuvent servir à contrôler différents types de
machines-outils (essais de type) ou 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 qui
présentent un intérêt. Pour les essais de réception, une simple référence à la présente partie du code
d'essai, sans accord sur les essais à appliquer et sur les charges appropriées, ne peut en aucun cas être
considérée comme contraignante pour toute partie contractante. Une caractéristique importante du
présent document est qu'elle souligne les effets thermiques environnementaux sur tous les essais de
performance relatifs aux mesures de déplacement linéaire décrits dans les autres parties de la série
ISO 230 (telles que l'exactitude du positionnement linéaire, la répétabilité et les essais de circularité).
Les fournisseurs/fabricants sont censés fournir des spécifications sur l'environnement thermique dans
lequel on peut attendre que la machine fonctionne avec l'exactitude spécifiée. L'utilisateur de la machine
a la responsabilité d’assurer un environnement d’essai approprié en respectant les lignes directrices
du fournisseur/fabricant sur l’environnement thermique ou, à défaut, en acceptant des niveaux de
performance réduits. Un exemple de lignes directrices en matière d'environnement thermique est
donné dans l’Annexe C.
Une relaxation des prévisions d’exactitude est nécessaire si l’environnement thermique engendre une
incertitude excessive ou une variation des performances de la machine-outil et ne respecte pas les lignes
directrices sur l’environnement thermique données par le fournisseur/fabricant. Si la machine n’est pas
conforme aux spécifications de performance, l'analyse de l'incertitude thermique type composée peut
aider à identifier la source du problème. L'incertitude thermique type composée est définie en 3.13 ainsi
que dans l'ISO/TR 16015.
NORME INTERNATIONALE ISO 230-3:2020(F)
Code d'essai des machines-outils —
Partie 3:
Évaluation des effets thermiques
IMPORTANT — Le fichier électronique du présent document contient des couleurs qui sont
considérées comme utiles pour sa bonne compréhension. Il convient donc que les utilisateurs
envisagent d'imprimer ce document à l'aide d'une imprimante couleur.
1 Domaine d'application
Le présent document définit quatre essais:
— l'essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE);
— l'essai pour la déformation thermique due à une broche en rotation;
— l'essai pour la déformation thermique due au déplacement le long d'axes linéaires;
— l’essai pour la déformation thermique due au mouvement rotatif des composants.
Les essais de déformation thermique due au déplacement le long des axes linéaires (voir Article 7)
s'appliquent uniquement aux machines à commande numérique (CN) et sont destinés à mesurer les
effets de dilatation et de contraction thermiques, ainsi que la déformation angulaire des structures.
Pour des raisons pratiques, les méthodes d’essai décrites à l’Article 7 s’appliquent aux machines à axes
linéaires ayant 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 longueur, une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage
normale de chaque axe est à déterminer pour les essais.
Les essais correspondent au mode opératoire de l'essai de dérive tel que décrit dans l’ISO/TR 16015:2003,
A.4.2, appliqué aux machines-outils avec une attention particulière à la distorsion thermique des
composants linéaires en mouvement et à la distorsion thermique des composants rotatifs en mouvement.
Sur les machines-outils équipées d'une compensation des effets thermiques, ces essais montrent toute
incertitude de dilatation thermique nominale due à l'incertitude du coefficient de dilatation thermique
et toute incertitude de longueur due à la mesure de température.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 230-1:2012, Code d'essai des machines-outils — Partie 1: Exactitude géométrique des machines
fonctionnant à vide ou dans des conditions quasi-statiques
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO 230-1:2012 ainsi que les
suivants, s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
3.1
échelle de machine
système de mesure intégré à la machine indiquant la position linéaire ou angulaire de l'axe de la machine
EXEMPLE Les encodeurs linéaires et rotatifs sont des échelles de machine types.
3.2
coefficient de dilatation thermique
α
rapport de la variation fractionnelle de longueur sur la variation de température
EXEMPLE Pour les besoins du présent document, on considère une plage de température allant de 20 °C à
n’importe quelle température. La Formule (1) est utilisée:
LL−
T 20
α 20,T = (1)
()
LT×−20
()
où
T est la température de l'objet en °C;
L est la longueur d'un objet mesuré ou d'une partie de l'échelle d'un équipement d'essai de longueur
à une température T = 20 °C;
L est la longueur d'un objet mesuré ou d'une partie de l'échelle d'un équipement d'essai de lon-
T
gueur à la température T.
[SOURCE: ISO/TR 16015:2003, 3.1.1, modifiée — La Note 1 à l’article a été modifiée et le paragraphe
“où” a été ajouté.]
3.3
coefficient de dilatation thermique nominal
α
n
valeur approximative du coefficient de dilatation thermique (3.2), pour une plage de température allant
de 20 °C à T
3.4
incertitude du coefficient de dilatation thermique
u
α
paramètre qui caractérise la dispersion des valeurs qui peuvent raisonnablement être attribuées au
coefficient de dilatation thermique (3.2)
3.5
dilatation thermique
Δ
E
variation de la longueur de l'objet mesuré, ou d'une partie de l'échelle de l'équipement de mesure de la
longueur, après une variation de température
2 © ISO 2020 – Tous droits réservés
3.6
dilatation thermique nominale
Δ
NE
estimation de la dilatation thermique (3.5) de l'objet mesuré, ou d'une partie de l'échelle de l'équipement
de mesure de la longueur, à partir de 20 °C jusqu'à leurs températures moyennes au moment du
mesurage
Note 1 à l'article: Cette estimation est basée sur des coefficients de dilatation thermique nominaux [voir la
Formule (2)]:
Δ =×α LT×−()20 (2)
NE n
où
α est le coefficient nominal de dilatation thermique (3.3) du matériau de l'objet;
n
L est la longueur de l’objet;
T est la température moyenne de l’objet (°C).
3.7
incertitude dans la dilatation thermique nominale due à l'incertitude de α
u
Δ,NE
incertitude dans la dilatation thermique nominale (3.6) provenant de l'incertitude du coefficient de
dilatation thermique (3.4)
Note 1 à l'article: Cette incertitude peut être calculée par la Formule (3):
uL=×()Tu−×20 (3)
Δ,NE α
où
L est la longueur de l’objet;
T est la température de l’objet (°C);
u est l’incertitude du coefficient de dilatation thermique (3.4).
α
3.8
incertitude de longueur due à la température de mesurage
u
TM
incertitude dans une mesure de longueur due à l'incertitude de la température à laquelle la longueur a
été mesurée
3.9
dilatation thermique différentielle nominale
NDE
différence de dilatation estimée entre un objet mesuré et l'équipement d'essai due au fait que leur
température est différente de 20 °C
3.10
incertitude due à la dilatation thermique différentielle nominale
u
NDE
incertitude composée due aux incertitudes de dilatation thermique (3.5) de l'objet mesuré et à celle de
l'équipement d'essai
Note 1 à l'article: Elle est calculée en prenant la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes sur la
dilatation nominale de l'objet mesuré et de l'équipement d'essai [voir la Formule (4)].
uu=+ u (4)
NDEEMET
où
u est l’incertitude due à la dilatation nominale de l’objet mesuré;
EM
u est l’incertitude due à la dilatation nominale de l’équipement d’essai.
ET
Note 2 à l'article: Pour l'évaluation de l'incertitude, voir l'ISO/TR 16015:2003, 5.3.
3.11
erreur de variation de température ambiante
E
TVE
estimation de l'éventuelle variation de mesure maximale uniquement due aux variations de la
température ambiante pendant une période quelconque pendant laquelle une mesure de performances
est réalisée sur une machine-outil
EXEMPLE La notation E (Z, 8°C) indique que la valeur E est obtenue le long de l'axe Z et que la valeur
TVE TVE
correspond à une variation de température ambiante de 8 °C.
3.12
incertitude due à l'erreur de variation de température ambiante
u
ETVE
contribution de l'incertitude de mesure type des mesurages de performances menés sur une
machine-outil, due aux effets des variations de température ambiante
Note 1 à l'article: Elle peut être calculée en prenant la racine carrée du carré de E divisée par 12 [voir la
TVE
Formule (5) et l’ISO/TR 230-9]:
E
TVE
u = (5)
ETVE
Note 2 à l'article: L'essai d'environnement conformément à l'Article 5 constitue la base de l'estimation de cette
incertitude pour une machine-outil.
3.13
incertitude thermique type composée
u
CT
incertitude composée des mesures de longueur due à un environnement ayant une température
différente de 20 °C constants et uniformes
Note 1 à l'article: Ce terme est équivalent à incertitude dimensionnelle type composée due aux effets thermiques
telle que définie dans l'ISO/TR 16015.
Note 2 à l'article: Il s'agit de la racine carrée de la somme des carrés de l'incertitude due à l'erreur de variation
de température ambiante (3.12), u , de l'incertitude de longueur due à l’incertitude des mesurages de
ETVE
température (u ) et de l'incertitude due à la dilatation thermique différentielle nominale (3.10), u [voir la
TM NDE
Formule (6)]:
22 2
uu=+ uu+ (6)
CT ETVE TM NDE
Note 3 à l'article: Une description détaillée de l’estimation de l’incertitude thermique type composée est fournie
dans l’ISO/TR 16015.
4 © ISO 2020 – Tous droits réservés
3.14
déformation thermique d'un composant rotatif en mouvement
d(E )
αOβ xx,t
étendue du déplacement linéaire ou angulaire d’un composant rotatif en mouvement le long de l’axe de
rotation β ou de la ligne moyenne d’axe de la broche β dans la direction de α pendant (les premières)
t min des essais (au point xx)
EXEMPLE La notation d(E ) indique que la déformation thermique, pendant les premières 60 min, de
XOC P1,60
la ligne moyenne de l’axe C dans la direction X au point P1 (éloigné du nez de la broche) est référencée.
Note 1 à l'article: Les notations possibles pour α sont: X, Y, Z, A, B, C. Les notations possibles pour β sont: C, C1, A,
B, ou n’importe quel axe de broche. Les notations possibles pour xx sont: P1 (point P1 éloigné du nez de la broche)
et P2 (point P2 proche du nez de la broche); le point de référence xx est omis pour les valeurs d’un déplacement
linéaire dans la direction Z et de déplacements angulaires (A, B et C).
Note 2 à l'article: Pour la notation de E , voir l’ISO 230-7.
αOβ
Note 3 à l'article: d(E ) est un cas particulier de cette déformation thermique indiquant la dilatation radiale
ROT
du composant rotatif T. De même, d(E ) est la dilatation thermique du composant rotatif tournant autour de C
ZOT
dans la direction axiale.
3.15
déformation thermique de composants linéaires en mouvement
d(E )
α γ xx,t
étendue du déplacement linéaire ou angulaire dans la direction de α, du composant de la machine
déplacé le long de l’axe linéaire γ pendant (les premières) t min des essais de déformation thermique
due au déplacement de l’axe linéaire (au point xx)
EXEMPLE La notation d(E ) indique que la déformation thermique, pendant les premières 60 min, de
BX P1,60
l’axe linéaire X dans la direction B (rotation autour de Y) au point P1 (par exemple point droit de la Figure 8) est
référencé.
Note 1 à l'article: Les notations possibles pour α sont: X, Y, Z, A, B, C. Les notations possibles pour γ sont: X, X1,
Y, Z, W ou n’importe quel axe linéaire. Les notations possibles pour xx sont: P1 et P2, xx peut aussi être exprimé
avec des mots, comme gauche et droite.
4 Remarques préliminaires
4.1 Unités de mesure
Dans le présent document, toutes les dimensions et tous les écarts linéaires sont exprimés en
millimètres. Toutes les dimensions angulaires sont exprimées en degrés. Les écarts angulaires sont, en
principe, exprimés en fractions, mais les microradians ou les secondes d'arc peuvent être utilisés dans
certains cas pour des raisons de clarification. Il convient toujours de se rappeler de la Formule (7):
0,/010 1000=≈10μ″rad2 (7)
Les températures sont exprimées en degrés Celsius (°C).
4.2 Référence à l'ISO 230-1
Pour appliquer le présent document, il doit être fait référence à l’ISO 230-1, notamment pour ce qui
concerne l'installation de la machine avant essai et l’incertitude de mesure recommandée pour les
appareils de contrôle.
4.3 Instruments et équipement d'essai recommandés
Les instruments de mesure recommandés dans le présent paragraphe sont donnés à titre d'exemple.
Il est permis d'utiliser d'autres instruments capables de mesurer les mêmes grandeurs et offrant une
incertitude de mesure équivalente ou inférieure. Les instruments et équipements d'essai suivants sont
recommandés pour les Articles 5, 6, 7 et 8:
4.3.1 Système de mesure de déplacement, ayant une étendue, une résolution, une stabilité thermique
et une incertitude de mesure adéquates (par exemple interféromètre à laser pour les déformations
thermiques dues aux déplacements le long d'axes linéaires, capteurs de déplacement par contact
capacitifs, inductifs ou rétractables pour les essais d'environnement et les déformations thermiques
dues à des broches en rotation et à des composants rotatifs);
4.3.2 Capteurs de température (par exemple thermocouple, thermomètre à résistance électrique ou
à semi-conducteur), offrant une résolution et une incertitude de mesure appropriées;
4.3.3 Équipement d’acquisition de données, tel qu’un enregistreur de diagramme multicanal qui
surveille et trace continuellement tous les canaux, ou un système informatique qui recueille les données
1)
de tous les canaux au moins une fois toutes les 5 min et qui sauvegarde ces données pour une analyse
ultérieure;
NOTE Si aucun système informatique n'est disponible, un traitement manuel des données est admissible.
4.3.4 Mandrins d'essai, ou sphères de précision pour les composants rotatifs, fabriqués de préférence
en acier et conçus conformément aux spécifications de la norme spécifique à la machine ou par accord
conclu entre le fournisseur/fabricant et l'utilisateur (voir l’ISO/TR 230-11:2018, 6.3 et 6.4);
La surface d'extrémité du mandrin d'essai a besoin d'une planéité et d'une perpendicularité appropriées
à l'axe du mandrin, car ces écarts influencent directement l'incertitude de mesure. Pour minimiser cette
incertitude, on peut utiliser un mandrin sphérique ou des sphères de précision.
Lors du choix du mandrin d'essai, la vitesse de rotation maximale de sécurité est à prendre en compte.
4.3.5 Dispositifs de fixation des capteurs de déplacement, fabriqués de préférence en acier, et conçus
conformément aux spécifications de la norme spécifique à la machine ou par accord conclu entre le
fournisseur/fabricant et l'utilisateur.
Il convient que la conception réduise au minimum les déformations locales dues à des gradients de
température dans le dispositif de fixation.
Lors de l'évaluation des écarts angulaires, la distance entre les capteurs de déplacement doit être
sélectionnée afin d'obtenir une incertitude de mesure, une résolution et une plage adéquates.
Si nécessaire et réalisable, il est admis de placer le capteur de déplacement axial (voir Figures 1, 2 et 3)
directement contre le nez de la broche afin d'éliminer l'effet de dilatation thermique du mandrin d'essai.
L'exactitude à long terme de l'équipement de mesure doit être vérifiée, par exemple par un essai de
stabilité en température (essai préliminaire, voir A.5).
Les instruments de mesure doivent être stabilisés thermiquement avant de commencer les essais.
4.4 État de la machine-outil avant essai
La machine-outil doit être entièrement assemblée et en ordre de marche conformément aux instructions
du fournisseur/fabricant qui doivent être consignées. Toutes les opérations nécessaires de nivellement,
l'alignement géométrique et les contrôles fonctionnels doivent être achevés de manière satisfaisante
avant le début des essais.
La machine-outil 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
1) Certains systèmes de compensation de température ont des cycles inférieurs à 5 min. Dans ce cas, il convient de
porter la fréquence de surveillance à cinq lectures par cycle, si possible.
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stabiliser les effets d'une source de chaleur interne 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 réalisés sur la machine-outil à vide. Lorsque le fonctionnement de la
machine-outil implique la rotation de la pièce à usiner et de l'outil de coupe sur des broches séparées,
les essais décrits aux 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-outil. Si des moyens ou des installations de
compensation (matériels ou informatiques) destinés à minimiser les effets thermiques, tels que des
projections d'air ou d'huile, sont disponibles sur la machine-outil, ces moyens ou installations doivent
être utilisés pendant les essais et leur utilisation doit être consignée.
4.5 Ordre des essais
Les essais décrits aux Articles 5, 6, 7 et 8 peuvent être réalisés de manière individuelle ou combinée.
4.6 Température de l'environnement d'essai
Conformément à l'ISO 1, sauf indication contraire, tous les mesurages dimensionnels doivent être
réalisés 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 la
température de l'environnement est différente de 20 °C, une correction pour la dilatation thermique
différentielle nominale (NDE) entre le système de mesure et l'objet mesuré (la machine-outil) doit être
appliquée afin de présenter les résultats corrigés à 20 °C (ou à la température de référence spécifiée).
Par exemple, pendant un mesurage normal de déplacement linéaire à l'aide d'un interféromètre à
laser, il convient de consigner la température ambiante autour du faisceau laser et la température de
l'échelle de machine. Les changements de longueur attendus pour l'interféromètre à laser (résultant de
la variation de la longueur d'onde du laser en fonction de la température et de la pression ambiantes)
et pour l'échelle de machine (en réponse à sa température) doivent être calculés. La différence entre
ces deux dilatations longitudinales donne la valeur NDE qui sert à corriger les données brutes de
mesures fournies par l'interféromètre à laser, afin de déterminer les écarts de déplacement linéaire à
20 °C. Cependant, l'exigence de corrections NDE ne s'applique pas au présent document, car le but de
celle-ci est d'identifier le comportement de la machine lors d'éventuelles 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 intégrées
correspondant au fonctionnement normal de la machine. Les corrections NDE supplémentaires juste
destinées aux mesurages ne doivent pas servir à corriger les déformations thermiques des échelles de
machine.
4.7 Incertitude due aux effets de la température
L’essai ETVE (Articles 5), ainsi que l'incertitude due à l'erreur de variation de température ambiante,
u , et les essais (Articles 6 à 8) pour les distorsions thermiques [d(E ) , d(E ) ], fournissent
ETVE αOβ xx,t α γ xx,t
les effets de température qui contribuent à l'incertitude des performances et/ou l'évaluation des
performances des machines-outils.
Outre ces résultats d'essai, les autres facteurs qui contribuent à l'incertitude sont l'incertitude de la
dilatation thermique nominale due à l'incertitude du coefficient de dilatation thermique (u , u ) et
α Δ,NE
l'incertitude de la longueur due à la mesure de température, u . Tous les contributeurs doivent être
TM
pris en compte pour estimer l'incertitude thermique type combinée, l'incertitude u ou toute autre
CT
incertitude thermique combinée.
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-outil et à évaluer l'erreur induite
thermiquement pendant les autres mesurages de performances. Ils ne doivent pas être utilisés pour
des comparaisons de machines-outils. L'ETVE doit être déterminé en utilisant le mode opératoire décrit
en 5.2. Si une compensation de facteurs environnementaux, tels que la température et la pression de
l'air, est prescrite pour le bon fonctionnement des instruments de mesure, celle-ci doit être appliquée.
Si les instruments de mesure comprennent des dispositifs de correction NDE, il convient d'utiliser ces
dispositifs à condition de placer le capteur de température du matériau sur la partie de la machine-outil
où la pièce à usiner doit normalement se trouver. L'utilisation de tels dispositifs doit être consignée.
Il est recommandé au fournisseur/fabricant de donner des lignes directrices sur l'environnement
thermique qui peut être considéré comme acceptable pour que la machine-outil fonctionne avec
l'exactitude spécifiée. Ces 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 (voir
Annexe C). L'utilisateur est tenu d'assurer un environnement thermique acceptable pour les essais de
fonctionnement et de performances 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 des performances de la machine-outil dues aux effets thermiques
est définie comme étant l'incertitude thermique type composée. L'incertitude thermique type composée
(voir 3.13) peut être évaluée à l'aide de l'essai décrit, lorsque les conditions environnementales pendant
le mesurage des performances et l'essai ETVE sont comparables. Elle ne doit pas dépasser une valeur
convenue entre l'utilisateur et le fournisseur/fabricant.
Selon 4.4, les axes de la machine-outil doivent être mis sous tension et en position « Arrêt ». Sur certains
types de machine, en particulier sur un axe vertical ou incliné, l'axe peut s'échauffer en position
« Arrêt ». Dans ce cas, l'essai ETVE peut être réalisé en mettant l'ensemble de la machine hors tension.
D'un commun accord entre le fabricant/fournisseur et l'utilisateur, l'essai ETVE peut également être
précédé d'une période de mise en température appropriée. Cet état doit être consigné dans le rapport
d'essai.
5.2 Méthode d'essai
Les Figures 1, 2 et 3 représentent respectivement des exemples d’installations types de mesure pour
des centres d'usinage à broche verticale, à broche horizontale et pour un centre de tournage. Les
dispositifs de fixation dans lesquels les capteurs de déplacement linéaires sont montés doivent être
solidement fixés aux zones non rotatives de support de pièce ou de support d'outil de la machine-outil
afin de mesurer:
a) les déplacements relatifs entre le composant qui maintient l'outil de coupe et le composant 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 consignée avec les résultats
d'essai;
b) l'inclinaison ou la rotation autour des axes X et Y de la machine-outil.
AVERTISSEMENT — Les Figures 1 à 3 montrent des mandrins d'essai qui doivent présenter des
surfaces d'extrémité planes et perpendiculaires à l'axe du mandrin car ces écarts influencent
directement l'incertitude de mesure. Pour minimiser cette incertitude, des mandrins à
extrémité sphérique ou des sphères de précision peuvent être utilisés.
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2)
Toutes les 5 min au moins, il convient de surveiller la température de la structure de la machine-
outil, le plus près possible du palier avant de la broche ou en un point convenu entre le fournisseur/
fabricant et l'utilisateur, ainsi que la température de l'air ambiant autour de la machine (si la machine
est confinée dans une enceinte, il convient de placer le capteur de température à l'extérieur de cette
enceinte) et à la même hauteur que le nez de la broche. Il est important de mesurer la température de l'air
(environnemental) ambiant à une distance appropriée de la machine afin d'éviter que l'échauffement
de la machine (par exemple, par le biais d'organes hydrauliques) n'influe sur la température de l'air
ambiant. 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-outil.
NOTE Afin d'assurer la cohérence des résultats ETVE, le mode opératoire d’essai ETVE est surveillé de
manière à pouvoir identifier tout changement important dans les conditions de mesure, y compris les conditions
environnementales.
Une fois l'installation effectuée, il convient de poursuivre l'essai ETVE 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 (telles que la remise à zéro périodique de
l'équipement d'essai par rapport à une référence de mesure), il convient que la durée de l’essai soit
réalisée sur une période pendant laquelle la plupart des événements sont répétés ou sur une autre
période quelconque convenue entre le fournisseur/fabricant et l'utilisateur.
2) Certains systèmes de compensation de température ont des cycles inférieurs à 5 min. Dans ce cas, il convient de
porter la fréquence de surveillance à cinq lectures par cycle, si possible.
Légende
1 capteur de température de l’air ambiant P1 position de mesure 1
2 capteur de température du palier de broche P2 position de mesure 2
3 mandrin d’essai l distance entre les points de position P1 et P2
4 capteur de déplacement linéaire X1 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe X à
la position de mesure 1
5 dispositif de fixation X2 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe X à
la position de mesure 2
6 dispositif de fixation boulonné à la table Y1 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe Y à
la position de mesure 1
Y2 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe Y à
la position de mesure 2
Z capteur mesurant le déplacement le long de l'axe Z
Figure 1 — Installation type pour les essais ETVE, de déformation thermique de la structure
due à une broche en rotation et de déformation thermique due au déplacement de l’axe linéaire
sur un centre d'usinage vertical
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Légende
1 capteur de température de l’air ambiant P1 position de mesure 1
2 capteur de température du palier de broche P2 position de mesure 2
3 mandrin d’essai l distance entre les points de position P1 et P2
4 capteur de déplacement linéaire X1 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe X à
5 dispositif de fixation position de mesure 1
6 dispositif de fixation boulonné à la palette de X2 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe X à la
support de travail position de mesure 2
Y1 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe Y à
La position de mesure 1
Y2 capteur mesurant le déplacement le long de l'axe Y à
La position de mesure 2
Z capteur mesurant le déplacement le long de l'axe Z
Figure 2 — Installation type pour les essais ETVE, de déformation thermique de la structure
due à une broche en rotation et de déformation thermique due au déplacement de l’axe linéaire
sur un centre d'usinage horizontal
Légende
1 capteur de température de l’air ambia
...
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