ISO 230-3:2007
(Main)Test code for machine tools — Part 3: Determination of thermal effects
Test code for machine tools — Part 3: Determination of thermal effects
ISO 230-3:2007 defines three tests for the determination of thermal effects on machine tools: an environmental temperature variation error (ETVE) test, a test for thermal distortion caused by rotating spindles, and a test for thermal distortion caused by moving linear axes. The test for thermal distortion caused by moving linear axes is applicable to numerically controlled (NC) machines only and is designed to quantify the effects of thermal expansion and contraction as well as the rotational deformation of structure. For practical reasons, it is applicable to machines with linear axes up to 2 000 mm in length. If used for machines with axes longer than 2 000 mm, it will be necessary to choose a representative length of 2 000 mm in the normal range of each axis for the tests. The tests correspond to drift tests according to ISO/TR 16015 and define the evaluation and the detailed procedure for machine tools.
Code d'essai des machines-outils — Partie 3: Évaluation des effets thermiques
L'ISO 230-3:2007 définit trois essais qui sont l'essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE), l'essai pour la déformation thermique due à une broche en rotation et l'essai pour la déformation thermique due au déplacement le long d'axes linéaires. Les essais de déformation thermique due au déplacement le long des axes linéaires 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 de la structure. Pour des raisons pratiques, les méthodes d'essai s'appliquent à des 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 long, il est recommandé de déterminer, pour les essais, une longueur représentative de 2 000 mm dans la plage normale de chaque axe. Ces essais correspondent aux essais de dérive tels que définis dans l'ISO/TR 16015 et définissent les modes opératoires d'évaluation et d'essai détaillés de la machine-outil.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 230-3
Second edition
2007-08-15
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 230-3:2007(E)
©
ISO 2007
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ISO 230-3:2007(E)
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ISO 230-3:2007(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 2
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 Test sequence. 6
4.6 Test environment temperature . 6
5 ETVE test. 7
5.1 General. 7
5.2 Test method. 10
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. 19
7 Thermal distortion caused by linear motion of components. 19
7.1 General. 19
7.2 Test method. 20
7.3 Presentation of results. 26
Annex A (informative) Linear displacement sensors . 30
Annex B (informative) Guidelines on the required number of linear displacement sensors . 35
Annex C (informative) Guidelines for machine tool thermal environment. 38
Annex D (informative) Alternative measurement devices and set-ups . 40
Bibliography . 44
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ISO 230-3:2007(E)
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 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. 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 document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 230-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 39, Machine tools, Subcommittee SC 2, Test
conditions for metal cutting machine tools.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 230-3:2001), which has been technically
revised.
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: Determination of positioning accuracy on body and face diagonals (Diagonal displacement tests)
⎯ Part 7: Geometric accuracy of axes of rotation
⎯ Part 9: Estimation of measurement uncertainty for machine tool tests according to series 230, basic
equations [Technical Report]
The following part is under preparation:
⎯ Part 8: Determination of vibration levels [Technical Report]
Determination of the measuring performance of a machine tool is to form the subject of a future part 10.
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ISO 230-3:2007(E)
Introduction
The purpose of ISO 230 is to standardize methods for testing the accuracy of machine tools, excluding
portable power tools.
This part of ISO 230 specifies test procedures for determining 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 to facilitate performance estimation and the determination of 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 relevant structural elements.
The tests specified in this part of ISO 230 can be used either for testing different types of machine tool (type
testing) or 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 supplier/manufacturer will need to provide thermal specifications for
the environment in which the machine can be expected to perform with the specified accuracy. The machine
user will be responsible for providing a suitable test environment by meeting the supplier’s/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 the supplier’s/manufacturer’s thermal guidelines.
If the machine does not meet the performance specifications, the analysis of the combined standard thermal
uncertainty provides help in identifying sources of problems. Combined standard thermal uncertainty is
defined in 3.6, as well as in ISO/TR 16015.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 230-3:2007(E)
Test code for machine tools —
Part 3:
Determination of thermal effects
1 Scope
This part of ISO 230 defines three tests for the determination of thermal effects on machine tools:
⎯ 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.
The test for thermal distortion caused by moving linear axes (see Clause 7) is applicable to numerically
controlled (NC) machines only and is designed to quantify the effects of thermal expansion and contraction as
well as the rotational deformation of structure. For practical reasons, it is applicable to machines with linear
axes up to 2 000 mm in length. If used for machines with axes longer than 2 000 mm, it will be necessary to
choose a representative length of 2 000 mm in the normal range of each axis for the tests.
The tests correspond to drift tests according to ISO/TR 16015 and define the evaluation and the detailed
procedure for machine tools.
NOTE It is not foreseen that numerical tolerances will be determined for the tests specified in this part of ISO 230.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application 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 1:2002, Geometrical Product Specifications (GPS) — Standard reference temperature for geometrical
product specification and verification
ISO 230-1:1996, Test code for machine tools — Part 1: Geometric accuracy of machines operating under no-
load or finishing conditions
ISO/TR 16015:2003, Geometrical product specifications (GPS) — Systematic errors and contributions to
measurement uncertainty of length measurement due to thermal influences
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ISO 230-3:2007(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TR 16015 and the following apply.
3.1
machine scale
measurement system integrated into a machine providing the linear or rotary position of the machine’s axis
3.2
coefficient of thermal expansion
α
ratio of the fractional change of the length of a measured object or of the scale of length test equipment to the
change in temperature
NOTE For the purposes of this part of ISO 230, a range of temperature from 20°C to T is considered; the following
expression is used:
LL−
T 20
α()20,T =
LT⋅−()20
20
where L is the length of a measured object or of a portion of the scale of a length test equipment.
3.3
nominal coefficient of thermal expansion
α
n
approximate value for the coefficient of thermal expansion 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 could reasonably be attributed to the coefficient
of thermal expansion
3.5
thermal expansion
∆
E
change in the length of a measured object or a portion of the scale of length test equipment in response to a
temperature change
3.6
nominal thermal expansion
∆
NE
estimate of the thermal expansion of a measured object or a portion of the scale of length test equipment from
20°C to their average temperatures at the time of measurement
NOTE This estimate is based on nominal coefficients of thermal expansion:
∆=α⋅LT⋅ − 20
()
NE n
3.7
uncertainty in nominal thermal expansion due to uncertainty in α
u
∆
NE
uncertainty in the nominal thermal expansion arising from uncertainty in the coefficient of thermal expansion
NOTE This uncertainty can be calculated by
uL=⋅T− 20⋅u
()
∆ α
NE
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ISO 230-3:2007(E)
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 made
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 of the measured object and that of the
test equipment
NOTE 1 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:
22
uu=+u
NDE EM ET
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 For evaluation of uncertainly, see ISO/TR 16015:2003, 5.3.4.
3.11
environmental temperature variation error
ETVE
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 ETVE(Z, 8 °C) indicates that the ETVE value is obtained along the Z direction and the value
corresponds to an environmental temperature variation of 8 °C.
NOTE It is recognized that ISO terminology normally requires the term deviation instead of error in this term.
However, due to the long history of ETVE usage, it was decided to treat it as an exception.
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 It is calculated as the square root of the square of ETVE divided by 12 (see ISO TR 230-9):
2
ETVE
u =
ETVE
12
NOTE 2 The basis for the estimation of this uncertainty for a machine tool is the environment test according to
Clause 5.
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ISO 230-3:2007(E)
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 This term is equivalent to combined standard dimensional uncertainty due to thermal effects as defined in
ISO/TR 16015.
NOTE 2 It is a combination by square root of sum of squares of uncertainty of environmental temperature variation
error (u ), length uncertainty due to temperature measurements (u ) and the uncertainty of nominal differential
ETVE TM
thermal expansion (u ):
NDE
22 2
uu=+u+u
CT ETVE TM NDE
NOTE 3 A detailed description of the estimation of the combined standard thermal uncertainty is given in
ISO/TR 16015.
3.14
drift d(αOβ)
xx,60
range of linear or angular displacement of axis average line of spindle β in the direction of α within the first
60 min of the tests for thermal distortion caused by rotating spindle (at position xx)
EXAMPLE The notation d(XOC) indicates that the drift of axis average line of spindle C in direction X at position
P1,60
P1 (away from the spindle nose) is referenced.
NOTE 1 Possible notations for α are X, Y, Z, A, B. 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 and B).
NOTE 2 For notation αOβ, see ISO 230-7.
3.15
drift d(αOβ)
xx,t
range of linear or angular displacement of axis average line of spindle β in direction of α within the total spindle
running period, t, of the tests for thermal distortion caused by rotating spindle (at position xx)
EXAMPLE The notation d(XOC) indicates that the drift of axis average line of spindle C in direction X at position
P1,t
P1 (away from the spindle nose) is referenced.
NOTE 1 Possible notations for α are X, Y, Z, A, B. 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 and B).
NOTE 2 For notation αOβ, see ISO 230-7.
3.16
drift d(αOγ)
xx,60
range of linear or angular displacement, in the direction of α, of moved machine component along linear axis γ
within the first 60 min of the tests for thermal distortion caused by moving linear axis (at position xx)
EXAMPLE The notation d(BOX) indicates that the drift of linear axis X in direction B (rotation around Y) at target
1,60
position 1 (right position in Figure 8) is referenced.
NOTE 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: 1 and 2, xx might be also expressed in words, e.g. left and right.
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ISO 230-3:2007(E)
3.17
drift d(αOγ)
xx,t
range of linear or angular displacement of moved machine component along linear axis γ in direction α within
the total moving period, t, of the tests for thermal distortion caused by moving linear axis
EXAMPLE The notation d(BOX) indicates that the drift of linear axis X in direction B (rotation around Y) at target
1,t
position 1 (right position in Figure 8) is referenced.
NOTE 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 1 and 2; xx might be also expressed in words, e.g. left and right.
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 micro-radians or arc-seconds may be used for clarification purposes. The equivalent of the following
expressions should always be kept in mind:
0,010/1 000 = 10 µrad ≈ 2″
The temperatures are expressed in degrees Celsius (°C).
4.2 Reference to ISO 230-1
For the application of this part of ISO 230, refer to ISO 230-1, especially for the installation of the machine
before testing and for accuracy of test 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 smaller measurement uncertainty may be used. The following
instrumentation and test equipment are recommended for application of Clauses 5 to 7:
a) 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);
b) temperature sensors (e.g. thermocouple, resistance or semiconductor thermometer) with adequate
resolution and measurement uncertainty;
c) data acquisition equipment, such as a multi-channel chart recorder which continuously monitors and plots
1)
all 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, A.3;
1) Some temperature compensation systems exhibit cycle times shorter than 5 min. In such cases, the frequency for
monitoring should be increased to five readings per cycle, if possible.
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ISO 230-3:2007(E)
e) fixture in which to mount the displacement sensors, preferably made of steel, with the design to be
specified in machine-specific standards or agreed between the supplier/manufacturer and the user, and
with a design that should minimize local distortions caused by temperature gradients in the fixture;
f) 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 drift tests
(see A.5).
The measuring instruments shall be thermally stabilized before starting the tests.
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 the “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.
All tests shall be carried out with the machine in the unloaded condition. Where testing a machine involves
rotating both the workpiece and the tool on separate spindles, the tests in accordance with 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 their usage recorded.
4.5 Test sequence
The tests given in Clauses 5 to 7 may be used either singly or in any combination.
4.6 Test environment temperature
In accordance with ISO 1, all dimensional measurements shall be made when the measuring instruments and
the measured objects (for example, a machine tool) are in equilibrium with the environment, with the
temperature maintained 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 in order to correspond with those for 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, since the aim
in this part of ISO 230 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 the machine tool shall be used; additional NDE correction only for
the measurements shall not be used to correct the thermal distortions of machine scales.
6 © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO 230-3:2007(E)
5 ETVE test
5.1 General
An ETVE test is designed to reveal the effects of environmental temperature changes on the machine and to
estimate the thermally induced error during other performance measurements. Such tests shall not be used
for machine comparison. The ETVE shall be determined by the drift test using the procedure given 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 on the thermal environment which can be
considered as acceptable for the machine to perform in with the specified accuracy. Such general guidelines
could contain, for example, a specification on the mean room temperature, maximum amplitude and frequency
range of devi
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 230-3
Deuxième édition
2007-08-15
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 230-3:2007(F)
©
ISO 2007
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ISO 230-3:2007(F)
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ii © ISO 2007 – Tous droits réservés
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ISO 230-3:2007(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 2
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 avant essai. 6
4.5 Ordre des essais. 6
4.6 Température de l'environnement d'essai . 7
5 Essai d'erreur de variation de température ambiante (ETVE). 7
5.1 Généralités . 7
5.2 Méthode d'essai . 10
5.3 Interprétation des résultats . 11
5.4 Présentation des résultats. 14
6 Déformation thermique due à la rotation de la broche. 15
6.1 Généralités . 15
6.2 Méthode d'essai . 15
6.3 Interprétation des résultats . 17
6.4 Présentation des résultats. 19
7 Déformation thermique due aux déplacements linéaires des composants . 19
7.1 Généralités . 19
7.2 Méthode d'essai . 20
7.3 Présentation des résultats. 26
Annexe A (informative) Informations sur les capteurs de déplacement . 30
Annexe B (informative) Lignes directrices sur le nombre nécessaire de capteurs de déplacement
linéaire . 35
Annexe C (informative) Lignes directrices sur l'environnement thermique des machines-outils . 38
Annexe D (informative) Autres dispositifs et installations de mesure . 41
Bibliographie . 45
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ISO 230-3:2007(F)
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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. 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 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.
L'ISO 230-3 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 39, Machines-outils, sous-comité SC 2,
Conditions de réception des machines travaillant par enlèvement de métal.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 230-3:2001), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
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 de l'exactitude 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: Détermination de l'émission sonore
⎯ Partie 6: Détermination de la précision de positionnement sur les diagonales principales et de face
(Essais de déplacement en diagonale)
⎯ Partie 7: Exactitude géométrique des axes de rotation
⎯ Partie 9: Estimation de l'incertitude de mesure pour les essais des machines-outils selon la série ISO 230,
équations de base [Rapport technique]
La partie suivante est en cours d’élaboration:
⎯ Partie 8: Détermination des niveaux de vibration [Rapport technique]
La détermination des performances de mesure d’une machine-outil fera l’objet d’une future partie 10.
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ISO 230-3:2007(F)
Introduction
L'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.
La présente partie de l'ISO 230 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 la présente partie de
l'ISO 230 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. Par exemple, l'utilisation de fluides de refroidissement peut considérablement affecter le
comportement thermique de la machine-outil. Ces essais doivent donc être considérés uniquement 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 ou d'une contraction thermique des principaux éléments
de la structure.
Les essais spécifiés dans la présente partie de l'ISO 230 peuvent servir à contrôler différents types de
machines-outils (essai 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/le 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
parties à appliquer et sur les charges appropriées, ne peut en aucun cas être considérée comme
contraignante pour l'une ou l'autre des parties contractantes. Une caractéristique importante de la présente
partie de l'ISO 230 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 l'ISO 230 (telles
que l'exactitude du déplacement linéaire, la répétabilité et les essais de circularité). Les fournisseurs/les
fabricants sont tenus de fournir des spécifications sur l'environnement thermique dans lequel la machine doit
fonctionner avec l'exactitude spécifiée. L'utilisateur de la machine est tenu d’assurer un environnement adapté
aux essais en se conformant aux lignes directrices fournies par le fournisseur/le fabricant et relatives aux
conditions thermiques 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 due à un environnement
thermique non conforme aux lignes directrices du fournisseur/du 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 combinée peut aider à identifier la
source du problème. L'incertitude thermique type combinée est définie en 3.6 de la présente partie de
l’ISO 230 ainsi que dans l'ISO/TR 16015.
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NORME INTERNATIONALE ISO 230-3:2007(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 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.
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 de la structure. Pour des raisons
pratiques, les méthodes d'essai décrites à l'Article 7 s'appliquent à des 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 long, il est recommandé de déterminer, pour les essais, une longueur représentative
de 2 000 mm dans la plage normale de chaque axe.
Ces essais correspondent aux essais de dérive tels que définis dans l'ISO/TR 16015 et définissent les modes
opératoires d'évaluation et d'essai détaillés de la machine-outil.
NOTE Il n'est pas prévu de fixer des valeurs de tolérance pour les essais spécifiés dans la présente partie de
l'ISO 230.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du 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 1:2002, Spécification géométrique des produits (GPS) — Température normale de référence pour la
spécification géométrique des produits et vérification
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/TR 16015:2003, Spécifications géométriques des produits (GPS) — Erreurs systématiques et
contributions à l'incertitude de mesure de la longueur, dues aux influences thermiques
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ISO 230-3:2007(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants ainsi que ceux donnés dans
l'ISO/TR 16015 s'appliquent.
3.1
échelle de machine
système de mesure intégré à la machine indiquant la position linéaire ou angulaire de l'axe de la machine
3.2
coefficient de dilatation thermique
α
rapport entre la variation partielle de longueur de l'objet mesuré, ou de l'échelle de l'équipement de mesure de
la longueur, et de la variation de température
NOTE Pour les besoins de la présente partie de l'ISO 230, on considère une plage de température allant de 20°C à
T; l'équation suivante est utilisée:
LL−
T 20
α 20,T =
()
LT⋅− 20
()
20
où L est la longueur de l'objet mesuré ou d'une partie de l'échelle de l'équipement de mesure de la longueur.
3.3
coefficient de dilatation thermique nominal
α
n
valeur approximative de coefficient de dilatation thermique, 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
3.5
dilatation thermique
∆
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
3.6
dilatation thermique nominal
∆
NE
estimation de la dilatation thermique 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 Cette estimation est basée sur des coefficients de dilatation thermique nominale:
∆=α⋅LT⋅ − 20
()
NE n
3.7
incertitude dans la dilatation thermique nominale due à l'incertitude de α
u
∆
NE
incertitude dans la dilatation thermique nominale provenant de l'incertitude du coefficient de dilatation
thermique
NOTE Cette incertitude peut-être calculée par
uL=⋅()T− 20⋅u
∆ α
NE
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ISO 230-3:2007(F)
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 combinée due aux incertitudes de dilatation thermique de l'objet mesuré et à celle de l'équipement
d'essai
NOTE 1 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.
22
uu=+u
NDE EM ET
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 Pour l'évaluation de l'incertitude, voir l'ISO/TR 16015:2003, 5.3.4.
3.11
erreur de variation de température ambiante
ETVE
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 ETVE(Z, 8 °C) indique que la valeur ETVE est obtenue le long de l'axe Z et que la valeur
correspond à une variation de température ambiante de 8 °C.
NOTE Il est reconnu que la terminologie ISO impose l’utilisation du terme «écart/deviation» au lieu de «erreur/error».
Toutefois, en raison de l'ancienneté du terme ETVE, le comité technique a accepté de garder le terme comme une
exception à la terminologie ISO susmentionnée.
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 Elle est calculée en prenant la racine carrée du carré de l'ETVE divisée par 12 (voir l’ISO/TR 230-9):
2
ETVE
u =
ETVE
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.
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ISO 230-3:2007(F)
3.13
incertitude thermique type combinée
u
CT
incertitude combinée des mesures de longueur due à un environnement ayant une température différente
de 20 °C constants et uniformes
NOTE 1 Une description détaillée de l'estimation de l'incertitude thermique type combinée est fournie dans
l'ISO/TR 16015.
NOTE 2 Il s'agit de la racine carrée de la somme des carrés de l'incertitude due à l'erreur de variation de température
ambiante (u ), de l'incertitude de longueur due aux mesurages de température (u ) et de l'incertitude due à la
ETVE TM
dilatation thermique différentielle nominale (u ):
NDE
22 2
uu=+u+u
CT ETVE TM NDE
3.14
déport d αOβ
()
xx,60
étendue du déplacement linéaire ou angulaire de la ligne moyenne de l’axe β de la broche dans la direction
de α pendant les premières 60 min de l’essai de déformation thermique, due à la broche en rotation
EXEMPLE La notation d(XOC) indique que le déport de la ligne moyenne de l’axe C de la broche dans la
P1,60
direction X au point P1 (éloigné du nez de la broche) est référencée.
NOTE 1 Les notations possibles pour α sont X, Y, Z, A, B. 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 P éloigné du nez de la broche) et P2 (point
1
P2 proche du nez de broche); le point de référence xx est omis pour les valeurs d’un déplacement linéaire dans la
direction Z et de déplacements angulaires (A et B).
NOTE 2 Pour information, voir l’ISO 230-7.
3.15
déport d(α Oβ )
xx,t
étendue du déplacement linéaire ou angulaire de la ligne moyenne de l’axe β de la broche dans la direction
de α pendant toute le période de fonctionnement de la broche, t, de l’essai de déformation thermique due à
la broche en rotation (au point xx)
EXEMPLE La notation d(XOC) indique que le déport de la ligne moyenne de l’axe C de la broche dans la
P1,t
direction X au point P1 (éloigné du nez de la broche) est référencé.
NOTE 1 Les notations possibles pour α sont: X, Y, Z, A, B. 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 et B).
NOTE 2 Pour information, voir l’ISO 230-7.
3.16
déport d αOγ
()
xx,60
étendue du déplacement linéaire ou angulaire, dans la direction deα , du composant de la machine déplacé le
long de l’axe linéaire γ pendant les premières 60 min des essais de déformation thermique due au
déplacement de l’axe linéaire (au point xx)
EXEMPLE La notation d(BOX) indique que le déport de l’axe linéaire X dans la direction B (rotation autour de γ)
1,60
au point P1 (point droit de la Figure 8) est référencé.
NOTE Les notations possibles pour α sont: X, Y, Z, A, B. Les notations pour γ sont: X, X1, Y, Z, W ou n’importe
quel axe linéaire. Les notations possibles pour xx sont: 1 et 2, xx pourrait être aussi exprimé avec des mots, comme
gauche et droite.
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ISO 230-3:2007(F)
3.17
déport d αOγ
()
xxt,
étendue du déplacement linéaire ou angulaire du composant de la machine déplacé le long de l’axe linéaire
γ dans la direction α pendant la période totale de déplacement, t, des essais de déformation thermique due
au déplacement de l’axe linéaire
EXEMPLE La notation d(BOX) indique que le déport de l’axe linéaire X dans la direction B (rotation autour de Y)
1,t
au point P1 (point droit de la Figure 8) est référencé.
NOTE 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: 1 et 2; xx pourrait être aussi exprimé avec des mots,
comme gauche et droite.
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 exprimés en
millimètres. Tous les angles sont exprimés 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 les équivalences suivantes:
0,010/1 000 = 10 µrad ≈ 2″
Les températures sont exprimées en degrés Celsius (°C).
4.2 Référence à l'ISO 230-1
Pour l'application de la présente partie de l'ISO 230, se référer à l'ISO 230-1, notamment pour ce qui
concerne l'installation de la machine avant essai et l'exactitude recommandée pour les équipements d'essai.
4.3 Instruments et équipement d'essai recommandés
Les instruments de mesure recommandés dans le présent paragraphe sont uniquement 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 inférieure. Les instruments et équipements d'essai suivants sont recommandés
pour application des Articles 5 à 7:
a) 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);
b) capteurs de température (par exemple thermocouple, thermomètre à résistance électrique ou à
semi-conducteur) offrant une résolution appropriée et une incertitude de mesure;
c) 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 de tous les
1)
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.
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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ISO 230-3:2007(F)
d) mandrins d'essai, fabriqués de préférence en acier et conçus conformément aux spécifications de la
norme spécifique à la machine ou par accord conclu entre le fournisseur/le fabricant et l'utilisateur,
voir ISO 230-1:1996, Article A.3;
e) 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/le 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.
f) 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 des essais de dérive
des transducteurs (voir A.5).
Les instruments de mesure doivent être stabilisés thermiquement avant le début des essais.
4.4 État de la machine avant essai
La machine doit être entièrement assemblée et en ordre de marche conformément aux instructions du
fournisseur/du fabricant qui doivent être consignées. Toutes les opérations nécessaires de nivellement,
l'alignement géométrique et les contrôles fonctionnels doivent être complétés 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 de chaleur interne conformément aux spécifications du fournisseur/du 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 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 conformément 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. 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 à 7 peuvent être réalisés de manière individuelle ou combinée.
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Questions, Comments and Discussion
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