ISO/TR 230-8:2010
(Main)Test code for machine tools — Part 8: Vibrations
Test code for machine tools — Part 8: Vibrations
ISO/TR 230-8:2010 is concerned with the different types of vibration that can occur between the tool-holding part and the workpiece-holding part of a machine tool. (For simplicity, these will generally be referred to as “tool” and “workpiece”, respectively.) These are vibrations that can adversely influence the production of both an acceptable surface finish and an accurate workpiece. It is not aimed primarily at those who have expertise in vibration analysis and who routinely carry out such work in research and development environments. It does not, therefore, replace standard textbooks on the subject.. It is, however, intended for manufacturers and users alike with general engineering knowledge in order to enhance their understanding of the causes of vibration by providing an overview of the relevant background theory. It also provides basic measurement procedures for evaluating certain types of vibration problems that can beset a machine tool: vibrations occurring as a result of mechanical unbalance; vibrations generated by the operation of the machine's linear slides; vibrations transmitted to the machine by external forces; vibrations generated by the cutting process including self-excited vibrations (chatter). Additionally, this report discusses the application of artificial vibration excitation for the purpose of structural analysis.
Code d'essai des machines-outils — Partie 8: Vibrations
L'ISO/TR 230-8:2010 traite des différents types de vibrations qui peuvent se produire entre la partie outil et la partie pièce à usiner d'une machine-outil. (Pour plus de simplicité, ces parties seront appelées respectivement «outil» et «pièce»). Ces vibrations peuvent avoir un effet négatif à la fois sur la production d'une finition de surface acceptable et sur l'exactitude d'une pièce. L'ISO/TR 230-8:2010 n'est pas principalement destinée à ceux qui ont l'expérience de l'analyse des vibrations et qui effectuent ce type de travail régulièrement dans des milieux de recherche et développement. Elle ne remplace donc pas les manuels standards sur ce sujet. Toutefois, l'ISO/TR 230-8:2010 s'adresse aussi bien aux fabricants qu'aux utilisateurs qui ont des connaissances générales en ingénierie, et qui souhaitent mieux comprendre les causes des vibrations grâce à une vue d'ensemble des théories de base du domaine. Il fournit également des modes opératoires de mesure basiques permettant d'évaluer certains types de vibrations que peut subir une machine-outil: vibrations dues à un déséquilibre mécanique; vibrations générées par le fonctionnement des glissières de la machine; vibrations transmises à la machine par des forces extérieures; vibrations générées pendant le processus de coupe, incluant les vibrations auto-excitées (broutage). De plus, ce rapport traite de l'application de l'excitation de vibration artificielle pour les besoins de l'analyse structurelle.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 230-8
Second edition
2010-06-01
Test code for machine tools —
Part 8:
Vibrations
Code d'essai des machines-outils —
Partie 8: Vibrations
Reference number
©
ISO 2010
PDF disclaimer
This PDF file may contain embedded typefaces. In accordance with Adobe's licensing policy, this file may be printed or viewed but
shall not be edited unless the typefaces which are embedded are licensed to and installed on the computer performing the editing. In
downloading this file, parties accept therein the responsibility of not infringing Adobe's licensing policy. The ISO Central Secretariat
accepts no liability in this area.
Adobe is a trademark of Adobe Systems Incorporated.
Details of the software products used to create this PDF file can be found in the General Info relative to the file; the PDF-creation
parameters were optimized for printing. Every care has been taken to ensure that the file is suitable for use by ISO member bodies. In
the unlikely event that a problem relating to it is found, please inform the Central Secretariat at the address given below.
© ISO 2010
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from either ISO at the address below or
ISO's member body in the country of the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2010 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
Introduction.vii
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .2
4 Theoretical background to the dynamic behaviour of machine tools .13
4.1 Nature of vibration: basic concepts .13
4.2 Single-degree-of-freedom systems .16
4.3 Mathematical considerations .20
4.4 Graphical representations.22
4.5 Different types of harmonic excitation and response .26
4.6 More degrees of freedom.33
4.7 Other miscellaneous types of excitation and response of machine tools .40
4.8 Spectra, responses and bandwidth.43
5 Types of vibration and their causes .44
5.1 Vibrations occurring as a result of unbalance .44
5.2 Vibrations occurring through the operation of linear slides .48
5.3 Vibrations occurring externally to the machine.49
5.4 Vibrations initiated by the machining process: forced vibration and chatter .50
5.5 Other sources of excitation.52
6 Practical testing: general concepts.54
6.1 General .54
6.2 Measurement of vibration values .54
6.3 Instrumentation .55
6.4 Relative and absolute measurements .56
6.5 Units and parameters.56
6.6 Uncertainty of measurement.58
6.7 Note on environmental vibration evaluation .58
6.8 Type testing .59
6.9 Location of machine.59
7 Practical testing: specific applications .60
7.1 Unbalance.60
7.2 Machine slide acceleration along its axis (inertial cross-talk).64
7.3 Vibrations occurring externally to the machine.67
7.4 Vibrations occurring through metal cutting .67
8 Practical testing: structural analysis through artificial excitation .68
8.1 General .68
8.2 Spectrum analysis and frequency response testing .69
8.3 Machine set-up conditions .70
8.4 Frequency analysis .71
8.5 Modal analysis .73
8.6 Cross-response tests.73
8.7 “Non-standard” vibration modes.75
8.8 Providing standard stability tests.76
Annex A (informative) Overview and structure of this part of ISO 230 .77
Annex B (informative) Relationships between vibration parameters.78
Annex C (informative) Summary of basic vibration theory.80
Annex D (informative) Spindle and motor balancing protocol .84
Annex E (informative) Examples of test results and their presentation.85
Annex F (informative) Instrumentation for analysis of machine tool dynamic behaviour .94
Bibliography .107
iv © ISO 2010 – All rights reserved
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.
In exceptional circumstances, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely
informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
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/TR 230-8 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/TR 230-8:2009). Annex F has been added and
minor editorial corrections have been made.
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 quasi-static 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 8: Vibrations [Technical Report]
⎯ Part 9: Estimation of measurement uncertainty for machine tool tests according to series ISO 230, basic
equations [Technical Report]
⎯ Part 10: Determination of measuring performance of probing systems of numerically controlled machine
tools
The following part is under preparation:
⎯ Part 11: Measuring instruments and their application to machine tool geometry tests [Technical Report]
vi © ISO 2010 – All rights reserved
Introduction
The purpose of ISO 230 is to standardize methods of testing the performance of machine tools, generally
1)
without their tooling , and excluding portable power tools. This part of ISO 230 establishes general procedures
for the assessment of machine tool vibration.
The need for vibration control is recognized in order that those types of vibration that produce undesirable
effects can be mitigated. These effects are identified principally as:
⎯ unacceptable cutting performance with regard to surface finish and accuracy;
⎯ premature wear or damage of machine components;
⎯ reduced tool life;
⎯ unacceptable noise level;
⎯ physiological harm to operators.
Of these, only the first is considered to lie within the scope of this part of ISO 230, although the other effects
may well occur incidentally. (Noise is covered by ISO 230-5, and the effect of vibration on operators is
covered by ISO 2631-1.) For the most part, this necessarily limits this part of ISO 230 to the problems of
vibrations that are generated between tool and workpiece.
Although this part of ISO 230 is in the form of a Technical Report, a number of acceptance tests are proposed
within it. These take on the appearance of “standard tests” to be found in other parts of the 230 series. These
tests may be used in this way, but, being less rigorous in their formulation, they do not carry the authority that
a test in accordance with an International Standard would have.
1) In some cases, practical considerations require that real or dummy tooling and workpieces be used (see 7.1.1, 7.2.1,
7.4 and 8.3).
TECHNICAL REPORT ISO/TR 230-8:2010(E)
Test code for machine tools —
Part 8:
Vibrations
1 Scope
This part of ISO 230 is concerned with the different types of vibration that can occur between the tool-holding
part and the workpiece-holding part of a machine tool. (For simplicity, these will generally be referred to as
“tool” and “workpiece”, respectively.) These are vibrations that can adversely influence the production of both
an acceptable surface finish and an accurate workpiece.
This part of ISO 230 is not aimed primarily at those who have expertise in vibration analysis an
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 230-8
Deuxième édition
2010-06-01
Code d'essai des machines-
outils —
Partie 8:
Vibrations
Test code for machine tools —
Part 8: Vibrations
Numéro de référence
©
ISO 2010
PDF – Exonération de responsabilité
Le présent fichier PDF peut contenir des polices de caractères intégrées. Conformément aux conditions de licence d'Adobe, ce fichier
peut être imprimé ou visualisé, mais ne doit pas être modifié à moins que l'ordinateur employé à cet effet ne bénéficie d'une licence
autorisant l'utilisation de ces polices et que celles-ci y soient installées. Lors du téléchargement de ce fichier, les parties concernées
acceptent de fait la responsabilité de ne pas enfreindre les conditions de licence d'Adobe. Le Secrétariat central de l'ISO décline toute
responsabilité en la matière.
Adobe est une marque déposée d'Adobe Systems Incorporated.
Les détails relatifs aux produits logiciels utilisés pour la création du présent fichier PDF sont disponibles dans la rubrique General Info
du fichier; les paramètres de création PDF ont été optimisés pour l'impression. Toutes les mesures ont été prises pour garantir
l'exploitation de ce fichier par les comités membres de l'ISO. Dans le cas peu probable où surviendrait un problème d'utilisation,
veuillez en informer le Secrétariat central à l'adresse donnée ci-dessous.
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2010
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous
quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit
de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2010 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction.vii
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Fondements théoriques du comportement dynamique des machines-outils .14
4.1 Nature des vibrations: concepts de base .14
4.2 Systèmes à un seul degré de liberté .17
4.3 Considérations mathématiques.21
4.4 Représentations graphiques.24
4.5 Les différents types d'excitation harmonique et de réponse .28
4.6 Système à plusieurs degrés de liberté.34
4.7 Autres types d'excitation et de réponse des machines-outils .42
4.8 Spectres, réponses et largeur de bande.45
5 Types de vibrations et causes .46
5.1 Vibrations provoquées par un balourd .46
5.2 Vibrations dues au fonctionnement des glissières linéaires de la machine.50
5.3 Vibrations externes à la machine .52
5.4 Vibrations provoquées par le processus d'usinage: vibrations forcées et broutage.53
5.5 Autres sources d'excitation .55
6 Essais pratiques: instruments et unités .57
6.1 Généralités .57
6.2 Mesurage des valeurs des vibrations .58
6.3 Instruments .58
6.4 Mesurages relatifs et absolus .59
6.5 Unités et paramètres .60
6.6 Incertitude du mesurage.61
6.7 Remarque concernant l'évaluation des vibrations environnementales .62
6.8 Essais de type.62
6.9 Emplacement de la machine .62
7 Essais pratiques: applications spécifiques.63
7.1 Balourd .63
7.2 Accélération des glissières de la machine le long de l'axe de la machine (diaphonie
inertielle).67
7.3 Vibrations externes à la machine .70
7.4 Vibrations se produisant lors de la découpe de métal.71
8 Essais pratiques: Analyse structurelle à l'aide d'une excitation artificielle.72
8.1 Généralités .72
8.2 Analyse spectrale et essais de réponse en fréquence.72
8.3 Conditions de montage de la machine.74
8.4 Analyse fréquentielle .75
8.5 Analyse modale .77
8.6 Essais de réponse croisée .78
8.7 Modes vibratoires «non standards».79
8.8 Normalisation des essais de stabilité .80
Annexe A (informative) Aperçu général et structure de la présente partie de l'ISO 230 .81
Annexe B (informative) Relations entre les paramètres vibratoires.82
Annexe C (informative) Résumé des principes fondamentaux de la théorie des vibrations .85
Annexe D (informative) Protocole d'équilibrage de la broche et du moteur.89
Annexe E (informative) Exemples de résultats d'essai et de leur présentation .90
Annexe F (informative) Instrumentation pour l'analyse du comportement dynamique d'une
machine-outil.99
Bibliographie .112
iv © ISO 2010 – Tous droits réservés
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.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
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/TR 230-8 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.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TR 230-8:2009). L'Annexe F a été
ajoutée et des corrections rédactionnelles mineures ont été apportées.
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 quasi-statiques
⎯ 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 8: Vibrations [Rapport technique]
⎯ Partie 9: Estimation de l'incertitude de mesure pour les essais des machines-outils selon la série ISO 230,
équations de base [Rapport technique]
⎯ Partie 10: Détermination des performances de mesure des systèmes de palpage d'une machine-outil à
commande numérique
La partie suivante est en cours d'élaboration:
⎯ Partie 11: Instruments de mesure et leurs applications aux essais de géométrie des machines-outils
[Rapport technique]
vi © ISO 2010 – Tous droits réservés
Introduction
L'ISO 230 a pour but de normaliser les méthodes d'essai de performances des machines-outils, généralement
1)
sans leur outillage , en excluant du domaine d'application les machines électroportatives. La présente partie
de l'ISO 230 établit les modes opératoires généraux permettant l'évaluation des vibrations des machines-
outils.
La nécessité de contrôler les vibrations est reconnue; de cette façon, les vibrations qui produisent des effets
indésirables peuvent être diminuées. Ces effets sont essentiellement les suivants:
⎯ performance inacceptable en matière de découpe par rapport à la finition de surface et à l'exactitude;
⎯ usure ou endommagement prématurés des composants de la machine;
⎯ durée de vie réduite de l'outil;
⎯ niveau de bruit inacceptable;
⎯ dommages physiologiques subis par les opérateurs.
Parmi ces effets indésirables, seul le premier est considéré comme relevant du domaine d'application de la
présente partie de l'ISO 230, même si les autres effets peuvent occasionnellement se produire. (La question
du bruit est abordée dans l'ISO 230-5, et l'effet des vibrations sur les opérateurs est abordé dans
l'ISO 2631-1.) Dans sa globalité, la présente partie de l'ISO 230 se limite nécessairement à traiter des
problèmes de vibrations générées principalement entre l'outil et la pièce.
Même si la présente partie de l'ISO 230 est présentée sous la forme d'un Rapport technique, un certain
nombre d'essais de réception y sont proposés. Ils prennent l'aspect d'«essais normalisés» que l'on trouve
dans d'autres parties de la série de
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.