SINUMERIK 828D 數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償功能在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

陳 蔚，丁少博

（1.煙臺天成機(jī)械有限公司，山東 煙臺 264000；2. 武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著各行各業(yè)的飛速發(fā)展，對零件的加工精度和表面質(zhì)量要求越來越高，數(shù)控機(jī)床的高精度成為人們研究的重要課題。數(shù)控機(jī)床的不精確性是由以下原因造成：機(jī)床零部件和結(jié)構(gòu)的幾何誤差；熱變形誤差；切削力變形；其他誤差源如機(jī)床軸系的伺服誤差、數(shù)控插補(bǔ)算法誤差等[1]。其中，熱變形造成的誤差約占機(jī)床總誤差的40%～70%[2～4]。所以，機(jī)床熱變形誤差的補(bǔ)償對于機(jī)床加工精度的提高有十分重要的作用[5]。劉朝華、李偉、劉志兵等[6～9]分別利用西門子840D/840Dsl數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床溫度誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用。SINUMERIK 828D 是一種緊湊型適用于精密車床和銑床的數(shù)控系統(tǒng)，其可滿足不同的安裝形式和性能要求，且可盡可能多的預(yù)設(shè)機(jī)床功能，大大減少機(jī)床調(diào)試時間，因而應(yīng)用十分廣泛。本研究對SINUMERIK 828D 數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償功能進(jìn)行了研究，并提出了溫度補(bǔ)償功能在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件方案。最后，將方案應(yīng)用于立式車床，驗(yàn)證了該方法的可行性，并證明了SINUMERIK 828D 數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償能有效提高機(jī)床的精度。

1 溫度補(bǔ)償原理

由于環(huán)境溫度的變化和機(jī)械長時間運(yùn)動，機(jī)床的機(jī)械部分會因?yàn)闇囟鹊淖兓幸欢ǖ淖兓?，機(jī)械的實(shí)際位置也會有所變化。為此，SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部提供了溫度補(bǔ)償功能[10]。系統(tǒng)提供了兩種溫度補(bǔ)償方式：不基于位置的溫度補(bǔ)償和基于位置的溫度補(bǔ)償。不基于位置的溫度補(bǔ)償，在不同的位置溫度補(bǔ)償值是同一數(shù)值?；谖恢玫臏囟妊a(bǔ)償，各位置溫度補(bǔ)償值與位置相關(guān)。如圖1 所示，即為溫度T條件下，補(bǔ)償值ΔKX與位置PX的關(guān)系。

圖1 某溫度下溫度補(bǔ)償值與軸位置關(guān)系

補(bǔ)償值ΔKX可擬合成如下直線公式：

其中：ΔKX為位置PX上的溫度補(bǔ)償值；K0（T）為與位置無關(guān)的溫度補(bǔ)償值；PX為軸的實(shí)際位置；P0為軸參考點(diǎn)位置；tanβ（T）為位置相關(guān)溫度補(bǔ)償系數(shù)。

讓機(jī)床在不同的溫度下連續(xù)的運(yùn)動，在固定間距位置測量位置的變化值，然后根據(jù)測量值做出不同溫度下補(bǔ)償曲線圖，求出斜率tanβ（T），并將不同的斜率tanβ（T）寫入NC 參數(shù)SD43910。

2 補(bǔ)償方案

根據(jù)溫度補(bǔ)償基本原理，選擇基于溫度位置的溫度補(bǔ)償?shù)姆绞郊丛O(shè)置NC 參數(shù)MD32750=2。通過在不同溫度下軸位移的測量，繪制軸位移誤差曲線，建立圖1 的數(shù)學(xué)模型，即求出tanβ（T）、P0和K0（T），其中tanβ（T）是關(guān)于溫度T的函數(shù)。數(shù)控系統(tǒng)通過PLC 實(shí)時對溫度測量，實(shí)時更新計算出tanβ（T）傳送到NCK中，NCK 根據(jù)公式（1）計算出補(bǔ)償值，并且在每個插補(bǔ)周期內(nèi)對軸位移進(jìn)行修正，從而完成溫度補(bǔ)償。

2.1 硬件設(shè)計

鉑電阻溫度傳感器（PT100）精度高，穩(wěn)定性好，測量溫度范圍廣，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計供計量和校準(zhǔn)使用。故選用PT100對溫度進(jìn)行采集，其測量范圍為-50 ℃～100 ℃，誤差為±0.15，完全符合機(jī)床溫度的測量。828D 數(shù)控系統(tǒng)PLC 可通過SIEMENS PP 72/48D 2/2A PN 外設(shè)模塊擴(kuò)展出2 路模擬量輸入，將PT100 接于其中1 路（圖2），電壓模擬信號便可轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)字信號，進(jìn)行補(bǔ)償計算。

圖2 PP 72/48D 2/2A PN 板接線

2.2 軟件設(shè)計

SINUMERIK 828D 數(shù)控系統(tǒng)集成的是S7-200 PLC，要完成實(shí)時溫度補(bǔ)償需要PLC 實(shí)時對溫度補(bǔ)償值進(jìn)行計算，并將其寫入數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)中。利用工程軟件PLC Programming Tool 對S7-200 PLC 編寫程序。首先，PLC 實(shí)時連續(xù)10 次讀取機(jī)床溫度并求均值，其具體程序如下：

DTR DB9020.DBD0，DB9020.DBD4 //測量值類型由雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)

利用828D 數(shù)控系統(tǒng)PLC 讀/寫NC 數(shù)據(jù)的功能，可將PLC 計算出的斜率以固定的周期刷新寫入NCK中SD43910（TEMP_COMP_SLOPE）參數(shù)下[11]。

建立如圖3 所示變量表，并編寫如下程序，對TEMP_COMP_SLOPE 參數(shù)進(jìn)行刷新。

圖3 PLC 程序NC 變量表

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究選用某公司生產(chǎn)的立式車床X軸為補(bǔ)償對象，設(shè)置NC 參數(shù)MD32750=2，將PT100 安放于立式車床橫梁靠近X軸絲杠處。使用激光干涉儀對X軸位移進(jìn)行位移測量（圖4）。為了試驗(yàn)結(jié)果明顯，選取X軸移動2500 mm 的位移值來試驗(yàn)。補(bǔ)償前，多次測量X軸移動2500 mm 處位移偏差，并根據(jù)機(jī)床的實(shí)際設(shè)置建立公式（1）數(shù)學(xué)模型，K0（T）為0、P0為3918 mm 并將值實(shí)時寫入程序中。補(bǔ)償后，再次測量記錄X軸移動2500 mm 處位移值，具體數(shù)據(jù)見表1。

圖4 激光干涉儀測量

表1 不同溫度下X 軸未加溫度補(bǔ)償和加溫度補(bǔ)償2500mm 處定位誤差

由表1 可以知，未補(bǔ)償機(jī)床X軸最大定位誤差0.07 mm，補(bǔ)償后機(jī)床X軸最大定位誤差0.02 mm，這既證明了溫度誤差補(bǔ)償能有效提高機(jī)床的加工精度，也證明了本研究提出的溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法可行。

4 結(jié)論

本文對SINUMERIK 828D 數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償功能進(jìn)行了分析與研究，并提出了828D 數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償功能在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)的方法，且進(jìn)行了具體的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。針對某型號的立式車床，以其X軸為試驗(yàn)對象，進(jìn)行了該方法可行性的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果也證明SINUMERIK 828D 數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償能有效提高機(jī)床的精度。