基于SIEMENS 840D系統對于虛擬軸撓度補償的實現

張 云

（成都飛機工業集團有限責任公司數控加工廠，四川成都 610091）

虛擬軸顛覆了傳統的主軸概念，使用三軸來控制A、B軸的運動，對傳統的螺距插補已經不能滿足補償要求。歐美等國已經相繼開發出了并聯三軸主軸方案及精度補償，國內也在進行并聯三軸主軸頭精度的補償及開發。該結構具有速度高，剛度大，精度高等優點，成為制造業研究人員關注的熱點。

1 國內外現狀

21世紀出現的并聯結構五軸數控加工裝備，需要不斷改善，因此在很長一段時間內，各機床公司都會致力于這種并聯結構裝備的研制。Z3采用3－PRS機構，提供給機床2個轉動（A/B軸）和1個方向的移動，該主軸擺頭概念已經申請了德國、美國和加拿大發明專利。在中國，類似的主軸頭（圖1）方案被西安理工大學和天津大學分別遞交了發明專利申請，利用并聯三軸實現了A軸和B軸的控制，可以在空間±45°范圍內任意角度進行加工，減少了加工中AB軸轉換的時間，提高了工作效率。

德國DST公司生產的ECOSPEED系列機床在并聯三軸主軸頭控制上已經比較成熟，Ecospeed系列數控裝備能滿足高精密零件高速加工需要，加工效率比其他類型設備提高1～3倍，在歐洲許多大型數控加工廠獲得了應用。美國Cincinnati機床公司也從德國引進了Sprint Z3主軸頭制造技術。

國內由清華大學牽頭，沈陽中捷機床廠等生產的并聯機床也相繼問世。

2 虛擬軸簡介

并聯三軸主軸頭在中國被稱為“虛擬軸”，推翻固定坐標軸的概念，將Z向三軸控制AB在空間±45°內任意轉換。以德國DST公司生產的ECOSPEED為例，介紹并聯三軸主軸頭。這種并聯三軸方案主要采用三轉動副結構球鉸來滿足機構的姿態要求（如圖2）任何方向45°偏轉;偏轉定位速度達80°/s;角加速度685°/s2。

并聯三軸主軸頭由3個支撐板以120°分度定位，并與重肋形圓柱體裝配式鋼制箱相連（如圖3），在每個座板上均裝有線性導軌，帶有一個與滾動塊相連的鞍架，可前后移動。鉸鏈連接臂與鞍架的前端相連。另一端合并成一個萬向節，支撐帶有內置電主軸的平臺。滾珠絲杠和伺服電動機驅動滑板。通過在Z向上單獨移動3個滑板，在±40°范圍內的任何主軸空間角度均可實現。通過3個滑板在Z向上的聯動，電主軸在Z向上水平移動。每根縱向軸均有其自己的線性測量系統。一種特殊運算法則將TCP編程的參數轉換為機床的定位參數。

3 SIEMENS 840D系統撓度補償的介紹

西門子840D數控系統的補償功能，其補償數據不是用機床數據描述，而是以參數變量，通過零件程序形式或通用啟動文件（_INI文件）形式來表達。描述如下:

（1）$AN_CEC［t，N］:插補點 N 的補償值，即基準軸的每個插補點對應于補償軸的補償值變量參數。

（2）$AN_CEC_INPUT_AXIS［t］:定義基準軸的名稱。

（3）$AN_CEC_OUTPUT_AXIS［t］:定義對應補償值的軸名稱。

（4）$AN_CEC_STEP［t］:基準軸兩插補點之間的距離。

（5）$AN_CEC_MIN［t］:基準軸補償起始位置。

（6）$AN_CEC_MAX［t］:基準軸補償終止位置。

（7）$AN_CEC_DIRECTION［t］:定義基準軸補償方向。其中:$AN_CEC_DIRECTION［t］=0，補償值在基準軸的兩個方向有效;$AN_CEC_DIRECTION［t］=1，補償值只在基準軸的正方向有效，基準軸的負方向無補償值;$AN_CEC_DIRECTION［t］= －1，補償值只在基準軸的負方向有效，基準軸的正方向無補償值。

（8）$AN_CEC_IS_MODULO［t］:基準軸的補償帶模功能。

（9）$AN_CEC_MULT_BY_TABLE［t］:基準軸的補償表的相乘表。這個功能允許任一補償表可與另一補償表或該表自身相乘。

虛擬軸的精度補償包含有激光精度補償及幾何精度補償，這里介紹幾何精度的補償。以窩式虛擬軸機床為例，在虛擬軸Z方向伸出下墜的情況下，首先應用并聯三軸對主軸的方向進行修正，然后補償Y軸使其補償后垂直位置沒有變化，最終達到良好的精度效果。

4 虛擬軸撓度補償的應用

虛擬軸的撓度補償分為3個步驟逐一進行，首先在垂直全程進行補償（Z軸對Y軸的補償），其次是主軸方向的補償（Z軸對Z軸的補償），最后為Y軸對于Z軸的補償（Y⊥Z補償）。

4．1 垂直運動中Z軸對Y軸的補償

將電子水平儀安裝于并行主軸上方（如圖4）。移動Y軸進行檢測。

測量時移動Y軸，每500 mm距離記錄一次結果。將記錄結果寫入差值（表1）中。Y坐標值為設定補償步距的坐標，差值為測量中水平儀的讀數值，補償值是經過計算得出的最終結果。計算得知該補償因素為+0.4，則寫入CEC補償值中:補償值=差值×補償因素。如:在Y坐標為－750 mm的點時，測量差值為－0.01 mm，則寫入CEC2文件的補償值應為 －（－0.01）×0.4=0.004 mm。

表1

寫入以下程序CEC2．MPF中:

在輸入對應的參數和補償參數后，在自動狀態運行程序CEC2．MPF，再經過NCK重新啟動，Z軸對Y軸方向的補償完成。

通過這個補償，可以使并聯三軸主軸頭在沿Y方向運行時保持主軸與Z方向坐標平行，是調整撓度補償的前提條件。

4．2 并聯三軸中Z軸對Z軸的精度補償

并聯三軸主軸頭的重要一點為在主軸伸出時，由于重力影響導致主軸下墜。由于并聯三軸主軸頭的特殊關系，補償必須利用3個Z軸互動將主軸抬起以達到減小撓度帶來的誤差。如圖5中所示，運行Z軸動作，將電子水平儀放置于主軸上端，設定每步距為50 mm。

不同的步距會導致補償變量因素有所變化。其中Z軸的補償精度也包含了Z1、Z2和Z3軸的精度補償。同上所述，補償值=測量值×0.4。將補償值寫入CEC2．SPF中，程序大概為:

Z軸對Z軸的補償是利用并聯三軸主軸頭原理，對互為120°夾角的Z軸進行運動，將其抬起，使其對整個主軸進行撓度補償的效果。但是Z軸抬起后會影響Y軸有所變化，所以必須進行第三步（Y軸對Z軸的補償）。

4．3 Y軸對Z軸的補償

對于臥式并聯機床的結構來說，Y軸普遍采用雙驅控制，所以Y對Z軸的補償分為2個補償，即Y1對Z軸的補償和Y2對Z軸的補償。通常Y1和Y2的補償值是相同的，但是必須要分為2個文件來補償。如圖6所示，移動Z軸獲得Y方向的誤差值。ZY的誤差補償系數為－1，則補償值=誤差值×（－1）。

寫入參數補償時注意Y1和Y2采用相同的補償值，其中Y1軸對Z軸的補償位置為$AN_CEC［25，* ］，Y2對Z軸的補償位置為$AN_CEC［26，* ］。在輸入對應的參數和補償參數后，在自動狀態運行程序CEC2．MPF，再經過NCK重新啟動，Y軸對Z軸方向的補償完成。

5 結語

虛擬軸是國際新興的先進制造技術，已被譽為21世紀新型加工中心，并聯三軸主軸頭精度補償的方式及方法一直是國外作為技術秘密不予透露。虛擬軸的獨特結構確定了獨特的精度補償方式，虛擬軸的撓度補償必須根據一定順序先后進行補償，并配合幾何精度測量，及激光精度補償，球頭RTCP精度補償以及40°精度補償一起，才能更好地發揮虛擬軸高精度的優勢。并聯三軸主軸頭的撓度補償的實現，將對并聯三軸主軸頭的研究及精度保證有很大的推動作用。

［1］西門子．SINUMERIK 810D/840D 維修與調整 A2484［Z］．西門子中國有限公司，2004．

［2］西門子．SINUMERIK 840D數控參數說明書［Z］．西門子中國有限公司，2004．

［3］DST maintenance manual high speed machining center［Z］．DS Technologie，2007．

［4］DST maintenance instruction．fundamentals siemens840D［Z］．DS Technologie，2007．