基于HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)主軸軸向熱變形補償技術(shù)

嚴(yán)江云 劉 博 張 韜

（沈機集團(tuán)昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203）

數(shù)控機床是具有一定精度要求的加工設(shè)備。除幾何精度、位置精度等誤差外，機床熱變形也是影響加工精度的重要誤差來源。機床在運行狀態(tài)下，會受到內(nèi)部和外部的多種熱源影響，根據(jù)熱源種類以及機床軸特點，熱變形誤差存在幾種不同的表現(xiàn)形式。其中，機床主軸軸向熱變形誤差相比主軸徑向和進(jìn)給軸熱變形更加明顯。對此誤差，在設(shè)計層面可采用加強冷卻、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方法盡量減小熱變形;同時，也可采用電氣反向補償?shù)窒绊?。本文結(jié)合海德漢數(shù)控系統(tǒng)（HEIDENHAIN iTNC 530），探討基于滯后跟隨功能的機床主軸軸向熱誤差電氣補償方法。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者、研究機構(gòu)針對數(shù)控機床熱誤差產(chǎn)生機理、誤差特征、誤差數(shù)學(xué)建模、誤差控制及其補償技術(shù)進(jìn)行了大量研究。至今約有10多家技術(shù)領(lǐng)先的公司，如瑞士 MIKRON，日本的 MAKINO、OKUMA、FANUC，德國的 SIEMENS、HEIDENHAIN，以及北京機床研究所等，這些廠家擁有各自的數(shù)控機床熱變形誤差的自動補償技術(shù)，并將其作為現(xiàn)代高檔數(shù)控機床的必備智能組件，嵌入數(shù)控系統(tǒng)或電氣控制系統(tǒng)，為數(shù)控機床誤差實時補償?shù)膶嵤┨峁┘夹g(shù)手段。

熱誤差補償通常采用反饋中斷補償法和原點平移補償法兩種不同的技術(shù)路線。反饋中斷補償是通過將熱誤差模型的計算數(shù)值直接插入到伺服系統(tǒng)的位置反饋環(huán)中而實現(xiàn)的。該技術(shù)需要特殊的電子裝置將熱誤差信號插入伺服環(huán)中，這種插入一般需要局部改動CNC控制系統(tǒng)的硬件，并且基于數(shù)控系統(tǒng)的伺服總線是開放的。原點平移補償法是通過熱誤差補償控制器計算機床的熱誤差，把誤差量作為補償值送到CNC控制器，再通過外部機床坐標(biāo)系偏移功能對相關(guān)PLC信號處理，實現(xiàn)熱誤差量的補償。

2 HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)的補償原理

HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)在實現(xiàn)熱變形補償功能上使用滯后跟隨（Lag Tracking）方式。原理如圖1所示。

圖1中修正前主軸由于軸向熱變形發(fā)生DL長度的變化量，如熱伸長向負(fù)向變化。此變化量將作為滯后跟隨功能的修正量。數(shù)控系統(tǒng)使用滯后跟隨功能，根據(jù)修正量進(jìn)行刀具軸的位置修正，當(dāng)主軸伸長時向正向移動刀具軸。滯后跟隨功能由PLC程序通過系統(tǒng)編程接口（W576－W584）或模塊Module 9231啟動。該功能的修正范圍是±3 mm，輸入分辨率是0.000 1 mm。

數(shù)控系統(tǒng)主軸軸向熱變形補償方法是基于主軸結(jié)構(gòu)典型位置溫度，進(jìn)而查表運算，最終反向運動刀具軸補償?shù)拈g接檢測補償方式。補償原理簡圖如圖2。

圖2中，補償技術(shù)路線包括3個主要過程:溫度獲?。ㄟ^程Ⅰ）、創(chuàng)建補償表（過程Ⅱ）和執(zhí)行補償（過程Ⅲ）。

溫度獲?。ㄟ^程Ⅰ）是數(shù)控系統(tǒng)自動獲取安裝在主軸熱源點的溫度傳感器信息的過程。此過程由PLC程序通過模擬輸入接口完成。HEIDENHAIN iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)提供兩種模擬輸入接口:位于主機上的X48模擬輸入端口和位于PLC擴展模塊上的PLA 4－4模擬輸入組件。與之對應(yīng)，PLC程序可通過兩種方式讀取所連接的傳感器溫度，即主機X48模擬輸入端口使用系統(tǒng)地址W 486－490讀取溫度數(shù)據(jù)，或PLA 4－4模擬輸入組件使用Module 9138讀取溫度數(shù)據(jù)。受數(shù)控系統(tǒng)模擬輸入接口兼容類型限制，需選用Pt 100型熱敏電阻溫度傳感器。傳感器安裝在主軸系統(tǒng)熱源部位，通過屏蔽電纜連接至模擬輸入接口。傳感器安裝位置采集的溫度應(yīng)能夠反映機床主軸主要熱源隨工作狀態(tài)變化的情況。

補償表用于存儲與主軸溫度變化對應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)。其位置由系統(tǒng)文件（OEM.SYS）中的TEMP_COMPENSATION定義。國標(biāo)GB/T 17421.3在關(guān)于確定機床熱效應(yīng)問題上，提出測量機床主軸上刀具軸向以及徑向多種誤差的五點測量方法。相應(yīng)地，補償表中每個溫度值都對應(yīng)有X、Y、Z三軸升/降溫情況下共6組數(shù)據(jù)。由于只考慮軸向誤差補償，因此，只使用其中刀具軸（Z軸）上的誤差數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建補償表（過程Ⅱ）是建立主軸溫度數(shù)據(jù)和軸向熱變形數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)聯(lián)表的數(shù)據(jù)處理過程。其中，溫度數(shù)據(jù)由過程Ⅰ獲得，軸向熱變形數(shù)據(jù)通過布置在主軸前端的長度測量工具獲取，如千分表、刀具測頭、位移傳感器等。熱誤差數(shù)學(xué)擬合是指使用數(shù)學(xué)工具軟件（如MATLAB）根據(jù)有限組測量數(shù)據(jù)，按照數(shù)學(xué)方法（如多項式擬合）確定軸向熱變形和溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系曲線。根據(jù)擬合關(guān)系曲線，選擇特定溫度點及其擬合曲線數(shù)值，建立軸向熱變形數(shù)據(jù)和溫度的分段線性關(guān)系模型，并由各個折線點組成補償表數(shù)據(jù)。選取溫度點需要保證不造成明顯的線性化逼近誤差，同時，要考慮過程Ⅲ中PLC補償程序的查表原則。

執(zhí)行補償（過程Ⅲ）是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)PLC程序計算的補償值控制刀具軸反向運動抵消主軸軸向熱變形誤差的過程。HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)PLC程序可使用Module 9240、Module 9241、Module 9255 等文件操作程序模塊，查詢補償表中主軸溫度所在區(qū)間的誤差數(shù)據(jù)，使用線性插補計算補償值。數(shù)控系統(tǒng)使用滯后跟隨修正地址（W 576－584）獲取PLC計算的補償值，根據(jù)參數(shù)MP 4070設(shè)置的每個PLC循環(huán)生效的補償量，向變頻器系統(tǒng)發(fā)出控制指令。變頻器系統(tǒng)驅(qū)動刀具軸的伺服電動機，使連接的機床結(jié)構(gòu)沿主軸軸向熱變形誤差反向運行，以此抵消誤差，實現(xiàn)補償。

綜合以上分析，在HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)上運用主軸軸向熱變形補償功能，硬件上需要Pt 100型溫度傳感器、模擬輸入接口及連接電纜等，軟件上需要實現(xiàn)溫度采集、補償運算以及參數(shù)設(shè)置等功能的PLC控制程序，并在數(shù)控系統(tǒng)上作必要的功能設(shè)置即可。因此，基于HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)的熱誤差補償方案具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

3 實驗應(yīng)用

本公司研制的配置HEIDENHAIN iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的某大型臥式加工中心，機床主軸直徑130 mm，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。溫度傳感器安裝在機床主軸軸承附近，并連接至PLA 4－4模擬輸入組件。主軸前部使用Renishaw公司NC 4刀具測頭自動檢測機床主軸熱變形情況。為便于測量，主軸上安裝約50 mm長度的刀柄。

根據(jù)機床主軸最高轉(zhuǎn)速，溫升實驗分成1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 等轉(zhuǎn)速階梯，進(jìn)行連續(xù)階梯升溫和連續(xù)階梯降溫空運轉(zhuǎn)測試。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制圖形如圖3所示。從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，該機床主軸軸向熱變形存在兩個特點。

特點一:機床主軸在高速空運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，溫度升高和軸向熱變形十分明顯。使用最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)設(shè)計規(guī)定時間之后，傳感器數(shù)據(jù)顯示溫度超過80℃，接近主軸最高安全工作溫度。同時，主軸軸向熱變形的測量結(jié)果顯示伸長超過0.4 mm。

特點二:升溫階段和降溫階段的主軸軸向熱變形存在明顯差異。整體考察實驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)軸向熱變形量與溫度之間存在滯后現(xiàn)象。相同溫度下，升溫過程和降溫過程的差異最大可能達(dá)到0.05 mm。

HEIDENHIAN數(shù)控系統(tǒng)自帶的基本程序中包括實現(xiàn)溫度補償功能的子程序。在對誤差進(jìn)行補償時，可以按照升溫和降溫誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行均值補償和分別補償。結(jié)合機床軸向誤差的實測數(shù)據(jù)，如采用分別補償方式，在某些溫度范圍內(nèi)（如60～75℃范圍）會出現(xiàn)補償數(shù)據(jù)“突變”可能，將不利于機床運行和加工。因此，其基本程序只能采用均值補償。

根據(jù)機床主軸軸向熱變形存在明顯滯后的特點，機床制造商需自行編寫補償值計算程序。程序的核心內(nèi)容是強化主軸溫度的檢測識別功能，并基于主軸溫度變化過程控制補償值，實現(xiàn)其平穩(wěn)切換。溫度補償程序原理如圖4所示。

在根據(jù)設(shè)定次數(shù)進(jìn)行平均值操作后，PLC程序根據(jù)溫度分別在升溫表和降溫表中查詢誤差數(shù)據(jù)，并分別進(jìn)行線性插補計算升溫誤差值和降溫誤差值，見圖中Ⅰ和Ⅱ。同時，程序根據(jù)所得溫度判斷當(dāng)前機床主軸的溫度變化狀態(tài)，并結(jié)合主軸溫度狀態(tài)持續(xù)的時間修正升溫系數(shù)和降溫系數(shù)，見圖中Ⅲ。由于程序始終保持升溫系數(shù)和降溫系數(shù)的和是1，因此，升/降溫誤差值與升/降溫系數(shù)分別乘積（見圖中Ⅳ和Ⅴ）再求和操作（見圖中Ⅵ）后所得到的補償值，必定處于當(dāng)前溫度對應(yīng)的升溫誤差值和降溫誤差值之間。此時，根據(jù)狀態(tài)持續(xù)時間控制升降溫系數(shù)即可實現(xiàn)補償值在升溫狀態(tài)和降溫狀態(tài)之間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

在本型機床上，分別應(yīng)用兩種補償程序進(jìn)行效果驗證。驗證實驗測量數(shù)據(jù)如圖5所示

通過圖形容易發(fā)現(xiàn)，兩種補償程序?qū)χ鬏S軸向熱變形都有明顯修正效果。基本程序使熱變形處于0.06 mm范圍內(nèi)，而自行編寫的程序使之處于0.03 mm范圍內(nèi)，并比基本程序補償時具有更加集中的數(shù)據(jù)分布。

4 結(jié)語

在高速運轉(zhuǎn)時，具有復(fù)雜大型主軸結(jié)構(gòu)的大中型數(shù)控機床，主軸因發(fā)熱導(dǎo)致軸向變形誤差十分明顯。雖然使用溫度傳感器間接檢測很難取得與直接位置反饋控制的進(jìn)給軸匹配的補償精度，但是，在目前缺乏主軸加工狀態(tài)下直接檢測主軸熱變形量手段的情況下，此種補償技術(shù)不失為抵消軸向熱變形誤差的有效方法。

［1］HEIDENHAIN.Technical manual iTNC 530［Z］.2006.

［2］閆占輝，于駿一.機床熱變形的研究現(xiàn)狀［J］.吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2001，31（3）:95－97.

［3］魯遠(yuǎn)棟，徐中行，劉立新，等.數(shù)控機床熱變形誤差補償技術(shù)［J］.機床與液壓，2007，35（2）:43－50.

［4］劉朝華，戴怡，石秀敏，等.西門子840D數(shù)控系統(tǒng)溫度誤差補償?shù)难芯亢蛻?yīng)用［J］.機床與液壓，2009，37（9）:12－17.

［5］劉永吉，沈超，化春雷.五軸聯(lián)動機床的主軸熱誤差補償［J］.機械制造，2011，49（562）:9－10.

［6］傅建中，姚鑫驊，賀永，等.數(shù)控機床熱誤差補償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r［J］.航空制造技術(shù)，2010（4）.