西門子840D系統在機床滑枕補償中的應用

朱 田，侯明華，趙 蕓

（重慶齒輪箱有限責任公司，重慶 402263）

0 引言

對數控鏜床而言，當滑枕或鏜桿前后移動時，由于機械結構的原因，支撐座體的重心位置會前后移動，導致滑枕和鏜桿發生傾斜，以及彈性變形、配合間隙使滑枕和鏜桿的前端位置下沉形成低頭現象，進而產生與機床坐標系的偏差。如果滑枕或鏜桿與立柱不垂直，隨著滑枕或鏜桿的向外移動，主軸前端刀具中心點與理想軌跡偏差會發生相應的變化。為校正這些誤差，除加大滑枕和鏜桿本身的剛度外，必須通過機械和電氣等手段進行補償，以提高加工工件的表面結合度和孔直線度等方面的精度。西門子數控840D系統具有強大的撓度補償功能，同時其PLC和HMI也有更大的柔性空間，使各種功能的實現更加完善。在滑枕補償方面，使用840D系統可以系統地、靈活地實現補償目的，達到理想的效果。

1 對鏜床滑枕的補償方法

數控鏜床主要以機械和電氣相結合的方式來實現滑枕補償，但在鏜床上應具備相關的執行機構（滑枕補償裝置）：①通過機械和液壓部件調整滑枕補償值；②通過吊鏈或拉鏈重錘等機械部件調整滑枕補償值。在進行滑枕補償時要分兩步：其一，應力補償，即先解決工件的加工表面接合度不好的問題；其二，各軸交叉補償（撓度補償），解決鏜孔加工時的垂直度問題。

2 通過PLC實現鏜床滑枕的應力補償

2．1 測量應力補償對應的數據值

為正確有效地實現滑枕補償，必須要測量相關數據。首先利用相關工具測量滑枕移動時主軸端面與理論坐標平面的偏差。

數控鏜床中，一般情況下設定滑枕移動為W 軸，鏜桿移動為Z軸，立柱上下移動為Y軸、立柱左右移動為X軸。通過S7－300PLC對補償裝置進行控制，逐步調整主軸端面與XZ平面的垂直度，當達到誤差允許值時，S7－300PLC數據塊中的數值就是滑枕補償值。值得注意的是，在對有機械附件的鏜床作補償時，應分別就不同附件測量相應數據。

（1）在無附件時，鏜桿與滑枕同步的條件下，測量主軸旋轉面與XZ平面的垂直度，如圖1所示。

圖1 無附件時主軸旋轉面與XZ平面的垂直度測量

（2）在平旋盤、延伸銑頭、反刮銑頭等附件頭安裝后，測量主軸旋轉面與XZ平面的垂直度，如圖2所示。

圖2 安裝平旋盤、延伸銑頭、反刮銑頭等附件頭后主軸旋轉面與XZ平面的垂直度測量

（3）萬向銑頭、臥式銑頭、5軸銑頭（主軸錐孔向下）等附件頭安裝后，測量主軸旋轉面與XZ平面的垂直度，如圖3所示。

圖3 安裝萬向銑頭、立臥銑頭、5軸銑頭附件頭后主軸旋轉面與XZ平面的垂直度測量

（4）安裝防護板（只有鏜桿移動）等附件頭后，測量主軸旋轉面與XZ平面的垂直度，如圖4所示。

圖4 安裝防護板等附件頭后主軸旋轉面與XZ平面的垂直度測量

（5）在進行完各工況下的垂直度測量后，測量滑枕及其安裝各種附件頭時的撓度值，如圖5所示。

圖5 滑枕及其安裝各種附件頭時的撓度值測量

（6）在進行完各工況下的垂直度測量后，測量鏜桿以及安裝護板時的撓度值，如圖6所示。

滑枕和鏜桿移動，伸出長度（行程）不同，滑枕和鏜桿的軸向與理論坐標軸向也不盡相同。稱垂直方向的偏差為誤差值，即誤差值與滑枕和鏜桿的行程相關；而通過補償裝置彌補不同行程的誤差值，采用的調整數值稱為補償值，亦與滑枕和鏜桿的行程相關。可以將補償值與行程以曲線（或線段）建立補償數據曲線圖表，一般以滑枕（鏜桿）伸出最小位置為曲線原點，以其伸出最遠端和原點之間建立補償行程。

圖6 測量鏜桿及其安裝護板時的撓度值

2．2 自動實現應力補償

在核對補償裝置（比例閥或牽引機構等裝置）對于有效行程的調整數值后，可編制西門子PLC的S7－300程序對全行程進行自動補償。程序主要內容有：①根據實際需要設定滑枕和鏜桿的行程步距STEP；

如果由于機械等原因導致滑枕向前和向后移動到同一測量點時，補償裝置對應的補償數據不同，則應使用雙向線性補償方式，建立兩套數據塊。

3 通過NC實現鏜床的交叉補償

3．1 使用Sag compensation撓度補償功能的步驟

要實現撓度補償，則須通過西門子NC系統實現，即進行各軸之間的交叉補償。下面以西門子840D NC代碼為例簡述其具體步驟：

（1）確定需要補償的具體點數、行程、方向等相關信息。

（2）結合以上信息，設定相關參數。MD18342設定內容為：（補償終點－補償起點）／（步距＋1）。確認MD18342參數后，以先備份再回裝方式重啟系統，生成補償初始化文件。

（3）在初始化文件中，先設定以下變量：

＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［0］設定為：跟蹤軸的機床軸名稱；

＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［0］設定為：補償軸的機床軸名稱，即交叉補償；

＄AN＿CEC＿STEP［0］設定為：步距；

＄AN＿CEC＿MIN［0］設定為：補償行程的最小值；

＄AN＿CEC＿MAX［0］設定為：補償行程的最大值；

＄AN＿CEC＿DIRECTION［0］設定為：1或－1，其中，1代表從最小走到最大的方向，為正方向；－1代表從最大走到最小的方向，為負方向；

＄AN＿CEC＿IS＿MODULO［0］設定為：針對旋轉軸為1。

再根據測量的實際結果，添加各位置點的補償值（絕對補償）：

＄AN＿CEC［0，0］設定為：最小位置的補償值，起點可設定為0；

＄AN＿CEC［0，1］設定為：第二點（相對最小位置）的補償值；

＄AN＿CEC［0，2］設定為：第三點的補償值；

＄AN＿CEC［0，3］設定為：第四點的補償值；

……

以上過程可以在服務界面直接修改復制后的INI文件或以工件程序的形式進行。

（4）設定相關參數。MD32710設定為1；MD41300［］設定為1。

（5）執行NCK RESET。

（6）執行回零過程（絕對值系統直接生效）。

（7）在診斷界面可觀察SAG＋Temperature Compensation Value垂度＋溫度補償實際值這一欄，通過正反運動，其數值應依據補償表作相應的線性變化。

3．2 對無附件安裝的補償數據

對無附件安裝的鏜床而言，通過以上7個步驟之后，在初始化文件中存儲一套補償數據即可。

3．3 對安裝有不同附件的補償數據

如有不同附件安裝到滑枕上，會產生不同的撓度變化，這就要求各附件必須有各自對應的補償數據。同樣，通過以上7個步驟之后，應用PLC和NC程序接合可以實現附件頭更換后系統自動更新相應的滑枕補償數據。

本文以安裝5號反刮銑頭為例，介紹相關NC程序結構。在此附件自動安裝后，PLC程序會判斷其是否為5號附件，如果是，則會自動執行子程序SPF995（5號附件補償數據生效程序）。

（1）附件識別程序為：

；略去相關判定內容

MSG（"5號反刮銑頭已安裝，等待退出"）

GOTOF＿CONT

ELSE

＿ERR1：

MSG（"系統檢測安裝的附件頭不是5號反刮銑頭"）

M0

IF（＄A＿IN［20］＝＝1）GOTOF＿CONT

ELSE

GOTOF＿END

ENDIF

ENDIF

＿CONT：

；各軸定位過程略去

SPF995；在此調用5號附件撓度補償程序

…

M17；子程序結束

（2）5號附件補償數據生效程序SPF995為：

；關閉所有系統補償表 相關程序代碼略去

N10＄AN＿CEC［10，0］＝－0．05

N20＄AN＿CEC［10，1］＝－0．05；向系統輸入補償數據

；其它補償數據省略

；負向補償的INI文件內容：（對應18342［10］的數量）

N820＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［10］＝（AX4）

N830＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［10］＝（AX2）

N840＄AN＿CEC＿STEP［10］＝20

N850＄AN＿CEC＿MIN［10］＝0

N860＄AN＿CEC＿MAX［10］＝1600

N870＄AN＿CEC＿DIRECTION［10］＝－1

N880＄AN＿CEC＿MULT＿BY＿TABLE［10］＝0

N890＄AN＿CEC＿IS＿MODULO［10］＝0

；正向補償的INI文件內容：（對應18342［11］的數量）

N940＄AN＿CEC［11，0］＝－0．05

N950＄AN＿CEC［11，0］＝－0．045

；其它補償數據省略

N1710＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［11］＝（AX4）

N1720＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［11］＝（AX2）

N1730＄AN＿CEC＿STEP［11］＝20

N1740＄AN＿CEC＿MIN［11］＝0

N1750＄AN＿CEC＿MAX［11］＝1600

N1760＄AN＿CEC＿DIRECTION［11］＝1

；后置處理程序

＄SN＿CEC＿TABLE＿ENABLE［10］＝ TURE；在此將補償數據激活

＄SN＿CEC＿TABLE＿ENABLE［11］＝ TURE

＄MA＿CEC＿ENABLE［Y1］＝1

＄MA＿CEC＿ENABLE［W1］＝1

…

M17

同理，可編制對于鏜桿和其他附件的NC補償程序，這樣才能解決對多種附件應用時的滑枕補償問題。

4 通過HMI界面進一步完善滑枕補償控制

為了維修和操作方便，在西門子數控系統PCU50上須編制HMI OEM界面。OEM界面中提示信息包括補償對象、補償數值（分滑枕、鏜桿、各種附件頭）、滑枕和鏜桿位置、滑枕補償反饋裝置狀態信息（如拉力測量值）、滑枕補償裝置狀態（是否超限位，電機負載等）、補償是否生效等信息。OEM界面中提供的可操作內容包括自動補償功能啟動／停止、手動測量功能啟動／停止、補償裝置手動功能啟動／停止等。

5 結束語

通過對鏜床滑枕撓度變化的補償實際測量和對西門子840D進行撓度的補償、S7－300PLC全行程自動補償、HMI畫面等手段，使機械、電氣相結合的補償方式得到有效應用，可以解決使用鏜床滑枕加工時的精度問題，很好地抑制撓度變化，從而提高鏜孔加工精度和工件表面接合度。

［1］ 王建中，黃成軍．大型落地銑鏜床方滑枕精度變形補償措施［J］．制造技術與機床，2006（7）：1－2．

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