激光補償在數控機床龍門控制中的應用

賀 毅

(中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司數控加工廠，四川 成都 610092)

近年來隨著產品需求提升，對制造業工件的加工要求也不斷提高，大型復雜結構件越來越多，許多制造企業為了滿足產品加工要求購置了橋式機床。這些橋式機床的行程范圍較普通立式機床更大，能滿足較大尺寸工件的加工需要，特別是大中型5 軸橋式機床，其大角度范圍更是能滿足絕大多數復雜型面工件的加工。使用西門子系統的橋式機床，它的龍門雙軸同步一般使用西門子特有的龍門軸(gantry)控制方式，該方式下龍門軸由兩邊獨立的驅動裝置驅動機床。很多龍門軸都使用齒輪齒條嚙合，這種結構的耐磨性較絲杠高，強度和剛度更大，動態性能更好，能適應高速加工的要求。但橋式機床經過一定時間的高速使用后，不可避免會出現磨損，機床的機械狀態發生變化，軸的同步狀態將會逐漸下降，嚴重時出現報警甚至導致機床出現更大的扭曲。這種情況下如果需要重新恢復機床性能，機床制造廠會要求用戶將整個磨損的傳動機構進行更換;而在實際中，很多傳動機構是定制產品，其備件價格較高，等待周期長，如果僅僅是出現一些較小的磨損就決定對傳動機構進行更換，將會給企業帶來巨大的負擔。而制造廠家提供備件的實際最終狀態也只有將其安裝在機床上才能得到驗證，一旦備件本身存在問題，有可能需要再次將其取下，這樣對企業的影響更大，使用戶存在極高的風險。實際中在很多輕微的磨損狀態下機床并非完全不能使用，只要進行一定的限制，機床上輕微的磨損部件也能滿足生產需要。因此在傳動機構已經存在輕微磨損時，如何保證其滿足生產需要，對用戶而言，有非常重要的意義和價值。

1 橋式激光補償原理

激光干涉儀測量機床的普通單坐標線性軸的定位誤差時，干涉鏡固定，反射鏡移動，測量后生成的補償值就能將機床的單軸補償完畢。但橋式機床的龍門軸由兩個相對獨立的單軸同步運動合成，僅對龍門軸的任何一個單軸進行激光補償不能正確反映機床整個龍門軸的定位精度狀態，因為龍門軸的兩個獨立的坐標軸需要兩組獨立的補償數據。如果由于條件限制，用戶只有一個激光測量系統，將該系統架設在龍門軸橫梁的中部進行測量補償，這樣得到的補償值無法進行正確的螺距補償，因為這種方案下激光檢測出的補償值仍然只有一組數據。即使將該組螺距補償值同時輸入龍門軸的兩個坐標，這樣的結果是機床龍門軸橫梁中部的測量位置處的定位精度可能有明顯改善，但在龍門軸橫梁上其他位置的定位精度仍然可能存在異常。正確補償方式是:首先，在機床坐標系下的初始位置對龍門軸進行校零，校零后該位置可設為激光檢測的起始點，此時在該位置上保證龍門軸相關的垂直度正常，并且在該位置上靜止時各軸的功率波動通常也在5%以下;然后，同時使用兩套激光檢測系統對龍門軸的兩個軸進行檢測補償。補償完畢后還需要再次檢查各處的電流或功率狀態，這是因為由于各處存在不同的機械間隙或者誤差，而激光補償后這些異常的機械狀態可能導致電流或功率的異常。如果由于條件限制，現場只有一臺激光檢測系統，則需多次分別在兩端進行誤差補償。注意測試時首先仍然需要保證機床在激光檢測的起始位置的垂直度正常，然后依次分別進行激光檢測，最后補償后的軸仍需再次檢查各位置下的電流或功率狀態。

2 定位精度與龍門扭曲

機床的龍門扭曲狀態是指龍門軸在龍門同步后，機床橫梁與兩邊線性軸處于不垂直(即垂直度超過理論要求)的狀態。機床自然狀態一般是指龍門軸電動機的電流或功率基本為0 或者是機床在急停的狀態下兩邊的電動機沒有輸入的狀態。理論上，龍門軸進行同步后的狀態應該與自然狀態保持一致。機床實際處于同步狀態時，垂直度一般在正常范圍內，系統中龍門軸的電流或功率狀態卻難以完全滿足機床自然狀態的條件，但其差異不會太大，即使處于運動中兩邊龍門軸的功率波動一般也不會超過10%的范圍。如果兩邊龍門軸電流或功率在運行情況下差異較大(大于10%的范圍)或波動劇烈，這很可能是系統為了保持兩邊龍門軸同步而正在實時地調整龍門軸，此時取消同步后，處于自然狀態下的機床的垂直度將會出現異常。舊機床的電流或功率變化在這種情況下出現較大差異時，常常表明機床已經存在磨損，需要進行一定的機械調整或電氣調整。橋式機床在交付時的垂直度一般要求在0.01 mm/500 mm 以內，但一些老式機床經過多年使用可以將范圍擴大到0.05 mm/500 mm 以內，實際中也可以根據工件具體的精度要求對垂直度的大小進行不同的限制，但相應的加工能力將也會相應變化。

橋式機床龍門軸相關的垂直度與龍門軸的各單軸的定位精度相關。如果龍門軸的各單軸的定位精度存在異常，則可以確定垂直度一定會存在異常。這是因為龍門同步時依賴的坐標位置是已經進行螺距補償后的數據。因此在存在兩套激光系統的情況下，可以通過實時的檢測機床龍門軸各單軸位置的定位精度得到龍門軸各位置的垂直度。新機床補償后的定位精度應該與龍門軸的同步狀態配合，即定位精度和機床龍門同步狀態均在正常范圍內。機床存在機械磨損時，龍門軸的定位精度由各單軸的定位精度保證沒有變化，在同步狀態時垂直度也由各單軸的定位精度決定因此也不會有變化，但此時龍門軸的電流或功率有時已經存在異常。這種異常表明機床龍門軸同步時已經存在內部應力，一旦同步取消后該內應力會導致機床立即出現扭曲。機床的內應力雖然能在同步時被定位精度強制抵消，但這種抵消容易導致運行時磨損更加嚴重，最后完全無法使用。

機床扭曲時垂直度可以反映機床的扭曲狀態，如圖1 所示。

圖1 機床龍門軸扭曲狀態幾何關系

設龍門軸主動軸的各點理論定位位置為fi(x)，從動軸各點為gi(x)，有fi(x)=gi(x)，i 為各激光補償的間距點，n 為總補償點數，起始點為f0(x)、g0(x)，行程終點為fn(x)、gn(x)。主動軸X1和從動軸X2的距離為M，主動軸未進行補償的實際位置為(x)，從動軸未補償的實際位置為(x)，主動軸最后補償后的實際位置為(x)，從動軸最后補償后的實際位置為(x)，機床的各補償點垂直度為ρi，可以確定在同步的情況下

理論上各點的垂直度應該相等，有ρ1=ρ2=…=ρi=ρn，ρi?0.05 mm/500 mm。在功率異常區域可以取消同步，檢查此時的各處的垂直度，注意應有=ρ0?0.01 mm/500 mm，而i≠0 時有

3 檢測機床的龍門軸磨損狀態

磨損是一種常見的機械現象，但輕微的磨損常常無法使用肉眼識別，一些關鍵機械部件如齒輪齒條、絲杠的輕微磨損往往也很難使用一些簡單的工具進行測量，如果要對它們的狀態進行準確判斷，需要將這些部件從機床上取下，然后將它們送到專業的檢測機構進行檢測。這種方法耗時耗力，而且在拆卸和運輸的過程中容易出現二次損壞。目前國內很多機床制造廠和大專院校對機床狀態的在線檢測已經做了很多課題和研究，得出了很多有價值的結論和成果。但這些方法常常需要使用專用的外部檢測儀器，或者機床內部加裝傳感器，或者需要一些相關部件的歷史狀態數據等等，而生產廠家往往難以具備這些條件，因此最有價值的依然是用機床數控系統自帶的工具對機床進行檢測分析。

以下以一臺法國橋式機床MINUMAC2331 為例。該機床的X 軸有9 m 的行程，由主動軸X1和從動軸X2兩個全閉環龍門線性軸組成。經過7 年使用后，在工件的加工過程中突然出現龍門不同步的提示報警10652，機床停止。隨后對龍門軸X 軸使用西門子的相關servo trace 工具在主要行程內進行檢查，其X 軸勻速運動時功率狀態如圖2 所示。

圖2 機床龍門軸電流狀態

在圖2 中，Tr1 代表X1軸的全閉環測量系統的坐標位置，Tr2 代表X1軸的功率，Tr3 代表X2軸的全閉環測量系統的位置，Tr4 代表X2軸的功率。由圖2 可以明顯地看出，X 軸在4 500 mm 的位置前后狀態存在明顯差異，在1 000～4 500 mm 的位置功率存在劇烈的變化，在4 500～8 000 mm 的位置功率狀態變化相對平穩。正是由于機床在前部份0～4 500 mm 區域的異常情況導致機床出現龍門同步報警。事實上我們經過調查發現該橋式機床加工的主要工件尺寸大多數都在3 m 以內，由于1 000～4 500 mm 的范圍離操作人員更近，而且更便于操作人員裝卸和觀察機床加工狀態，因此這個范圍加工的幾率遠遠高于后部4 500～9 000 mm 的范圍。檢查機床在各位置靜止時的功率波動，發現也存在明顯異常。對機床取消同步后，在1 000～4 500 mm 的范圍和4 500～9 000 mm 的范圍內在機床自然狀態下分別檢查XY 垂直度，發現前部分為0.07 mm/500 mm 而后部分為0.03 mm/500 mm。通過結合圖2，可以首先排除光柵尺本身的拉伸問題引起功率異常，然后排除變速箱預緊力的原因導致功率異常，最后判斷機床在1 000～4 500 mm 的區域內存在輕微磨損。如果按傳統方法徹底解決該問題需要對1 000～4 500 mm 的齒條進行全部更換和調整。這種方案的成本、風險和時間都非常巨大，因此需要盡可能不對原有機械進行處理的情況下對機床進行調整。

4 扭曲補償原理

用戶可以綜合考慮機床的狀態，通過電流狀態或功率狀態找到出現問題的區域，對這些異常區域內點的定位精度進行調整，從而使電流或功率狀態的改善避免報警。這是因為機床補償后的垂直度一般離最大要求的范圍0.05 mm/500 mm 還有一定區間，只要將垂直度限制在該區間內，適當減小定位精度，就可以滿足在存在較小內應力的情況下進行加工。

設X 軸的傳動比為J，電動機的力矩T0，效率為η，齒輪力矩T=JT0η。由三相異步電動機轉矩公式:T0=CΦIcosφ，故T=JCΦIηcosφ。其中C 為電動機的轉矩系數，Φ 電動機每極磁通，I 為轉子電流的折算值，cosφ 為轉子電路的功率因數。根據圖1 對X1軸進行靜力學分析有

其中:K 為彈性系數，Ff為X1軸產生的內應力，F 為靜摩擦力。取消同步后，Ff將導致龍門出現扭曲，由于扭曲產生的誤差大多在0.01～0.2 mm 之間的范圍，因此可以看成一個小的微分量。設導軌上嚙合的齒輪嚙合半徑為R，在齒輪輪齒嚙合點上電動機產生的推力為F0，有

由F0-F=Ff，可得

通過公式可以看出，微小的范圍內，扭曲值和電流的大小成正比。因此在電流異常時，可以在幾何狀態的正常范圍內，通過對幾何狀態進行微小的偏移，實現幾何狀態和電流狀態同時滿足要求。在實踐中不需要使用上述公式對該對應關系進行計算，可以通過直接修改定位精度后，從數控系統中得到對應的距離和電流或功率的關系。

5 扭曲補償方法及實例

通過上述分析，可以得到扭曲時的通過定位精度調整機床狀態方法。圖3 為其流程圖。

圖3 補償方法的流程圖

由上述流程圖可知，調整一臺狀態不明的機床，首先檢查機床機械狀態，確定機床存在可以調整的輕微磨損;然后將機床龍門軸的激光補償取消，按照一般檢查龍門機床的定位精度方法得出精度補償數據并進行補償，補償后用西門子的相關servo trace 工具檢查龍門軸在各靜止位置或者在勻速運動時區域內的功率波動，確定問題區域，并在該區域內分析定位精度補償數據，確定需要調整數據的具體大小。一般情況下，對主動軸的數據不進行調整，而是以主動軸為基準軸，對從動軸的補償數據進行調整，然后處理波動較大的突變數據點，如果直接在突變點處進行調整，可能導致機床在此處的定位精度出現突變，容易產生工件的質量風險。最后需要復查定位精度、垂直度和運動時的功率或電流狀態，均滿足要求時調整完畢。在上述實例中，以450 mm 為激光間距，得到問題區域12 個點，機床激光補償如圖4。

如圖4 所示，對上述值按照橫梁所受內應力相反的方向進行調整，由于在點10 處調整可能較大，因此通過臨近點將其進行一定圓滑處理后的調整值如圖5。

由圖5 可知調整后定位精度在4 500 mm 行程內最大變化為0.1 mm，垂直度(龍門軸間距為5 m)最大影響0.01 mm/500 mm 左右;在該區域實際檢查最大XY垂直度為0.03 mm/500 mm。因此調整后精度滿足機床加工要求，圖6 為調整后機床勻速運動時的功率波動。

圖4 激光補償后問題區域的精度補償值

圖5 調整后問題區域的精度補償值

圖6 調整后機床龍門軸功率狀態

通過上述結論并經實際加工工件后檢驗可知，調整后精度和運行狀態滿足機床加工要求。

6 結語

本文主要提出了對一些龍門機械上存在輕微磨損時，保證機床能進行一定加工的方法。該方法僅是在數控系統中進行數據處理，避開風險較大的機械調整，有效延長了機床的使用壽命。它不僅可以用于機床螺距補償，也可以用于饒度補償，甚至在FANUC 等系統中也可以考慮使用該方法。但這種方法實際上是通過犧牲一部分定位精度和垂直度來保證機床的加工，因此這種方法本身存在一定的工件質量風險，加工一些精度要求較高的工件時應當仔細考慮，盡可能地避免在存在這種狀態的機床上加工。這種方法僅是在數控系統中進行數據處理，沒有對硬件系統進行實質的改善，因此經過一段時間的使用，磨損加劇后不可避免的仍然要考慮更換機械元件。同時，該方法只能針對一部分磨損較為均勻的區域進行處理，而對一些突變點，比如由于缺齒、斷齒或崩齒時出現的問題，這種方法無法處理。而且這種方法依賴激光補償技術，因此在激光補償點的區域內的異常狀態也很難進行有效的處理。由于個人水平有限，本文未能說明一些復雜同步(如龍門同步和主從同步嵌套)、半閉環的多種激光補償的情況下怎樣使用該方法。希望本文的方法能對用戶使用機床及延長機床壽命有一定的幫助。

［1］SIEMENS 公司.Description of functions special functions［Z］.

［2］SIEMENS 公司.Functions manual extended functions［Z］.

［3］SIEMENS 公司.Description of function synchronized actions 840D sl/840D/840Di/810D［Z］.2006.