數(shù)控銑鏜床滑枕的撓度補(bǔ)償

孫躍華

【摘 要】介紹數(shù)控銑鏜床兩種可行的撓度補(bǔ)償電氣技術(shù)方案，修正滑枕（鏜桿）伸出時(shí)機(jī)械位置偏差，提高機(jī)床加工精度。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控系統(tǒng)；撓度變形；機(jī)械拉桿；PLC邏輯控制；垂度補(bǔ)償

0 引言

精度是數(shù)控機(jī)床的重要考核指標(biāo)之一。大型數(shù)控方滑枕銑鏜床，是集機(jī)、電、液一體化的高技術(shù)含量機(jī)械加工設(shè)備。數(shù)控銑鏜床的滑枕在主軸箱內(nèi)作前、后移動(dòng)，同時(shí)支撐鏜軸在滑枕內(nèi)作水平移動(dòng)。兩個(gè)移動(dòng)行程疊加，可解決大型零件遠(yuǎn)距離平面銑削和鏜削加工。加工過程中，由于滑枕、鏜銑頭、附件的自身重量及機(jī)械結(jié)構(gòu)等原因，在伸出距離較大時(shí)，滑枕和鏜軸會(huì)因?yàn)閯傂圆蛔愣a(chǎn)生彎曲，引起撓度變形，相關(guān)的機(jī)床坐標(biāo)軸將產(chǎn)生位置偏差，降低了機(jī)床的加工精度。因此下垂撓度的補(bǔ)償一直是影響產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵技術(shù)難題。

1 總體方案

通過將機(jī)械拉伸機(jī)構(gòu)與液壓技術(shù)、傳感技術(shù)智能化融合在一起，使控制系統(tǒng)可以系統(tǒng)地、靈活地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償目的，以達(dá)到預(yù)期的效果。西門子數(shù)控系統(tǒng)提供了多種補(bǔ)償功能，其中包括反向間隙補(bǔ)償、插補(bǔ)補(bǔ)償、前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

1.1 機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

為了增加方滑枕的剛性，減小由于方滑枕伸出時(shí)的變形對(duì)機(jī)床幾何精度的影響，在方滑枕上部安裝了兩套拉桿油缸機(jī)構(gòu)，隨著方滑枕伸出位置的變化，電液比例閥控制油缸的壓力也隨之改變，保證了方滑枕的直線度。

主軸箱采用雙吊點(diǎn)平衡結(jié)構(gòu)，主吊點(diǎn)與立柱內(nèi)平衡錘相連，用以平衡主軸箱的重量。補(bǔ)償?shù)觞c(diǎn)的一端固定在主軸箱前端的油缸活塞桿上，通過一組輪系與主軸箱后端固定連接，當(dāng)滑枕伸出位置改變時(shí)，電液比例閥油缸壓力隨之變化，從而使補(bǔ)償?shù)觞c(diǎn)的拉力產(chǎn)生相應(yīng)的變化，使主軸箱部件重心位移得到補(bǔ)償，從而使主軸箱保持原平衡狀態(tài)，保證了滑枕移動(dòng)精度，從而保證了機(jī)床的加工精度。

方滑枕前端面可安裝附件頭和感應(yīng)開關(guān)，機(jī)床在方滑枕前端面安裝加工用附件后，滑枕的重心也會(huì)發(fā)生變化，為了補(bǔ)償重心的變化，在主軸箱前方滑枕支撐中間位置安裝了一個(gè)附件支承油腔，當(dāng)安裝不同重量附件時(shí)，經(jīng)感應(yīng)開關(guān)識(shí)別，由電液比例閥控制油腔增加不同的壓力，并且壓力隨方滑枕的位置變化而變化。平衡了附件的重力及附加的扭矩。

1.2 電氣控制實(shí)現(xiàn)撓度補(bǔ)償技術(shù)

機(jī)床一般采用西門子數(shù)控系統(tǒng)。設(shè)定滑枕前后移動(dòng)為Z 軸，鏜桿水平移動(dòng)為W 軸，主軸箱上下移動(dòng)為Y 軸、立柱左右移動(dòng)為X 軸。對(duì)于滑枕伸出的下垂偏差量，通常采用兩種補(bǔ)償方式：一是通過編制數(shù)控系統(tǒng)PLC（可編程序控制器）程序，控制高精度電液比例閥的放大器，驅(qū)動(dòng)機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，二是利用數(shù)控系統(tǒng)的垂度補(bǔ)償選項(xiàng)功能進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2.1 PLC程序 控制液壓裝置補(bǔ)償

在滑枕前后移動(dòng)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)PLC循環(huán)讀取滑枕移動(dòng)位置，檢測(cè)出垂直坐標(biāo)的位置偏差數(shù)值，通過編制的西門子S7 PLC程序進(jìn)行自動(dòng)邏輯運(yùn)算處理，不斷調(diào)節(jié)電液比例閥控制放大器的0～10V模擬電壓，使上述機(jī)械機(jī)構(gòu)中的拉桿油腔壓力達(dá)到適當(dāng)比值，提供不同的拉力。

最初的補(bǔ)償思路是在滑枕的有效行程內(nèi)，以滑枕（鏜桿）伸出最小位置為曲線原點(diǎn)，以其伸出最遠(yuǎn)端和原點(diǎn)之間建立補(bǔ)償行程，采集若干垂直坐標(biāo)（Y軸）位置點(diǎn)的偏差值，給出電液比例閥放大器的對(duì)應(yīng)模擬電壓值。但實(shí)際補(bǔ)償時(shí)發(fā)現(xiàn)由于液壓流動(dòng)性的影響，滑枕移動(dòng)時(shí)，Y軸位置抬高補(bǔ)償延遲滯后，跳動(dòng)較大，存在瞬間突變，線性較差，且PLC控制程序輸入繁瑣，調(diào)試復(fù)雜。

改進(jìn)后將補(bǔ)償值與行程以曲線（或線段）制作補(bǔ)償數(shù)據(jù)曲線圖表，并分割成多段直線，在一定的距離間隔中，通過設(shè)定或修改用戶數(shù)據(jù)，改變線段的斜率，使電液比例閥放大器電壓基本連續(xù)變化，補(bǔ)償拉力同步線性增加或減少，系統(tǒng)PLC程序簡(jiǎn)潔明了，也便于批量調(diào)試，用戶可在參數(shù)表中隨時(shí)設(shè)定數(shù)據(jù)并加以調(diào)整。

以西門子828D 數(shù)控系統(tǒng)行程700mm為例，選擇滑枕Z軸0～-400，-400～-700兩段負(fù)向行程，確定補(bǔ)償直線的斜率比值，下述程序，簡(jiǎn)要說明電氣邏輯程序補(bǔ)償過程。

設(shè)定滑枕水平移動(dòng)為Z軸（第3軸）

LD SM0.0

= DB2600.DBX1.1 // 請(qǐng)求讀取滑枕Z軸的實(shí)際位置

LD SM0.0

A DB 3902.DBX0.4 // 讀取滑枕Z軸的實(shí)際位置

AD<= DB5702.DB0，+0

= M336.0 // 比較實(shí)際坐標(biāo)位置是否小于等于0

A M336.0

MOVR DB5702.DB0，MD300 // 將實(shí)際坐標(biāo)位置除以-700

/R -700.0，MD300 // 結(jié)果送到MD300

A M336.0

MOVR MD 300， MD304 // 將MD300數(shù)值乘以實(shí)數(shù)26214

*R 26214.0，M304 // 結(jié)果送到MD304

LDR< DB5702.DBD0，0.0

AR>= DB5702.DBD0，-400.0 // 實(shí)際位置小于0大于等于-400時(shí)

MOVR MD304，MD324 // 將MD304數(shù)值與機(jī)床用戶數(shù)據(jù)MD14514（1）

AENO //（在操作面板設(shè)定數(shù)值）相乘賦給MD324

*R DB4500.DBD2000，MD324

MOVR MD324， MD328 // MD324除以用戶數(shù)據(jù)MD14514 （2 ）

/R DB4500.DBD2004， MD328 // 賦給MD328

LDR< DB5702.DBD0，-400.0

AR>= DB5702.DBD0，-700.0 // 實(shí)際位置小于-400大于等于-700時(shí)endprint

MOVR MD304，MD424 // 將MD304數(shù)值與用戶數(shù)據(jù)MD14514（3）

AENO //（在操作面板設(shè)定數(shù)值）相乘賦給MD424

*R DB4500.DBD2008，MD 424

AENO

MOVR MD424， MD428 // MD424除以用戶數(shù)據(jù)MD14514（4）

/R DB4500.DBD2012， MD428 // 賦給MD428

TRUNC MD328，MD308 // 將MD328數(shù)據(jù)取整賦給MD308

TRUNC MD428，MD308 // 將MD428數(shù)據(jù)取整賦給MD308

A M336.0

MOVW MW308，QW60 // 將模擬量補(bǔ)償值賦給QW60放大器

其中QW60為輸出到放大器的模擬電壓，調(diào)整MD 14514用戶參數(shù)匹配比例閥體輸出壓力。

1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)垂度補(bǔ)償功能

對(duì)于該選項(xiàng)功能，應(yīng)使用相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)激活該功能：

1）定義滑枕Z軸為基準(zhǔn)軸，受基準(zhǔn)軸影響的主軸箱上下移動(dòng)Y軸定義為補(bǔ)償軸。基準(zhǔn)軸作為輸入，補(bǔ)償軸作為輸出。

2）利用參數(shù)“MD18342：$MN_MM_CEC_MAX_POINT〔t〕” 根據(jù)滑枕基準(zhǔn)軸的行程設(shè)定垂度補(bǔ)償?shù)淖畲笱a(bǔ)償點(diǎn)數(shù)；最大補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)由基準(zhǔn)軸的行程確定補(bǔ)償區(qū)間和補(bǔ)償步距，計(jì)算出合適的補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。

3）備份機(jī)床數(shù)據(jù)，再回裝備份數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成垂度補(bǔ)償表的初始化文件。設(shè)置“SD41300：$SN_CEC_TABLE_ENABLE〔t〕=1”，激活垂度補(bǔ)償表。

4）打開補(bǔ)償文件，將誤差值填入補(bǔ)償文件中。

5）輸入或運(yùn)行補(bǔ)償文件，設(shè)定軸參數(shù)MD32710=1，重啟系統(tǒng)，返回機(jī)床參考點(diǎn)后補(bǔ)償值生效。

6）在“診斷”畫面的絕對(duì)補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)中移動(dòng)Z軸可查看到Y(jié)軸生效的補(bǔ)償值。

$AN_CEC[0，0]=-0.22

$AN_CEC[0，1]=-0.19

………. （以上定義補(bǔ)償插補(bǔ)點(diǎn)的補(bǔ)償值）

$AN_CEC_INPUT_NCU[0]=1

$AN_CEC_INPUT_AXIS[0]=（AX3） （基準(zhǔn)軸Z）

$AN_CEC_OUTPUT_NCU[0]=1

$AN_CEC_OUTPUT_AXIS[0]=（AX2） （補(bǔ)償軸）

$AN_CEC_STEP[0]=20 （定義補(bǔ)償間隔距離）

$AN_CEC_MIN[0]=-700 （基準(zhǔn)軸起始位置）

$AN_CEC_MAX[0]=0 （基準(zhǔn)軸終點(diǎn)位置）

$AN_CEC_DIRECTION[0]=0 （0：基準(zhǔn)軸雙向移動(dòng)時(shí)補(bǔ)償值生效）

$AN_CEC_MULT_BY_TABLE[0]=0（定義補(bǔ)償相乘表）

$AN_CEC_IS_MODULO[0]=0 （補(bǔ)償表為非模態(tài)）

滑枕上安裝有不同重量附件，會(huì)產(chǎn)生不同的撓度變化，因此要求各附件對(duì)應(yīng)有各自補(bǔ)償數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可以生成多個(gè)補(bǔ)償表文件（最大61個(gè)），將補(bǔ)償文件格式改為加工程序，輸入補(bǔ)償值，選擇運(yùn)行補(bǔ)償零件程序，以適應(yīng)各種附件克服撓度對(duì)機(jī)床位置精度的影響。

2 結(jié)束語

通過西門子數(shù)控系統(tǒng)垂度補(bǔ)償功能以及編制的PLC補(bǔ)償程序，有效地解決了機(jī)床滑枕伸出加工時(shí)的精度誤差問題，較好地抑制撓度變形，從而提高了機(jī)床的加工精度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]SINUMERIK 810D/840D，簡(jiǎn)明調(diào)試指南.

[2]SINUMERIK828D/828D BASIC，簡(jiǎn)明調(diào)試指南.endprint