西門子840D系統(tǒng)在機床滑枕補償中的應(yīng)用

朱 田，侯明華，趙 蕓

（重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263）

0 引言

對數(shù)控鏜床而言，當(dāng)滑枕或鏜桿前后移動時，由于機械結(jié)構(gòu)的原因，支撐座體的重心位置會前后移動，導(dǎo)致滑枕和鏜桿發(fā)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(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生與機床坐標(biāo)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(fā)生相應(yīng)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(jìn)行補償，以提高加工工件的表面結(jié)合度和孔直線度等方面的精度。西門子數(shù)控840D系統(tǒng)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(xiàn)更加完善。在滑枕補償方面，使用840D系統(tǒng)可以系統(tǒng)地、靈活地實現(xiàn)補償目的，達(dá)到理想的效果。

1 對鏜床滑枕的補償方法

數(shù)控鏜床主要以機械和電氣相結(jié)合的方式來實現(xiàn)滑枕補償，但在鏜床上應(yīng)具備相關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)（滑枕補償裝置）：①通過機械和液壓部件調(diào)整滑枕補償值；②通過吊鏈或拉鏈重錘等機械部件調(diào)整滑枕補償值。在進(jìn)行滑枕補償時要分兩步：其一，應(yīng)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(xiàn)鏜床滑枕的應(yīng)力補償

2．1 測量應(yīng)力補償對應(yīng)的數(shù)據(jù)值

為正確有效地實現(xiàn)滑枕補償，必須要測量相關(guān)數(shù)據(jù)。首先利用相關(guān)工具測量滑枕移動時主軸端面與理論坐標(biāo)平面的偏差。

數(shù)控鏜床中，一般情況下設(shè)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(jìn)行控制，逐步調(diào)整主軸端面與XZ平面的垂直度，當(dāng)達(dá)到誤差允許值時，S7－300PLC數(shù)據(jù)塊中的數(shù)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(yīng)分別就不同附件測量相應(yīng)數(shù)據(jù)。

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

圖1 無附件時主軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)面與XZ平面的垂直度測量

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

圖4 安裝防護(hù)板等附件頭后主軸旋轉(zhuǎn)面與XZ平面的垂直度測量

（5）在進(jìn)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(jìn)行完各工況下的垂直度測量后，測量鏜桿以及安裝護(hù)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(biāo)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(guān)；而通過補償裝置彌補不同行程的誤差值，采用的調(diào)整數(shù)值稱為補償值，亦與滑枕和鏜桿的行程相關(guān)?？梢詫⒀a償值與行程以曲線（或線段）建立補償數(shù)據(jù)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(yuǎn)端和原點之間建立補償行程。

圖6 測量鏜桿及其安裝護(hù)板時的撓度值

2．2 自動實現(xiàn)應(yīng)力補償

在核對補償裝置（比例閥或牽引機構(gòu)等裝置）對于有效行程的調(diào)整數(shù)值后，可編制西門子PLC的S7－300程序?qū)θ谐踢M(jìn)行自動補償。程序主要內(nèi)容有：①根據(jù)實際需要設(shè)定滑枕和鏜桿的行程步距STEP；

如果由于機械等原因?qū)е禄硐蚯昂拖蚝笠苿拥酵粶y量點時，補償裝置對應(yīng)的補償數(shù)據(jù)不同，則應(yīng)使用雙向線性補償方式，建立兩套數(shù)據(jù)塊。

3 通過NC實現(xiàn)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(xiàn)撓度補償，則須通過西門子NC系統(tǒng)實現(xiàn)，即進(jìn)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?shù)木唧w點數(shù)、行程、方向等相關(guān)信息。

（2）結(jié)合以上信息，設(shè)定相關(guān)參數(shù)。MD18342設(shè)定內(nèi)容為：（補償終點－補償起點）／（步距＋1）。確認(rèn)MD18342參數(shù)后，以先備份再回裝方式重啟系統(tǒng)，生成補償初始化文件。

（3）在初始化文件中，先設(shè)定以下變量：

＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［0］設(shè)定為：跟蹤軸的機床軸名稱；

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

＄AN＿CEC＿STEP［0］設(shè)定為：步距；

＄AN＿CEC＿M(jìn)IN［0］設(shè)定為：補償行程的最小值；

＄AN＿CEC＿M(jìn)AX［0］設(shè)定為：補償行程的最大值；

＄AN＿CEC＿DIRECTION［0］設(shè)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(fù)方向；

＄AN＿CEC＿IS＿M(jìn)ODULO［0］設(shè)定為：針對旋轉(zhuǎn)軸為1。

再根據(jù)測量的實際結(jié)果，添加各位置點的補償值（絕對補償）：

＄AN＿CEC［0，0］設(shè)定為：最小位置的補償值，起點可設(shè)定為0；

＄AN＿CEC［0，1］設(shè)定為：第二點（相對最小位置）的補償值；

＄AN＿CEC［0，2］設(shè)定為：第三點的補償值；

＄AN＿CEC［0，3］設(shè)定為：第四點的補償值；

……

以上過程可以在服務(wù)界面直接修改復(fù)制后的INI文件或以工件程序的形式進(jìn)行。

（4）設(shè)定相關(guān)參數(shù)。MD32710設(shè)定為1；MD41300［］設(shè)定為1。

（5）執(zhí)行NCK RESET。

（6）執(zhí)行回零過程（絕對值系統(tǒng)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(shù)值應(yīng)依據(jù)補償表作相應(yīng)的線性變化。

3．2 對無附件安裝的補償數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)即可。

3．3 對安裝有不同附件的補償數(shù)據(jù)

如有不同附件安裝到滑枕上，會產(chǎn)生不同的撓度變化，這就要求各附件必須有各自對應(yīng)的補償數(shù)據(jù)。同樣，通過以上7個步驟之后，應(yīng)用PLC和NC程序接合可以實現(xiàn)附件頭更換后系統(tǒng)自動更新相應(yīng)的滑枕補償數(shù)據(jù)。

本文以安裝5號反刮銑頭為例，介紹相關(guān)NC程序結(jié)構(gòu)。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(zhí)行子程序SPF995（5號附件補償數(shù)據(jù)生效程序）。

（1）附件識別程序為：

；略去相關(guān)判定內(nèi)容

MSG（"5號反刮銑頭已安裝，等待退出"）

GOTOF＿CONT

ELSE

＿ERR1：

MSG（"系統(tǒng)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(diào)用5號附件撓度補償程序

…

M17；子程序結(jié)束

（2）5號附件補償數(shù)據(jù)生效程序SPF995為：

；關(guān)閉所有系統(tǒng)補償表 相關(guān)程序代碼略去

N10＄AN＿CEC［10，0］＝－0．05

N20＄AN＿CEC［10，1］＝－0．05；向系統(tǒng)輸入補償數(shù)據(jù)

；其它補償數(shù)據(jù)省略

；負(fù)向補償?shù)腎NI文件內(nèi)容：（對應(yīng)18342［10］的數(shù)量）

N820＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［10］＝（AX4）

N830＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［10］＝（AX2）

N840＄AN＿CEC＿STEP［10］＝20

N850＄AN＿CEC＿M(jìn)IN［10］＝0

N860＄AN＿CEC＿M(jìn)AX［10］＝1600

N870＄AN＿CEC＿DIRECTION［10］＝－1

N880＄AN＿CEC＿M(jìn)ULT＿BY＿TABLE［10］＝0

N890＄AN＿CEC＿IS＿M(jìn)ODULO［10］＝0

；正向補償?shù)腎NI文件內(nèi)容：（對應(yīng)18342［11］的數(shù)量）

N940＄AN＿CEC［11，0］＝－0．05

N950＄AN＿CEC［11，0］＝－0．045

；其它補償數(shù)據(jù)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＿M(jìn)IN［11］＝0

N1750＄AN＿CEC＿M(jìn)AX［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(shù)據(jù)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(yīng)用時的滑枕補償問題。

4 通過HMI界面進(jìn)一步完善滑枕補償控制

為了維修和操作方便，在西門子數(shù)控系統(tǒng)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(shù)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(tài)信息（如拉力測量值）、滑枕補償裝置狀態(tài)（是否超限位，電機負(fù)載等）、補償是否生效等信息。OEM界面中提供的可操作內(nèi)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(jié)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(jìn)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(jié)合的補償方式得到有效應(yīng)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(shù)與機床，2006（7）：1－2．

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［3］ 楊桂華，曹濟國．16045數(shù)控鏜銑床滑枕補償系統(tǒng)的分析［J］．兵工自動化，1999（1）：41－47．