基于PMAC的TX1600G鏜銑加工中心的撓度補償*

(①沈陽理工大學(xué)遼寧省高速切削工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110159；②沈陽建筑大學(xué)交通與機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

TX1600G鏜銑加工中心是一種將鏜床和銑床兩種功能結(jié)合于一體的復(fù)合式數(shù)控機床，其鏜軸采用了滑枕式結(jié)構(gòu)，鏜床主軸直徑240 mm,滑枕行程1 200 mm。在臥軸鏜床上加工工件時，由于滑枕、鏜軸及各種附件的重量，加上鏜削力的影響，使滑枕在伸出方向由于剛性不足產(chǎn)生撓曲變形，影響機床的加工精度，引起了機床的幾何誤差。

目前對于臥軸滑枕產(chǎn)生的撓度誤差，采取的方法有平衡重錘法[1]、拉桿補償法[2-3]、電液比例控制法[4]等。平衡重錘法是由機械平衡錘和機電補償裝置補償滑枕撓度，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，缺點是增加了機床的整機重量，對機床其他軸的進給運動產(chǎn)生一定影響，對機床的剛度要求高。拉桿補償法在滑枕上半側(cè)安裝一組拉桿，由液壓油缸提供拉力來補償滑枕的撓度變形，能有效地補償撓度誤差，但拉桿的偏心作用將會導(dǎo)致滑枕在軸向產(chǎn)生一定量的附加變形，而且拉桿拉力的確定及精確加載問題都難確定。電液比例控制法應(yīng)用電液比例閥和壓力傳感器來控制活塞桿的壓力和位移，取得了一定的補償效果。拉桿補償法和電液比例控制法都需要液壓缸，都無法避免液壓系統(tǒng)存在的缺點，如液壓件漏油、補償滯后、油液升溫等。

本文是針對滑枕的撓度變形，利用基于PMAC的開放性數(shù)控系統(tǒng)進行撓度補償，該補償方法不需要機械和控制輔助結(jié)構(gòu)，補償精度不受輔助結(jié)構(gòu)的影響，簡單易行，且經(jīng)濟性好。

1 復(fù)合鏜銑加工中心介紹

TX1600G鏜銑加工中心是一種復(fù)合式的數(shù)控機床，主要由旋轉(zhuǎn)工作臺、刀庫、銑主軸箱、橫梁、鏜滑枕、鏜滑臺、立柱、床身等部件組成，如圖1所示。加工中心的加工對象是鋁合金材料的復(fù)雜箱體類。其鏜床中X軸行程1 750 mm,Y軸行程1 000 mm,Z軸行程1 200 mm，鏜床主軸采用方形滑枕式結(jié)構(gòu)，鏜削加工中，滑臺帶動滑枕在Y軸上運動，確定Y軸位置，滑枕帶動主軸和刀具在Z方向進行鏜削。當(dāng)在Z方向加工深孔時，由于滑枕伸出的長度比較大，以及滑枕、主軸的重力等的影響，滑枕在伸出方向形成了懸臂梁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生撓度誤差。這種撓度誤差嚴(yán)重影響到機床的定位精度和加工精度，故對產(chǎn)生的撓度誤差進行誤差補償對提高機床的定位精度和加工精度十分必要。

2 PMAC簡介

TX1600G加工中心的數(shù)控系統(tǒng)采用“NC嵌入PC”式結(jié)構(gòu)，以工控機為上位機，以PMAC為下位機，實現(xiàn)通訊和控制功能。PMAC是美國Delta Tau公司開發(fā)的集軸運動控制、PLC控制和數(shù)據(jù)采集于一體的多軸運動控制器，它有多種型號，本加工中心使用的是Turbo PMAC-PCI型卡。Turbo PMAC的處理器采用Motorola DSP56303系列數(shù)字信號處理器(80 MHz)，可最多控制32軸同時運動，而且功能很強大，有刀具半徑補償功能、螺距補償(一維位置補償)、二維位置補償、力矩補償?shù)裙δ躘5]。這些功能為開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)提供了便利的條件，開發(fā)者需要設(shè)置相關(guān)的Ⅰ變量，把編寫的程序或補償表下載到PMAC中，在運行數(shù)控程序時，PMAC 會直接調(diào)用這些功能，減少了開發(fā)者的工作量。同時為了滿足不同使用用戶的操作需求，PMAC允許用戶使用如VB、C++、C#、C等多種編程語言開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)。

3 滑枕撓度變形分析

滑枕端面尺寸264 mm×245 mm,總長2 540 mm，Z軸方向行程1 200 mm。材料使用灰鑄鐵HT300，彈性模量E=150 GPa，密度ρ=7 300 kg/m3，泊松比μ=0.25。

實體建模時，為提高有限元模型準(zhǔn)確性，將螺紋孔、小凸臺和倒角等結(jié)構(gòu)忽略不計。對輔助系統(tǒng)等非主要的零部件(如光柵尺、拖鏈等)不進行有限元建模，將其視為遠程質(zhì)量施加在滑枕有限元模型上?；韺嶓w模型如圖2所示。滑枕、主軸電動機以及導(dǎo)軌的重力，則通過重力場施加在滑枕有限元模型上；加工過程中的計算鏜削力，通過遠程載荷將其施加在主軸的內(nèi)孔面與端面。導(dǎo)軌與支撐部件的接觸面應(yīng)用全固定，與驅(qū)動絲杠相接觸的螺母內(nèi)表面應(yīng)用全固定約束。

在SolidWorks simulation中以機床零點為起點，每隔100 mm取點，進行仿真。通過仿真數(shù)據(jù)得出，滑枕在Z向和X向的變形量很小，在Y方向的變形量大，即撓度誤差(Y方向的變形量)是影響鏜軸精度的主要因素。在Z方向行程1 200 mm處撓度變形如圖3所示，滑枕各行程在Y向變形量如表1所示。由表1可得，隨著滑枕行程的增加，撓度誤差呈非線性增大。

表1 滑枕各行程在Y向的變形量

4 撓度補償

4.1 撓度誤差補償原理

在鏜削加工中，由于滑枕的撓度變形使得主軸在Z軸方向產(chǎn)生同樣大小的撓度誤差。為了補償Z軸(基準(zhǔn)軸)方向上由于鏜軸部件重量而產(chǎn)生的撓度，Y軸(補償軸)的絕對位置必須被修正，因此撓度補償實際上是一種“軸間補償”方式[5]。

補償?shù)脑頌椋喝藶榈刂圃煲粋€與原誤差大小相等、方向相反的誤差去補償修正補償軸上原有誤差[6]。即

4.2 補償表中各參數(shù)的設(shè)定

撓度補償是一種軸間補償，可以借助于PMAC提供的一維位置補償功能來實現(xiàn)。PMAC的補償功能是通過對補償軸建立一個補償表來實現(xiàn)的。每臺電動機只能擁有一個屬于它的補償表，但是它可以作為多臺電動機的源或目標(biāo)[7]。所以在建立新的補償表之前要把之前建立的表刪除。

(1)補償點數(shù)的確定。如果需要對源電動機的n個點進行補償，在建立補償表時要建立n+1個，將最后一個補償點的修正值設(shè)為0，保證了補償后的原點和補償前的位置不變。

(2)補償長度的確定，補償長度是以源電動機編碼計數(shù)表示的表的范圍。將補償長度轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)，其數(shù)值必須為整數(shù)，單位為cts。加工中心中電動機編碼器發(fā)8 192個脈沖，電動機旋轉(zhuǎn)1圈，假設(shè)螺距為5 mm，降速齒輪比為1。從而可計算出每毫米對應(yīng)的脈沖數(shù)為1 638。

(3)補償值的設(shè)定，是將誤差值轉(zhuǎn)化成目標(biāo)電動機計數(shù)單位的1/16，單位是1/16脈沖數(shù)(即1/16 cts)。轉(zhuǎn)換后的補償值必須為整數(shù)，作為補償表的入口值。如果補償值為負(fù)，補償軸將沿正方向移動;反之亦然。在鏜床中，主軸會產(chǎn)生向下的撓度誤差，所以補償軸應(yīng)該向上移動，誤差才能得到補償，所以補償值為負(fù)。補償值之間用空格或回車符隔開。

(4)誤差補償表只有在I51設(shè)置為1時，補償表才被激活，I51為0時，補償表在運動程序中不起作用[7]。

4.3 補償表的補償過程

撓度補償是在伺服環(huán)(伺服周期)內(nèi)被執(zhí)行的，從而獲得最大的響應(yīng)速度[8]，能夠?qū)崟r地進行撓度補償。

補償?shù)倪^程：通過測量儀器或仿真得到的主軸撓度誤差，將誤差值作為補償表的補償值，建立補償表，并將補償表激活，把建立的補償表下載到PMAC。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行運動程序時，當(dāng)源電動機有位置改變時，PMAC會調(diào)用補償表，在補償表中尋找該位置入口值，當(dāng)源電動機的位置在補償表的入口值時，PMAC會將修正值作為額外的設(shè)定值送給目標(biāo)電動機，使目標(biāo)電動機移動一個補償量的位移；當(dāng)在補償表的兩個入口值之間，PMAC則會在兩個入口之間通過線性插補計算該位置的修正值；如果源電動機的位置處于補償范圍之外，在計算校正值之前源電動機位置會被“翻轉(zhuǎn)”到該范圍之內(nèi)[9]。

4.4 撓度補償表的建立

補償表的設(shè)定是在機床坐標(biāo)系下建立的，所以在建立補償表之前要確定加工中心的參考點。加工中心機床參考點與零點重合，圖1鏜床各軸的位置是鏜床零點位置。由于鏜床和銑床不能同時工作，被分為2個軸組，銑床為軸組1，加工使用坐標(biāo)系1；鏜床為軸組2，加工使用坐標(biāo)系2。各軸在數(shù)控系統(tǒng)中定義如下：

軸組1#6→x#1→y#2→z；6號電動機控制x軸，1號電動機控制y軸，2號電動機控制z軸。

軸組2#6→x#3→y1#5→z1

根據(jù)表1建立的補償表如下：

#3 DEL COMP

#3 DEFINE COMP 13，#5，#3，2 129 400

-4 -13 -57 -137 -236 -329 -454

-614 -838 -1 110 -1 464 -1 952 0

I51=1

說明：#3 DEL COMP是刪除3號電動機以前建立的補償表。

第2行中#3表示3號電動機為補償電動機(Y軸)。#5表示5號電動機為源電動機(Z軸)。13表示補償表中補償點的個數(shù)為13。2 129 400表示補償長度0～2 129 400，單位為cts，即補償范圍在(0～1 300 mm)。

第3行中，-4對應(yīng)Z軸行程100 mm撓度誤差-0.15 μm。-13對應(yīng)Z軸行程200 mm撓度誤差-0.52 μm，依次類推。0對應(yīng)Z軸零點撓度誤差0.I51=1激活補償表。

把建立的補償表下載到PMAC，在以后的使用中，當(dāng)鏜床Z軸移動時，PMAC會根據(jù)補償表的值對Y軸進行補償。

4.5 實驗驗證

為了驗證建立的撓度補償表是否有效，在如圖4所示的實驗臺上進行了調(diào)試運行。

試驗臺以工控機(IPC)作為上位機，PMAC卡作為下位機。上位機與下位機通過PCI總線進行數(shù)據(jù)通訊。結(jié)合撓度補償功能編寫了簡單的人機界面，如圖5所示。簡單人機界面是以Windows為系統(tǒng)平臺，運用高級編程語言C#建立的，通過調(diào)用DeltaTau公司提供的動態(tài)鏈接庫Pcomm32.dll實現(xiàn)其與PMAC的通訊。PMAC可以執(zhí)行RS-274標(biāo)準(zhǔn)的NC代碼程序，先自定義G、M、T、H代碼作為子程序，下載到PMAC卡中。在執(zhí)行程序時遇到G、M時，系統(tǒng)會跳到與其對應(yīng)的子程序中。

由于鏜床在軸組2中，調(diào)試前首先選擇軸組2。輸入數(shù)控程序，點擊啟動，試驗臺按照程序指令運動。經(jīng)試驗臺驗證該補償表能夠準(zhǔn)確地進行撓度補償。

人機界面還有修改機床參數(shù)和修改補償量的功能，可根據(jù)機床參數(shù)的變動進行修改，還可根據(jù)機床的具體情況對撓度補償量進行修改，以保證機床的加工精度。修改補償量界面，如圖6所示。

該界面中補償量單位為μm，將補償點數(shù)設(shè)為12點和24點。補償點數(shù)為12時補償間距是100 mm,補償點數(shù)是24時補償間距是50 mm。用戶不用考慮建立補償表時多建一個點，可直接將補償量輸入到表中，同時在輸入補償量時界面會提示該點的位置。如果建立了10個補償點可以把多余的補償量設(shè)為0。

修改補償量操作的步驟：首先單擊人機界面中的修改補償量按鈕，進入修改補償量界面中，選擇補償點數(shù)，點擊右上角的確定，會彈出提示補償間距小窗口，點擊確定，再將補償量值輸入到表中，點擊確定。補償表會以.pmc格式的文件下載到PMAC中，覆蓋以前的表并關(guān)閉該窗口。在以后加工工件時，系統(tǒng)會自動調(diào)用建立的補償表，進行撓度補償。

5 結(jié)語

(1)通過有限元分析得到滑枕等值行程的撓度變形量，該撓度變形量與滑枕行程呈非線性關(guān)系，并在1 200 mm行程處達到最大值為72.50 μm，為滑枕撓度補償?shù)倪M行提供了量化依據(jù)。

(2)對于TX1600G鏜銑加工中心滑枕的撓度變形，采用了數(shù)控系統(tǒng)的軟件補償，經(jīng)試驗臺驗證，將PMAC提供的一維位置補償成功地應(yīng)用在滑枕的撓度補償，能夠?qū)崟r地按照設(shè)定的修正量進行補償。

(3)修改補償量界面的建立很大程度上提高了TX1600G加工中心數(shù)控系統(tǒng)的開放性，為用戶的使用提供了便利。

(4)基于PMAC的開放性數(shù)控系統(tǒng)的撓度補償，只需在系統(tǒng)內(nèi)部建立補償表，可實時地進行撓度誤差補償，這體現(xiàn)了基于PMAC開放性數(shù)控系統(tǒng)對于誤差補償?shù)慕?jīng)濟性、靈活性的優(yōu)勢，對于同類機床誤差補償問題的解決提供有效的途徑。

[1]孫文才.方滑枕變形處理及補償?shù)难芯縖D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[2]萬東東.大型數(shù)控落地鏜銑床主軸滑枕變形分析與誤差補償技術(shù)的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2012.

[3]吳鳳和,趙峰兵.拉桿與推桿組合式滑枕撓曲變形補償法[J].中國機械工程，2012，23(22)：2667-2684.

[4]劉建林.具有反饋的落地銑鏜床主軸箱補償系統(tǒng)[J].制造技術(shù)與機床，2010(2)：75-76.

[5]曹文智,王冠明，徐兆成.懸垂誤差補償在立式加工中心上的應(yīng)用[J].機床電器,2012(2)：56-58.

[6]郭占玥.半球諧振子拋光機床UMAC數(shù)控系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[7]DELTA TAU Data Systems, Inc.Turbo PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE MANUAL[Z].2011.

[8]吳玉厚,宋德儒.PMAC下直線電機定位精度分析與誤差補償技術(shù)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2005，21(5)：586-589.

[9]董秋艷.基于PMAC的超精密磨床動態(tài)特性分析及定位誤差補償研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.