基于PMAC的TX1600G鏜銑加工中心的撓度補(bǔ)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(jī)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(jī)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(jī)床的加工精度，引起了機(jī)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(bǔ)償法[2-3]、電液比例控制法[4]等。平衡重錘法是由機(jī)械平衡錘和機(jī)電補(bǔ)償裝置補(bǔ)償滑枕撓度，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，缺點(diǎn)是增加了機(jī)床的整機(jī)重量，對機(jī)床其他軸的進(jìn)給運(yùn)動產(chǎn)生一定影響，對機(jī)床的剛度要求高。拉桿補(bǔ)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(bǔ)償滑枕的撓度變形，能有效地補(bǔ)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(bǔ)償效果。拉桿補(bǔ)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(diǎn)，如液壓件漏油、補(bǔ)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(jìn)行撓度補(bǔ)償，該補(bǔ)償方法不需要機(jī)械和控制輔助結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償精度不受輔助結(jié)構(gòu)的影響，簡單易行，且經(jīng)濟(jì)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(jī)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(yùn)動，確定Y軸位置，滑枕帶動主軸和刀具在Z方向進(jìn)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(jī)床的定位精度和加工精度，故對產(chǎn)生的撓度誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償對提高機(jī)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(jī)為上位機(jī)，以PMAC為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)通訊和控制功能。PMAC是美國Delta Tau公司開發(fā)的集軸運(yùn)動控制、PLC控制和數(shù)據(jù)采集于一體的多軸運(yùn)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(yùn)動，而且功能很強(qiáng)大，有刀具半徑補(bǔ)償功能、螺距補(bǔ)償(一維位置補(bǔ)償)、二維位置補(bǔ)償、力矩補(bǔ)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(bǔ)償表下載到PMAC中，在運(yùn)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(shí)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(jì)。對輔助系統(tǒng)等非主要的零部件(如光柵尺、拖鏈等)不進(jìn)行有限元建模，將其視為遠(yuǎn)程質(zhì)量施加在滑枕有限元模型上。滑枕實(shí)體模型如圖2所示。滑枕、主軸電動機(jī)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(jì)算鏜削力，通過遠(yuǎn)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(jī)床零點(diǎn)為起點(diǎn)，每隔100 mm取點(diǎn)，進(jìn)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(bǔ)償

4.1 撓度誤差補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償軸)的絕對位置必須被修正，因此撓度補(bǔ)償實(shí)際上是一種“軸間補(bǔ)償”方式[5]。

補(bǔ)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(bǔ)償修正補(bǔ)償軸上原有誤差[6]。即

4.2 補(bǔ)償表中各參數(shù)的設(shè)定

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

(1)補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)的確定。如果需要對源電動機(jī)的n個點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，在建立補(bǔ)償表時要建立n+1個，將最后一個補(bǔ)償點(diǎn)的修正值設(shè)為0，保證了補(bǔ)償后的原點(diǎn)和補(bǔ)償前的位置不變。

(2)補(bǔ)償長度的確定，補(bǔ)償長度是以源電動機(jī)編碼計(jì)數(shù)表示的表的范圍。將補(bǔ)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(jī)編碼器發(fā)8 192個脈沖，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈，假設(shè)螺距為5 mm，降速齒輪比為1。從而可計(jì)算出每毫米對應(yīng)的脈沖數(shù)為1 638。

(3)補(bǔ)償值的設(shè)定，是將誤差值轉(zhuǎn)化成目標(biāo)電動機(jī)計(jì)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(bǔ)償值必須為整數(shù)，作為補(bǔ)償表的入口值。如果補(bǔ)償值為負(fù)，補(bǔ)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(bǔ)償軸應(yīng)該向上移動，誤差才能得到補(bǔ)償，所以補(bǔ)償值為負(fù)。補(bǔ)償值之間用空格或回車符隔開。

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

4.3 補(bǔ)償表的補(bǔ)償過程

撓度補(bǔ)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(jìn)行撓度補(bǔ)償。

補(bǔ)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(bǔ)償表的補(bǔ)償值，建立補(bǔ)償表，并將補(bǔ)償表激活，把建立的補(bǔ)償表下載到PMAC。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行運(yùn)動程序時，當(dāng)源電動機(jī)有位置改變時，PMAC會調(diào)用補(bǔ)償表，在補(bǔ)償表中尋找該位置入口值，當(dāng)源電動機(jī)的位置在補(bǔ)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(jī)，使目標(biāo)電動機(jī)移動一個補(bǔ)償量的位移；當(dāng)在補(bǔ)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(bǔ)計(jì)算該位置的修正值；如果源電動機(jī)的位置處于補(bǔ)償范圍之外，在計(jì)算校正值之前源電動機(jī)位置會被“翻轉(zhuǎn)”到該范圍之內(nèi)[9]。

4.4 撓度補(bǔ)償表的建立

補(bǔ)償表的設(shè)定是在機(jī)床坐標(biāo)系下建立的，所以在建立補(bǔ)償表之前要確定加工中心的參考點(diǎn)。加工中心機(jī)床參考點(diǎn)與零點(diǎn)重合，圖1鏜床各軸的位置是鏜床零點(diǎn)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(jī)控制x軸，1號電動機(jī)控制y軸，2號電動機(jī)控制z軸。

軸組2#6→x#3→y1#5→z1

根據(jù)表1建立的補(bǔ)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(jī)以前建立的補(bǔ)償表。

第2行中#3表示3號電動機(jī)為補(bǔ)償電動機(jī)(Y軸)。#5表示5號電動機(jī)為源電動機(jī)(Z軸)。13表示補(bǔ)償表中補(bǔ)償點(diǎn)的個數(shù)為13。2 129 400表示補(bǔ)償長度0～2 129 400，單位為cts，即補(bǔ)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(diǎn)撓度誤差0.I51=1激活補(bǔ)償表。

把建立的補(bǔ)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(bǔ)償表的值對Y軸進(jìn)行補(bǔ)償。

4.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的撓度補(bǔ)償表是否有效，在如圖4所示的實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行。

試驗(yàn)臺以工控機(jī)(IPC)作為上位機(jī)，PMAC卡作為下位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)通過PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。結(jié)合撓度補(bǔ)償功能編寫了簡單的人機(jī)界面，如圖5所示。簡單人機(jī)界面是以Windows為系統(tǒng)平臺，運(yùn)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(shí)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(diǎn)擊啟動，試驗(yàn)臺按照程序指令運(yùn)動。經(jīng)試驗(yàn)臺驗(yàn)證該補(bǔ)償表能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行撓度補(bǔ)償。

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

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

修改補(bǔ)償量操作的步驟：首先單擊人機(jī)界面中的修改補(bǔ)償量按鈕，進(jìn)入修改補(bǔ)償量界面中，選擇補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，點(diǎn)擊右上角的確定，會彈出提示補(bǔ)償間距小窗口，點(diǎn)擊確定，再將補(bǔ)償量值輸入到表中，點(diǎn)擊確定。補(bǔ)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(bǔ)償表，進(jìn)行撓度補(bǔ)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(dá)到最大值為72.50 μm，為滑枕撓度補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)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(bǔ)償，經(jīng)試驗(yàn)臺驗(yàn)證，將PMAC提供的一維位置補(bǔ)償成功地應(yīng)用在滑枕的撓度補(bǔ)償，能夠?qū)崟r地按照設(shè)定的修正量進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)修改補(bǔ)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(bǔ)償，只需在系統(tǒng)內(nèi)部建立補(bǔ)償表，可實(shí)時地進(jìn)行撓度誤差補(bǔ)償，這體現(xiàn)了基于PMAC開放性數(shù)控系統(tǒng)對于誤差補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)性、靈活性的優(yōu)勢，對于同類機(jī)床誤差補(bǔ)償問題的解決提供有效的途徑。

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