西门子840D系统在机床滑枕补偿中的应用

2013-09-04侯明华

机械工程与自动化 2013年5期

朱田，侯明华，赵芸

（重庆齿轮箱有限责任公司，重庆 402263）

0 引言

对数控镗床而言，当滑枕或镗杆前后移动时，由于机械结构的原因，支撑座体的重心位置会前后移动，导致滑枕和镗杆发生倾斜，以及弹性变形、配合间隙使滑枕和镗杆的前端位置下沉形成低头现象，进而产生与机床坐标系的偏差。如果滑枕或镗杆与立柱不垂直，随着滑枕或镗杆的向外移动，主轴前端刀具中心点与理想轨迹偏差会发生相应的变化。为校正这些误差，除加大滑枕和镗杆本身的刚度外，必须通过机械和电气等手段进行补偿，以提高加工工件的表面结合度和孔直线度等方面的精度。西门子数控840D系统具有强大的挠度补偿功能，同时其PLC和HMI也有更大的柔性空间，使各种功能的实现更加完善。在滑枕补偿方面，使用840D系统可以系统地、灵活地实现补偿目的，达到理想的效果。

1 对镗床滑枕的补偿方法

数控镗床主要以机械和电气相结合的方式来实现滑枕补偿，但在镗床上应具备相关的执行机构（滑枕补偿装置）：①通过机械和液压部件调整滑枕补偿值；②通过吊链或拉链重锤等机械部件调整滑枕补偿值。在进行滑枕补偿时要分两步：其一，应力补偿，即先解决工件的加工表面接合度不好的问题；其二，各轴交叉补偿（挠度补偿），解决镗孔加工时的垂直度问题。

2 通过PLC实现镗床滑枕的应力补偿

2．1 测量应力补偿对应的数据值

为正确有效地实现滑枕补偿，必须要测量相关数据。首先利用相关工具测量滑枕移动时主轴端面与理论坐标平面的偏差。

数控镗床中，一般情况下设定滑枕移动为W 轴，镗杆移动为Z轴，立柱上下移动为Y轴、立柱左右移动为X轴。通过S7－300PLC对补偿装置进行控制，逐步调整主轴端面与XZ平面的垂直度，当达到误差允许值时，S7－300PLC数据块中的数值就是滑枕补偿值。值得注意的是，在对有机械附件的镗床作补偿时，应分别就不同附件测量相应数据。

（1）在无附件时，镗杆与滑枕同步的条件下，测量主轴旋转面与XZ平面的垂直度，如图1所示。

图1 无附件时主轴旋转面与XZ平面的垂直度测量

（2）在平旋盘、延伸铣头、反刮铣头等附件头安装后，测量主轴旋转面与XZ平面的垂直度，如图2所示。

图2 安装平旋盘、延伸铣头、反刮铣头等附件头后主轴旋转面与XZ平面的垂直度测量

（3）万向铣头、卧式铣头、5轴铣头（主轴锥孔向下）等附件头安装后，测量主轴旋转面与XZ平面的垂直度，如图3所示。

图3 安装万向铣头、立卧铣头、5轴铣头附件头后主轴旋转面与XZ平面的垂直度测量

（4）安装防护板（只有镗杆移动）等附件头后，测量主轴旋转面与XZ平面的垂直度，如图4所示。

图4 安装防护板等附件头后主轴旋转面与XZ平面的垂直度测量

（5）在进行完各工况下的垂直度测量后，测量滑枕及其安装各种附件头时的挠度值，如图5所示。

图5 滑枕及其安装各种附件头时的挠度值测量

（6）在进行完各工况下的垂直度测量后，测量镗杆以及安装护板时的挠度值，如图6所示。

滑枕和镗杆移动，伸出长度（行程）不同，滑枕和镗杆的轴向与理论坐标轴向也不尽相同。称垂直方向的偏差为误差值，即误差值与滑枕和镗杆的行程相关；而通过补偿装置弥补不同行程的误差值，采用的调整数值称为补偿值，亦与滑枕和镗杆的行程相关。可以将补偿值与行程以曲线（或线段）建立补偿数据曲线图表，一般以滑枕（镗杆）伸出最小位置为曲线原点，以其伸出最远端和原点之间建立补偿行程。

图6 测量镗杆及其安装护板时的挠度值

2．2 自动实现应力补偿

在核对补偿装置（比例阀或牵引机构等装置）对于有效行程的调整数值后，可编制西门子PLC的S7－300程序对全行程进行自动补偿。程序主要内容有：①根据实际需要设定滑枕和镗杆的行程步距STEP；

如果由于机械等原因导致滑枕向前和向后移动到同一测量点时，补偿装置对应的补偿数据不同，则应使用双向线性补偿方式，建立两套数据块。

3 通过NC实现镗床的交叉补偿

3．1 使用Sag compensation挠度补偿功能的步骤

要实现挠度补偿，则须通过西门子NC系统实现，即进行各轴之间的交叉补偿。下面以西门子840D NC代码为例简述其具体步骤：

（1）确定需要补偿的具体点数、行程、方向等相关信息。

（2）结合以上信息，设定相关参数。MD18342设定内容为：（补偿终点－补偿起点）／（步距＋1）。确认MD18342参数后，以先备份再回装方式重启系统，生成补偿初始化文件。

（3）在初始化文件中，先设定以下变量：

＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［0］设定为：跟踪轴的机床轴名称；

＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［0］设定为：补偿轴的机床轴名称，即交叉补偿；

＄AN＿CEC＿STEP［0］设定为：步距；

＄AN＿CEC＿MIN［0］设定为：补偿行程的最小值；

＄AN＿CEC＿MAX［0］设定为：补偿行程的最大值；

＄AN＿CEC＿DIRECTION［0］设定为：1或－1，其中，1代表从最小走到最大的方向，为正方向；－1代表从最大走到最小的方向，为负方向；

＄AN＿CEC＿IS＿MODULO［0］设定为：针对旋转轴为1。

再根据测量的实际结果，添加各位置点的补偿值（绝对补偿）：

＄AN＿CEC［0，0］设定为：最小位置的补偿值，起点可设定为0；

＄AN＿CEC［0，1］设定为：第二点（相对最小位置）的补偿值；

＄AN＿CEC［0，2］设定为：第三点的补偿值；

＄AN＿CEC［0，3］设定为：第四点的补偿值；

……

以上过程可以在服务界面直接修改复制后的INI文件或以工件程序的形式进行。

（4）设定相关参数。MD32710设定为1；MD41300［］设定为1。

（5）执行NCK RESET。

（6）执行回零过程（绝对值系统直接生效）。

（7）在诊断界面可观察SAG＋Temperature Compensation Value垂度＋温度补偿实际值这一栏，通过正反运动，其数值应依据补偿表作相应的线性变化。

3．2 对无附件安装的补偿数据

对无附件安装的镗床而言，通过以上7个步骤之后，在初始化文件中存储一套补偿数据即可。

3．3 对安装有不同附件的补偿数据

如有不同附件安装到滑枕上，会产生不同的挠度变化，这就要求各附件必须有各自对应的补偿数据。同样，通过以上7个步骤之后，应用PLC和NC程序接合可以实现附件头更换后系统自动更新相应的滑枕补偿数据。

本文以安装5号反刮铣头为例，介绍相关NC程序结构。在此附件自动安装后，PLC程序会判断其是否为5号附件，如果是，则会自动执行子程序SPF995（5号附件补偿数据生效程序）。

（1）附件识别程序为：

；略去相关判定内容

MSG（"5号反刮铣头已安装，等待退出"）

GOTOF＿CONT

ELSE

＿ERR1：

MSG（"系统检测安装的附件头不是5号反刮铣头"）

IF（＄A＿IN［20］＝＝1）GOTOF＿CONT

ELSE

GOTOF＿END

ENDIF

＿CONT：

；各轴定位过程略去

SPF995；在此调用5号附件挠度补偿程序

…

M17；子程序结束

（2）5号附件补偿数据生效程序SPF995为：

；关闭所有系统补偿表相关程序代码略去

N10＄AN＿CEC［10，0］＝－0．05

N20＄AN＿CEC［10，1］＝－0．05；向系统输入补偿数据

；其它补偿数据省略

；负向补偿的INI文件内容：（对应18342［10］的数量）

N820＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［10］＝（AX4）

N830＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［10］＝（AX2）

N840＄AN＿CEC＿STEP［10］＝20

N850＄AN＿CEC＿MIN［10］＝0

N860＄AN＿CEC＿MAX［10］＝1600

N870＄AN＿CEC＿DIRECTION［10］＝－1

N880＄AN＿CEC＿MULT＿BY＿TABLE［10］＝0

N890＄AN＿CEC＿IS＿MODULO［10］＝0

；正向补偿的INI文件内容：（对应18342［11］的数量）

N940＄AN＿CEC［11，0］＝－0．05

N950＄AN＿CEC［11，0］＝－0．045

；其它补偿数据省略

N1710＄AN＿CEC＿INPUT＿AXIS［11］＝（AX4）

N1720＄AN＿CEC＿OUTPUT＿AXIS［11］＝（AX2）

N1730＄AN＿CEC＿STEP［11］＝20

N1740＄AN＿CEC＿MIN［11］＝0

N1750＄AN＿CEC＿MAX［11］＝1600

N1760＄AN＿CEC＿DIRECTION［11］＝1

；后置处理程序

＄SN＿CEC＿TABLE＿ENABLE［10］＝ TURE；在此将补偿数据激活

＄SN＿CEC＿TABLE＿ENABLE［11］＝ TURE

＄MA＿CEC＿ENABLE［Y1］＝1

＄MA＿CEC＿ENABLE［W1］＝1

…

M17

同理，可编制对于镗杆和其他附件的NC补偿程序，这样才能解决对多种附件应用时的滑枕补偿问题。

4 通过HMI界面进一步完善滑枕补偿控制

为了维修和操作方便，在西门子数控系统PCU50上须编制HMI OEM界面。OEM界面中提示信息包括补偿对象、补偿数值（分滑枕、镗杆、各种附件头）、滑枕和镗杆位置、滑枕补偿反馈装置状态信息（如拉力测量值）、滑枕补偿装置状态（是否超限位，电机负载等）、补偿是否生效等信息。OEM界面中提供的可操作内容包括自动补偿功能启动／停止、手动测量功能启动／停止、补偿装置手动功能启动／停止等。