加工中心温度补偿节能降耗方案的策划与实施

鲁文章　陆勇　韩伟　黄新宇　万阳　杨万平

摘 要：我司发动机机加工线目前的加工环境温度要求一直按照德国进口加工设备验收时的温度参数要求进行控制，以保证部分精加工机床的关键尺寸位置度符合要求。我们在加工中心溫度敏感位置增设温度传感器，分析出温度变化对远距离定位孔位置度的影响，并将总结出的变化关系通过西门子高级编程技术，编入机床系统中，最终实现实现温度补偿功能，有效减少了机加工空调开启时间，降低电能的浪费。关键词：加工中心;温度监控;自动补偿;节能降耗中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-164-03

Abstract： The current processing environment temperature requirements of our engine machining line have been controlled according to the temperature parameters of German imported processing equipment， in order to ensure that the key size and position of some finishing machine tools meet the requirements. We add temperature sensor to the temperature sensitive position of machining center， analyze the influence of temperature change on the position degree of long distance positioning hole， and incorporate the summarized change relationship into the machine tool system through Siemens advanced programming technology， so as to realize the function of temperature compensation， effectively reduce the opening time of machining air conditioning and reduce the waste of electric energy.Keywords： Keywords machining center; Temperature monitoring; Automatic compensation; Energy saving and consumption reductionCLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-164-03

1 引言

机加工车间是我司发动机最主要的自制件生产车间;生产线拥有德国、日本进口的先进加工中心45台，以及2台全自动精密测量仪等精密自动化设备;车间采用全密封设计，并配置大功率空调系统，同时拥有专业的温湿度监控系统，可全方位，立体化的监控车间不同区域，不同高度的实际温度变化;为避免环境温度过高，床身、导轨等部件受热胀冷缩影响出现定位误差的现象，加工中心夏季生产环境温度一直要求控制在25℃以内，所以车间空调必须长时间开启，但这也是导致本车间年度耗电量超过整个发动机公司总耗电量一半以上的关键因素之一。

2 车间环境温度上限提高后的可行性分析

根据设备厂家的意见及早期试生产时的三坐标报告记录，发现加工环境温度超过25℃时，缸体火力面两个?10mm定位销孔的位置度（下图10101和10102孔）波动较大，且极少数件会出现超差。

所以如果要想提高加工环境温度上限，则必须解决10101孔和10102孔位置度超差的问题;

我们从位置度的计算公式（）分析影响因素：

X ----定位销孔X向理论值Xa----定位销孔X向实际值

Y ----定位销孔Y向理论值Ya----定位销孔Y向实际值

可以看出来，影响销孔位置度的主要因素就是定位销孔的X向实测值和Y向实测值;

我们调查分析了夏季和冬季温度定位销孔位置度超差件的X/Y向实测值，如下：

从左边分析图可以看出：超差件的X向偏移值均明显大于Y向偏移值，且随着季节或环境温度变化，影响着超差件的X向偏移值及偏移方向。

所以我们如果能控制X向偏移值在一定范围内，且不会随着温度的变化，产生明显差异，则调整环境温度上限的方式是可行的。

3 确认关键温度测量点

我们就温度方面影响加工中心定位精度的因素进行了分析;

通过上图分析可以看出，室内/外温度及切削液温度都会对床身温度造成影响，而床身温度的变化直接关系加工中心定位精度的变化。

所以，如果我们能将床身温度和加工中心X向偏移值之间的关系找到，并结合信息化和数控编程技术，使得定位销孔加工时，X向位移量同步进行补偿，则有望解决环境温度升高，对机床定位精度的影响。

4 找出床身温度和位置度偏差之间的关系

4.1 温度tm的测定

根据对加工中温度影响的分析，我们决定选取加工中心床身主体底部，安装温度检测传感器（图4）。

在电气工程师的帮助下，将传感器测量的结果校准并转化成数字信号，再传输到加工中心西门子操作系统中的$A_DBW[56]系統变量里（可在参数→系统变量界面查询），以实现NC程序条件对比和判断。

4.2 温度补偿量XP和XM的测定方案

当tm=n℃，加工一个工件，并送往恒温测量室内的三坐标测量仪测量两销孔相对坐标系零点的正方向偏移量XP及负方向偏移量XM;

XP =X（10102）-Xa（10102）  …… 10102孔到基准孔的X向实测尺寸和图纸尺寸之差;

Xm=X（10101）-Xa（10101）  ……10101孔到基准孔的X向实测尺寸和图纸尺寸之差。

尽管本市冬季最低气温（-13℃）和夏季最高气温（43℃）范围很大，但在车间良好的保温措施下，整个年度加工中心床身温度的变化幅值充其量只有10～20℃左右，所以根据测定方案，我们对床身10～30℃的温度区间内做补偿量的分析。

5 利用西门子高级编程实现温度智能补偿功能

--------设置补偿值变量---------

N1560 IF LV_TEMPCOMP==1=1温度补偿打开;=2温度补偿关闭

N1570 CALL "/_N_WKS_DIR/_N_SHARED_PROG_ WPD/_N_L_TEMPCOMP_OP110_SPF";

跳转到温度补偿子程序

N1580 ENDIF

-------将补偿规律以宏程序的方式编入子程序中-------

N100 R740=$A_DBW[56]/10;转换系统变量中的温度单位;

N200 IF （R740 <= 30） AND （R740 > 29）当29℃<床身温度≤30℃;

N300 GV_X_MINDIR=0.037 =XM（29～30℃时，偏移量为0.037mm）

GV_X_PLUSDIR=-0.008 =XP（29～30℃时，偏移量为-0.008mm）

N400 ENDIF

N500 IF （R740 <= 29） AND （R740 > 28）当28℃<床身温度≤29℃;

N600  GV_X_MINDIR=0.035  =XM（28～29℃时，偏移量为0.035mm）

GV_X_PLUSDIR=-0.006 =XM（28～29℃时，偏移量为0.006mm）

N700 ENDIF

;

省略11～28℃条件判断程序段;

;

N5900 IF （R740 <= 11） AND （R740 > 10）

N6000  GV_X_MINDIR=-0.001

GV_X_PLUSDIR=0.023

N6100 ENDIF

N6200 IF （R740 <= 10） AND （R740 > 9）

N6300  GV_X_MINDIR=-0.003

GV_X_PLUSDIR=0.025

N6400 ENDIF

同理，当10℃<床身温度≤28℃，参考温度补偿表，给

XP和XM两个补偿变量赋入对应的补偿值;

-------在主程序定位销孔加工中实现补偿功能------

N8560 OP95_AUTO：

N8570 MSG （"OP95：Step drill + chamfer  D9.7 / 1，26*30 degree， 1 01 01， 1 01 02"）

N8580 G0 G54 G60 X=486.85+（GV_X_PLUSDIR） Y=247.75 B=DC（0） D1;

10102#孔X方向定位时增加GV_X_PLUSDIR补偿变量，系统根据子程序中赋值的补偿值，直接在X向定位时补偿进去;

N8590 LBL_T201_1：

N8600 R0=494.7 R3=1 R5=5 R6=（2.5+2） R61=3

N8610 L109

N8620 ENDLABEL：

N8630 G0 G509 X=（486.85-917.6）+（GV_X_MINDIR） Y= （247.75-125.75） ;1 01 01

10101#孔X方向定位时增加GV_X_MINDIR补偿变量，系统根据子程序中赋值的补偿值，直接在X向定位时补偿进去。

6 加工中心温度补偿方案实施结果汇总

通过传感器技术+西门子系统高级编程，实现机床定位精度智能补偿功能，使得环境温度超过25℃的情况下，仍然能够保证机床定位精度符合质量要求。

2019年我们初步将夏季温度上限从原来的25℃调整到27℃，仅这个夏季单台自制件的空调电耗就从原来的89.32K wh/台降至78.03Kwh/台。

7 结语

实践证明，通过传感器技术总结出不同温度下工件定位销孔的位置度变化规律，结合加工中心数控编程技术，成功实现了轴定位温度补偿功能，降低了加工中心对车间环境温度的要求，为公司实现今年的节能降耗目标，起到了重要作用。

参考文献

[1] 秦友军，钟靖.自动温度补偿原理与调节方法.科技视界.[J]2016（26）.

[2] 何春燕.基于西门子840D数控系统的三轴加工中心误差检测与补偿技术.[J]机械制造及其自动化.2014（05）.