SINUMERIK 828D 数控系统温度补偿功能在数控机床的应用

陈 蔚，丁少博

（1.烟台天成机械有限公司，山东 烟台 264000；2. 武汉重型机床集团有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着各行各业的飞速发展，对零件的加工精度和表面质量要求越来越高，数控机床的高精度成为人们研究的重要课题。数控机床的不精确性是由以下原因造成：机床零部件和结构的几何误差；热变形误差；切削力变形；其他误差源如机床轴系的伺服误差、数控插补算法误差等[1]。其中，热变形造成的误差约占机床总误差的40%～70%[2～4]。所以，机床热变形误差的补偿对于机床加工精度的提高有十分重要的作用[5]。刘朝华、李伟、刘志兵等[6～9]分别利用西门子840D/840Dsl数控系统实现了对机床温度误差补偿的应用。SINUMERIK 828D 是一种紧凑型适用于精密车床和铣床的数控系统，其可满足不同的安装形式和性能要求，且可尽可能多的预设机床功能，大大减少机床调试时间，因而应用十分广泛。本研究对SINUMERIK 828D 数控系统温度补偿功能进行了研究，并提出了温度补偿功能在数控机床上实现的硬件和软件方案。最后，将方案应用于立式车床，验证了该方法的可行性，并证明了SINUMERIK 828D 数控系统温度补偿能有效提高机床的精度。

1 温度补偿原理

由于环境温度的变化和机械长时间运动，机床的机械部分会因为温度的变化而有一定的变化量，机械的实际位置也会有所变化。为此，SINUMERIK 828D数控系统内部提供了温度补偿功能[10]。系统提供了两种温度补偿方式：不基于位置的温度补偿和基于位置的温度补偿。不基于位置的温度补偿，在不同的位置温度补偿值是同一数值。基于位置的温度补偿，各位置温度补偿值与位置相关。如图1 所示，即为温度T条件下，补偿值ΔKX与位置PX的关系。

图1 某温度下温度补偿值与轴位置关系

补偿值ΔKX可拟合成如下直线公式：

其中：ΔKX为位置PX上的温度补偿值；K0（T）为与位置无关的温度补偿值；PX为轴的实际位置；P0为轴参考点位置；tanβ（T）为位置相关温度补偿系数。

让机床在不同的温度下连续的运动，在固定间距位置测量位置的变化值，然后根据测量值做出不同温度下补偿曲线图，求出斜率tanβ（T），并将不同的斜率tanβ（T）写入NC 参数SD43910。

2 补偿方案

根据温度补偿基本原理，选择基于温度位置的温度补偿的方式即设置NC 参数MD32750=2。通过在不同温度下轴位移的测量，绘制轴位移误差曲线，建立图1 的数学模型，即求出tanβ（T）、P0和K0（T），其中tanβ（T）是关于温度T的函数。数控系统通过PLC 实时对温度测量，实时更新计算出tanβ（T）传送到NCK中，NCK 根据公式（1）计算出补偿值，并且在每个插补周期内对轴位移进行修正，从而完成温度补偿。

2.1 硬件设计

铂电阻温度传感器（PT100）精度高，稳定性好，测量温度范围广，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。故选用PT100对温度进行采集，其测量范围为-50 ℃～100 ℃，误差为±0.15，完全符合机床温度的测量。828D 数控系统PLC 可通过SIEMENS PP 72/48D 2/2A PN 外设模块扩展出2 路模拟量输入，将PT100 接于其中1 路（图2），电压模拟信号便可转化为温度数字信号，进行补偿计算。

图2 PP 72/48D 2/2A PN 板接线

2.2 软件设计

SINUMERIK 828D 数控系统集成的是S7-200 PLC，要完成实时温度补偿需要PLC 实时对温度补偿值进行计算，并将其写入数控系统相应的参数中。利用工程软件PLC Programming Tool 对S7-200 PLC 编写程序。首先，PLC 实时连续10 次读取机床温度并求均值，其具体程序如下：

DTR DB9020.DBD0，DB9020.DBD4 //测量值类型由双整数转换为实数

利用828D 数控系统PLC 读/写NC 数据的功能，可将PLC 计算出的斜率以固定的周期刷新写入NCK中SD43910（TEMP_COMP_SLOPE）参数下[11]。

建立如图3 所示变量表，并编写如下程序，对TEMP_COMP_SLOPE 参数进行刷新。

图3 PLC 程序NC 变量表

3 试验验证

本研究选用某公司生产的立式车床X轴为补偿对象，设置NC 参数MD32750=2，将PT100 安放于立式车床横梁靠近X轴丝杠处。使用激光干涉仪对X轴位移进行位移测量（图4）。为了试验结果明显，选取X轴移动2500 mm 的位移值来试验。补偿前，多次测量X轴移动2500 mm 处位移偏差，并根据机床的实际设置建立公式（1）数学模型，K0（T）为0、P0为3918 mm 并将值实时写入程序中。补偿后，再次测量记录X轴移动2500 mm 处位移值，具体数据见表1。

图4 激光干涉仪测量

表1 不同温度下X 轴未加温度补偿和加温度补偿2500mm 处定位误差

由表1 可以知，未补偿机床X轴最大定位误差0.07 mm，补偿后机床X轴最大定位误差0.02 mm，这既证明了温度误差补偿能有效提高机床的加工精度，也证明了本研究提出的温度补偿实现方法可行。

4 结论

本文对SINUMERIK 828D 数控系统温度补偿功能进行了分析与研究，并提出了828D 数控系统温度补偿功能在数控机床上实现的方法，且进行了具体的硬件设计和软件设计。针对某型号的立式车床，以其X轴为试验对象，进行了该方法可行性的验证。试验结果也证明SINUMERIK 828D 数控系统温度补偿能有效提高机床的精度。