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主軸溫度補(bǔ)償技術(shù)在精密加工中心上的應(yīng)用

2018-4-2 來源：轉(zhuǎn)載作者：陳亮，王世鵬，邢海豐

摘要:日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)國(guó)產(chǎn)加工中心的精度提出更高要求，就目前而言，主軸溫度補(bǔ)償技術(shù)，可以在成本增加不大的情況下，將機(jī)床本身精度提高較為明顯。文中分析了機(jī)床的主軸溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)基本原理;基于FANUC系統(tǒng)的PMC指令功能、FANUC PICTURE的系統(tǒng)界面功能，最終將主軸溫度補(bǔ)償功能得以集于FANUC系統(tǒng)，且該功能模塊具有很好的操作性。

關(guān)鍵詞:加工中心;主軸溫度補(bǔ)償;FANUC系統(tǒng);PMC; FANUC PICTURE

前言

隨著數(shù)控機(jī)床和精密加工的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度提出了更高的要求，由機(jī)床溫度變化而引起熱變形造成的熱誤差及由機(jī)床切削力引起力變形造成切削力誤差是影響加工精度的關(guān)鍵因素，對(duì)于這些因素引起的誤差，僅通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高機(jī)床精度，比較困難;在當(dāng)前及其以后的很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，通過增加少量檢測(cè)零件，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)編制相應(yīng)的補(bǔ)償功能模塊，將成為機(jī)床精度提高的重要發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床誤差動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償己列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”表明國(guó)家對(duì)數(shù)控機(jī)床誤差動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)的高度重視。機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)，在增加少量成本的情況下，能有效地提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，且該力一法也較易實(shí)現(xiàn)。本文作者就精密加工中心主軸溫度補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用方面進(jìn)行了探討，利用FANUC系統(tǒng)的PMC進(jìn)行編程，將溫度補(bǔ)償軟件集成于系統(tǒng)內(nèi)部，通過FANUCPICTURE編制相應(yīng)的宜人操作界面，將溫度補(bǔ)償技術(shù)較好地應(yīng)用于實(shí)際。最終通過實(shí)際驗(yàn)證，說明本文方法的有效性。

1、主軸溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的基本原理

開發(fā)的基于數(shù)控系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償功能模塊，其控制方式為半閉環(huán)前饋控制，其補(bǔ)償原理是:利用系統(tǒng)的PLC程序計(jì)算出的補(bǔ)償值控制Z軸的運(yùn)動(dòng)(在此僅以Z軸為例，可擴(kuò)展于其他軸)，從而保證刀具和主軸的相對(duì)位置準(zhǔn)確。

1. 1 補(bǔ)償系統(tǒng)控制方式

補(bǔ)償功能模塊采用半閉環(huán)前饋補(bǔ)償?shù)目刂品绞剑湓砣鐖D1所示。在加工過程中，利用熱電倡檢測(cè)到的機(jī)床主軸和環(huán)境溫度變量，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將溫度值，再由數(shù)學(xué)模型計(jì)算出預(yù)測(cè)誤差，對(duì)外部機(jī)械原點(diǎn)進(jìn)行偏移，從而修正加工誤差。采用半閉環(huán)前饋補(bǔ)償力方式時(shí)，選擇正確、合理的變量以及建立高精度的模型，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。

圖1 半閉環(huán)前饋控制原理

1. 2 補(bǔ)償系統(tǒng)控制原理

圖2 系統(tǒng)內(nèi)部模塊溫度補(bǔ)償控制原理圖

1. 3 補(bǔ)償系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主軸溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的流程框圖如圖3

圖3 熱誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)軟件流程框圖

在補(bǔ)償過程中，PLC運(yùn)算得到補(bǔ)償值輸入CNC控制器后，對(duì)預(yù)先輸入控制器中的數(shù)控加工程序中外部機(jī)械原點(diǎn)按補(bǔ)償值進(jìn)行偏移，從而使誤差獲得補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)床開機(jī)即開啟溫度誤差補(bǔ)償線程，溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償每隔2 min便讀取一次溫度(可以通過讀數(shù)周期參數(shù)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償周期的調(diào)整)，根據(jù)讀取的溫度值，通過PLC運(yùn)算算出熱誤差值，使外部機(jī)械原點(diǎn)發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)熱誤差的在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償。其中PLC中主軸溫度補(bǔ)償用于機(jī)械原點(diǎn)偏移的梯圖程序如圖4所示。

圖4 外部機(jī)械原點(diǎn)偏移梯形圖

2、主軸溫度償系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

FANUC PICTURE界面設(shè)計(jì)軟件仿真程序運(yùn)行界面設(shè)計(jì)如圖5所示。程序運(yùn)行界面如圖6所示。

圖5 運(yùn)用FANUC PICTURE設(shè)計(jì)界面

圖6 運(yùn)行界面圖

3、現(xiàn)場(chǎng)FANUC系統(tǒng)截圖

圖7為FANUC系統(tǒng)的部分PLC截圖。

圖8中361累積補(bǔ)償脈沖(NC)的數(shù)值為Z軸的應(yīng)補(bǔ)償數(shù)值，補(bǔ)償數(shù)據(jù)可在機(jī)床NC顯示屏上顯示。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證溫度補(bǔ)償功能裝置如圖9所示。

圖7 FANUC系統(tǒng)的部分PLC截圖

圖8 外部機(jī)械原點(diǎn)偏移顯示位置

圖9 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證溫度補(bǔ)償功能裝置

實(shí)踐證明該方法具有較好的效果。

4、結(jié)論

設(shè)計(jì)了集成于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償軟件系統(tǒng)。進(jìn)行了熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的原理和程序設(shè)計(jì)，并將熱誤差補(bǔ)償軟件系統(tǒng)在立臥式加工中心上得到了應(yīng)用，并掌握該技術(shù)的核心，可推廣應(yīng)用該技術(shù)，為進(jìn)一步完善及廣泛實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

來源： 1.武漢輕土大學(xué)機(jī)械土程學(xué)院

2.大連交通大學(xué)土木與安全土程學(xué)院

3.吉林建大建筑土程檢測(cè)有限公司

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