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        摘 要：針對大尺寸龍門銑床移動工作臺熱變形導致的熱誤差問題，提出了一種基于SIEMENS 840D系統框架功能的熱誤差補償方法。采用機床測頭系統進行熱誤差的檢測，并開發相應的數控系統宏程序，利用西門子840D數控系統的框架功能實現龍門銑床工作臺熱誤差的補償。驗證結果表明，該方法在環境溫度變化時，有效降低龍門銑床工作臺熱誤差75%。
 
        關鍵詞：SIEMENS 840D；框架功能；熱誤差補償
 
        0 引言
 
       隨著航空技術的發展，現代航空結構件出現整體化、大型化、復雜化、精度要求高的特點，這些特點對加工設備的加工范圍及加工精度提出了更高的要求，五軸數控龍門銑床較好的滿足了上述要求，日趨成為現代航空結構件的主力加工設備，但同時五軸數控龍門銑床因為結構尺寸較大，運動行程長等原因，其加工精度容易受到溫度變化的影響。大量研究表明，溫度變化所產生的熱誤差已經是大型龍門銑床最大的誤差源，占該類機床總誤差的40%～70%[1,2,7]。
 
        針對數控機床的熱誤差，國內外學者開展了大量的研究工作并取得了相應的成果，總體來看，目前對熱誤差的補償方法主要有三種：溫度控制法，通過控制環境溫度來減少機床熱誤差，措施包括增加保溫系統、恒溫倉等；熱穩定設計法，通過采用新材料、新工藝來減少機床在溫度變化時所產生的熱誤差；熱誤差補償法，通過檢測溫度與熱誤差，建立熱誤差模型通過軟件進行實時補償。針對已投產的機床，難以重新進行熱穩定設計，而溫度控制需要搭建恒溫倉等，成本相對較高，尤其對于大型數控機床，因此通過軟件進行補償的熱誤差補償法成為機床行業的研究熱點[3-5]，但該方法在實施過程中，需要在原機床上布置傳感器及線纜，開發相應的軟件系統，對機床的正常生產造成一定的影響。
 
       本文立足于生產環境，在對機床正常加工生產影響最小的前提下，提出了一種基于SIEMENS 840D數控系統框架功能的數控龍門銑床工作臺熱誤差檢測及補償方法。
 
       1 、數控龍門銑床工作臺熱誤差分析
 
       某數控龍門銑床為橫梁固定、工作臺移動式龍門銑床，該機床工作臺尺寸為10000mm×3000mm，其結構如圖1所示。

       圖1 某數控龍門銑床結構示意圖
 
       生產過程中某一時間段內通過復查工件原點得出的該機床熱誤差情況如表1所示。
 
 
                                                表1 數控龍門銑床熱誤差情況
      
      

      由圖1機床結構示意圖和表1熱誤差測量結果可見，由于工作臺長度達到10米，且工作臺在X軸行程為10米，該機床X軸方向熱誤差為最大熱誤差，該機床X軸工作臺及位置檢測反饋的構成如圖2所示。通過分析X軸位置檢測反饋及工作臺構成，可以得出如下結論：復查工件原點方式所表現的X向熱誤差產生的原因為工作臺受溫度影響熱變形及光柵尺受溫度影響所導致的熱伸縮量的綜合。本文主要對由于該原因所導致的龍門銑床的熱誤差進行補償。
 

                   圖2 X軸位置檢測反饋示意圖
 
      2 、工作臺熱誤差檢測
 
      為了檢測環境溫度變化時，工作臺本身的熱伸縮量，在滿足相應檢測精度的前提下，并同時考慮實際生產使用中的快捷性、方便性、可靠性，本文通過在工作臺兩端安裝標準環，環境溫度變化時，使用機床配備的測頭系統進行兩標準環位置檢測，檢測值與環境溫度變化前的檢測值進行比較，得出該機床X軸熱誤差值，標準環位置檢測示意圖如圖3所示。
  
  

      
                      圖3 工作臺X向熱誤差檢測示意圖
 
      根據標準環預設位置以及測量動作，開發測頭自動測量子程序，進行工作臺端頭1標準環位置（X1，Y1）和工作臺端頭2標準環位置（X2，Y2）的自動測量，兩標準環之間的距離△L=X2-X1，環境溫度變化時，再次進行兩標準環位置及相互之間距離的測量。
 
      3 、SIEMENS 840D系統框架功能原理
 
      西門子840D系統框架功能規定各框架之間的關系如圖4所示。

      
            圖4 SIEMENS 840D系統各框架關系圖
 
      其中，坐標系下標含義如下：BKS為基準坐標系，BNS為基準零點坐標系，ENS為可設定的零點坐標系，WKS為工件坐標系。
 
      框架轉換可以通過給框架變量賦值進行激活，框架變量與框架轉換之間的關系如表2中所示。
 
                       表2 框架表量與框架轉換關系
     

       框架變量之間存在的關系如下：
 
       $P_ACTFRAME=$P_BFRAME+$P_IFRAME+$P_PFRAME當$P_BFRAME、$P_IFRAME、$P_PFRAME發生變化時，$P_ACTFRAME會得到新的對應值，工件坐標系WKS會同步發生相應的變化，本文基于這一原理，利用西門子840D系統框架功能對龍門銑床工作臺熱誤差進行補償[6,8]。
 
       4 、龍門銑床工作臺熱誤差補償
 
       龍門銑床工作臺熱變形前后的變化如圖5所示
  
  

        
                          圖5 龍門銑床工作臺熱變形示意圖
 
        該類機床中，工作臺坐標系為加工過程中的基準坐標系BKS，若要利用西門子840D框架功能進行工作臺熱變形誤差的補償，需要得知工作臺的熱膨脹比及偏移量，根據圖5所示和前文所述工作臺熱誤差檢測方法，可以得出工作臺熱膨脹比：

        TEMP_SCALE=Lme-Lloc=(X2’-X1’)/(X2-X1) (1) 

        其中，TEMP_SCALE為工作臺熱膨脹比，Lme為工作臺熱變形后測得的兩固定標準環之間的距離，Lloc為熱變形前測得的兩標準環之間的距離，X1’、X2’為工作臺熱變形后測得的兩標準環X向坐標值，X1、X2為工作臺熱變形前測得的兩標準環X向坐標值。
 
        工作臺的熱偏移量為：
 
        TEMP_SHIFT=（X1’/TEMP_SCALE）-X1 (2)
 
        其中，TEMP_SHIFT為工作臺熱偏移量。
 
        將工作臺基準坐標系BKS的熱膨脹比及熱偏移量賦值至基準坐標系框架變量$P_BFRAME中，實現龍門銑床工作臺熱誤差補償。
 
        根據上述補償原理開發西門子840D數控系統子程序，其流程如圖6所示。
  
  

      
            圖6 補償原理流程圖
 
       應用上述補償方法對第1部分中介紹的數控龍門銑床進行補償驗證，測量補償前后的工作臺熱誤差，補償結果如表3所示。
 
                           表3 補償后工作臺X方向熱誤差表
        

       通過表可以看到，應用本文所介紹的補償方法，工作臺熱誤差由補償前的0.12mm降低至0.03mm，誤差降低75%。