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        摘 要：針對大尺寸龍門銑床移動工作臺熱變形導(dǎo)致的熱誤差問題，提出了一種基于SIEMENS 840D系統(tǒng)框架功能的熱誤差補(bǔ)償方法。采用機(jī)床測頭系統(tǒng)進(jìn)行熱誤差的檢測，并開發(fā)相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)宏程序，利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的框架功能實現(xiàn)龍門銑床工作臺熱誤差的補(bǔ)償。驗證結(jié)果表明，該方法在環(huán)境溫度變化時，有效降低龍門銑床工作臺熱誤差75%。
 
        關(guān)鍵詞：SIEMENS 840D；框架功能；熱誤差補(bǔ)償
 
        0 引言
 
       隨著航空技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)整體化、大型化、復(fù)雜化、精度要求高的特點，這些特點對加工設(shè)備的加工范圍及加工精度提出了更高的要求，五軸數(shù)控龍門銑床較好的滿足了上述要求，日趨成為現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)件的主力加工設(shè)備，但同時五軸數(shù)控龍門銑床因為結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的熱誤差已經(jīng)是大型龍門銑床最大的誤差源，占該類機(jī)床總誤差的40%～70%[1,2,7]。
 
        針對數(shù)控機(jī)床的熱誤差，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作并取得了相應(yīng)的成果，總體來看，目前對熱誤差的補(bǔ)償方法主要有三種：溫度控制法，通過控制環(huán)境溫度來減少機(jī)床熱誤差，措施包括增加保溫系統(tǒng)、恒溫倉等；熱穩(wěn)定設(shè)計法，通過采用新材料、新工藝來減少機(jī)床在溫度變化時所產(chǎn)生的熱誤差；熱誤差補(bǔ)償法，通過檢測溫度與熱誤差，建立熱誤差模型通過軟件進(jìn)行實時補(bǔ)償。針對已投產(chǎn)的機(jī)床，難以重新進(jìn)行熱穩(wěn)定設(shè)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(shù)控機(jī)床，因此通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臒嵴`差補(bǔ)償法成為機(jī)床行業(yè)的研究熱點[3-5]，但該方法在實施過程中，需要在原機(jī)床上布置傳感器及線纜，開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，對機(jī)床的正常生產(chǎn)造成一定的影響。
 
       本文立足于生產(chǎn)環(huán)境，在對機(jī)床正常加工生產(chǎn)影響最小的前提下，提出了一種基于SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)框架功能的數(shù)控龍門銑床工作臺熱誤差檢測及補(bǔ)償方法。
 
       1 、數(shù)控龍門銑床工作臺熱誤差分析
 
       某數(shù)控龍門銑床為橫梁固定、工作臺移動式龍門銑床，該機(jī)床工作臺尺寸為10000mm×3000mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

       圖1 某數(shù)控龍門銑床結(jié)構(gòu)示意圖
 
       生產(chǎn)過程中某一時間段內(nèi)通過復(fù)查工件原點得出的該機(jī)床熱誤差情況如表1所示。
 
 
                                                表1 數(shù)控龍門銑床熱誤差情況
      
      

      由圖1機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖和表1熱誤差測量結(jié)果可見，由于工作臺長度達(dá)到10米，且工作臺在X軸行程為10米，該機(jī)床X軸方向熱誤差為最大熱誤差，該機(jī)床X軸工作臺及位置檢測反饋的構(gòu)成如圖2所示。通過分析X軸位置檢測反饋及工作臺構(gòu)成，可以得出如下結(jié)論：復(fù)查工件原點方式所表現(xiàn)的X向熱誤差產(chǎn)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(dǎo)致的熱伸縮量的綜合。本文主要對由于該原因所導(dǎo)致的龍門銑床的熱誤差進(jìn)行補(bǔ)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(huán)境溫度變化時，工作臺本身的熱伸縮量，在滿足相應(yīng)檢測精度的前提下，并同時考慮實際生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)，環(huán)境溫度變化時，使用機(jī)床配備的測頭系統(tǒng)進(jìn)行兩標(biāo)準(zhǔn)環(huán)位置檢測，檢測值與環(huán)境溫度變化前的檢測值進(jìn)行比較，得出該機(jī)床X軸熱誤差值，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)預(yù)設(shè)位置以及測量動作，開發(fā)測頭自動測量子程序，進(jìn)行工作臺端頭1標(biāo)準(zhǔn)環(huán)位置（X1，Y1）和工作臺端頭2標(biāo)準(zhǔn)環(huán)位置（X2，Y2）的自動測量，兩標(biāo)準(zhǔn)環(huán)之間的距離△L=X2-X1，環(huán)境溫度變化時，再次進(jìn)行兩標(biāo)準(zhǔn)環(huán)位置及相互之間距離的測量。
 
      3 、SIEMENS 840D系統(tǒng)框架功能原理
 
      西門子840D系統(tǒng)框架功能規(guī)定各框架之間的關(guān)系如圖4所示。

      
            圖4 SIEMENS 840D系統(tǒng)各框架關(guān)系圖
 
      其中，坐標(biāo)系下標(biāo)含義如下：BKS為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，BNS為基準(zhǔn)零點坐標(biāo)系，ENS為可設(shè)定的零點坐標(biāo)系，WKS為工件坐標(biāo)系。
 
      框架轉(zhuǎn)換可以通過給框架變量賦值進(jìn)行激活，框架變量與框架轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系如表2中所示。
 
                       表2 框架表量與框架轉(zhuǎn)換關(guān)系
     

       框架變量之間存在的關(guān)系如下：
 
       $P_ACTFRAME=$P_BFRAME+$P_IFRAME+$P_PFRAME當(dāng)$P_BFRAME、$P_IFRAME、$P_PFRAME發(fā)生變化時，$P_ACTFRAME會得到新的對應(yīng)值，工件坐標(biāo)系WKS會同步發(fā)生相應(yīng)的變化，本文基于這一原理，利用西門子840D系統(tǒng)框架功能對龍門銑床工作臺熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償[6,8]。
 
       4 、龍門銑床工作臺熱誤差補(bǔ)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(jī)床中，工作臺坐標(biāo)系為加工過程中的基準(zhǔn)坐標(biāo)系BKS，若要利用西門子840D框架功能進(jìn)行工作臺熱變形誤差的補(bǔ)償，需要得知工作臺的熱膨脹比及偏移量，根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)之間的距離，Lloc為熱變形前測得的兩標(biāo)準(zhǔn)環(huán)之間的距離，X1’、X2’為工作臺熱變形后測得的兩標(biāo)準(zhǔn)環(huán)X向坐標(biāo)值，X1、X2為工作臺熱變形前測得的兩標(biāo)準(zhǔn)環(huán)X向坐標(biāo)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(zhǔn)坐標(biāo)系BKS的熱膨脹比及熱偏移量賦值至基準(zhǔn)坐標(biāo)系框架變量$P_BFRAME中，實現(xiàn)龍門銑床工作臺熱誤差補(bǔ)償。
 
        根據(jù)上述補(bǔ)償原理開發(fā)西門子840D數(shù)控系統(tǒng)子程序，其流程如圖6所示。
  
  

      
            圖6 補(bǔ)償原理流程圖
 
       應(yīng)用上述補(bǔ)償方法對第1部分中介紹的數(shù)控龍門銑床進(jìn)行補(bǔ)償驗證，測量補(bǔ)償前后的工作臺熱誤差，補(bǔ)償結(jié)果如表3所示。
 
                           表3 補(bǔ)償后工作臺X方向熱誤差表
        

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