基于PMAC的TX1600G镗铣加工中心的挠度补偿*

(①沈阳理工大学辽宁省高速切削工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110159；②沈阳建筑大学交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168)

TX1600G镗铣加工中心是一种将镗床和铣床两种功能结合于一体的复合式数控机床，其镗轴采用了滑枕式结构，镗床主轴直径240 mm,滑枕行程1 200 mm。在卧轴镗床上加工工件时，由于滑枕、镗轴及各种附件的重量，加上镗削力的影响，使滑枕在伸出方向由于刚性不足产生挠曲变形，影响机床的加工精度，引起了机床的几何误差。

目前对于卧轴滑枕产生的挠度误差，采取的方法有平衡重锤法[1]、拉杆补偿法[2-3]、电液比例控制法[4]等。平衡重锤法是由机械平衡锤和机电补偿装置补偿滑枕挠度，主要优点是结构简单，使用方便，缺点是增加了机床的整机重量，对机床其他轴的进给运动产生一定影响，对机床的刚度要求高。拉杆补偿法在滑枕上半侧安装一组拉杆，由液压油缸提供拉力来补偿滑枕的挠度变形，能有效地补偿挠度误差，但拉杆的偏心作用将会导致滑枕在轴向产生一定量的附加变形，而且拉杆拉力的确定及精确加载问题都难确定。电液比例控制法应用电液比例阀和压力传感器来控制活塞杆的压力和位移，取得了一定的补偿效果。拉杆补偿法和电液比例控制法都需要液压缸，都无法避免液压系统存在的缺点，如液压件漏油、补偿滞后、油液升温等。

本文是针对滑枕的挠度变形，利用基于PMAC的开放性数控系统进行挠度补偿，该补偿方法不需要机械和控制辅助结构，补偿精度不受辅助结构的影响，简单易行，且经济性好。

1 复合镗铣加工中心介绍

TX1600G镗铣加工中心是一种复合式的数控机床，主要由旋转工作台、刀库、铣主轴箱、横梁、镗滑枕、镗滑台、立柱、床身等部件组成，如图1所示。加工中心的加工对象是铝合金材料的复杂箱体类。其镗床中X轴行程1 750 mm,Y轴行程1 000 mm,Z轴行程1 200 mm，镗床主轴采用方形滑枕式结构，镗削加工中，滑台带动滑枕在Y轴上运动，确定Y轴位置，滑枕带动主轴和刀具在Z方向进行镗削。当在Z方向加工深孔时，由于滑枕伸出的长度比较大，以及滑枕、主轴的重力等的影响，滑枕在伸出方向形成了悬臂梁结构，产生挠度误差。这种挠度误差严重影响到机床的定位精度和加工精度，故对产生的挠度误差进行误差补偿对提高机床的定位精度和加工精度十分必要。

2 PMAC简介

TX1600G加工中心的数控系统采用“NC嵌入PC”式结构，以工控机为上位机，以PMAC为下位机，实现通讯和控制功能。PMAC是美国Delta Tau公司开发的集轴运动控制、PLC控制和数据采集于一体的多轴运动控制器，它有多种型号，本加工中心使用的是Turbo PMAC-PCI型卡。Turbo PMAC的处理器采用Motorola DSP56303系列数字信号处理器(80 MHz)，可最多控制32轴同时运动，而且功能很强大，有刀具半径补偿功能、螺距补偿(一维位置补偿)、二维位置补偿、力矩补偿等功能[5]。这些功能为开发数控系统提供了便利的条件，开发者需要设置相关的Ⅰ变量，把编写的程序或补偿表下载到PMAC中，在运行数控程序时，PMAC 会直接调用这些功能，减少了开发者的工作量。同时为了满足不同使用用户的操作需求，PMAC允许用户使用如VB、C++、C#、C等多种编程语言开发数控系统。

3 滑枕挠度变形分析

滑枕端面尺寸264 mm×245 mm,总长2 540 mm，Z轴方向行程1 200 mm。材料使用灰铸铁HT300，弹性模量E=150 GPa，密度ρ=7 300 kg/m3，泊松比μ=0.25。

实体建模时，为提高有限元模型准确性，将螺纹孔、小凸台和倒角等结构忽略不计。对辅助系统等非主要的零部件(如光栅尺、拖链等)不进行有限元建模，将其视为远程质量施加在滑枕有限元模型上。滑枕实体模型如图2所示。滑枕、主轴电动机以及导轨的重力，则通过重力场施加在滑枕有限元模型上；加工过程中的计算镗削力，通过远程载荷将其施加在主轴的内孔面与端面。导轨与支撑部件的接触面应用全固定，与驱动丝杠相接触的螺母内表面应用全固定约束。

在SolidWorks simulation中以机床零点为起点，每隔100 mm取点，进行仿真。通过仿真数据得出，滑枕在Z向和X向的变形量很小，在Y方向的变形量大，即挠度误差(Y方向的变形量)是影响镗轴精度的主要因素。在Z方向行程1 200 mm处挠度变形如图3所示，滑枕各行程在Y向变形量如表1所示。由表1可得，随着滑枕行程的增加，挠度误差呈非线性增大。

表1 滑枕各行程在Y向的变形量

4 挠度补偿

4.1 挠度误差补偿原理

在镗削加工中，由于滑枕的挠度变形使得主轴在Z轴方向产生同样大小的挠度误差。为了补偿Z轴(基准轴)方向上由于镗轴部件重量而产生的挠度，Y轴(补偿轴)的绝对位置必须被修正，因此挠度补偿实际上是一种“轴间补偿”方式[5]。

补偿的原理为：人为地制造一个与原误差大小相等、方向相反的误差去补偿修正补偿轴上原有误差[6]。即

4.2 补偿表中各参数的设定

挠度补偿是一种轴间补偿，可以借助于PMAC提供的一维位置补偿功能来实现。PMAC的补偿功能是通过对补偿轴建立一个补偿表来实现的。每台电动机只能拥有一个属于它的补偿表，但是它可以作为多台电动机的源或目标[7]。所以在建立新的补偿表之前要把之前建立的表删除。

(1)补偿点数的确定。如果需要对源电动机的n个点进行补偿，在建立补偿表时要建立n+1个，将最后一个补偿点的修正值设为0，保证了补偿后的原点和补偿前的位置不变。

(2)补偿长度的确定，补偿长度是以源电动机编码计数表示的表的范围。将补偿长度转化成脉冲数，其数值必须为整数，单位为cts。加工中心中电动机编码器发8 192个脉冲，电动机旋转1圈，假设螺距为5 mm，降速齿轮比为1。从而可计算出每毫米对应的脉冲数为1 638。

(3)补偿值的设定，是将误差值转化成目标电动机计数单位的1/16，单位是1/16脉冲数(即1/16 cts)。转换后的补偿值必须为整数，作为补偿表的入口值。如果补偿值为负，补偿轴将沿正方向移动;反之亦然。在镗床中，主轴会产生向下的挠度误差，所以补偿轴应该向上移动，误差才能得到补偿，所以补偿值为负。补偿值之间用空格或回车符隔开。

(4)误差补偿表只有在I51设置为1时，补偿表才被激活，I51为0时，补偿表在运动程序中不起作用[7]。

4.3 补偿表的补偿过程

挠度补偿是在伺服环(伺服周期)内被执行的，从而获得最大的响应速度[8]，能够实时地进行挠度补偿。

补偿的过程：通过测量仪器或仿真得到的主轴挠度误差，将误差值作为补偿表的补偿值，建立补偿表，并将补偿表激活，把建立的补偿表下载到PMAC。数控系统执行运动程序时，当源电动机有位置改变时，PMAC会调用补偿表，在补偿表中寻找该位置入口值，当源电动机的位置在补偿表的入口值时，PMAC会将修正值作为额外的设定值送给目标电动机，使目标电动机移动一个补偿量的位移；当在补偿表的两个入口值之间，PMAC则会在两个入口之间通过线性插补计算该位置的修正值；如果源电动机的位置处于补偿范围之外，在计算校正值之前源电动机位置会被“翻转”到该范围之内[9]。

4.4 挠度补偿表的建立

补偿表的设定是在机床坐标系下建立的，所以在建立补偿表之前要确定加工中心的参考点。加工中心机床参考点与零点重合，图1镗床各轴的位置是镗床零点位置。由于镗床和铣床不能同时工作，被分为2个轴组，铣床为轴组1，加工使用坐标系1；镗床为轴组2，加工使用坐标系2。各轴在数控系统中定义如下：

轴组1#6→x#1→y#2→z；6号电动机控制x轴，1号电动机控制y轴，2号电动机控制z轴。

轴组2#6→x#3→y1#5→z1

根据表1建立的补偿表如下：

#3 DEL COMP

#3 DEFINE COMP 13，#5，#3，2 129 400

-4 -13 -57 -137 -236 -329 -454

-614 -838 -1 110 -1 464 -1 952 0

I51=1

说明：#3 DEL COMP是删除3号电动机以前建立的补偿表。

第2行中#3表示3号电动机为补偿电动机(Y轴)。#5表示5号电动机为源电动机(Z轴)。13表示补偿表中补偿点的个数为13。2 129 400表示补偿长度0～2 129 400，单位为cts，即补偿范围在(0～1 300 mm)。

第3行中，-4对应Z轴行程100 mm挠度误差-0.15 μm。-13对应Z轴行程200 mm挠度误差-0.52 μm，依次类推。0对应Z轴零点挠度误差0.I51=1激活补偿表。

把建立的补偿表下载到PMAC，在以后的使用中，当镗床Z轴移动时，PMAC会根据补偿表的值对Y轴进行补偿。

4.5 实验验证

为了验证建立的挠度补偿表是否有效，在如图4所示的实验台上进行了调试运行。

试验台以工控机(IPC)作为上位机，PMAC卡作为下位机。上位机与下位机通过PCI总线进行数据通讯。结合挠度补偿功能编写了简单的人机界面，如图5所示。简单人机界面是以Windows为系统平台，运用高级编程语言C#建立的，通过调用DeltaTau公司提供的动态链接库Pcomm32.dll实现其与PMAC的通讯。PMAC可以执行RS-274标准的NC代码程序，先自定义G、M、T、H代码作为子程序，下载到PMAC卡中。在执行程序时遇到G、M时，系统会跳到与其对应的子程序中。

由于镗床在轴组2中，调试前首先选择轴组2。输入数控程序，点击启动，试验台按照程序指令运动。经试验台验证该补偿表能够准确地进行挠度补偿。

人机界面还有修改机床参数和修改补偿量的功能，可根据机床参数的变动进行修改，还可根据机床的具体情况对挠度补偿量进行修改，以保证机床的加工精度。修改补偿量界面，如图6所示。

该界面中补偿量单位为μm，将补偿点数设为12点和24点。补偿点数为12时补偿间距是100 mm,补偿点数是24时补偿间距是50 mm。用户不用考虑建立补偿表时多建一个点，可直接将补偿量输入到表中，同时在输入补偿量时界面会提示该点的位置。如果建立了10个补偿点可以把多余的补偿量设为0。

修改补偿量操作的步骤：首先单击人机界面中的修改补偿量按钮，进入修改补偿量界面中，选择补偿点数，点击右上角的确定，会弹出提示补偿间距小窗口，点击确定，再将补偿量值输入到表中，点击确定。补偿表会以.pmc格式的文件下载到PMAC中，覆盖以前的表并关闭该窗口。在以后加工工件时，系统会自动调用建立的补偿表，进行挠度补偿。

5 结语

(1)通过有限元分析得到滑枕等值行程的挠度变形量，该挠度变形量与滑枕行程呈非线性关系，并在1 200 mm行程处达到最大值为72.50 μm，为滑枕挠度补偿的进行提供了量化依据。

(2)对于TX1600G镗铣加工中心滑枕的挠度变形，采用了数控系统的软件补偿，经试验台验证，将PMAC提供的一维位置补偿成功地应用在滑枕的挠度补偿，能够实时地按照设定的修正量进行补偿。

(3)修改补偿量界面的建立很大程度上提高了TX1600G加工中心数控系统的开放性，为用户的使用提供了便利。

(4)基于PMAC的开放性数控系统的挠度补偿，只需在系统内部建立补偿表，可实时地进行挠度误差补偿，这体现了基于PMAC开放性数控系统对于误差补偿的经济性、灵活性的优势，对于同类机床误差补偿问题的解决提供有效的途径。

[1]孙文才.方滑枕变形处理及补偿的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.

[2]万东东.大型数控落地镗铣床主轴滑枕变形分析与误差补偿技术的研究[D].苏州：苏州大学，2012.

[3]吴凤和,赵峰兵.拉杆与推杆组合式滑枕挠曲变形补偿法[J].中国机械工程，2012，23(22)：2667-2684.

[4]刘建林.具有反馈的落地铣镗床主轴箱补偿系统[J].制造技术与机床，2010(2)：75-76.

[5]曹文智,王冠明，徐兆成.悬垂误差补偿在立式加工中心上的应用[J].机床电器,2012(2)：56-58.

[6]郭占玥.半球谐振子抛光机床UMAC数控系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

[7]DELTA TAU Data Systems, Inc.Turbo PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE MANUAL[Z].2011.

[8]吴玉厚,宋德儒.PMAC下直线电机定位精度分析与误差补偿技术[J].沈阳建筑大学学报，2005，21(5)：586-589.

[9]董秋艳.基于PMAC的超精密磨床动态特性分析及定位误差补偿研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.