数控铣镗床滑枕的挠度补偿

孙跃华

【摘 要】介绍数控铣镗床两种可行的挠度补偿电气技术方案，修正滑枕（镗杆）伸出时机械位置偏差，提高机床加工精度。

【关键词】数控系统；挠度变形；机械拉杆；PLC逻辑控制；垂度补偿

0 引言

精度是数控机床的重要考核指标之一。大型数控方滑枕铣镗床，是集机、电、液一体化的高技术含量机械加工设备。数控铣镗床的滑枕在主轴箱内作前、后移动，同时支撑镗轴在滑枕内作水平移动。两个移动行程叠加，可解决大型零件远距离平面铣削和镗削加工。加工过程中，由于滑枕、镗铣头、附件的自身重量及机械结构等原因，在伸出距离较大时，滑枕和镗轴会因为刚性不足而产生弯曲，引起挠度变形，相关的机床坐标轴将产生位置偏差，降低了机床的加工精度。因此下垂挠度的补偿一直是影响产品质量和性能的关键技术难题。

1 总体方案

通过将机械拉伸机构与液压技术、传感技术智能化融合在一起，使控制系统可以系统地、灵活地实现补偿目的，以达到预期的效果。西门子数控系统提供了多种补偿功能，其中包括反向间隙补偿、插补补偿、前馈补偿、温度补偿等。

1.1 机械补偿机构

为了增加方滑枕的刚性，减小由于方滑枕伸出时的变形对机床几何精度的影响，在方滑枕上部安装了两套拉杆油缸机构，随着方滑枕伸出位置的变化，电液比例阀控制油缸的压力也随之改变，保证了方滑枕的直线度。

主轴箱采用双吊点平衡结构，主吊点与立柱内平衡锤相连，用以平衡主轴箱的重量。补偿吊点的一端固定在主轴箱前端的油缸活塞杆上，通过一组轮系与主轴箱后端固定连接，当滑枕伸出位置改变时，电液比例阀油缸压力随之变化，从而使补偿吊点的拉力产生相应的变化，使主轴箱部件重心位移得到补偿，从而使主轴箱保持原平衡状态，保证了滑枕移动精度，从而保证了机床的加工精度。

方滑枕前端面可安装附件头和感应开关，机床在方滑枕前端面安装加工用附件后，滑枕的重心也会发生变化，为了补偿重心的变化，在主轴箱前方滑枕支撑中间位置安装了一个附件支承油腔，当安装不同重量附件时，经感应开关识别，由电液比例阀控制油腔增加不同的压力，并且压力随方滑枕的位置变化而变化。平衡了附件的重力及附加的扭矩。

1.2 电气控制实现挠度补偿技术

机床一般采用西门子数控系统。设定滑枕前后移动为Z 轴，镗杆水平移动为W 轴，主轴箱上下移动为Y 轴、立柱左右移动为X 轴。对于滑枕伸出的下垂偏差量，通常采用两种补偿方式：一是通过编制数控系统PLC（可编程序控制器）程序，控制高精度电液比例阀的放大器，驱动机床机械机构的动作，二是利用数控系统的垂度补偿选项功能进行补偿。

1.2.1 PLC程序 控制液压装置补偿

在滑枕前后移动时，数控系统PLC循环读取滑枕移动位置，检测出垂直坐标的位置偏差数值，通过编制的西门子S7 PLC程序进行自动逻辑运算处理，不断调节电液比例阀控制放大器的0～10V模拟电压，使上述机械机构中的拉杆油腔压力达到适当比值，提供不同的拉力。

最初的补偿思路是在滑枕的有效行程内，以滑枕（镗杆）伸出最小位置为曲线原点，以其伸出最远端和原点之间建立补偿行程，采集若干垂直坐标（Y轴）位置点的偏差值，给出电液比例阀放大器的对应模拟电压值。但实际补偿时发现由于液压流动性的影响，滑枕移动时，Y轴位置抬高补偿延迟滞后，跳动较大，存在瞬间突变，线性较差，且PLC控制程序输入繁琐，调试复杂。

改进后将补偿值与行程以曲线（或线段）制作补偿数据曲线图表，并分割成多段直线，在一定的距离间隔中，通过设定或修改用户数据，改变线段的斜率，使电液比例阀放大器电压基本连续变化，补偿拉力同步线性增加或减少，系统PLC程序简洁明了，也便于批量调试，用户可在参数表中随时设定数据并加以调整。

以西门子828D 数控系统行程700mm为例，选择滑枕Z轴0～-400，-400～-700两段负向行程，确定补偿直线的斜率比值，下述程序，简要说明电气逻辑程序补偿过程。

设定滑枕水平移动为Z轴（第3轴）

LD SM0.0

= DB2600.DBX1.1 // 请求读取滑枕Z轴的实际位置

LD SM0.0

A DB 3902.DBX0.4 // 读取滑枕Z轴的实际位置

AD<= DB5702.DB0，+0

= M336.0 // 比较实际坐标位置是否小于等于0

A M336.0

MOVR DB5702.DB0，MD300 // 将实际坐标位置除以-700

/R -700.0，MD300 // 结果送到MD300

A M336.0

MOVR MD 300， MD304 // 将MD300数值乘以实数26214

*R 26214.0，M304 // 结果送到MD304

LDR< DB5702.DBD0，0.0

AR>= DB5702.DBD0，-400.0 // 实际位置小于0大于等于-400时

MOVR MD304，MD324 // 將MD304数值与机床用户数据MD14514（1）

AENO //（在操作面板设定数值）相乘赋给MD324

*R DB4500.DBD2000，MD324

MOVR MD324， MD328 // MD324除以用户数据MD14514 （2 ）

/R DB4500.DBD2004， MD328 // 赋给MD328

LDR< DB5702.DBD0，-400.0

AR>= DB5702.DBD0，-700.0 // 实际位置小于-400大于等于-700时endprint

MOVR MD304，MD424 // 将MD304数值与用户数据MD14514（3）

AENO //（在操作面板设定数值）相乘赋给MD424

*R DB4500.DBD2008，MD 424

AENO

MOVR MD424， MD428 // MD424除以用户数据MD14514（4）

/R DB4500.DBD2012， MD428 // 赋给MD428

TRUNC MD328，MD308 // 将MD328数据取整赋给MD308

TRUNC MD428，MD308 // 将MD428数据取整赋给MD308

A M336.0

MOVW MW308，QW60 // 将模拟量补偿值赋给QW60放大器

其中QW60为输出到放大器的模拟电压，调整MD 14514用户参数匹配比例阀体输出压力。

1.2.2 数控系统垂度补偿功能

对于该选项功能，应使用相应的系统参数激活该功能：

1）定义滑枕Z轴为基准轴，受基准轴影响的主轴箱上下移动Y轴定义为补偿轴。基准轴作为输入，补偿轴作为输出。

2）利用参数“MD18342：$MN_MM_CEC_MAX_POINT〔t〕” 根据滑枕基准轴的行程设定垂度补偿的最大补偿点数；最大补偿点数由基准轴的行程确定补偿区间和补偿步距，计算出合适的补偿点数。

3）备份机床数据，再回装备份数据，数控系统会自动生成垂度补偿表的初始化文件。设置“SD41300：$SN_CEC_TABLE_ENABLE〔t〕=1”，激活垂度补偿表。

4）打开补偿文件，将误差值填入补偿文件中。

5）输入或运行补偿文件，设定轴参数MD32710=1，重启系统，返回机床参考点后补偿值生效。

6）在“诊断”画面的绝对补偿测量系统中移动Z轴可查看到Y轴生效的补偿值。

$AN_CEC[0，0]=-0.22

$AN_CEC[0，1]=-0.19

………. （以上定义补偿插补点的补偿值）

$AN_CEC_INPUT_NCU[0]=1

$AN_CEC_INPUT_AXIS[0]=（AX3） （基準轴Z）

$AN_CEC_OUTPUT_NCU[0]=1

$AN_CEC_OUTPUT_AXIS[0]=（AX2） （补偿轴）

$AN_CEC_STEP[0]=20 （定义补偿间隔距离）

$AN_CEC_MIN[0]=-700 （基准轴起始位置）

$AN_CEC_MAX[0]=0 （基准轴终点位置）

$AN_CEC_DIRECTION[0]=0 （0：基准轴双向移动时补偿值生效）

$AN_CEC_MULT_BY_TABLE[0]=0（定义补偿相乘表）

$AN_CEC_IS_MODULO[0]=0 （补偿表为非模态）

滑枕上安装有不同重量附件，会产生不同的挠度变化，因此要求各附件对应有各自补偿数据。系统可以生成多个补偿表文件（最大61个），将补偿文件格式改为加工程序，输入补偿值，选择运行补偿零件程序，以适应各种附件克服挠度对机床位置精度的影响。

2 结束语

通过西门子数控系统垂度补偿功能以及编制的PLC补偿程序，有效地解决了机床滑枕伸出加工时的精度误差问题，较好地抑制挠度变形，从而提高了机床的加工精度。

【参考文献】

[1]SINUMERIK 810D/840D，简明调试指南.

[2]SINUMERIK828D/828D BASIC，简明调试指南.endprint