基于SIEMENS 840D系統(tǒng)對(duì)于虛擬軸撓度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

張 云

（成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610091）

虛擬軸顛覆了傳統(tǒng)的主軸概念，使用三軸來(lái)控制A、B軸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)傳統(tǒng)的螺距插補(bǔ)已經(jīng)不能滿足補(bǔ)償要求。歐美等國(guó)已經(jīng)相繼開發(fā)出了并聯(lián)三軸主軸方案及精度補(bǔ)償，國(guó)內(nèi)也在進(jìn)行并聯(lián)三軸主軸頭精度的補(bǔ)償及開發(fā)。該結(jié)構(gòu)具有速度高，剛度大，精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為制造業(yè)研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

21世紀(jì)出現(xiàn)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控加工裝備，需要不斷改善，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，各機(jī)床公司都會(huì)致力于這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)裝備的研制。Z3采用3－PRS機(jī)構(gòu)，提供給機(jī)床2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（A/B軸）和1個(gè)方向的移動(dòng)，該主軸擺頭概念已經(jīng)申請(qǐng)了德國(guó)、美國(guó)和加拿大發(fā)明專利。在中國(guó)，類似的主軸頭（圖1）方案被西安理工大學(xué)和天津大學(xué)分別遞交了發(fā)明專利申請(qǐng)，利用并聯(lián)三軸實(shí)現(xiàn)了A軸和B軸的控制，可以在空間±45°范圍內(nèi)任意角度進(jìn)行加工，減少了加工中AB軸轉(zhuǎn)換的時(shí)間，提高了工作效率。

德國(guó)DST公司生產(chǎn)的ECOSPEED系列機(jī)床在并聯(lián)三軸主軸頭控制上已經(jīng)比較成熟，Ecospeed系列數(shù)控裝備能滿足高精密零件高速加工需要，加工效率比其他類型設(shè)備提高1～3倍，在歐洲許多大型數(shù)控加工廠獲得了應(yīng)用。美國(guó)Cincinnati機(jī)床公司也從德國(guó)引進(jìn)了Sprint Z3主軸頭制造技術(shù)。

國(guó)內(nèi)由清華大學(xué)牽頭，沈陽(yáng)中捷機(jī)床廠等生產(chǎn)的并聯(lián)機(jī)床也相繼問世。

2 虛擬軸簡(jiǎn)介

并聯(lián)三軸主軸頭在中國(guó)被稱為“虛擬軸”，推翻固定坐標(biāo)軸的概念，將Z向三軸控制AB在空間±45°內(nèi)任意轉(zhuǎn)換。以德國(guó)DST公司生產(chǎn)的ECOSPEED為例，介紹并聯(lián)三軸主軸頭。這種并聯(lián)三軸方案主要采用三轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)球鉸來(lái)滿足機(jī)構(gòu)的姿態(tài)要求（如圖2）任何方向45°偏轉(zhuǎn);偏轉(zhuǎn)定位速度達(dá)80°/s;角加速度685°/s2。

并聯(lián)三軸主軸頭由3個(gè)支撐板以120°分度定位，并與重肋形圓柱體裝配式鋼制箱相連（如圖3），在每個(gè)座板上均裝有線性導(dǎo)軌，帶有一個(gè)與滾動(dòng)塊相連的鞍架，可前后移動(dòng)。鉸鏈連接臂與鞍架的前端相連。另一端合并成一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，支撐帶有內(nèi)置電主軸的平臺(tái)。滾珠絲杠和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑板。通過在Z向上單獨(dú)移動(dòng)3個(gè)滑板，在±40°范圍內(nèi)的任何主軸空間角度均可實(shí)現(xiàn)。通過3個(gè)滑板在Z向上的聯(lián)動(dòng)，電主軸在Z向上水平移動(dòng)。每根縱向軸均有其自己的線性測(cè)量系統(tǒng)。一種特殊運(yùn)算法則將TCP編程的參數(shù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床的定位參數(shù)。

3 SIEMENS 840D系統(tǒng)撓度補(bǔ)償?shù)慕榻B

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，其補(bǔ)償數(shù)據(jù)不是用機(jī)床數(shù)據(jù)描述，而是以參數(shù)變量，通過零件程序形式或通用啟動(dòng)文件（_INI文件）形式來(lái)表達(dá)。描述如下:

（1）$AN_CEC［t，N］:插補(bǔ)點(diǎn) N 的補(bǔ)償值，即基準(zhǔn)軸的每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于補(bǔ)償軸的補(bǔ)償值變量參數(shù)。

（2）$AN_CEC_INPUT_AXIS［t］:定義基準(zhǔn)軸的名稱。

（3）$AN_CEC_OUTPUT_AXIS［t］:定義對(duì)應(yīng)補(bǔ)償值的軸名稱。

（4）$AN_CEC_STEP［t］:基準(zhǔn)軸兩插補(bǔ)點(diǎn)之間的距離。

（5）$AN_CEC_MIN［t］:基準(zhǔn)軸補(bǔ)償起始位置。

（6）$AN_CEC_MAX［t］:基準(zhǔn)軸補(bǔ)償終止位置。

（7）$AN_CEC_DIRECTION［t］:定義基準(zhǔn)軸補(bǔ)償方向。其中:$AN_CEC_DIRECTION［t］=0，補(bǔ)償值在基準(zhǔn)軸的兩個(gè)方向有效;$AN_CEC_DIRECTION［t］=1，補(bǔ)償值只在基準(zhǔn)軸的正方向有效，基準(zhǔn)軸的負(fù)方向無(wú)補(bǔ)償值;$AN_CEC_DIRECTION［t］= －1，補(bǔ)償值只在基準(zhǔn)軸的負(fù)方向有效，基準(zhǔn)軸的正方向無(wú)補(bǔ)償值。

（8）$AN_CEC_IS_MODULO［t］:基準(zhǔn)軸的補(bǔ)償帶模功能。

（9）$AN_CEC_MULT_BY_TABLE［t］:基準(zhǔn)軸的補(bǔ)償表的相乘表。這個(gè)功能允許任一補(bǔ)償表可與另一補(bǔ)償表或該表自身相乘。

虛擬軸的精度補(bǔ)償包含有激光精度補(bǔ)償及幾何精度補(bǔ)償，這里介紹幾何精度的補(bǔ)償。以窩式虛擬軸機(jī)床為例，在虛擬軸Z方向伸出下墜的情況下，首先應(yīng)用并聯(lián)三軸對(duì)主軸的方向進(jìn)行修正，然后補(bǔ)償Y軸使其補(bǔ)償后垂直位置沒有變化，最終達(dá)到良好的精度效果。

4 虛擬軸撓度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

虛擬軸的撓度補(bǔ)償分為3個(gè)步驟逐一進(jìn)行，首先在垂直全程進(jìn)行補(bǔ)償（Z軸對(duì)Y軸的補(bǔ)償），其次是主軸方向的補(bǔ)償（Z軸對(duì)Z軸的補(bǔ)償），最后為Y軸對(duì)于Z軸的補(bǔ)償（Y⊥Z補(bǔ)償）。

4．1 垂直運(yùn)動(dòng)中Z軸對(duì)Y軸的補(bǔ)償

將電子水平儀安裝于并行主軸上方（如圖4）。移動(dòng)Y軸進(jìn)行檢測(cè)。

測(cè)量時(shí)移動(dòng)Y軸，每500 mm距離記錄一次結(jié)果。將記錄結(jié)果寫入差值（表1）中。Y坐標(biāo)值為設(shè)定補(bǔ)償步距的坐標(biāo)，差值為測(cè)量中水平儀的讀數(shù)值，補(bǔ)償值是經(jīng)過計(jì)算得出的最終結(jié)果。計(jì)算得知該補(bǔ)償因素為+0.4，則寫入CEC補(bǔ)償值中:補(bǔ)償值=差值×補(bǔ)償因素。如:在Y坐標(biāo)為－750 mm的點(diǎn)時(shí)，測(cè)量差值為－0.01 mm，則寫入CEC2文件的補(bǔ)償值應(yīng)為 －（－0.01）×0.4=0.004 mm。

表1

寫入以下程序CEC2．MPF中:

在輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)后，在自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行程序CEC2．MPF，再經(jīng)過NCK重新啟動(dòng)，Z軸對(duì)Y軸方向的補(bǔ)償完成。

通過這個(gè)補(bǔ)償，可以使并聯(lián)三軸主軸頭在沿Y方向運(yùn)行時(shí)保持主軸與Z方向坐標(biāo)平行，是調(diào)整撓度補(bǔ)償?shù)那疤釛l件。

4．2 并聯(lián)三軸中Z軸對(duì)Z軸的精度補(bǔ)償

并聯(lián)三軸主軸頭的重要一點(diǎn)為在主軸伸出時(shí)，由于重力影響導(dǎo)致主軸下墜。由于并聯(lián)三軸主軸頭的特殊關(guān)系，補(bǔ)償必須利用3個(gè)Z軸互動(dòng)將主軸抬起以達(dá)到減小撓度帶來(lái)的誤差。如圖5中所示，運(yùn)行Z軸動(dòng)作，將電子水平儀放置于主軸上端，設(shè)定每步距為50 mm。

不同的步距會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償變量因素有所變化。其中Z軸的補(bǔ)償精度也包含了Z1、Z2和Z3軸的精度補(bǔ)償。同上所述，補(bǔ)償值=測(cè)量值×0.4。將補(bǔ)償值寫入CEC2．SPF中，程序大概為:

Z軸對(duì)Z軸的補(bǔ)償是利用并聯(lián)三軸主軸頭原理，對(duì)互為120°夾角的Z軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將其抬起，使其對(duì)整個(gè)主軸進(jìn)行撓度補(bǔ)償?shù)男Ч５荶軸抬起后會(huì)影響Y軸有所變化，所以必須進(jìn)行第三步（Y軸對(duì)Z軸的補(bǔ)償）。

4．3 Y軸對(duì)Z軸的補(bǔ)償

對(duì)于臥式并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，Y軸普遍采用雙驅(qū)控制，所以Y對(duì)Z軸的補(bǔ)償分為2個(gè)補(bǔ)償，即Y1對(duì)Z軸的補(bǔ)償和Y2對(duì)Z軸的補(bǔ)償。通常Y1和Y2的補(bǔ)償值是相同的，但是必須要分為2個(gè)文件來(lái)補(bǔ)償。如圖6所示，移動(dòng)Z軸獲得Y方向的誤差值。ZY的誤差補(bǔ)償系數(shù)為－1，則補(bǔ)償值=誤差值×（－1）。

寫入?yún)?shù)補(bǔ)償時(shí)注意Y1和Y2采用相同的補(bǔ)償值，其中Y1軸對(duì)Z軸的補(bǔ)償位置為$AN_CEC［25，* ］，Y2對(duì)Z軸的補(bǔ)償位置為$AN_CEC［26，* ］。在輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)后，在自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行程序CEC2．MPF，再經(jīng)過NCK重新啟動(dòng)，Y軸對(duì)Z軸方向的補(bǔ)償完成。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬軸是國(guó)際新興的先進(jìn)制造技術(shù)，已被譽(yù)為21世紀(jì)新型加工中心，并聯(lián)三軸主軸頭精度補(bǔ)償?shù)姆绞郊胺椒ㄒ恢笔菄?guó)外作為技術(shù)秘密不予透露。虛擬軸的獨(dú)特結(jié)構(gòu)確定了獨(dú)特的精度補(bǔ)償方式，虛擬軸的撓度補(bǔ)償必須根據(jù)一定順序先后進(jìn)行補(bǔ)償，并配合幾何精度測(cè)量，及激光精度補(bǔ)償，球頭RTCP精度補(bǔ)償以及40°精度補(bǔ)償一起，才能更好地發(fā)揮虛擬軸高精度的優(yōu)勢(shì)。并聯(lián)三軸主軸頭的撓度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)，將對(duì)并聯(lián)三軸主軸頭的研究及精度保證有很大的推動(dòng)作用。

［1］西門子．SINUMERIK 810D/840D 維修與調(diào)整 A2484［Z］．西門子中國(guó)有限公司，2004．

［2］西門子．SINUMERIK 840D數(shù)控參數(shù)說(shuō)明書［Z］．西門子中國(guó)有限公司，2004．

［3］DST maintenance manual high speed machining center［Z］．DS Technologie，2007．

［4］DST maintenance instruction．fundamentals siemens840D［Z］．DS Technologie，2007．