基于西門子840D sl 系統的空間補償技術簡介

徐兆成，譚智，曹文智，馬曉波

（沈陽機床（集團）有限責任公司 高檔數控機床國家重點實驗室，沈陽 110142）

0 引言

機床的空間性能的好壞正在替代單軸精度作為機床定位性能的量度。特別是對于那些結構復雜、軸數多的機床來說，其誤差因素多達40 多種，因此將空間補償技術應用于數控機床是十分必要的。

本文對空間補償技術的產生及基本原理進行了簡介，同時將空間補償技術應用于西門子840D sl 系統上，并進行了相應的分析。

1 空間補償技術

空間補償已經成為一個工業上普遍承認的提高機床性能的方法。其原理是通過更新坐標測量系統的數字量輸出來消除機床的測量誤差，更復雜的問題是如何操縱機床使其準確定位。誤差模型是較為常見的，并且這種補償技術已經通過各種方法成功應用于專業設備上。然而，設計出一種能夠應用到不同制造商的通用機床上且低成本的解決方案是一項極大的挑戰。

人們在研究和工業實踐中已經嘗試了很多不同的補償應用技術，希望同時滿足高效、低成本并且能高速循環校正。被應用的系統的任何時間間隔都會導致錯誤的校正，造成實際空間精度變得更差。

例如，在PLC 中運行的補償系統會受到PLC 循環時間的限制，甚至有時在特定點上的補償會在2 個PLC周期后才能實施，這意味著對于大約8 m/min 的進給率來說，在補償值生效之前，會有超過2 mm 的偏移。在速度提高到100 m/min（快移）且誤差補償生效時，機床已經移動到該補償位置的20 mm 之外了。如果誤差值是快速變化的，補償值的生效時間就已經嚴重滯后了，當補償技術應用于快速移動的伺服擺頭時，實時性尤其成問題。

2 基于西門子840D sl 數控系統的補償

西門子840D sl 數控系統是一個開放式的控制器，它不僅允許用戶循環程序在Windows 環境下運行，也允許用戶循環程序在NC 進程中運行。這意味著補償算法可以作為一個集成的程序實時地在NC 循環中運行，避免了延時和操作中斷的問題。同時，通過VB 設計的人機界面（HMI）具有復雜而友好的數據輸入和故障診斷界面，而這些對于補償的實施效率沒有任何的影響。

考慮到將補償例程嵌入到NC 的中央處理器會影響到控制器的循環時間，系統被設計作為主控制循環的從動裝置運轉。這樣就可以使用處理器的空閑循環時間來實施補償，并且不會導致西門子核心軟件主要功能的中斷。

補償系統常駐控制器的一個特別優勢在于它使用控制器運算的分辨率，這是因為實施補償的軟件是用具有納米級存儲級別的“內部增量”進行運算的，這意味著補償精度也可以在這個級別上。與精度限制在微米級別的基于PC 機的補償系統相比，該方法能夠實現更好的精度和表面光潔度。

3 補償結果

通過激光干涉儀或其他測量設備測量每一個位置的誤差，從而得到幾何誤差的補償值。這些誤差數據被輸入到系統后，編譯生成補償表，并激活補償。

所有測量誤差的補償結果如圖1 所示，圖中所展示的垂直度和角度誤差都是軸運動中的最大線性誤差值，比如斜度（例如：X about Y）、擺動（例如：X about X）和偏角（例如：X about Z）。這些值正是影響刀具尖端定位能力的關鍵。

機床的空間定位精度是這些誤差線性組合的結果，通過在整個工作區間內推算測量誤差信息和定位能力的軟件可以計算出這個結果。對于未補償的機床，這個值大約在65 μm 左右，補償之后變為2 μm，減小了97%。這種定位精度的提高，使得這種普通標準的機床提升為高精度三坐標測量機。

圖1 線性、直線度和垂直度對比

4 結語

本文描述了空間補償系統在標準西門子840D sl 系統上的應用，這一補償系統可以應用于任意的三軸機床和多數的五軸機床上，該系統不需要額外的硬件和停機安裝的限制，只需要輸入參數和測量數據即可。

結果顯示補償功能提升機床的空間精度97%，補償結果精度可達2 μm，該結果已達測量儀器精度等級。

［1］沈金華，楊建國，王正平.數控機床空間誤差分析及補償［J］.上海交通大學學報，2008（7）：1060-1063.

［2］蔡祺祥.大型機床空間誤差補償技術（VEC）［J］.工具技術，2010（11）：104-105.