基于PLC測控的機床方滑枕撓度變形補償

王 兵 孫文才

（東阿阿膠股份有限公司 設備部，山東 聊城 252000）

0 引言

方滑枕變形問題是國內外生產方滑枕移動式數控機床的廠家所必須面對的主要難題之一，特別對于重型落地銑鏜機床而言，當方滑枕伸出量達到800—1800mm 時候，在自身及內部組件重力作用下，方滑枕伸出部分的變形量就比較大。如果使用附件，由于附件有的重達2 噸，其變形量最大達0.25mm，將嚴重影響加工產品平面度和加工粗糙度，也將影響數控銑鏜機床的整機精度。機床廠家為提高機床的精度和解決部件的變形問題，主要采用兩種方法：誤差預防法和誤差補償法[1-2]。誤差預防法是一種“硬技術”，主要是通過提高機床各部件的加工和制造水平等途徑來消除或減少可能的誤差源，也即靠提高機床各部件的制造加工精度來滿足生產機床的加工精度要求。

1 方滑枕變形的誤差補償原理

方滑枕是重型數控落地銑鏜機床加工系統中的重要部件，其前端伸出主軸箱后，由于自重及外加負載等原因引起的前端向下傾斜，也即常說的方滑枕的“低頭”現象。滑枕移動直線度誤差是指方滑枕前端運動軌跡偏離理想參考直線的誤差，它決定著滑枕進給軌跡的直線精度，是重型數控落地銑鏜機床的一項重要精度指標[3-4]。方滑枕移動直線度是保證方滑枕進給軌跡的直線性，直接影響加工工件的精度。一是，方滑枕移動直線度保證刀具移動的直線移動，進而保證加工工件的直線度及平面度。二是，方滑枕移動直線度影響滑枕端面與基準豎直面的平行度，進而影響鏜軸、銑軸的進給精度，并引起刀具安裝的角度誤差，這種誤差最后影響工件的加工精度和表面質量。

2 基于PLC 測控的方滑枕撓度變形補償方法

2.1 補償原理

方滑枕伸出時，由于自重等原因的影響，方滑枕產生撓度變形。方滑枕的位置由位置檢測元件光柵尺檢測并傳遞給數控機床，PLC 控制系統循環讀取方滑枕的位置信息并加以處理。PLC 將處理結果數據通過模擬量輸出模塊轉換為模擬量輸出給放大器，放大器驅動執行元件，最后控制液壓油管的油壓及拉桿拉力，達到補償的目的。

圖1 “回”字型矩形截面示意圖

2.2 拉桿拉力的計算

方滑枕上端對稱安裝兩個拉桿，拉桿拉力由多級油缸提供。通過給方滑枕兩端一個向上的彎曲力矩M，促使它向上彎曲以減小它的變形。將方滑枕簡化為懸臂梁，利用材料力學梁的彈性彎曲變形經驗公式，已知變形反求彎曲力矩M，然后確定拉桿的拉力。而拉桿拉力與油壓成正比，油壓又與液壓比例伺服閥的輸出電流大小成正比，同時電流與PLC 控制輸出的電壓量成正比，從而實現方滑枕的變形補償。根據材料力學的彈性梁彎曲經驗公式：

其中：y 為方滑枕Z 向變形量，x 為方滑枕的伸出量，M 為彎矩，E為彈性模量，I 為梁的慣性矩。

根據方滑枕的結構，其結構的截面可以簡化為“回”字型矩形面，其示意圖如圖1 所示，慣性矩I 由公式求得：

根據公式（1）、（2）即可求得彎曲力矩M。設作用在拉桿的拉力為F，拉桿距離X 軸中性面的距離d 為200mm，則拉力F、油壓P 可表示為：

其中：S 為油缸的橫截面積，直徑為60mm，P 為油缸油壓。

由公式（3）即可求得拉桿拉力F 和油壓P。自重下方滑枕的伸出量從300～1500mm 變化時，對方滑枕進行完全補償需要的拉桿拉力F和油壓P 的關系如表1 所示，圖2、圖3 為相應的曲線變化圖。

表1 伸出量x 與拉桿拉力F 和油壓P 的關系

圖2 拉桿拉力隨方滑枕伸出量變化圖

圖3 油缸油壓隨方滑枕伸出量變化圖

根據表1 的數據擬合得到拉桿拉力F（KN）隨方滑枕伸出量x（mm）變化的曲線公式為：

油缸油壓P（MPa）隨方滑枕伸出量x（mm）變化的曲線公式為：

由圖2、圖3 可以看出，方滑枕伸出量與拉桿拉力和油壓表現為非線性，兩條曲線非常相似。方滑枕的伸出長度較短時的補償拉力較大，在伸出量大約為550mm 時，所需拉力最小。

3 元件的選擇

3.1 執行元件

1）多級增壓油缸

方滑枕內部軸向設置多級增壓油缸，從而使液體的壓力能夠成倍增加。多級增壓油缸體積小，能滿足方滑枕內部空間小的要求，同時也能保證液壓油缸提供拉桿足夠的拉力。采用德國REXROTH 公司生產的ADS1-307985。

3.2 放大器

PLC 輸出0～10V 電壓信號，需要將電壓信號轉換為電流信號控制執行元件，選用與執行元件配套的VT—VSPA1—1 型電子放大器。它的工作電壓是24VDC，0～10V 電壓輸入對于0～2500mA（最大）電流輸出。

3.3 PLC

西門子的S7—300 是一款功能非常強大的PLC 控制系統，采用模塊化結構，多種接口模塊靈活配置，適用環境廣泛。

3.4 位置檢測元件

為與PLC 控制系統配套，采用HEIDENHAIN 生產的LB381 型光柵尺來檢測方滑枕的位置信號，其精度等級為2μm。

3.5 PLC 控制程序

1）實際位置信號檢測

數控機床根據光柵尺時時讀取方滑枕的位置信息并送入相應的地址，PLC 通過宏程序周期讀取該位置信息。其程序時序如圖4 所示。

圖4 程序時序圖

圖中：DQXH 為讀取請求信號，SHDZ 為數據地址信號，GZTZ 為故障停止信號，1—讀取數據開始，2—上升沿指示，讀取成功，3—讀取后復位，4—程序信號改變，5—開始信號在成功讀取前被復位，6—下降沿指示，讀取故障。

4 本文小結

本文對方滑枕的常用變形補償方法和原理進行了闡述，通過對方滑枕的進行補償，使得方滑枕滿足機床加工的精度要求，分析了方滑枕撓度變形補償方法，建立了拉桿拉力和油壓與方滑枕伸出量的關系曲線，編制了方滑枕撓度變形補償程序時序圖。

［1］R.Ramesh，M.A.Mannan，A.N.Poo.Error Compensation in Machine Tool—a Review PartⅠ：Geometrie，Cutting—Force Indueed and Fixture—Dependent Errors[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture.2000：1235－1256.

［2］曲波，王躍宏，王澤民，等.大型數控臥式銑鏜床滑枕移動傾斜的導軌補償[J].制造技術與機床，2008，10：3－4.

［3］劉文志.數控臥式銑床滑枕變形有限元分析及補償技術[J].制造技術與機床，2008，1：66.