加工中心溫度補償節能降耗方案的策劃與實施

魯文章　陸勇　韓偉　黃新宇　萬陽　楊萬平

摘 要：我司發動機機加工線目前的加工環境溫度要求一直按照德國進口加工設備驗收時的溫度參數要求進行控制，以保證部分精加工機床的關鍵尺寸位置度符合要求。我們在加工中心溫度敏感位置增設溫度傳感器，分析出溫度變化對遠距離定位孔位置度的影響，并將總結出的變化關系通過西門子高級編程技術，編入機床系統中，最終實現實現溫度補償功能，有效減少了機加工空調開啟時間，降低電能的浪費。關鍵詞：加工中心;溫度監控;自動補償;節能降耗中圖分類號：U466? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-164-03

Abstract： The current processing environment temperature requirements of our engine machining line have been controlled according to the temperature parameters of German imported processing equipment， in order to ensure that the key size and position of some finishing machine tools meet the requirements. We add temperature sensor to the temperature sensitive position of machining center， analyze the influence of temperature change on the position degree of long distance positioning hole， and incorporate the summarized change relationship into the machine tool system through Siemens advanced programming technology， so as to realize the function of temperature compensation， effectively reduce the opening time of machining air conditioning and reduce the waste of electric energy.Keywords： Keywords machining center; Temperature monitoring; Automatic compensation; Energy saving and consumption reductionCLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）01-164-03

1 引言

機加工車間是我司發動機最主要的自制件生產車間;生產線擁有德國、日本進口的先進加工中心45臺，以及2臺全自動精密測量儀等精密自動化設備;車間采用全密封設計，并配置大功率空調系統，同時擁有專業的溫濕度監控系統，可全方位，立體化的監控車間不同區域，不同高度的實際溫度變化;為避免環境溫度過高，床身、導軌等部件受熱脹冷縮影響出現定位誤差的現象，加工中心夏季生產環境溫度一直要求控制在25℃以內，所以車間空調必須長時間開啟，但這也是導致本車間年度耗電量超過整個發動機公司總耗電量一半以上的關鍵因素之一。

2 車間環境溫度上限提高后的可行性分析

根據設備廠家的意見及早期試生產時的三坐標報告記錄，發現加工環境溫度超過25℃時，缸體火力面兩個?10mm定位銷孔的位置度（下圖10101和10102孔）波動較大，且極少數件會出現超差。

所以如果要想提高加工環境溫度上限，則必須解決10101孔和10102孔位置度超差的問題;

我們從位置度的計算公式（）分析影響因素：

X ----定位銷孔X向理論值Xa----定位銷孔X向實際值

Y ----定位銷孔Y向理論值Ya----定位銷孔Y向實際值

可以看出來，影響銷孔位置度的主要因素就是定位銷孔的X向實測值和Y向實測值;

我們調查分析了夏季和冬季溫度定位銷孔位置度超差件的X/Y向實測值，如下：

從左邊分析圖可以看出：超差件的X向偏移值均明顯大于Y向偏移值，且隨著季節或環境溫度變化，影響著超差件的X向偏移值及偏移方向。

所以我們如果能控制X向偏移值在一定范圍內，且不會隨著溫度的變化，產生明顯差異，則調整環境溫度上限的方式是可行的。

3 確認關鍵溫度測量點

我們就溫度方面影響加工中心定位精度的因素進行了分析;

通過上圖分析可以看出，室內/外溫度及切削液溫度都會對床身溫度造成影響，而床身溫度的變化直接關系加工中心定位精度的變化。

所以，如果我們能將床身溫度和加工中心X向偏移值之間的關系找到，并結合信息化和數控編程技術，使得定位銷孔加工時，X向位移量同步進行補償，則有望解決環境溫度升高，對機床定位精度的影響。

4 找出床身溫度和位置度偏差之間的關系

4.1 溫度tm的測定

根據對加工中溫度影響的分析，我們決定選取加工中心床身主體底部，安裝溫度檢測傳感器（圖4）。

在電氣工程師的幫助下，將傳感器測量的結果校準并轉化成數字信號，再傳輸到加工中心西門子操作系統中的$A_DBW[56]系統變量里（可在參數→系統變量界面查詢），以實現NC程序條件對比和判斷。

4.2 溫度補償量XP和XM的測定方案

當tm=n℃，加工一個工件，并送往恒溫測量室內的三坐標測量儀測量兩銷孔相對坐標系零點的正方向偏移量XP及負方向偏移量XM;

XP =X（10102）-Xa（10102）? …… 10102孔到基準孔的X向實測尺寸和圖紙尺寸之差;

Xm=X（10101）-Xa（10101）? ……10101孔到基準孔的X向實測尺寸和圖紙尺寸之差。

盡管本市冬季最低氣溫（-13℃）和夏季最高氣溫（43℃）范圍很大，但在車間良好的保溫措施下，整個年度加工中心床身溫度的變化幅值充其量只有10～20℃左右，所以根據測定方案，我們對床身10～30℃的溫度區間內做補償量的分析。

5 利用西門子高級編程實現溫度智能補償功能

--------設置補償值變量---------

N1560 IF LV_TEMPCOMP==1=1溫度補償打開;=2溫度補償關閉

N1570 CALL "/_N_WKS_DIR/_N_SHARED_PROG_ WPD/_N_L_TEMPCOMP_OP110_SPF";

跳轉到溫度補償子程序

N1580 ENDIF

-------將補償規律以宏程序的方式編入子程序中-------

N100 R740=$A_DBW[56]/10;轉換系統變量中的溫度單位;

N200 IF （R740 <= 30） AND （R740 > 29）當29℃<床身溫度≤30℃;

N300 GV_X_MINDIR=0.037 =XM（29～30℃時，偏移量為0.037mm）

GV_X_PLUSDIR=-0.008 =XP（29～30℃時，偏移量為-0.008mm）

N400 ENDIF

N500 IF （R740 <= 29） AND （R740 > 28）當28℃<床身溫度≤29℃;

N600? GV_X_MINDIR=0.035 ?=XM（28～29℃時，偏移量為0.035mm）

GV_X_PLUSDIR=-0.006 =XM（28～29℃時，偏移量為0.006mm）

N700 ENDIF

;

省略11～28℃條件判斷程序段;

;

N5900 IF （R740 <= 11） AND （R740 > 10）

N6000? GV_X_MINDIR=-0.001

GV_X_PLUSDIR=0.023

N6100 ENDIF

N6200 IF （R740 <= 10） AND （R740 > 9）

N6300? GV_X_MINDIR=-0.003

GV_X_PLUSDIR=0.025

N6400 ENDIF

同理，當10℃<床身溫度≤28℃，參考溫度補償表，給

XP和XM兩個補償變量賦入對應的補償值;

-------在主程序定位銷孔加工中實現補償功能------

N8560 OP95_AUTO：

N8570 MSG （"OP95：Step drill + chamfer? D9.7 / 1，26*30 degree， 1 01 01， 1 01 02"）

N8580 G0 G54 G60 X=486.85+（GV_X_PLUSDIR） Y=247.75 B=DC（0） D1;

10102#孔X方向定位時增加GV_X_PLUSDIR補償變量，系統根據子程序中賦值的補償值，直接在X向定位時補償進去;

N8590 LBL_T201_1：

N8600 R0=494.7 R3=1 R5=5 R6=（2.5+2） R61=3

N8610 L109

N8620 ENDLABEL：

N8630 G0 G509 X=（486.85-917.6）+（GV_X_MINDIR） Y= （247.75-125.75） ;1 01 01

10101#孔X方向定位時增加GV_X_MINDIR補償變量，系統根據子程序中賦值的補償值，直接在X向定位時補償進去。

6 加工中心溫度補償方案實施結果匯總

通過傳感器技術+西門子系統高級編程，實現機床定位精度智能補償功能，使得環境溫度超過25℃的情況下，仍然能夠保證機床定位精度符合質量要求。

2019年我們初步將夏季溫度上限從原來的25℃調整到27℃，僅這個夏季單臺自制件的空調電耗就從原來的89.32K wh/臺降至78.03Kwh/臺。

7 結語

實踐證明，通過傳感器技術總結出不同溫度下工件定位銷孔的位置度變化規律，結合加工中心數控編程技術，成功實現了軸定位溫度補償功能，降低了加工中心對車間環境溫度的要求，為公司實現今年的節能降耗目標，起到了重要作用。

參考文獻

[1] 秦友軍，鐘靖.自動溫度補償原理與調節方法.科技視界.[J]2016（26）.

[2] 何春燕.基于西門子840D數控系統的三軸加工中心誤差檢測與補償技術.[J]機械制造及其自動化.2014（05）.