SINUMERIK 828D 數控系統溫度補償功能在數控機床的應用

陳 蔚，丁少博

（1.煙臺天成機械有限公司，山東 煙臺 264000；2. 武漢重型機床集團有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著各行各業的飛速發展，對零件的加工精度和表面質量要求越來越高，數控機床的高精度成為人們研究的重要課題。數控機床的不精確性是由以下原因造成：機床零部件和結構的幾何誤差；熱變形誤差；切削力變形；其他誤差源如機床軸系的伺服誤差、數控插補算法誤差等[1]。其中，熱變形造成的誤差約占機床總誤差的40%～70%[2～4]。所以，機床熱變形誤差的補償對于機床加工精度的提高有十分重要的作用[5]。劉朝華、李偉、劉志兵等[6～9]分別利用西門子840D/840Dsl數控系統實現了對機床溫度誤差補償的應用。SINUMERIK 828D 是一種緊湊型適用于精密車床和銑床的數控系統，其可滿足不同的安裝形式和性能要求，且可盡可能多的預設機床功能，大大減少機床調試時間，因而應用十分廣泛。本研究對SINUMERIK 828D 數控系統溫度補償功能進行了研究，并提出了溫度補償功能在數控機床上實現的硬件和軟件方案。最后，將方案應用于立式車床，驗證了該方法的可行性，并證明了SINUMERIK 828D 數控系統溫度補償能有效提高機床的精度。

1 溫度補償原理

由于環境溫度的變化和機械長時間運動，機床的機械部分會因為溫度的變化而有一定的變化量，機械的實際位置也會有所變化。為此，SINUMERIK 828D數控系統內部提供了溫度補償功能[10]。系統提供了兩種溫度補償方式：不基于位置的溫度補償和基于位置的溫度補償。不基于位置的溫度補償，在不同的位置溫度補償值是同一數值。基于位置的溫度補償，各位置溫度補償值與位置相關。如圖1 所示，即為溫度T條件下，補償值ΔKX與位置PX的關系。

圖1 某溫度下溫度補償值與軸位置關系

補償值ΔKX可擬合成如下直線公式：

其中：ΔKX為位置PX上的溫度補償值；K0（T）為與位置無關的溫度補償值；PX為軸的實際位置；P0為軸參考點位置；tanβ（T）為位置相關溫度補償系數。

讓機床在不同的溫度下連續的運動，在固定間距位置測量位置的變化值，然后根據測量值做出不同溫度下補償曲線圖，求出斜率tanβ（T），并將不同的斜率tanβ（T）寫入NC 參數SD43910。

2 補償方案

根據溫度補償基本原理，選擇基于溫度位置的溫度補償的方式即設置NC 參數MD32750=2。通過在不同溫度下軸位移的測量，繪制軸位移誤差曲線，建立圖1 的數學模型，即求出tanβ（T）、P0和K0（T），其中tanβ（T）是關于溫度T的函數。數控系統通過PLC 實時對溫度測量，實時更新計算出tanβ（T）傳送到NCK中，NCK 根據公式（1）計算出補償值，并且在每個插補周期內對軸位移進行修正，從而完成溫度補償。

2.1 硬件設計

鉑電阻溫度傳感器（PT100）精度高，穩定性好，測量溫度范圍廣，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用。故選用PT100對溫度進行采集，其測量范圍為-50 ℃～100 ℃，誤差為±0.15，完全符合機床溫度的測量。828D 數控系統PLC 可通過SIEMENS PP 72/48D 2/2A PN 外設模塊擴展出2 路模擬量輸入，將PT100 接于其中1 路（圖2），電壓模擬信號便可轉化為溫度數字信號，進行補償計算。

圖2 PP 72/48D 2/2A PN 板接線

2.2 軟件設計

SINUMERIK 828D 數控系統集成的是S7-200 PLC，要完成實時溫度補償需要PLC 實時對溫度補償值進行計算，并將其寫入數控系統相應的參數中。利用工程軟件PLC Programming Tool 對S7-200 PLC 編寫程序。首先，PLC 實時連續10 次讀取機床溫度并求均值，其具體程序如下：

DTR DB9020.DBD0，DB9020.DBD4 //測量值類型由雙整數轉換為實數

利用828D 數控系統PLC 讀/寫NC 數據的功能，可將PLC 計算出的斜率以固定的周期刷新寫入NCK中SD43910（TEMP_COMP_SLOPE）參數下[11]。

建立如圖3 所示變量表，并編寫如下程序，對TEMP_COMP_SLOPE 參數進行刷新。

圖3 PLC 程序NC 變量表

3 試驗驗證

本研究選用某公司生產的立式車床X軸為補償對象，設置NC 參數MD32750=2，將PT100 安放于立式車床橫梁靠近X軸絲杠處。使用激光干涉儀對X軸位移進行位移測量（圖4）。為了試驗結果明顯，選取X軸移動2500 mm 的位移值來試驗。補償前，多次測量X軸移動2500 mm 處位移偏差，并根據機床的實際設置建立公式（1）數學模型，K0（T）為0、P0為3918 mm 并將值實時寫入程序中。補償后，再次測量記錄X軸移動2500 mm 處位移值，具體數據見表1。

圖4 激光干涉儀測量

表1 不同溫度下X 軸未加溫度補償和加溫度補償2500mm 處定位誤差

由表1 可以知，未補償機床X軸最大定位誤差0.07 mm，補償后機床X軸最大定位誤差0.02 mm，這既證明了溫度誤差補償能有效提高機床的加工精度，也證明了本研究提出的溫度補償實現方法可行。

4 結論

本文對SINUMERIK 828D 數控系統溫度補償功能進行了分析與研究，并提出了828D 數控系統溫度補償功能在數控機床上實現的方法，且進行了具體的硬件設計和軟件設計。針對某型號的立式車床，以其X軸為試驗對象，進行了該方法可行性的驗證。試驗結果也證明SINUMERIK 828D 數控系統溫度補償能有效提高機床的精度。