摘 要（yào）：針對大（dà）尺寸龍門銑床移動工作台熱變形（xíng）導致的熱（rè）誤差（chà）問題（tí），提出了一種基於SIEMENS 840D係統框架功能的熱誤差補償方法。采用機床測頭係統進行（háng）熱誤差的檢（jiǎn）測，並開發相應的數控係統宏程（chéng）序，利用西門子840D數控係統（tǒng）的框架功能實現龍門銑床工作台（tái）熱誤差的補償。驗證結果表明，該方法在環境溫度變化時，有效降低龍（lóng）門銑床工作（zuò）台熱（rè）誤差75%。
 
        關（guān）鍵詞：SIEMENS 840D；框（kuàng）架功能；熱誤（wù）差補償
 
        0 引言
 
       隨（suí）著航空技術的發展，現代航空結（jié）構（gòu）件出現整（zhěng）體化、大（dà）型化、複雜化、精度（dù）要求高的（de）特點，這些特點對加工設備的加工範圍及加工精（jīng）度提出（chū）了更高的要求，五（wǔ）軸數（shù）控龍門銑床較好的滿足了上述要求，日趨成為現代航空（kōng）結構件的主力（lì）加工設備，但同時五軸數控龍門銑床因為（wéi）結構尺寸（cùn）較大，運動行程長等原因，其加工精度容易受到溫度變化的影響（xiǎng）。大量研究表明，溫度變化所產生（shēng）的熱誤差已經是大型龍門銑床最大的誤差源，占該類機床總誤（wù）差的40%～70%[1,2,7]。
 
        針（zhēn）對數控（kòng）機床的熱誤差，國內外學者開展了大（dà）量的研究（jiū）工作並取得了相應（yīng）的成果，總體來看，目前對熱誤差的補償方法主要有三種（zhǒng）：溫度控製法，通過控製環境溫（wēn）度來減少機床熱誤差，措施包括增加保溫係統、恒溫倉等；熱穩定設計（jì）法，通過采用新材料、新工藝來減少機床在溫度變化時所產生的熱誤差；熱（rè）誤差（chà）補償法，通過檢測溫度與熱誤差，建立熱誤差模型通過軟件進行實時補償。針對（duì）已投產的機（jī）床，難以重（chóng）新進行熱穩定設計，而溫度控製需要搭（dā）建恒溫倉等，成本相對較高，尤其對於大型數控機床，因此通過（guò）軟件進行補償的熱誤差補償法成為機床行業的（de）研究熱點[3-5]，但該方法在實施過程中，需（xū）要在原（yuán）機床上布（bù）置傳感器及線纜，開發相應的軟件係統（tǒng），對機床的正常生產造成一定的（de）影響。
 
       本文立足於生產環境，在對機床正常加工生產影響最小的前提下（xià），提出了一種基於SIEMENS 840D數控係統框架功（gōng）能的數控龍門銑床工作台（tái）熱（rè）誤差檢測及補償方（fāng）法。
 
       1 、數控龍門銑床工作台熱（rè）誤差分析
 
       某數（shù）控（kòng）龍門銑床為橫梁固定（dìng）、工（gōng）作台移動式龍門銑床，該機床工作台尺寸（cùn）為10000mm×3000mm，其結構如圖1所示。

       圖1 某數控龍門銑床結構示意圖
 
       生產過程中某一時間段內通過複查工件原點得出的該機床熱誤差情況如表1所示。
 
 
                                                表1 數控龍門銑床（chuáng）熱誤差情況
      
      

      由圖1機床結構（gòu）示意圖和表1熱誤差測（cè）量結果可見，由於工作台長度達到10米，且工作台在X軸行程為10米，該機床X軸方（fāng）向熱誤差為最大熱誤差，該機床X軸工作台及（jí）位置（zhì）檢測反饋的構成如圖（tú）2所示。通過分析X軸位置檢測反饋及工作台構成，可以得出（chū）如下結論：複查工件原（yuán）點方式所表現的X向（xiàng）熱（rè）誤差產生的原（yuán）因（yīn）為工作台受溫度影響熱變形及光柵尺受溫（wēn）度影（yǐng）響所導致的熱伸縮量的綜合。本文主要對由於該原因所導致的龍門銑床的熱誤差進行補償。
 

                   圖2 X軸位置檢測反饋示（shì）意圖
 
      2 、工作台熱誤差檢測
 
      為了檢測環境溫度變化時，工作（zuò）台本身的熱（rè）伸縮量，在滿足相應檢測精（jīng）度的（de）前提下，並同時考慮實際生產使用（yòng）中（zhōng）的快捷性、方便性、可靠性，本文通過在工作台（tái）兩端安裝標準環，環境溫度變化時，使用機床配備的測頭係統進行兩標準環位置檢測，檢測值與環境溫度（dù）變化前的檢測值進行比較，得出（chū）該機（jī）床X軸熱誤差（chà）值，標準環位置檢（jiǎn）測示意圖（tú）如圖3所示。
  
  

      
                      圖3 工作台X向熱誤差檢測示意圖
 
      根據標準環預設位置以及測量（liàng）動作，開發測頭自動測量子程序，進行工作台端頭1標（biāo）準環位置（X1，Y1）和工作台（tái）端頭2標準（zhǔn）環位置（zhì）（X2，Y2）的自動（dòng）測量，兩標（biāo）準環之間的距離△L=X2-X1，環境溫度變化時，再次進行兩標準（zhǔn）環位（wèi）置及相（xiàng）互之間距離的測量。
 
      3 、SIEMENS 840D係統框架功能原理
 
      西門子840D係統框架功能規定各框架（jià）之間的關係如圖4所示。

      
            圖4 SIEMENS 840D係統各框架（jià）關係圖
 
      其中，坐標係下標含義如下：BKS為（wéi）基準坐標係，BNS為（wéi）基（jī）準零點坐標（biāo）係，ENS為可設定（dìng）的零點坐標係，WKS為工件坐標係。
 
      框架轉換可以（yǐ）通過給框架變量（liàng）賦值進行激活，框架變量與框架轉換之間的關係如表2中所示。
 
                       表2 框架表量與框（kuàng）架轉換關係
     

       框架變量之間存（cún）在的關係如下：
 
       $P_ACTFRAME=$P_BFRAME+$P_IFRAME+$P_PFRAME當$P_BFRAME、$P_IFRAME、$P_PFRAME發生變化時，$P_ACTFRAME會得到新（xīn）的對應值，工件坐標係WKS會同步發生相應（yīng）的變化，本文基（jī）於這一原理，利用西門子（zǐ）840D係統框架功能對龍（lóng）門銑床工作台熱（rè）誤差（chà）進行補償[6,8]。
 
       4 、龍門銑床工作台熱（rè）誤差補償
 
       龍門（mén）銑床工作台熱變形前後的變化如圖5所（suǒ）示
  
  

        
                          圖5 龍門銑床工（gōng）作台熱變形示意圖
 
        該類機床中，工作台坐（zuò）標係為加（jiā）工過程中的基（jī）準坐標係（xì）BKS，若要利用（yòng）西門子840D框架功能進行工作台熱變形誤差的補償，需要得知工（gōng）作台的熱膨脹比及偏移量，根據圖5所示和前文所（suǒ）述工作（zuò）台熱誤差（chà）檢測方法，可以得出工作台熱膨脹比：

        TEMP_SCALE=Lme-Lloc=(X2’-X1’)/(X2-X1) (1) 

        其（qí）中，TEMP_SCALE為工作台熱膨（péng）脹比，Lme為工作台熱變形後測得的兩固定（dìng）標準環之（zhī）間的距離，Lloc為（wéi）熱變形前測得的兩標準環之間的距離，X1’、X2’為（wéi）工作台熱變形（xíng）後測得的兩標準環X向坐標值，X1、X2為工（gōng）作台熱變形前測得的兩標準環X向坐標值（zhí）。
 
        工作台的熱偏移量為：
 
        TEMP_SHIFT=（X1’/TEMP_SCALE）-X1 (2)
 
        其中，TEMP_SHIFT為工作台熱偏移量。
 
        將（jiāng）工作（zuò）台基準坐標係BKS的熱膨脹比及熱偏移（yí）量賦值至基準坐標係（xì）框（kuàng）架變量（liàng）$P_BFRAME中，實現龍門銑床（chuáng）工作台熱（rè）誤差補償。
 
        根據上述補償原（yuán）理開（kāi）發西（xī）門子840D數（shù）控係統子程序，其流程如（rú）圖6所示。
  
  

      
            圖6 補償（cháng）原理流程圖
 
       應用上（shàng）述補償方法（fǎ）對第1部分中（zhōng）介紹的數控龍門銑床進行補償驗證，測量補（bǔ）償（cháng）前後的工作台熱誤差，補償結果如表（biǎo）3所（suǒ）示。
 
                           表3 補（bǔ）償後工作台X方（fāng）向熱誤差表
        

       通過表可（kě）以看到，應用本文所介紹的補償方法，工作台熱誤差由補償前的0.12mm降低（dī）至0.03mm，誤差降低75%。