主軸溫度補償技術在精密加工中心上的應用

隨著數控機床和精密加工的廣泛應用，人們對數控機床的加工精度提出了更高的要求，由機床溫度變化而引起熱變形造成的熱誤差及由機床切削力引起力變形造成切削力誤差是影響加工精度的關鍵因素，對于這些因素引起的誤差，僅通過機床結構優化設計提高機床精度，比較困難;在當前及其以后的很長的時間內，通過增加少量檢測零件，在機床數控系統內編制相應的補償功能模塊，將成為機床精度提高的重要發展方向。數控機床誤差動態綜合補償己列入國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”表明國家對數控機床誤差動態綜合補償技術的高度重視。機床誤差補償技術，在增加少量成本的情況下，能有效地提高數控機床的加工精度，且該力一法也較易實現。本文作者就精密加工中心主軸溫度補償技術的應用方面進行了探討，利用FANUC系統的PMC進行編程，將溫度補償軟件集成于系統內部，通過FANUCPICTURE編制相應的宜人操作界面，將溫度補償技術較好地應用于實際。最終通過實際驗證，說明本文方法的有效性。

1、主軸溫度補償實現的基本原理

開發的基于數控系統的軟件補償功能模塊，其控制方式為半閉環前饋控制，其補償原理是:利用系統的PLC程序計算出的補償值控制Z軸的運動(在此僅以Z軸為例，可擴展于其他軸)，從而保證刀具和主軸的相對位置準確。

1. 1 補償系統控制方式

補償功能模塊采用半閉環前饋補償的控制方式，其原理如圖1所示。在加工過程中，利用熱電倡檢測到的機床主軸和環境溫度變量，通過A/D轉換模塊將溫度值，再由數學模型計算出預測誤差，對外部機械原點進行偏移，從而修正加工誤差。采用半閉環前饋補償力方式時，選擇正確、合理的變量以及建立高精度的模型，是實現實時高精度誤差補償的關鍵。

圖1 半閉環前饋控制原理

1. 2 補償系統控制原理

圖2 系統內部模塊溫度補償控制原理圖

1. 3 補償系統軟件設計

主軸溫度補償系統的流程框圖如圖3

圖3 熱誤差補償控制系統軟件流程框圖

在補償過程中，PLC運算得到補償值輸入CNC控制器后，對預先輸入控制器中的數控加工程序中外部機械原點按補償值進行偏移，從而使誤差獲得補償。當機床開機即開啟溫度誤差補償線程，溫度實時補償每隔2 min便讀取一次溫度(可以通過讀數周期參數來實現補償周期的調整)，根據讀取的溫度值，通過PLC運算算出熱誤差值，使外部機械原點發生偏移，從而實現熱誤差的在線實時補償。其中PLC中主軸溫度補償用于機械原點偏移的梯圖程序如圖4所示。

圖4 外部機械原點偏移梯形圖

2、主軸溫度償系統界面設計

FANUC PICTURE界面設計軟件仿真程序運行界面設計如圖5所示。程序運行界面如圖6所示。

圖5 運用FANUC PICTURE設計界面

圖6 運行界面圖

3、現場FANUC系統截圖

圖7為FANUC系統的部分PLC截圖。

圖8中361累積補償脈沖(NC)的數值為Z軸的應補償數值，補償數據可在機床NC顯示屏上顯示。現場驗證溫度補償功能裝置如圖9所示。

圖7 FANUC系統的部分PLC截圖

圖8 外部機械原點偏移顯示位置

圖9 現場驗證溫度補償功能裝置

實踐證明該方法具有較好的效果。

4、結論

設計了集成于FANUC數控系統的熱誤差補償軟件系統。進行了熱誤差補償系統的原理和程序設計，并將熱誤差補償軟件系統在立臥式加工中心上得到了應用，并掌握該技術的核心，可推廣應用該技術，為進一步完善及廣泛實際應用該技術奠定了良好的基礎。

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