基于SIEMENS 840D框架功能的龙门铣床热误差补偿方法

The compensation method for thermal error of gantry type milling machine based on SIEMENS 840D frame function

李连玉，宋智勇，夏远猛，乔永忠，陈学振

LI Lian-yu, SONG Zhi-yong, XIA Yuan-meng, QIAO Yong-zhong, CHEN Xue-zhen

（成都飞机工业（集团）有限责任公司数控加工厂，成都 610091）

摘 要：针对大尺寸龙门铣床移动工作台热变形导致的热误差问题，提出了一种基于SIEMENS 840D系

统框架功能的热误差补偿方法。采用机床测头系统进行热误差的检测，并开发相应的数控系统宏程序，利用西门子840D数控系统的框架功能实现龙门铣床工作台热误差的补偿。验证结果表明，该方法在环境温度变化时，有效降低龙门铣床工作台热误差75%。

关键词：SIEMENS 840D；框架功能；热误差补偿中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2016)11-0075-03

0 引言

随着航空技术的发展，现代航空结构件出现整体化、大型化、复杂化、精度要求高的特点，这些特点对加工设备的加工范围及加工精度提出了更高的要求，五轴数控龙门铣床较好的满足了上述要求，日趋成为现代航空结构件的主力加工设备，但同时五轴数控龙门铣床因为结构尺寸较大，运动行程长等原因，其加工精度容易受到温度变化的影响。大量研究表明，温度变化所产生的热误差已经是大型龙门铣床最大的误差源，占该类机床总误差的40%～70%[1,2,7]。针对数控机床的热误成果，总体来看，目前对热误差的补偿方法主要有三种：温度控制法，通过控制环境温度来减少机床热误差，措施包括增加保温系统、恒温仓等；热稳定设计法，通过采用新材料、新工艺来减少机床在温度变化时所产生的热误差；热误差补偿法，通过检测温度与热误差，建立热误差模型通过软件进行实时补偿。针对已投产的机床，难以重新进行热稳定设计，而温度控制需要搭建恒温仓等，成本相对较高，尤其对于大型数控机床，因此通过软件进行补偿的热误差补偿法成为机床行业的研究热点[3-5]，但该方法在实施过程中，需要在原机床上布置传感器及线缆，开发相应的软件系统，对机床的正常生产造成一定的影响。

本文立足于生产环境，在对机床正常加工生产影差，国内外学者开展了大量的研究工作并取得了相应的

响最小的前提下，提出了一种基于SIEMENS 840D数控系统框架功能的数控龙门铣床工作台热误差检测及补偿 方法。

1 数控龙门铣床工作台热误差分析

某数控龙门铣床为横梁固定、工作台移动式龙门铣床，该机床工作台尺寸为10000mm×3000mm，其结构如图1所示。

Z󰀃图1 某数控龙门铣床结构示意图

收稿日期：2016-08-29

基金项目：高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项：开放式高档数控系统、伺服装置和电机成套产品开发与综合 验证（2012ZX04001-012）

作者简介：李连玉（1986 -），男，山东泰安人，工程师，硕士研究生，研究方向为数控机床精度优化调整。

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生产过程中某一时间段内通过复查工件原点得出的该机床热误差情况如表1所示。

由图1机床结构示意图和表1热误差测量结果可见，由于工作台长度达到10米，且工作台在X轴行程为10米，该机床X轴方向热误差为最大热误差，该机床X轴工作台及位置检测反馈的构成如图2所示。通过分析X轴位置检测反馈及工作台构成，可以得出如下结论：复查工件原点方式所表现的X向热误差产生的原因为工作台受温度影响热变形及光栅尺受温度影响所导致的热伸缩量的综合。本文主要对由于该原因所导致的龙门铣床的热误差进行补偿。

测量子程序，进行工作台端头1标准环位置（X1，Y1）和工作台端头2标准环位置（X2，Y2）的自动测量，两标准环之间的距离△L=X2-X1，环境温度变化时，再次进行两标准环位置及相互之间距离的测量。

3 SIEMENS 840D系统框架功能原理

西门子840D系统框架功能规定各框架之间的关系如图4所示。

󰀃

图2 X轴位置检测反馈示意图

2 工作台热误差检测

为了检测环境温度变化时，工作台本身的热伸缩量，在满足相应检测精度的前提下，并同时考虑实际生产使用中的快捷性、方便性、可靠性，本文通过在工作台两端安装标准环，环境温度变化时，使用机床配备的测头系统进行两标准环位置检测，检测值与环境温度变化前的检测值进行比较，得出该机床X轴热误差值，标准环位置检测示意图如图3所示。

图4 SIEMENS 840D系统各框架关系图

其中，坐标系下标含义如下：BKS为基准坐标系，BNS为基准零点坐标系，ENS为可设定的零点坐标系，WKS为工件坐标系。

框架转换可以通过给框架变量赋值进行激活，框架变量与框架转换之间的关系如表2中所示。

表2 框架表量与框架转换关系

框架变量名称$P_BFRAME

框架转换BKS to BNSBNS to ENSENS to WKSBKS to WKS

󰀃

图3 工作台X向热误差检测示意图

$P_IFRAME$P_PFRAME$P_ACTFRAME

根据标准环预设位置以及测量动作，开发测头自动

表1 数控龙门铣床热误差情况

时间10-23 08:0010-23 11:0010-23 14:0010-23 17:0010-24 08:0010-24 11:0010-24 14:0010-24 17:00

环境温度2324.525.525.522.522.522.524.5

ΔX（mm）

0.020.090.10.120.040.050.090.05

ΔY（mm）

0-0.01-0.01-0.020.020.0200

ΔZ（mm）

0.030.060.060.060.020.040.070.03

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框架变量之间存在的关系如下：

$P_ACTFRAME=$P_BFRAME+$P_IFRAME+$P_PFRAME

当$P_BFRAME、$P_IFRAME、$P_PFRAME发生变化时，$P_ACTFRAME会得到新的对应值，工件坐标系WKS会同步发生相应的变化，本文基于这一原理，利用西门子840D系统框架功能对龙门铣床工作台热误差进行补偿[6,8]。

4 龙门铣床工作台热误差补偿

龙门铣床工作台热变形前后的变化如图5所示。

Lme

Llocd2'21'1图5 龙门铣床工作台热变形示意图

该类机床中，工作台坐标系为加工过程中的基准坐标系BKS，若要利用西门子840D框架功能进行工作台热变形误差的补偿，需要得知工作台的热膨胀比及偏移量，根据图5所示和前文所述工作台热误差检测方法，可以得出工作台热膨胀比：

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

其中，TEMP_SCALE为工作台热膨胀比，Lme为工作台热变形后测得的两固定标准环之间的距离，Lloc为热变形前测得的两标准环之间的距离，X1’、X2’为工作台热变形后测得的两标准环X向坐标值，X1、X2为工作台热变形前测得的两标准环X向坐标值。

工作台的热偏移量为：

TEMP_SHIFT=（X1’/TEMP_SCALE）-X1 (2)

其中，TEMP_SHIFT为工作台热偏移量。

将工作台基准坐标系BKS的热膨胀比及热偏移量赋值至基准坐标系框架变量$P_BFRAME中，实现龙门铣床工作台热误差补偿。

根据上述补偿原理开发西门子840D数控系统子程序，其流程如图6所示。

应用上述补偿方法对第1部分中介绍的数控龙门铣床进行补偿验证，测量补偿前后的工作台热误差，补偿结果如表3所示。

通过表可以看到，应用本文所介绍的补偿方法，工作台热误差由补偿前的0.12mm降低至0.03mm，误差降低75%。

⦃󰹗⏽󱑺󰦬󰣪󰟽⫼󱥶󰼈Ẕ⌟󱎹԰󰧄ϸッ󱷛󰞚⦃ԡ㕂䅵ㅫ󱎹԰󰧄⛁㝼㚔↨ǃ⛁󰘣⿏䞣ḍ󱥂䅵ㅫ㒧󱵰󱇍󰷎󰞚󰴤󱷛㋏Ḛ󱶊󰦬䞣䌟󰘐图6 补偿原理流程图

󰀃

表3 补偿后工作台X方向热误差表

时间

环境温度ΔX（mm）

11-10 08:0023011-10 11:00250.03411-10 14:00240.00311-10 17:00

23.5

-0.002

5 结论

本文利用西门子840D数控系统的框架功能实现了对龙门铣床工作台热误差的补偿，该方法具有操作简单，方便快捷的特点，对机床正常的加工生产影响很小；当环境温度变化时，采用本方法进行热误差补偿，能够减小龙门铣床工作台热变形对零件加工精度的影响，提高机床加工精度75%左右；

本补偿方法利用机床测头系统进行热误差的检测，根据测量值计算得出工作台的热伸缩量及热偏移量，充分利用SIEMENS 840D系统提供的框架转换变量，实现环境温度变化情况下龙门铣床工作台热误差的检测与 补偿。

参考文献：

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都:西南交通大学,2012.

【下转第84页】

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󰀃2）由空间位姿转换矩阵得到含参正运动学解析解，其结果适用于同种含平行四边形结构的6R工业机器人，代入ABB IRB4400工业机器人的相应参数数值，计算得到该型工业机器人的正运动学解，设定一组具有代表性的关节角作为计算算例，将结果与RobotStudio的结构进行对比分析可知，本文计算结果总体与RobotStudio结果相对误差总体≤±5ppm，绝对误差总体≤±3μm，异常结果主要与RobotStudio所设置的关节角有效值有关，其他误差因素包括本文运动学模型误差、舍入与截断误差、计算机计算传播误差、数值算法误差等。

3）对正运动学空间位姿闭环方程进行矩阵拆分、

(a) 手动第二轴运动位姿实物图

对含关节角的旋转矩阵对角化，构造关于逆运动学的六元非线性方程组。认为正运动学计算正确有效的前提下，设置一组关节角实验算例作为输入项，将正、逆运动学串联计算，得到研究对象的五组可能关节角组合，将结果与RobotStudio的结构进行对比，与RobotStudio结果同时保留到小数点后两位的条件下完全吻合，初步验证了逆运动学计算的正确性和有效性。

参考文献：

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(b) 手动第二轴运动分析示意图

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图10 国产某型6R工业机器人手动第二轴运动位姿示意图

3 结论

1）针对含平行四边形结构的6R磨抛工业机器人结构进行运动分析，确定了不同于传统6R工业机器人的D-H模型第2、3关节角参数，建立基于修正后的D-H参数的D-H模型。

【上接第77页】

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