温度补偿在840D立卧加工中心上的应用一例

Siemens数控技术应用2021-02-20 16:52:20

摘要:本文阐述了西门子SINUMERIK 840Dsl温度补偿功能配合模拟量输入模块和热电阻PT100,在立卧加工中心的应用案例。从电气接线、调试与编程、热膨胀系数的测量与计算等方面着手,实现对该机型滑枕的温度补偿过程,对类似机型温度补偿的应用具有参考意义。

关键词:840Dsl;温度补偿;立卧加工中心


1.概述

金属材料具有“热胀冷缩”的性质,该特性在物理学上通常用热膨胀系数(Thermal Expansion Coefficient, αtherm)描述。铁的热膨胀系数为12×10-6m/℃,即随着温度的升高,单位长度(1m)的铁材料的形变量为0.012mm/℃。本立卧加工中心滑枕为3m长,理论上每升高1℃就会产生0.036mm的误差,该机型Y轴和Z轴的合格重复定位精度为0.009mm,远小于材料因温度升而产生的误差,显然温度对于该机型精度的影响是不容忽视的。即使精密机床在恒温的车间内工作,加工时主轴和齿轮箱因高速运动产生的热量也会使整个滑枕温度升高,因此必须对滑枕的热膨胀所产生的误差进行温度补偿。Sinumerik 840Dsl具有温度补偿的功能。该功能根据温度传感器采集机床的实时温度,利用已经计算好的机床热膨胀系数进行实时的补偿,从而消除由于热变形造成的误差,提升机床精度。

 

2.机型介绍

立卧加工中心,其行程为X3500 Y1000 Z1000,Y轴的轴身是集成了主轴系统和变速箱的滑枕,如图1,主轴可根据万能铣头进行立式、卧式的转换。



图1  Y轴的轴身是集成了主轴系统和变速箱的滑枕


3.电气调试

本文只列出与本题相关的组件,如图2 。(可横屏查看)

订货号

名称

6ES7331-7KF02-0AB0

模拟量输入模块 SM331;AI 8 x 12 位

6FC5372-0AA30-0AA1

SINUMERIK 840D sl NCU 720.3 PN

第三方

PT100热电阻

N/A

NC-Var—Selector

图2 与温度补偿相关的组件

 

3.1设置温度采集侧

3.1.1安装PT100

根据测量的要求,将两个PT100分别放置于铣头和变速箱中,PT100如图3。


图3 PT100的安装示意图

3.1.2 模拟量输入模块的接线

在模块的侧面,将所用到的两个通道的量程卡拨到A处


图4 量程卡位置示意图

 PT100的接线方式为四线制连接,如图5。


图5 PT100的接线方式示意图

 

3.1.3 模拟量输入模块的硬件配置

打开Step7的HW Config,将模拟量输入模块插入到ET200M站中,定义模拟量模块的输入地址,双击模块选择热电阻和PT100标准型电阻,如图6。


图6 模拟量输入模块的硬件配置

 

3.2 设置NC与PLC温度补偿接口

3.2.1 使用NC-VAR-Selector生成.awl文件

打开NC-VAR-Selector,点击新建,选择ncv_NcData.mdb,如图7。


图7 选择ncv_NcData.mdb

 在NC variable list里面单击右键,选择Search, filter variables,如图8。


图8 选择Search,filter variables

搜索MD43900,如图9。


图9 搜索MD43900

 双击所选到的参数,弹出对话框如图10,填写所需要的轴号。


图10 填写所需要的轴号

 点击确定后生成两个变量,分别是Y轴和Z轴,如图11。


图11 生成的两个变量

保存后,点击Code=》Generate生成“.awl”文件。供Step7使用,如图12。


图12 Generate生成“.awl”文件

3.2.2 生成MD43900的数据块

打开step7,在Sources中插入生成的 .awl文件,如图13。

图13 插入生成的.awl文件

打开生成的source,单击编译(Compile),即可在数据块中生成DB120。所生成的DB号可以在source中自行修改,如图14。

图14 编译生成DB块

 

3.3 编写PLC控制程序

3.3.1补偿值的算法

由于补偿值算法的PLC程序只涉及算术运算,因此只列出算法公式。

补偿值:ΔE          热膨胀系数:K

铣头温度:T1           齿轮箱温度:T2    

总装车间内的温度为22℃          ΔT1=T1-22      ΔT2=T2-22

Z轴的补偿值:ΔTy=K*ΔT1

Y轴补偿值:ΔE=K*ΔT2     

 

3.3.2 用FB3将补偿结果写入DB120

借助功能块 FB 3“PUT”,可通过 PLC 程序将变量写入 NC 区域。

通过控制输入“Req”的上升沿调用
FB 3执行一次任务,任务将“SD1”至“SD8”指向的数据写入到“Addr1”至“Addr8”所指向NC 变量。 写入完成后,状态参数“Done”上会显示逻辑“1”。出现的故障会通过“Error”和“State”显示。FB3程序如图15。

  

图15 FB3 功能块 

3.4 检查是否设置成功

检查温度补偿的类型是否为与位置无关的补偿32750=2H。

当轴回参考点后温度补偿值就立即生效。用打火机烧一下PT100,可以在以下两个位置看到补偿值的实时变化,如图16、图17。


图16 在轴诊断中看到温度补偿数据


图17 在MD43900中看到温度补偿数据

4. 热膨胀系数K的测量

热膨胀系数K的是否准确对补偿的效果来说至关重要。我们需要通过多次实验获取多组数据,通过描点法来确定热膨胀系数的平均值。


图18 Y轴和Z轴的测量方法

将千分表分别对Y轴和Z轴进行测量,如图18,将铣头以2000rpm的速度旋转(额定4000rpm),分别记录铣头温度T1、千分表Z轴度数、齿轮箱温度T2、Y轴度数,如图19。


铣头温度T1

Z轴度数

齿轮箱温度T2

Y轴读数

42

0

35.1

0

44.5

0.02

36.9

0.04

45.4

0.03

37.8

0.08

46.8

0.04

39.2

0.1

48.8

0.05

40.3

0.12

50.3

0.06

41.2

0.14

51.4

0.06

41.7

0.16

图19 测量数据

将数值在二维坐标上描点,得到拟合线,如下图20和图21,通过计算曲线得到斜率分别是:

Y轴:26*10-3 mm/℃

Z轴:6.5*10-3 mm/℃


图20 Z轴的描点拟合曲线

 


图21 Y轴的描点拟合曲线

 

5. 运行的效果

Y和Z轴的重复定位精度要求为0.009mm。如果不进行温度补偿,Y和Z在铣头冷热时的重复定位精度根本无法达到要求,铣头空载旋转15min后进行重复定位的误差已经超过了精度要求。进行了温度补偿后,温度的变化值通过热膨胀系数实时的补偿到NC中,经过测试在不同温度下重复定位误差在精度要求范围内。

 

6. 应用总结与展望

金属材料都存在热膨胀系数,在实际应用中需要对其热膨胀系数进行测量,通过840Dsl的温度补偿功能实时的将补偿值纳入运动控制插补运算中,以保证机床的精确性。

温度补偿分为两种:①与位置无关; ②与位置相关。与位置无关的温度补偿主要用于对滑枕的补偿,与位置相关的类型则主要用于行程较长的轴,例如龙门机床的X轴。在合适的场合建议客户使用840Dsl中与位置相关的温度补偿,增加机床的精度,提升客户的竞争力。


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