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1  引言

    金屬材料具有“熱脹冷縮”的性質(zhì)，該特性在物理學(xué)上通常用熱膨脹系數(shù)（Thermal Expansion Coefficient, αtherm）描述。數(shù)控機(jī)床的床身、立柱、拖板等導(dǎo)軌基礎(chǔ)件和滾珠絲杠等傳動部件一般由金屬材料制成，由于機(jī)床驅(qū)動電機(jī)的發(fā)熱、運(yùn)動部件摩擦發(fā)熱以及環(huán)境溫度等的變化，均會對機(jī)床運(yùn)動軸位置產(chǎn)生附加誤差，這將直接影響機(jī)床的定位精度，從而影響工件的加工精度。對于在普通車間環(huán)境條件下使用的數(shù)控機(jī)床尤其是行程較長的落地式銑鏜床，熱膨脹系數(shù)的影響更不容忽視。以行程為5米的X軸來說，金屬材料的熱膨脹系數(shù)為10ppm(10µm/m?℃)，理論上溫度每升高1℃，5米行程的X軸就“脹長”50µm。日溫差和冬夏季節(jié)溫差的影響便可想而知。因此高精度機(jī)床要求在規(guī)定的恒溫條件下制造或使用，普通環(huán)境下使用的數(shù)控機(jī)床為保證較高定位精度和加工精度，須使用“溫度補(bǔ)償”等選件功能消除附加誤差。在交大昆機(jī)科技股份有限公司大型落地銑鏜床上，人們對840D系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償功能進(jìn)行了一些研究應(yīng)用，相關(guān)問題描述如下。

2  840D系統(tǒng)溫度補(bǔ)償原理

    機(jī)床坐標(biāo)軸的定位誤差隨溫度變化會附加一定偏差，對每一給定溫度可測出相應(yīng)的定位誤差曲線，為了完成溫度補(bǔ)償需要測出不同溫度下的定位誤差曲線。如圖1為一組實(shí)驗(yàn)曲線，測量條件是：以22度誤差曲線為基準(zhǔn)，在行程500mm-1500mm范圍內(nèi)不停的運(yùn)動加熱機(jī)床，每隔20分鐘做一次定位誤差測量采樣，采樣間隔100mm，并用點(diǎn)溫計記錄滾珠絲桿的溫度。因此一定溫度T的定位誤差曲線可以表示為如圖2所示的直線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

    ΔK_X(T)=K₀(T)+tanβ(T)?(P_X-P₀)                 (1)

式中：
ΔK_X(T)―軸PX位置的定位誤差溫度偏差（補(bǔ)償）值；
K₀(T)―與軸位置不相關(guān)的溫度偏差（補(bǔ)償）值；
P_X―軸的實(shí)際位置；
P₀―軸的參考點(diǎn)位置；
tanβ(T)―與軸位置相關(guān)的溫度補(bǔ)償系數(shù)（定位誤差曲線的梯度）。
式(1)中，其梯度tanβ(T)和軸位置不相關(guān)溫度補(bǔ)償值K0(T)均是隨溫度變化的函數(shù)。

如圖4取T₀=23℃，T_max=42℃，TK_max=270µm/1M。
因此，tanβ(T)=( T-23℃)?14.21 [µm/1M]          (4)
    PLC程序采樣溫度T，用(4)式計算tanβ(T)值并周期性地刷新NC機(jī)床參數(shù)MD=TEMP_COMP_SLOP。PLC程序設(shè)計如下：
    OB23    //定時調(diào)用組織塊：用PT100 RTD測量溫度并計算tanβ值，傳送至NC刷新機(jī)床參數(shù)
    NETWORK 1 
    ……
    L        0
    T        MD196    // 清除 MW196 和 MW198.
    L        B#16#10
    T        MW250    // 在MW250中裝入1℃數(shù)字量=16
    L        B#16#4000
    T        MW252      // 0℃偏置量=4000
    ……                  // 
   
    NETWORK 2 
    L         IW500       // X軸采樣溫度值
    T         MW200     // 把采樣溫度數(shù)字量裝入MW200
    L         IW200
    L         IW252
    -I                // 減去0℃偏置量
    T         MW198
    L         MW250
    /I                      // 除以1℃數(shù)字量
    T         MW196
    L         B#16#10
    *I                      // 余數(shù)乘以10
    L         MW250
    /I                      // 10*余數(shù)/16=一位小數(shù)點(diǎn)的數(shù)
    L         MW196
    T         MW160  // 保存一位小數(shù)點(diǎn)的數(shù)，即溫度小數(shù)值*10
    L         0
    T         MW198  // 刪除MW198中的值
    L       B#16#10
    *I                // 溫度整數(shù)值乘以10
    L         MW160
    L         MW200
    +I                 // 溫度整數(shù)值*10+溫度小數(shù)值*10
    L        MW200
    T        DB103. DBD220  // 傳送結(jié)果到DB103. DBD220
    ……                     //

    NETWORK 3 
    A          M78.4        //滿足啟動條件
    AN        M78.1
    AN        M78.2
    AN        M78.3
    S          M78.1         //設(shè)置傳送啟動
    CALL      FC3,DB105
    IN0   :=M78.1             //傳送啟動
    IN1   :=1                  //傳送數(shù)量
    IN2   :=DB103. TEMP_COMP_SLOP  //傳送至NC參數(shù)
    ……
    OUT34:=M78.2              //傳送完成
    OUT35:=M78.3              //無故障
    OUT36:=DB103. DBW119     //傳送狀態(tài)
    IO37  := DB103. DBD220     //采樣溫度值
    ……
    A          M78.4
    AN        M78.1
    AN        M78.2
    AN        M78.3
    R          M48.4           //復(fù)位啟動條件
    A          M78.1
    A(
    O         M78.2
    O         M78.3
    )
    R          M78.1            //復(fù)位啟動信號
    ……                

    NETWORK 6                // 程序結(jié)束
    END