基于西门子840D sl 系统的空间补偿技术简介

徐兆成，谭智，曹文智，马晓波

（沈阳机床（集团）有限责任公司 高档数控机床国家重点实验室，沈阳 110142）

0 引言

机床的空间性能的好坏正在替代单轴精度作为机床定位性能的量度。特别是对于那些结构复杂、轴数多的机床来说，其误差因素多达40 多种，因此将空间补偿技术应用于数控机床是十分必要的。

本文对空间补偿技术的产生及基本原理进行了简介，同时将空间补偿技术应用于西门子840D sl 系统上，并进行了相应的分析。

1 空间补偿技术

空间补偿已经成为一个工业上普遍承认的提高机床性能的方法。其原理是通过更新坐标测量系统的数字量输出来消除机床的测量误差，更复杂的问题是如何操纵机床使其准确定位。误差模型是较为常见的，并且这种补偿技术已经通过各种方法成功应用于专业设备上。然而，设计出一种能够应用到不同制造商的通用机床上且低成本的解决方案是一项极大的挑战。

人们在研究和工业实践中已经尝试了很多不同的补偿应用技术，希望同时满足高效、低成本并且能高速循环校正。被应用的系统的任何时间间隔都会导致错误的校正，造成实际空间精度变得更差。

例如，在PLC 中运行的补偿系统会受到PLC 循环时间的限制，甚至有时在特定点上的补偿会在2 个PLC周期后才能实施，这意味着对于大约8 m/min 的进给率来说，在补偿值生效之前，会有超过2 mm 的偏移。在速度提高到100 m/min（快移）且误差补偿生效时，机床已经移动到该补偿位置的20 mm 之外了。如果误差值是快速变化的，补偿值的生效时间就已经严重滞后了，当补偿技术应用于快速移动的伺服摆头时，实时性尤其成问题。

2 基于西门子840D sl 数控系统的补偿

西门子840D sl 数控系统是一个开放式的控制器，它不仅允许用户循环程序在Windows 环境下运行，也允许用户循环程序在NC 进程中运行。这意味着补偿算法可以作为一个集成的程序实时地在NC 循环中运行，避免了延时和操作中断的问题。同时，通过VB 设计的人机界面（HMI）具有复杂而友好的数据输入和故障诊断界面，而这些对于补偿的实施效率没有任何的影响。

考虑到将补偿例程嵌入到NC 的中央处理器会影响到控制器的循环时间，系统被设计作为主控制循环的从动装置运转。这样就可以使用处理器的空闲循环时间来实施补偿，并且不会导致西门子核心软件主要功能的中断。

补偿系统常驻控制器的一个特别优势在于它使用控制器运算的分辨率，这是因为实施补偿的软件是用具有纳米级存储级别的“内部增量”进行运算的，这意味着补偿精度也可以在这个级别上。与精度限制在微米级别的基于PC 机的补偿系统相比，该方法能够实现更好的精度和表面光洁度。

3 补偿结果

通过激光干涉仪或其他测量设备测量每一个位置的误差，从而得到几何误差的补偿值。这些误差数据被输入到系统后，编译生成补偿表，并激活补偿。

所有测量误差的补偿结果如图1 所示，图中所展示的垂直度和角度误差都是轴运动中的最大线性误差值，比如斜度（例如：X about Y）、摆动（例如：X about X）和偏角（例如：X about Z）。这些值正是影响刀具尖端定位能力的关键。

机床的空间定位精度是这些误差线性组合的结果，通过在整个工作区间内推算测量误差信息和定位能力的软件可以计算出这个结果。对于未补偿的机床，这个值大约在65 μm 左右，补偿之后变为2 μm，减小了97%。这种定位精度的提高，使得这种普通标准的机床提升为高精度三坐标测量机。

图1 线性、直线度和垂直度对比

4 结语

本文描述了空间补偿系统在标准西门子840D sl 系统上的应用，这一补偿系统可以应用于任意的三轴机床和多数的五轴机床上，该系统不需要额外的硬件和停机安装的限制，只需要输入参数和测量数据即可。

结果显示补偿功能提升机床的空间精度97%，补偿结果精度可达2 μm，该结果已达测量仪器精度等级。

［1］沈金华，杨建国，王正平.数控机床空间误差分析及补偿［J］.上海交通大学学报，2008（7）：1060-1063.

［2］蔡祺祥.大型机床空间误差补偿技术（VEC）［J］.工具技术，2010（11）：104-105.