加工中心溫度補(bǔ)賞功能應(yīng)用 - 加工中心
BEIJING - FANUC 溫度補(bǔ)償功能應(yīng)用 NO.文件信息文檔名稱類別發(fā)布日期溫度補(bǔ)償功能應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)類文檔2013 年 8 月 15 日發(fā)布范圍北京發(fā)那科機(jī)電有限公司全體營銷業(yè)務(wù)線√北京發(fā)那科機(jī)電有限公司技術(shù)部機(jī)床廠最終用戶關(guān)鍵詞：溫度檢測模塊、外部機(jī)械原點(diǎn)偏移改版記錄：版本改版內(nèi)容修訂人日期1.0新發(fā)布朱成龍文件審批記錄：編寫人業(yè)務(wù)審核批準(zhǔn)人報(bào)送朱成龍目錄溫度補(bǔ)償功能應(yīng)用............................................................. 31、概述........................................................................32、 溫度補(bǔ)償過程...............................................................3 2.1 數(shù)學(xué)模型建立..........................................................3 2.2 補(bǔ)償數(shù)據(jù)采樣 ..........................................................5 2.2.1 傳感器安裝 ......................................................52.2.2 數(shù)據(jù)采樣.........................................................53、 溫度補(bǔ)償方案...............................................................53.1 硬件配置...............................................................63.1.1 選型.............................................................63.1.2 接線.............................................................73.1.3 PMC 接口.........................................................9 3.1.3.1 輸入信號(hào)（溫度輸入模塊→PMC）............................93.1.3.2 輸出信號(hào)（PMC→溫度輸入模塊） ..........................103.1.4 控制方式........................................................113.2 軟件功能設(shè)計(jì)..........................................................123.2.1 選型............................................................133.2.2 參數(shù)設(shè)定........................................................13附件： PMC 程序 ..............................................................13溫度補(bǔ)償功能應(yīng)用1、概述 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，α therm ）描述。精工機(jī)床的床身、立柱、托板等導(dǎo)軌基礎(chǔ)件和滾珠絲杠等傳動(dòng)部件一般由金屬材料制成，由于機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱、運(yùn)動(dòng)部件摩擦發(fā)熱以及環(huán)境溫度等的變化，均會(huì)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(duì)于在普通車間環(huán)境條件下使用的精工機(jī)床尤其是行程較長的機(jī)床熱膨脹系數(shù)的影響更不容忽視。以行程5m的軸來說，金屬材料的熱膨脹系數(shù)為10ppm（10um/每1m每1℃），理論上溫度每升高1℃，5m行程的軸就“脹長”50um。因此高精度機(jī)床和長行程機(jī)床需使用“溫度補(bǔ)償”功能來消除附加誤差。2、溫度補(bǔ)償過程 2.1 數(shù)學(xué)模型建立機(jī)床坐標(biāo)軸的定位誤差隨溫度變化會(huì)附加一定偏差，對(duì)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23度誤差曲線為基準(zhǔn)，在行程500mm～1500mm范圍內(nèi)不停的運(yùn)動(dòng)加熱機(jī)床，每隔20min做一次定位誤差測量采樣，采樣間距100mm，并用點(diǎn)溫計(jì)記錄滾珠絲杠的溫度。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： （公式 1）其中： 為軸實(shí)際位置的定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值 是與軸位置不相關(guān)的溫度偏差補(bǔ)償值 為軸的實(shí)際位置 為軸的參考點(diǎn)位置 為與軸位置相關(guān)的溫度補(bǔ)償系數(shù)（定位誤差曲線的梯度）圖1：不同溫度范圍時(shí)Z軸定位誤差曲線圖 2：溫度 T 時(shí) X 軸定位誤差曲線根據(jù)圖2繪制溫度系數(shù)曲線圖如圖3所示，該曲線反映了某一溫度下，******補(bǔ)償位置對(duì)應(yīng)的******誤差，用擬合直線逼近該曲線以后，利用公式1計(jì)算： （公式 2）其中：為位置相關(guān)點(diǎn)誤差等于0所對(duì)應(yīng)的溫度；為******的測量溫度為在情況下的溫度系數(shù)，該溫度系數(shù)表示在某一溫度下，滾珠絲杠每 1000mm 所對(duì)應(yīng)的******誤差。圖 3：溫度系數(shù)曲線圖以機(jī)床參考點(diǎn)作為零基準(zhǔn)測量位移（P0 =0），忽略參考點(diǎn)處溫度影響（Δ K x (T ) =0），則由公式1和公式2得以下關(guān)系： （公式 3） 根據(jù)公式 3，只需采樣絲杠******溫度T max 、 T max 情況下溫度系數(shù)TK max 、參考溫度T0 、當(dāng)前絲杠溫度 T 及當(dāng)前軸位置 P x ，即可計(jì)算出當(dāng)前情況下的位置偏移，將此值作為補(bǔ)償值對(duì)機(jī)械原點(diǎn)進(jìn)行偏移后即可保證機(jī)床的定位精度。2.2 補(bǔ)償數(shù)據(jù)采樣 2.2.1 傳感器安裝 為準(zhǔn)確采樣絲杠溫度，將溫度傳感器安裝在靠近電機(jī)與絲杠連接處的絲杠最末端，傳感器可采用 PT100。 PT100 是鉑電阻溫度傳感器，適用于測量-60 度～+400 度之間的溫度，完全適用于機(jī)床的使用環(huán)境溫度 5 度～45 度。 PT100 在 0 度時(shí)的電阻為 100 歐，在 100 度時(shí)的電阻溫度約為 138.5 歐，隨著溫度的變化電阻成線性變化，大約為每攝氏度 0.4 歐。圖 4：PT100 鉑電阻 RT 曲線圖標(biāo)2.2.2數(shù)據(jù)采樣 機(jī)床開機(jī)熱機(jī)30min，測量此時(shí)傳感器溫度T0 為參考溫度； 來回運(yùn)行測量軸，每20min測量此時(shí)的絲杠溫度T和該溫度下的溫度系數(shù)（絲杠伸長量）； 待絲杠溫度T測量值基本保持不變時(shí)記錄當(dāng)前絲杠溫度為絲杠******溫度T max ，此溫度下溫度系數(shù)TK max 。3、 溫度補(bǔ)償方案 FANUC 在實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能時(shí)可采用溫度輸入模塊+外部機(jī)械原點(diǎn)偏移功能來實(shí)現(xiàn)，具體應(yīng)用方案如下： 3.1 硬件配置 3.1.1 選型 FANUC 輸入輸出模塊I/O Moudle A中包含溫度輸入模塊（ Temperature Input Moudle）可進(jìn)行溫度模擬量的輸入，溫度補(bǔ)償模塊相關(guān)硬件訂貨號(hào)如下： I/O LINK i 連接方式：表 1： FANUC I/O Moudle A 溫度輸入模塊 I/O LINK i 連接方式下配件訂貨號(hào)模塊名稱訂貨號(hào)含義基本單元 ABU05AA03B-0826-J002橫置，可連接 5 個(gè)輸入輸出單元（其他基本單元請查看訂貨清單）接口單元 AIF01DA03B-0826-J015標(biāo)準(zhǔn)基本單元，不可擴(kuò)展（其他接口單元請查看訂貨清單）溫度輸入模塊 ATI04AA03B-0826-J056Pt/JPt 熱電阻輸入模塊溫度輸入模塊 ATI04BA03B-0826-J057J/K 熱電偶輸入模塊端子單元 ATB01AA03B-0826-J350Pt/JPt 熱電阻端子單元端子單元 ATB01BA03B-0826-J351J/K 熱電偶端子單元I/O LINK 連接方式：表 2： FANUC I/O Moudle A 溫度輸入模塊 I/O LINK 連接方式下配件訂貨號(hào)模塊名稱訂貨號(hào)含義基本單元 ABU05AA03B-0819-J002橫置，可連接 5 個(gè)輸入輸出單元（其他基本單元請查看訂貨清單）接口單元 AIF01AA03B-0819-J011標(biāo)準(zhǔn)基本單元，不可擴(kuò)展（其他接口單元請查看訂貨清單）溫度輸入模塊 ATI04AA03B-0819-J056Pt/JPt 熱電阻輸入模塊溫度輸入模塊 ATI04BA03B-0819-J057J/K 熱電偶輸入模塊端子單元 ATB01AA03B-0819-J350Pt/JPt 熱電阻端子單元端子單元 ATB01BA03B-0819-J351J/K 熱電偶端子單元 線纜（ FOR I/O LINK&I/O LINK i）：表 3： FANUC I/O Moudle A 溫度輸入模塊線纜訂貨號(hào)模塊名稱訂貨號(hào)含義I/O 與接口單元連接線纜 K1XA03B-0807-K801A03B-0807-K802K801（5m）K802（10m）溫度輸入模塊與端子單元連接線纜 K5XA03B-0807-K808A03B-0807-K809A03B-0807-K810K808(5m)K809(7m)K810(10m)其中溫度輸入模塊分為 ATI04A 和 ATI04B 兩種，主要區(qū)別如下：表 4： FANUC 溫度輸入模塊 ATI04A 和 ATI04B 規(guī)格對(duì)照模塊傳感器類型溫度輸入范圍分辨率精度ATI04APT100/JPT100 熱電阻-50～300.0℃ 0.1℃±1%ATI04BJ/K 熱電偶0～600.0℃0.1℃±1%3.1.2 接線溫度輸入模塊總體接線圖和端子單元接線圖如下：圖 5：溫度輸入模塊總體接線圖圖 6：熱電阻型接線圖 7：熱電偶型接線圖 8：溫度輸入模塊管腳定義ATI04A 熱電阻型ATI04B 熱電偶型圖 9：端子單元接線區(qū)別左：熱電阻型端子單元 ATB01A右：熱電偶型端子單元 ATB01B3.1.3 PMC 接口 溫度輸入模塊與 PMC 的接口占用 4 字節(jié)輸入和 4 字節(jié)輸出，具體輸入輸出地址含義如下： 3.1.3.1 輸入信號(hào)（溫度輸入模塊→PMC）表 5： FANUC 溫度輸入模塊輸入信號(hào)地址分配及含義0DI 07～DI 00CH1 和 CH3 溫度輸入值，或者 CH1 和 CH3 異常信息（低 8 位）+1DI 12～DI 08CH1 和 CH3 溫度輸入值，或者 CH1 和 CH3 異常信息（高 5 位）DI 15～DI 13狀態(tài)信號(hào)+2DI 23～DI 16CH2 和 CH4 溫度輸入值，或者 CH2 和 CH4 異常信息（低 8 位）+3DI 28～DI 24CH2 和 CH4 溫度輸入值，或者 CH2 和 CH4 異常信息（高 5 位）DI 31～DI 29狀態(tài)信號(hào)· CH1 和 CH3 通道溫度數(shù)據(jù)讀入DI07DI06DI05DI04DI03DI02DI01DI00DI15DI14DI13DI12DI11DI10DI09DI08DI00～DI12 CH1和CH3溫度輸入值或者異常信息詳細(xì)DI13 異常標(biāo)志位1：溫度讀取異常，異常信息保存在DI00～DI12中 0： DI00～DI12存儲(chǔ)數(shù)值為溫度輸入值DI14 CH1數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)備好信號(hào)，當(dāng)這一位為1時(shí)可讀取 CH1 的DI00～DI12溫度數(shù)據(jù)DI15 CH3數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)備好信號(hào)，當(dāng)這一位為1時(shí)可讀取CH3的DI00～DI12溫度數(shù)據(jù) · CH2 和 CH4 通道溫度數(shù)據(jù)讀入DI23DI22DI21DI20DI19DI18DI17DI16DI31DI30DI29DI28DI27DI26DI25DI24DI16～DI28 CH2和CH4溫度輸入值或者異常信息詳細(xì)DI29 異常標(biāo)志位 1：溫度讀取異常，異常信息保存在DI16～DI28中 0：DI16～DI28存儲(chǔ)數(shù)值為溫度輸入值DI30 CH2數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)備好信號(hào)，當(dāng)這一位為1時(shí)可讀取CH2的DI16～DI28溫度數(shù)據(jù)DI31 CH4數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)備好信號(hào)，當(dāng)這一位為1時(shí)可讀取CH4的DI16～DI28溫度數(shù)據(jù) 溫度輸入數(shù)據(jù)是以16進(jìn)制代碼表示， 數(shù)據(jù)值為實(shí)際溫度的10倍，另外如果使用 AT104A 熱電阻型溫度輸入模塊DI12和DI28表示溫度值的正負(fù)，使用ATI04B熱電偶型溫度輸入模塊時(shí)溫度輸入值始終為正值，DI12和DI28無正負(fù)含義。例： 使用 ATI04A 接口單元，讀取溫度數(shù)據(jù) 5FFBh 5FFB=101 1111 1111 1011，前三位為標(biāo)志位，第四位為溫度正負(fù)， 則實(shí)際溫度為-[NOT(1111111011)+1]/10=-0.5℃ 3.1.3.2 輸出信號(hào)（PMC→溫度輸入模塊）表 6： FANUC 溫度輸入模塊輸出信號(hào)地址分配及含義0DO07～DO004 通道自動(dòng)控制方式通道切換時(shí)間（低 8 位）+1DO15～DO084 通道自動(dòng)控制方式通道切換時(shí)間（低 8 位）+2DO23～DO16模塊設(shè)定數(shù)據(jù)和定時(shí)數(shù)據(jù)+3DO31～DO24模塊設(shè)定數(shù)據(jù)和定時(shí)數(shù)據(jù)DO00～DO15 4 通道自動(dòng)控制方式通道切換時(shí)間注： 2 通道方式不需設(shè)定，通常時(shí)間設(shè)定范圍為 0.5s 到 10s，設(shè)定時(shí)以實(shí)際時(shí)間 10 倍的 16 進(jìn)制數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。DO17 溫度輸入模塊類型 0： ATI04B 熱電偶型 1： ATI04A 熱電阻型DO18 傳感器類型 ATI04A 0： PT 1： JPT ATI04B 0： K 1： JDO19 備用，請?jiān)O(shè)置 0DO24 通道數(shù) 0： 2 通道 1： 4 通道（此時(shí)必須設(shè)定 DO25）DO25 4 通道模式指定 0：自動(dòng)方式 1：手動(dòng)方式（通過 DO22 讀取請求信號(hào)和 DO26 通道選擇信號(hào)手動(dòng)指定）DO16 系統(tǒng)準(zhǔn)備好信號(hào)DO22 讀取請求信號(hào)DO26 通道選擇信號(hào) 0： CH1 和 CH2 1： CH3 和 CH4圖 10： 4 通道手動(dòng)模式溫度讀取時(shí)序要求注：溫度讀取請求信號(hào)與系統(tǒng)準(zhǔn)備好信號(hào)之間需要有1s以上的間隔時(shí)間。 3.1.4 控制方式 溫度輸入模塊控制方式有以下3種： ·2通道控制方式（通道CH1和CH2數(shù)據(jù)每0.3s更新） ·4通道自動(dòng)方式（通道CH1和CH2與CH3和CH4數(shù)據(jù)讀取自動(dòng)切換，每通道數(shù)據(jù)更新時(shí)間由PMC設(shè)定，設(shè)定范圍0.5s到10s） ·4通道手動(dòng)方式（通過讀取請求信號(hào)指定） 以 4 通道自動(dòng)方式舉例，溫度讀取控制流程圖如下：開始圖 11： 4 通道自動(dòng)方式控制流程圖3.2 軟件功能設(shè)計(jì) FANUC 機(jī)械原點(diǎn)偏移功能可以輸入偏移量而使機(jī)械原點(diǎn)偏移。輸入偏移量時(shí)立即向?qū)?yīng)的軸應(yīng)用補(bǔ)償使機(jī)械運(yùn)動(dòng)。偏移軸的偏移量以檢測單位為單位，在信號(hào)ED0～ED15中以 0～+/-9999范圍內(nèi)的2進(jìn)制代碼予以指定。該補(bǔ)償量始終是一個(gè)絕對(duì)值，輸入時(shí)機(jī)械實(shí)際移動(dòng)的量是與上一次的差分。 而通常的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移無法使多個(gè)軸同時(shí)偏移，使用擴(kuò)展的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移功能時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行相當(dāng)于控制軸數(shù)量的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移。外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量在由參數(shù)確定的R區(qū)域中進(jìn)行設(shè)定。偏移量采用二進(jìn)制代碼，設(shè)定范圍-32767～32767的絕對(duì)值指令。 3.2.1 選型表 7： FANUC 溫度輸入模塊使用軟件功能說明功能名稱訂貨號(hào)備注外部數(shù)據(jù)輸入A02B-0327-J913 （ 31i-B）0i-D 標(biāo)配包含外部刀具補(bǔ)償、外部信息、外部機(jī)械原點(diǎn)偏移外部機(jī)械原點(diǎn)偏移A02B-0327-J912 （ 31i-B）0i-D 標(biāo)配包含外部機(jī)械原點(diǎn)偏移和擴(kuò)展的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移注：外部機(jī)械原點(diǎn)偏移和擴(kuò)展的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移均在建立原點(diǎn)后生效，且與螺距誤差補(bǔ)償、直線度補(bǔ)償?shù)日`差補(bǔ)償功能疊加輸出。 3.2.2 參數(shù)設(shè)定 參數(shù) 1203#0EMS 設(shè)定為 1， 外部機(jī)械原點(diǎn)偏移功能生效， 參數(shù) 1280 設(shè)定 PMC 中 R 區(qū)域地址，例：參數(shù) 1280 中設(shè)定 100 時(shí)表 8：機(jī)械原點(diǎn)偏移量分配說明R0100第1軸的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量（LOW）R0101第1軸的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量（HIGH）R0102第2軸的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量（LOW）R0103第2軸的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量（HIGH）…………R(0100+2(N-1))第n軸的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量（LOW）R(0100+2(N-1)+1)第n軸的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量（HIGH）偏移量理論計(jì)算值： 每一個(gè)軸以2字節(jié)的二進(jìn)制代碼來給出偏移量，設(shè)定范圍-32767～32767，偏移量視為由絕對(duì)值指令的值，單位為檢測單位。例：設(shè)定單位 IS-B，公制機(jī)械系統(tǒng)（參數(shù) INM(NO.1001#0)=0） 檢測單位0.0002mm（CMR(參數(shù)（ NO.1820）)=10）將參數(shù) NO.1280設(shè)定為100時(shí)，寫入R102=1100 1100（CCh）、R103=1110 1101（EDh）時(shí)，第 2 軸的機(jī)械位置偏移量為 EDCCh（脈沖）*0.0002（mm/脈沖）=-0.932mm 在常州創(chuàng)勝特爾 BC 混合型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上測試，理論設(shè)定偏移量1絲，實(shí)際偏移量7u，補(bǔ)償效果良好。附件： PMC 程序 以溫度輸入模塊 ATI04A 使用Pt100熱電阻測量機(jī)床第一軸和第二軸溫度為例，采用2 通道控制方式，模塊地址分配X0～X3、Y0～Y3；外部機(jī)械原點(diǎn)偏移量起始地址R100（參數(shù)1280=100）；輸入地址表：X0.0～X0.7(DI00～DI07)X1.7(DI15)X1.6(DI14)X1.5(DI13)X1.0～X1.4(DI08～DI12)X2.0～X2.7(DI16～DI23)X3.7(DI31)X3.6(DI30)X3.5(DI29)X3.0～X3.4(DI24～DI28輸出地址表：Y0.0～Y0.7(DO00～DO07)Y1.0～Y1.7(DO08～DO15)Y2.7(DO23)Y2.6(DO22)Y2.5(DO21)Y2.4(DO20)Y2.3(DO19)Y2.2(DO18)Y2.1(DO17)Y2.0(DO16)Y3.7(DO31)Y3.6(DO30)Y3.5(DO29)Y3.4(DO28)Y3.3(DO27)Y3.2(DO26)Y3.1(DO25)Y3.0(DO24)溫度補(bǔ)償流程：PMC 編寫：