一種基于西門子840d二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于西門子840D二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，所述的西門子840D數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控及驅(qū)動單元NCU、人機交互單元MMC以及PLC單元，所述的MMC包括PCU，該PCU中設有二次界面單元，該二次界面單元一方面讀取NCU中機床參數(shù)和PLC中實時溫度數(shù)據(jù)，并把特定數(shù)據(jù)代入到誤差模型中計算出各軸的誤差實時補償值，另一方面把計算得到的各軸誤差實時補償值寫入到PLC的幾個內(nèi)部標志寄存器中，最后PLC利用FB3功能塊程序?qū)?nèi)部標志寄存器中存放的各軸誤差實時補償值傳輸給NCU中對應軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900自帶的運動驅(qū)動功能，實現(xiàn)對機床誤差的動態(tài)實時補償。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有精度高、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點。
【專利說明】—種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著工業(yè)產(chǎn)品向精細化、小型化的方向發(fā)展，人們對數(shù)控機床的加工精度要求也越來越高，從而使得現(xiàn)代制造業(yè)對高精度的數(shù)控機床的需求也越來越大。因此，通過有效的手段來提高數(shù)控機床的加工精度、穩(wěn)定性對各行各業(yè)的發(fā)展起著關鍵性的作用。誤差補償技術自提出以來，由于其能夠經(jīng)濟高效低提高機床精度，改善機床性能，得到了廣泛的關注和研究。誤差補償技術目前主要應用于中高端數(shù)控機床，這類機床在使用一段時間以后，由于磨損或者溫升會導致機床精度下降，進而使零件加工達不到需要的精度，影響生產(chǎn)效率和效益。目前，市場上中高檔數(shù)控機床主要配置的是西門子和FANUC公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，其中以西門子SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)使用最為廣泛，所以針對該數(shù)控系統(tǒng)的補償實施方法研究具有重要的意義。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，該領域里主要有楊建國等人申請了中國發(fā)明專利“用于高速精密加工的熱誤差實時補償系統(tǒng)及其補償方法”(專利申請?zhí)?201110001213.2)，該專利文獻涉及到一種數(shù)控機床誤差補償系統(tǒng)，其硬件執(zhí)行平臺采用多單片機的并行處理結構，通過機床I / 0擴展模塊與機床PLC進行數(shù)據(jù)交互。這類誤差補償系統(tǒng)硬件成本大，與數(shù)控機床連接過程繁復，工作量大，易于出錯。進一步文獻檢索發(fā)現(xiàn)，項四通等人2013年申請中國專利“基于人機界面二次開發(fā)的數(shù)控機床誤差補償系統(tǒng)及方法”(專利申請?zhí)?201310245088.9)，該專利提出了一種基于人機界面二次開發(fā)的數(shù)控機床誤差補償方法，利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)自帶溫度補償模塊，將誤差數(shù)據(jù)擬合成一條直線，把直線的斜率和截距信息寫入到機床數(shù)據(jù)SD43910和SD43920中。該補償方法一方面假設誤差數(shù)據(jù)都近似呈線性，可以用直線擬合，補償精度不高，另一方面，該方法的溫度數(shù)據(jù)需要額外的溫度采集卡來收集，沒有充分利用西門子840D自帶的模擬量輸入模塊，造成成本增加和資源的浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，充分利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的特點和資源，實現(xiàn)對配置西門子840D的數(shù)控機床進行高精度、高穩(wěn)定性、低成本的誤差補償，能夠很好地改善機床性能。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0006]一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器、西門子840D數(shù)控機床、誤差測量設備、PG / PC通信接口卡以及PC，所述的溫度傳感器與西門子840D數(shù)控機床的相連，用于測量機床關鍵點的溫度，所述的PC通過PG / PC通信接口卡與西門子840D數(shù)控機床連接，用于修改機床中PLC的程序，所述的誤差測量設備用于獲得機床的誤差數(shù)據(jù)，其特征在于，所述的西門子840D數(shù)控機床為集成SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的機床，所述的數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控及驅(qū)動單元NCU、人機交互單元MMC以及PLC單元,該PLC單元具有模擬量輸入模塊，與溫度傳感器相連，實現(xiàn)動態(tài)采集溫度數(shù)據(jù)，所述的MMC包括P⑶和機床操作面板MCP，其中P⑶中設有二次界面單元，該二次界面單元一方面讀取NCU中機床參數(shù)和PLC中實時溫度數(shù)據(jù)，并把特定數(shù)據(jù)代入到誤差模型中計算出各軸的誤差實時補償值，另一方面把計算得到的各軸誤差實時補償值寫入到PLC的幾個內(nèi)部標志寄存器中，最后PLC利用FB3功能塊程序?qū)?nèi)部標志寄存器中存放的各軸誤差實時補償值傳輸給NCU中對應軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900自帶的運動驅(qū)動功能，實現(xiàn)對機床誤差的動態(tài)實時補償。
[0007]所述的二次界面單元為根據(jù)補償功能的需求對人機交互界面進行二次開發(fā)得到的用戶界面，二次界面是基于西門子提供的OEM開發(fā)包開發(fā)而成，開發(fā)過程是利用VB進行界面設計和程序設計，利用VC++創(chuàng)建語言動態(tài)鏈接庫，OEM開發(fā)包提供了二次界面程序的標準框架以及標準的模塊和窗體，將按照用戶需求編寫的二次界面程序嵌入到標準順序控制的框架中，從而使人機交互單元支持二次界面程序。
[0008]所述的誤差測量設備包括激光干涉儀、球桿儀和激光跟蹤儀，對機床的各個進給軸的幾何誤差和熱誤差進行測量。
[0009]所述的溫度傳感器是指對機床關鍵溫度測點進行溫度實時測量的設備，分布安裝在西門子840D數(shù)控機床的各個關鍵溫度測點上，數(shù)據(jù)輸出端連接到PLC的模擬量輸入模塊上。
[0010]所述的誤差模型是指機床誤差數(shù)據(jù)關于溫度、機床坐標等變量的函數(shù)關系，具體可以通過以下步驟得到:利用所述誤差測量設備對西門子840D數(shù)控機床進行誤差的測量，得到不同機床坐標下的各項誤差元素數(shù)據(jù)，同時利用溫度傳感器采集不同工作狀態(tài)的機床溫度數(shù)據(jù)，然后，對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，建立針對該數(shù)控機床的誤差數(shù)據(jù)關于溫度、機床坐標等變量之間的函數(shù)關系，即可得到該數(shù)控機床的誤差模型。
[0011]所述的FB3功能塊是指S7-300系列PLC提供的供用戶使用的有存儲區(qū)的邏輯塊，作用是把PLC中的變量寫入到NCK區(qū)域中。在補償開始之前需要將FB3功能塊程序添加到PLC程序中，補償執(zhí)行階段利用FB3功能塊程序完成循環(huán)寫補償值的功能。具體是通過以下方法實現(xiàn)的，利用PG / PC通信接口卡和相關連接電纜，將外部PC與數(shù)控系統(tǒng)的NCU模塊的X122接口相連接，在PC機上利用STEP7軟件設置相關通信參數(shù)，開啟數(shù)控系統(tǒng)電源即可建立PC與PLC模塊的通信連接，之后利用STEP7軟件對PLC程序進行修改，主要是指在主程序塊OBl中添加FB3功能塊程序，實現(xiàn)將二次界面計算得到的實時補償值數(shù)據(jù)寫入到NCK區(qū)域中，具體是NCK區(qū)域中的各進給軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，程序修改完成后應斷開PC機與NCU模塊的連接，所述的二次界面計算得到的實時補償值存放于PLC的幾個內(nèi)部標志寄存器中。
[0012]所述的機床參數(shù)SD43900是指西門子840D數(shù)控系統(tǒng)自帶溫度補償模塊中一個機床數(shù)據(jù)，所述的自帶溫度補償模塊涉及到四個機床數(shù)據(jù)，包括:
[0013]MD32750 一溫度補償類型:
[0014]SD43900 一位置無關的溫度補償值；[0015]SD43910 一位置相關溫度補償值系數(shù)；
[0016]SD43920 一位置相關溫度補償參考位置；
[0017]其中MD32750 = I時，位置無關溫度補償方式生效；MD32750 = 2時，位置相關溫度補償方式生效；MD32750 = 0時，溫度補償失效；SD43900的生效模式是“立即生效”，其原本作用是補償由于溫度引起的進給軸的整體偏移，與具體機床坐標無關的誤差值。本發(fā)明充分利用SD43900的立即生效模式，把該機床數(shù)據(jù)作為補償時的“外部零點偏置位”，將機床的實時補償值寫入到該參數(shù)中，利用其自帶的運動驅(qū)動功能實現(xiàn)誤差動態(tài)補償。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0019]1、充分利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)開放性的特點，開發(fā)二次界面單元實現(xiàn)誤差動態(tài)補償，不需要外擴補償器，其次，利用西門子840D的PLC的模擬量輸入模塊直接收集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，不需要外擴數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)了在補償實施階段唯一的外部設備是溫度傳感器，這樣不僅大大的簡化了硬件連接過程，提高了補償效率，而且節(jié)約了硬件成本，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0020]2、本發(fā)明創(chuàng)新性地利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)機床參數(shù)SD43900作為“外部零點偏置位”，保證了誤差模型不受約束，誤差模型可根據(jù)具體誤差數(shù)據(jù)情況靈活調(diào)整，實現(xiàn)了高精度的誤差動態(tài)補償，而且誤差模型嵌入于P⑶中，通信方式是OPI方式，存取數(shù)據(jù)速度快，消除了外置補償器帶來的補償滯后效應，補償精度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明誤差補償系統(tǒng)工作流程圖；
[0022]圖2為本發(fā)明誤差補償系統(tǒng)結構原理圖；
[0023]圖3為VTM6335立式加工中心補償前誤差數(shù)據(jù)圖；
[0024]圖4為VTM6335立式加工中心補償后誤差數(shù)據(jù)圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0026]本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0027]實施例
[0028]一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，組成硬件包括溫度傳感器和西門子840D數(shù)控機床，輔助硬件包括誤差測量設備、PG / PC通信接口卡以及PC，所述的溫度傳感器與西門子840D數(shù)控機床的相連，用于測量機床關鍵點的溫度，所述的PC和PG / PC通信接口卡是輔助工具，用于修改PLC程序，所述的誤差測量設備也是輔助工具，用于獲得機床的誤差數(shù)據(jù)，補償系統(tǒng)特征在于，所述的西門子840D數(shù)控機床是指集成SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的機床，該數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控及驅(qū)動單元NCU、人機交互單元MMC以及PLC單元，所述PLC單元的模擬量輸入模塊與溫度傳感器相連接，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，所述的MMC包括PCU和機床操作面板MCP，PCU中設有二次界面單元，二次界面單元是基于西門子OEM軟件平臺開發(fā)，主要功能包括讀取機床參數(shù)、讀取PLC數(shù)據(jù)、計算實時補償值、把數(shù)據(jù)寫入到PLC中以及開啟和關閉補償?shù)?。[0029]一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)的具體原理和實施流程如下:誤差測量設備測得不同溫度下的數(shù)控機床誤差數(shù)據(jù)后，利用特定誤差建模方法建立數(shù)控機床的誤差模型，把該誤差模型以程序代碼的形式寫入到二次界面的程序中，二次界面按照特定的規(guī)則動態(tài)訪問NCDDE(NC Dynamic Data Exchange)服務器完成兩個方面的功能，一方面讀取NCU中實時機床坐標和PLC中實時溫度數(shù)據(jù)，然后把兩項數(shù)據(jù)代入誤差模型中計算出各軸誤差實時補償值，另一方面，通過訪問NCDDE服務器把計算得到的各軸誤差實時補償值寫入到PLC的幾個內(nèi)部標志寄存器中，最后利用PLC的FB3功能塊程序?qū)讉€寄存器中的補償值寫入到NCU的對應進給軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900自帶的進給驅(qū)動功能實現(xiàn)誤差動態(tài)補償。特別指出的是，所述的FB3功能塊，是在補償開始前利用STEP7軟件修改，添加到PLC程序中的，所述STEP7軟件安裝于外部PC機上，所述PC機通過PG / PC通信接口卡與PLC建立通信連接。
[0030]所述的西門子840D數(shù)控機床，是指集成西門子SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的機床，西門子840D數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控及驅(qū)動單元NCU、人機通信單元MMC (Man MachineCommunication)、PLC單元三部分組成，其中所述的MMC單元包括P⑶(PC Unit)和機床操作面板 MCP (Machine Control Panel)兩部分，PCU 是基于 WINDOWS NT 或 WINDOWS XP 系統(tǒng)的，實際上也是一臺計算機，具有以太網(wǎng)口、串口、并口、標準鼠標和鍵盤熱插拔接口以及USB接口等，P⑶本身帶有硬盤，P⑶的軟件被稱作HMI (Human Machine Interface)軟件，所述二次界面單元就是基于HMI軟件根據(jù)補償功能需要進行的二次開發(fā)；西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中集成的是S7-300系列的PLC，其程序結構是由塊組成，用戶可以根據(jù)需要調(diào)用FB3功能塊，其作用是寫NC變量，可實現(xiàn)把補償值數(shù)據(jù)寫入到數(shù)控系統(tǒng)的NCU中，具體位置是對應進給軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900的運動驅(qū)動功能，實現(xiàn)動態(tài)誤差補償，用戶可以利用PG / PC通信接口卡建立PC與PLC的通信連接，在上位機PC上利用STEP7軟件可以實現(xiàn)對PLC程序的查看和修改。
[0031]所述的二次界面單元是指根據(jù)補償功能的需求對HMI軟件進行二次開發(fā)得到的用戶界面，主要功能包括讀取機床參數(shù)、讀取PLC數(shù)據(jù)、計算實時補償值、把補償值寫入到PLC中以及開啟和關閉補償?shù)?。所述讀取機床參數(shù)、讀取PLC數(shù)據(jù)以及將補償值寫入PLC等功能均是通過訪問NCDDE服務器來實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)交換，所述機床參數(shù)包括機床實時坐標、主軸轉(zhuǎn)速、各軸進給速度、切削量等，所述讀取PLC數(shù)據(jù)是指讀取PLC模擬量輸入模塊得到的關鍵測點溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)。二次界面的開發(fā)是基于西門子提供的OEM開發(fā)包，OEM開發(fā)包軟件提供了 HMI 二次界面程序的標準框架以及一些標準的模塊和窗體，按照用戶需求編寫的二次界面程序必須嵌入到標準順序控制的框架中，HMI軟件才支持二次界面程序，否則程序運行出錯。為了方便二次界面的開發(fā)，可以利用OEM軟件包中HMIProgramming Package提供的OEM Samples實例,然后利用VB進行界面和程序設計,利用VC++創(chuàng)建語言動態(tài)鏈接庫。
[0032]所述的機床數(shù)據(jù)SD43900是指西門子840D數(shù)控系統(tǒng)自帶溫度補償模塊中一個機床數(shù)據(jù)，所述的自帶溫度補償模塊，涉及到四個機床數(shù)據(jù)，包括:
[0033]MD32750 (TEMP_C0MP_TYPE)-溫度補償類型；
[0034]SD43900 (TEMP_C0MP_ABS_VALUE_)——位置無關的溫度補償值；
[0035]SD43910 (TEMP_C0MP_SL0P)——位置相關溫度補償值系數(shù)；[0036]SD43920 (TEMP_C0MP_REF_P0S ITI ON)——位置相關溫度補償參考位置；
[0037]所述溫度補償類型包括兩種，分別是:MD32750 = I時，位置無關溫度補償方式生效；MD32750 = 2時，位置相關溫度補償方式生效；MD32750 = 0時，溫度補償失效。所述的位置無關的溫度補償值SD43900，單位是mm或者degree，生效模式是“立即生效”，原本作用是補償由于溫度升高導致的進給軸整體的位置偏差，與具體坐標位置無關的誤差值，由于SD43900的生效模式是“立即生效”，其效果類似誤差補償【技術領域】中的“外部零點偏置位”，所以本發(fā)明創(chuàng)新性利用該機床數(shù)據(jù)，通過PLC的FB3功能塊程序按照一定周期將補償值寫入到SD43900，利用其自帶的運動驅(qū)動功能，實現(xiàn)對各進給軸進行動態(tài)的誤差補償。
[0038]所述的FB3功能塊是指S7-300系列PLC提供的供用戶使用的有存儲區(qū)的邏輯塊，作用是把PLC中的變量寫入到NCK區(qū)域中。修改PLC程序這一步驟是在誤差補償開始之前完成的，外部PC機通過PG / PC通信接口卡與數(shù)控系統(tǒng)的NCU模塊相連，具體是連接到NCU模塊的X122接口上，實現(xiàn)MPI通信，通信波特率為187.5Kbit / s，通過PC機上STEP7軟件設置相關通信參數(shù)，可以建立PC與PLC模塊的通信連接，連接建立后，利用STEP7軟件在主程序塊OBl中添加FB3功能塊程序，程序修改完成后應移除連接電纜，斷開PC機與NCU模塊的連接。
[0039]所述的溫度傳感器對機床關鍵溫度測點進行溫度實時測量的設備，分布安裝在西門子840D數(shù)控機床的關鍵溫度測點上，數(shù)據(jù)輸出端連接到PLC的模擬量輸入模塊上。所述的機床誤差測量儀器包括激光干涉儀、球桿儀等，對機床的各個進給軸的幾何誤差和熱誤差進行測量。
[0040]所述PC機是通用個人計算機，安裝有STEP7V5.3軟件，借助STEP7軟件以及PG /PC通信卡可以建立PC機與PLC模塊的通信連接，實現(xiàn)對PLC程序的查看和修改。
[0041]所述的PG / PC通信接口卡是實現(xiàn)外部PC機和PLC建立通信連接的設備。如果PC機是具有PCI插槽的臺式機，可采用CP5611通信卡；如果是筆記本電腦可以采用CP5711或者CP5512 ;從經(jīng)濟角度考慮也可自己設計制作串口或USB接口的PC適配器。
[0042]具體實施例
[0043]本發(fā)明具體實施例是在一臺立式車銑復合加工中心上進行試驗，該加工中心型號為VTM6335，配備了西門子SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)，X / Y / Z三個直線軸的行程分別是1410 / 420 / 750mm，主軸的最高轉(zhuǎn)速是IOOOOr / min，補償前該加工中心的三個直線進給軸的誤差數(shù)據(jù)如圖3所示。
[0044]圖1為誤差補償系統(tǒng)工作流程圖，誤差補償?shù)那疤峁ぷ魇钦`差測量、誤差建模以及二次界面的開發(fā)，所述誤差測量是指利用誤差測量設備，包括激光干涉儀、球桿儀等進行誤差數(shù)據(jù)的測量，同時利用溫度傳感器采集不同工作狀態(tài)的機床溫度數(shù)據(jù)，得到較為全面的誤差數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)；所述誤差建模是指在對這些數(shù)據(jù)進行分析處理的基礎上，建立針對該數(shù)控機床的誤差模型，即建立機床誤差數(shù)據(jù)關于機床坐標、溫度等變量的函數(shù)關系，采用不同的測量方法和建模方法可以得到不同的誤差模型，本實施例所用到的誤差模型是針對各個進給軸建立各自復合誤差模型，包含幾何誤差和熱誤差；所述二次界面單元開發(fā)是指基于西門子公司提供的OEM開發(fā)包根據(jù)補償功能需求進行對HMI軟件的二次開發(fā)工作，開發(fā)流程如圖1中所示，OEM開發(fā)包中HMI Programming Package提供了界面所需的標準的模塊和窗口，利用Visual Basic(VB)進行二次界面的設計及補償程序的編寫，之前建立好的誤差模型以程序代碼的形式包含其中，Visual C++(vC++)用來創(chuàng)建二次界面所需的語言動態(tài)鏈接庫，在OEM平臺下仿真通過后，利用VB生成二次界面單元的可執(zhí)行文件。所述的二次界面單元的可執(zhí)行文件需要按照特定的方法嵌入到HMI軟件標準順序控制框架中，否則無法運行。
[0045]利用嵌入到HMI軟件中的二次界面單元開始誤差補償之前，需要對S7-300系列PLC的程序進行修改。這是由于通過訪問NCDDE服務器的方式，不能實現(xiàn)對機床數(shù)據(jù)SD43900的實時寫入，本發(fā)明提出首先將補償值寫入到PLC閑置的三個內(nèi)部標志寄存器中，然后利用PLC程序FB3功能塊程序?qū)慛C變量的功能，實現(xiàn)把三個寄存器中的補償值循環(huán)寫入到對應進給軸的機床參數(shù)SD43900中。如圖2所示，修改PLC程序需要一臺裝有STEP7軟件的PC機，一個PG / PC通信接口卡以及相應的連接電纜，通過STEP7軟件設置相應的通信參數(shù)后，即可建立PC機與PLC的通信連接，實現(xiàn)對PLC程序的查看和修改。圖2中虛線表示PLC程序修改完成后，即移除連接電纜，斷開PC機和數(shù)控系統(tǒng)的連接，也就是說，PC機和通信接口卡是PLC程序的調(diào)試工具，是可重復利用的，而不是本發(fā)明所涉及補償系統(tǒng)執(zhí)行時的硬件一部分。
[0046]在上述工作完成以后，開啟機床，啟動二次界面單元，當通過操作面板的豎直軟鍵開啟誤差補償功能時，二次界面通過程序訪問NCDDE服務器的方式，讀取機床坐標和溫度數(shù)據(jù)，并把讀取得到的數(shù)據(jù)代入到誤差模型中計算出各進給軸的補償值，然后同樣是通過建立DDE連接的方式，將補償值數(shù)據(jù)寫入到PLC的三個閑置的內(nèi)部標志寄存器中，最后利用PLC程序中FB3功能塊程序，循環(huán)將補償值寫入到對應進給軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900自帶的運動驅(qū)動功能實現(xiàn)動態(tài)誤差補償。
[0047]圖2為本發(fā)明所涉及的補償系統(tǒng)的結構原理圖，如圖所示，本發(fā)明所涉及補償系統(tǒng)不需要外擴補償器，硬件連接簡單，誤差補償二次界面嵌入到SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的PCU中，PCU是通過OPI (Operator Panel Interface)總線接口與NCU相連，波特率為1.5Mbit / s，數(shù)據(jù)傳輸速度快，消除了由于外擴補償器造成的補償滯后效應。如圖2中所示，溫度傳感器直接與PLC相連，具體為PLC的模擬量輸入模塊相連，省去傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)采集卡的成本。圖中PC和PG / PC通信接口卡以及相應的連接電纜在PLC程序修改完成以后即可拔去，實現(xiàn)了在補償實施階段只有溫度傳感器為外部設備，保證了補償系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0048]所述的誤差測量設備在本實施例中為光動公司生產(chǎn)的激光多普勒位移傳感器MCV-500C，靈敏度為0.0lum，可以精密測量機床各項誤差元素數(shù)據(jù)。
[0049]所述的溫度傳感器在本實施例中為鉬熱電阻PtlOO，其測量范圍是0-100°C，靈敏度為±.01°C，實施例中4個PtlOO溫度傳感器分布在關鍵溫度測點上，輸出端連接到PLC的模擬量輸入模塊上動態(tài)采集溫度數(shù)據(jù)。
[0050]所述的模擬量輸入模塊在本實施例中為SM331，具體型號為6FS7331-7PR)0-0AB0，具有模擬電壓/電流輸入以及熱電阻/電偶輸入功能，對于熱電阻輸入類型支持PtlOO、Pt200 / 500 / 1000、NilOO、Nil20 / 200 / 500 / 1000 等多種溫度傳感器，該型號模擬量輸入模塊可連接熱電阻的個數(shù)為8個，通過量程設定開關撥到A位置選擇熱電阻/熱電偶輸入類型。
[0051]所述PC機本實施例中為筆記本電腦，該筆記本電腦安裝有STEP7V5.3軟件，用于和PLC模塊通信，并查看和修改PLC程序。[0052]所述PG / PC通信接口卡在本實施例中采用CP5711，實現(xiàn)將帶有USB接口的SIMATIC PC / PG或者筆記本電腦連接到PR0FIBUS現(xiàn)場設備，速度可達12Mbit/s，通過LED燈顯示運行和故障狀態(tài)，便于安裝和調(diào)試。
[0053]下面是采用所述的一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)對實施例中VTM6335進行誤差補償?shù)木唧w實施步驟。
[0054]第一步、連接相關硬件，測量數(shù)控機床的幾何誤差和熱誤差。具體是指，把4個PtlOO溫度傳感器安裝到機床的關鍵溫度測點上，在不同的工作狀態(tài)下，利用PLC模擬量輸入模塊采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，利用激光多普勒位移傳感器測量機床各項誤差元素數(shù)據(jù)。
[0055]第二步、分析處理誤差數(shù)據(jù)、建立機床的誤差模型。本實施例中建立的誤差模型是由幾何誤差模型與熱誤差模型兩部分疊加而成，在得到機床關鍵測點的溫度數(shù)據(jù)以及不同狀態(tài)下機床的各項誤差數(shù)據(jù)以后，進行幾何誤差和熱誤差的分離，采用最小二乘法建立各個進給軸的幾何誤差元素模型，采用自然指數(shù)法建立熱誤差元素模型，最后將兩種誤差元素模型合成得到各軸的復合誤差模型。
[0056]第三步、建立PC機和PLC的通訊連接，修改PLC程序。具體是指:
[0057]3.1建立通信連接。具體是，通過相應的電纜連接PC機、CP5711通信接口卡以及NCU模塊的X122接口，運行PC機上的STEP7軟件，設置相應的通信參數(shù)，開啟機床電源，建立STEP7與PLC的通信連接。
[0058]3.2利用NC變量選擇器選擇三軸對應的機床參數(shù)SD43900 [ul，I]、SD43900 [ul，2]和SD43900[ul，3]，并生成的相應的數(shù)據(jù)塊的源文件，利用STEP軟件編譯三個數(shù)據(jù)源文件得到三個用戶數(shù)據(jù)塊，然后把三個用戶數(shù)據(jù)塊下載到PLC中。
[0059]3.3把西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中S7-300PLC項目程序上載到PC，修改程序:在0B100中，把FBl中的參數(shù)“NCKomm”修改為1:在OBl中調(diào)用FB3功能塊，通過編寫相應程序，實現(xiàn)把內(nèi)部標志寄存器MD200、MD204、MD208中的數(shù)據(jù)對應寫入到前述三個用戶數(shù)據(jù)塊對應的地址中。
[0060]3.4保存項目，并把新生成的背景數(shù)據(jù)塊以及OBl下載到PLC中。
[0061]3.5關閉機床電源，移除電纜，斷開CP5711通訊接口卡與NCU模塊的連接，然后重新開啟機床，此時PLC程序已經(jīng)包含F(xiàn)B3功能塊的相關程序。
[0062]第四步、基于西門子提供的OEM開發(fā)包軟件進行二次界面單元的開發(fā)。具體是指，在HMI Programming Package提供的一個實例OembspO基礎上,按照西門子840D 二次界面編程語言的規(guī)則，編寫程序，程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括:讀取機床坐標、讀取加工參數(shù)、讀取PLC中溫度數(shù)據(jù)、寫PLC數(shù)據(jù)、開啟和關閉補償?shù)?。其中，程序主要是通過訪問NCDDE服務器的方式，建立DDE連接，實時讀取三個進給軸的機床坐標、PLC中溫度數(shù)據(jù)，然后按一定的周期循環(huán)計算三軸的動態(tài)補償值，并把計算得到的補償值寫入到PLC的MD200、MD204、MD208三個內(nèi)部標志寄存器中。另外，程序通過建立DDE連接的方式，使機床數(shù)據(jù)MD32750置I或置0，實現(xiàn)開啟和關閉補償?shù)墓δ?。編譯仿真通過后，生成可執(zhí)行文件，保存文件名為COMP.exe.[0063]第五步、把二次界面單元可執(zhí)行文件嵌入到HMI軟件的標準順序控制框架中，具體步驟是:
[0064]5.1修改HMI界面軟鍵文本。進入SINUMERIK840D系統(tǒng)的Windows XP系統(tǒng)，打開“F: \ mmc2 \ language”目錄下的RE_UK.1ni文件，修改6號軟鍵的文本為“Compensation”，保存并關閉。按照上述操作，可實現(xiàn)把HMI軟件啟動后初始界面的第6個水平軟鍵的文本修改為“Compensation”。
[0065]5.2把二次界面單元可執(zhí)行文件與HMI界面上6號軟鍵相鏈接。進入SINUMERIK840D系統(tǒng)的Windows XP系統(tǒng)，打開“F: \ mmc2”目錄下的Regie, ini文件，修改6號軟鍵的任務配置文本為:“Task6 = name:= COMP,Timeout:= 60000”。然后，把可執(zhí)行文件COMP, exe以及相關的配置文件和動態(tài)鏈接庫DLL文件拷貝到“F: \ ome”目錄下。通過上述操作，即可實現(xiàn)將標準Windows應用程序嵌入到HMI軟件中，作為一個用戶自定義的二次界面單元，通過HMI軟件初始界面的6號水平軟鍵“Compensation”可以調(diào)出該界面。
[0066]第六步、運行二次界面單元，進行動態(tài)誤差補償。在上述步驟完成以后，開啟機床，按壓“Compensation”水平軟鍵開啟二次界面，可以通過二次界面監(jiān)視機床工作狀態(tài)，包括三軸機床坐標、進給速度、切削量、主軸轉(zhuǎn)速、機床關鍵測點的溫度數(shù)據(jù)，按壓豎直軟鍵“START”開啟補償功能，補償程序循環(huán)運行，利用機床坐標和溫度數(shù)據(jù)，代入到誤差模型計算三軸動態(tài)補償值，然后把補償值寫入到MD200、MD204、MD208三個內(nèi)部標志寄存器中，PLC程序利用FB3功能塊程序循環(huán)把三個寄存器中的數(shù)據(jù)寫入到對應軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900自帶的運動驅(qū)動功能實現(xiàn)動態(tài)誤差補償。另外，可以通過按壓豎直軟鍵“CLOSE”關閉補償功能。
[0067]圖4是本實施例VTM6335立式加工中心補償后的誤差數(shù)據(jù)圖，對比圖3可以看出，補償后機床三軸的精度得到了大幅的提高，證明了本發(fā)明所涉及補償系統(tǒng)具有很好的補償效果。
【權利要求】
1.一種基于西門子840D 二次界面的誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器、西門子840D數(shù)控機床、誤差測量設備、PG / PC通信接口卡以及PC，所述的溫度傳感器與西門子840D數(shù)控機床的相連，用于測量機床關鍵點的溫度，所述的PC通過PG / PC通信接口卡與西門子840D數(shù)控機床連接，用于修改機床中PLC的程序，所述的誤差測量設備用于獲得機床的誤差數(shù)據(jù)，其特征在于，所述的西門子840D數(shù)控機床為集成SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的機床，所述的數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控及驅(qū)動單元NCU、人機交互單元MMC以及PLC單元,該PLC單元具有模擬量輸入模塊，與溫度傳感器相連，實現(xiàn)動態(tài)采集溫度數(shù)據(jù)，所述的MMC包括PCU和機床操作面板MCP，其中PCU中設有二次界面單元，該二次界面單元一方面讀取NCU中機床參數(shù)和PLC中實時溫度數(shù)據(jù)，并把特定數(shù)據(jù)代入到誤差模型中計算出各軸的誤差實時補償值，另一方面把計算得到的各軸誤差實時補償值寫入到PLC的幾個內(nèi)部標志寄存器中，最后PLC利用FB3功能塊程序?qū)?nèi)部標志寄存器中存放的各軸誤差實時補償值傳輸給NCU中對應軸的機床數(shù)據(jù)SD43900中，利用SD43900自帶的運動驅(qū)動功能，實現(xiàn)對機床誤差的動態(tài)實時補償。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于，所述的二次界面單元為根據(jù)補償功能的需求對人機交互界面進行二次開發(fā)得到的用戶界面，二次界面是基于西門子提供的OEM開發(fā)包開發(fā)而成，開發(fā)過程是利用VB進行界面設計和程序設計，利用VC++創(chuàng)建語言動態(tài)鏈接庫，OEM開發(fā)包提供了二次界面程序的標準框架以及標準的模塊和窗體，將按照用戶需求編寫的二次界面程序嵌入到標準順序控制的框架中，從而使人機交互單元支持二次界面程序。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于，所述的誤差測量設備包括激光干涉儀、球桿儀和激光跟蹤儀，對機床的各個進給軸的幾何誤差和熱誤差進行測量。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫度傳感器對機床關鍵溫度測點進行溫度實時測量的設備，分布安裝西門子840D數(shù)控機床的關鍵溫度測點上，數(shù)據(jù)輸出端連接到PLC的模擬量輸入模塊上。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于，所述的機床數(shù)據(jù)SD43900是指西門子840D數(shù)控系統(tǒng)自帶溫度補償模塊中的一個機床數(shù)據(jù)，其含義為與位置無關的溫度補償值，原本作用是用來補償由于溫度引起的機床進給軸整體的位置偏差，與機床具體坐標無關，但是由于該參數(shù)的生效模式是立即生效，為外部零點偏置位的效果相同，所以將補償值動態(tài)寫入到SD43900中，利用其自帶的運動驅(qū)動功能，可實現(xiàn)對各進給軸進行動態(tài)的誤差補償。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于，所述的FB3功能塊程序為S7-300系列PLC提供的供用戶使用的有存儲區(qū)的邏輯塊，作用是把PLC中的變量寫入到NCK區(qū)域中，在誤差補償開始之前，利用PC對PLC程序的修改，實現(xiàn)將二次界面單元計算得到的實時補償值循環(huán)寫入到對應進給軸的機床數(shù)據(jù)SD43900的地址中。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種誤差動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于，所述的利用PC對PLC程序的修改具體方法為: 通過PG / PC通信接口卡將PC與數(shù)控系統(tǒng)的NCU模塊相連，利用PC上的STEP7軟件設置通信參數(shù)，開啟機床電源，實現(xiàn)MPI模式通信連接，利用STEP7軟件即可實現(xiàn)修改PLC程序。
【文檔編號】G05B19/404GK103676781SQ201310728269
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權日:2013年12月25日
【發(fā)明者】項四通, 盧紅星, 楊建國, 肖慧孝, 朱小龍, 黃奕喬 申請人:上海交通大學