２０１３年１１月 机床与液压 ＮＯＶ．２０１３ 第４１卷第２１期 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯ０Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．２１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．２１．０２２ 西门子８４０Ｄ数控系统热误差补偿功能实现 任建功，冯斌，郭亮 （西安交通大学机械工程学院，陕西西安７１００４９） 摘要：为了消除热变形对机床加工性能的影响，提出一种热误差补偿的实现方法。介绍了热变形的数学模型，得到了 热误差补偿算法；介绍了西门子８４０Ｄ数控系统ＨＭＩ界面二次开发方法及流程，并给出了ＨＭＩ程序生成参数加入到ＣＮＣ指 令的实现方式；最后实现了热误差补偿功能的嵌入，具有一定的实际工程价值。 关键词：热误差补偿；西门子８４０Ｄ；ＨＭＩ界面二次开发 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１３）２１—０７７—５ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｅｍｅｎｓ ８４０Ｄ ＣＮＣ Ｓｙｓｔｅｍ ＲＥＮ Ｊｉａｎｇｏｎｇ，ＦＥＮＧ Ｂｉｎ，ＧＵＯ Ｌｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７ １００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ，ａ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍ— ｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈ— ｏｄ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＨＭＩ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｅｍｅｎｓ ８４０Ｄ ＣＮＣ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｗａｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＨＭＩ ｔｏ ＣＮＣ ｃｏｍｍａｎｄｓ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ８４０Ｄ ＣＮＣ，ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｓｏｍｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；Ｓｉｅｍｅｎｓ ８４０Ｄ ｓｙｓｔｅｍ；ＨＭＩ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ 在精密数控机床所有误差中，热误差占的比例很 式中：Ｃ。、ｃ。、ｃ：、…、ｃ 为模型中的常数项系数； 大 ，在相当程度上影响了工件的加工精度，是提高 、 、…、 为测点的温度值。 机床加工性能需要解决的主要问题之一。目前，数控 进给轴的丝杠发生热伸长、工作台发生热变形 机床提高精度的方式有误差防止法和误差补偿法 。 时，其轴向位置会产生误差，且不同位置处的热变形 作者采用热误差补偿法这一“软技术”，力求在不改 量不同。机床床身发生热变形时，会导致轴之间发生 变机床自身机械结构的条件下显著减小加工热误差， 类似于垂直度误差的倾斜，其轴线方向上也会产生与 提高机床加工精度。文中主要介绍了一种热误差补偿 位置相关的误差量。该项与位置相关的热变形可以用 算法，并结合西门子８４０Ｄ ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎ— 下式表示 ： ｔｅｒｆａｃｅ）二次开发技术将补偿算法嵌入到广泛应用的 西门子８４０Ｄ数控系统。 Ｅ ＝∑［ｔａ （ ）・（ —Ｐ。）］ （２） １ 热误差模型的建立 式中：ｉ为选定补偿轴的轴号； 数控机床的热变形主要是由电机、轴承、传动 为参考轴的轴号； 件、液压系统、环境温度、冷却液等机床内外热源引 ｔ 为温度补偿系数，表征机床线性热膨胀 起的机床部件变形而造成的 ｚ ，包括主轴、进给轴以 系数的大小； 及机床床身支架的热变形。主轴受热情况下发生热伸 Ｐ 为参考轴的位置值； 长，或者受切削影响发生偏摆，其轴线方向的热变形、 Ｐｎ为参考轴的相对位置，表示机床热变形为 分量与位置无关，是与温度相关的变量，该项热变形 零的点，作为求解其他位置热变形量的参考点。 量可以用多元线性回归模型表示 ： 归纳以上两种热变形形式，单轴轴向热变形量分 Ｅｎ＝ （Ｔ）＝Ｃ０＋ｃｌ Ｔ１＋Ｃ２ ＋ｃ３ ＋…＋ｃ 为与位置无关的热变形量和与位置相关的热变形量， （１） 热变形量的表达式可以表示为： 收稿日期：２０１２—１１—０７ 基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１２ＺＸ０４００１－０１２—０４） 作者简介：任建功（１９８７一），男，主要研究方向为高速高精度运动控制技术、数控机床误差补偿技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｅｎｊｇ１２６ ＠１６３．ｃｏｍ。 ・７８・ 机床与液压 第４ｌ卷 Ｅｒ＝层ｎ＋Ｅ ＝ （ｒ，）＋∑［ｔａ （Ｔ）’（ 一 ＝Ｉ Ｐ。）］ （３） 热误差补偿实施方案框如图１所示。首先根据式 （３）建立热变形预测模型，利用温度测量设备检测 机床热变形量并获取相应的数据；然后，温度测量设 备将热变形量实时地传送给数控系统中的预测模型， 由于ＲＳ２３２串行通信可以方便、快捷地实现外部设 备与数控系统之问的数据通讯，传输速度波特率可以 设为５７ ６００，足够满足温度这种缓变量的实时传输要 求，且成本较低 ，因此可以采用串口通信的方式传 递数据；接下来，预测模型将接收到的数据依据热变 形公式计算出相应的热变形量，并换算成相应的补偿 量传递给ＮＣ，ＮＣ对插补指令进行修正，从而实现热 误差补偿功能。 插 图１ 热误差补偿实施方案 ２ ＨＭＩ操作界面的设计及嵌入 西门子８４０Ｄ数控系统提供了热误差补偿功能， 但其开放性的限制导致常用的串口通信不能将热误差 补偿的相关参数直接传递给ＮＣ指令。直接传送这种 方式遇到障碍，但西门子８４０Ｄ系统包含了大量的标 准化部件和接口，通过操作面板的ＨＭＩ接口能操作 ＮＣＵ和ＰＬＣ中的变量，由此可以通过ＨＭＩ操作界面 来解决参数传递问题。并且西门子提供了ＯＥＭ软件 ＨＭＩ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｐａｃｋａｇｅ可以对ＨＭＩ进行二次开发， 用户可以利用这个软件开发新的满足特定需求的 ＨＭＩ界面。这样既可以实现指令参数传递和温度值 的实时显示，又能将开发的算法嵌入到数控系统中， 与系统原界面兼容，便于对算法进行管理和监控。此 外，二次开发的ＨＭＩ界面程序可以接收以串行通信 方式传输的温度采集设备采集的实时数据，按照热误 差补偿模型由采集数据计算出相应的补偿量，并写入 到指定的ＰＬＣ内存中，进而将数据传人到ＮＣ中修正 ＮＣ指令，完成误差补偿功能 。由以上说明可知， ＨＭＩ界面二次开发成为８４０Ｄ系统热误差补偿功能实 现的关键步骤，接下来作者将详述ＨＭＩ界面二次开 发过程。 根据热误差补偿功能的需要，热误差补偿ＨＭＩ 需要实现的功能有：对ＰＣＵ的串口端口参数进行设 置；设置模型参数 、ｔａｎｆｌ、Ｐ。随温度变化的数学 模型；显示温度数据、模型补偿参数及串口端的相关 信息；接收温度模块发送的温度数据的操作；将补偿 数据写入到ＰＬＣ内存的操作。基于以上分析，可以 开发多窗体用户应用程序，将众多需要实现的功能集 成于一个独立的模块中，通过数控面板上的水平软键 和竖直软键执行相关操作，就可以完成需要的功能。 此例中热误差补偿ＨＭＩ的功能界面分为四部分： （Ｉ）参数显示界面； （２）温度显示界面； （３）通信设置界面； （４）模型设置界面。 西门子８４０Ｄ系统标准界面如图２所示，在界面 设计过程中，应使设计界面与西门子８４０Ｄ系统标准 界面的风格及操作习惯保持一致，即用水平软键切换 不同的功能界面，用竖直软键对程序进行相关操 作 。水平软键和竖直软键按照状态矩阵进行分配， 水平软键有８个对应地址，为０～７；竖直软键也有８ 个对应的地址，为８～１５ 。 图２ ８４０Ｄ系统ＨＭＩ界面结构 西门子ＨＭＩ二次开发软件ＨＭＩ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｐａｃｋａｇｅ用ＶＢ语言编写，并提供了专用的环境编写 ＨＭＩ界面。设计界面并将其嵌入西门子８４０Ｄ系统中 分以下几个步骤： （１）套用ＨＭＩ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｐａｃｋａｇｅ软件安装路 径下的实例格式编写界面程序。该路径下提供了实现 不同功能的实例模板程序，这里套用实例Ｏｅｍｂｓｐ０。 由于功能界面主要分为４部分，实例程序中只有１ 个，因此还需要添加ＯＥＭ１、ＯＥＭ２、ＯＥＭ３窗体，每 个窗体中按功能需求分别编写界面。 （２）生成 ．ｅｘｅ程序。界面程序编写完成后， 将生成Ｏｅｍｂｓｐ０．ｅｘｅ可执行文件。生成可执行文件之 前必须启动软件的ＮＣＤＤＥ Ｓｅｒｖｅｒ。 （３）人机界面的定义。西门子８４０Ｄ系统的ＨＭＩ 采用顺序控制，需要在顺序结构框架中注册新增加的 界面程序，并且位置不应与已有的程序冲突，而且还 要定义程序内部的子窗体所对应的水平软键以及竖直 第２１期 任建功等：西门子８４０Ｄ数控系统热误差补偿功能实现 ・７９・ 软件。定义程序内部ＨＭＩ界面时，需要调用的文件 有初始化文件ｏｅｍｂｓｐ０．ｉｎｉ、子窗体列表ｏｅｍｂ． ｓｐ０．ｍｄｉ、控制文件ｏｅｍｂｓｐ０．ＺＤＳ ，引。 初始化文件ｏｅｍｂｓｐ０．ｉｎｉ的内容是： ［ＣＯＮＴＲＯＬ］ ＭＤＩＬｉｓｔ＝ＯＥＭＢＳＰ１＼０ＥＭＢＳＰ０．ＭＤＩ ＣｏｎｔｒｏｌＦｉｌｅ＝ＯＥＭＢＳＰ１＼ＯＥＭＢＳＰ０．ＺＵＳ 依据初始化文件ｏｅｍｂｓｐ０．ｉｎｉ，系统启动时自动加载 子窗体列表文件和控制文件。 子窗体列表ｏｅｍｂｓｐ０．ｍｄｉ内容是： ”０ＥＭ０” １ ”０ＥＭ１” １ ”０ＥＭ２” １ ”０ＥＭ３” １ 文件的第１列为子窗体的名称，由文件内容可知此例 有４个窗体。第２列为子窗体的类型值，当类型值为 ０时，切换窗体过程中子窗体不被关闭而存储于缓存 中；当类型值为１时，切换窗体时该子窗体被关闭。 控制文件ｏｅｍｂｓｐ０．ＺＵＳ其文件主要内容是： ［０］０ ０ ”ＯＥＭ１” ”””０”０ ０ 一】 一】 ”” ”Ｏ” ０ ８ —１ 一ｌ ’ｐａｇｅｄｏｗｎ”０ ９ —１ 一ｌ ’ｐａｇｅｕｐ”０ １６—１—１ ”１６” ０ 状态矩阵中方括号内的序号表示该窗体是第几个状 态，也表明此处是一个新状态设置的开始。此例有４ 个窗体，应该对应４个状态，实例中括号内为０表示 以下是０号状态子窗体的设置，当按下程序界面中的 第一个水平软键时切换到该窗体，其他状态依此类 推。第２列和第３列分别表示当前窗体所对应的水平 软键和竖直软键的首地址 。最后两列的“０”表示 返回值和状态，一般情况下不用修改。窗体设置内容 中，０～７表示水平软键设置，８～１５表示竖直软键设 置，１６为返回键设置。此例中需要修改的是竖直软 键对应的第５列标志位，即为相应的软键操作创建文 本标志。例如ＯＥＭ１的第１个和第２个竖直软键按下 分别表示“轴＋”和“轴一”的功能，则为第８和９ 行对应的软键创建标志“ｐａｇｅｄｏｗｎ”和“ｐａｇｅｕｐ”， 界面程序内部的回调函数就是通过标志来实现其功能 的 。 （４）语言动态链接库的创建。二次开发过程中， ８４０Ｄ新开发功能界面中的水平软件和竖直软键的文 本内容通过语言动态链接库ｄｌｌ文件来显示。语言动 态链接库ｄｌｌ文件在ＶＣ环境下生成，其过程如下： 进入ＶＣ环境，创建“ＭＦＣ ＡｐｐＷｉｚａｒｄ（ｄｌ１）”工程， 然后加载ＲＣ源文件，编译生成动态链接库文件００一 ｕ ｋ．ｄｌｌ，编程界面如图３所示。 图３ ＶＣ创建动态链接库 工程中，ＲＣ源文件包含了用户程序界面水平软 键和竖直软键所显示的文本内容，每个文本内容与其 地址相对应。如热误差补偿界面所对的源文件ｐｏｒｔ．ｒｅ 的部分内容如下： ＳＴＲＩＮＧＴＡＢＬＥ ＤＩＳＣＡＲＤＡＢＬＥ ＢＥＧＩＮ ０ ”１０” ；水平软键文本起始地址 １ ”１００” ；竖直软键文本起始地址 ２ ”２００” ；对话框文本起始地址 ＥＮＤ ＳＴＲＩＮＧＴＡＢＬＥ ＤＩＳＣＡＲＤＡＢＬＥ ＢＥＧＩＮ １０ ”Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ＤｉｓＰｌａｙ” ；具体内容设置 ＥＮＤ 源文件中每个软键显示的文本内容都与其地址相 对应，分别设置水平软键和竖直软键文本的起始地址 分别为１０、１００，则所设计的文本内容地址以１Ｏ和 １００为首地址顺序叠加。对于不同的窗体，其软键文 本地址依次叠加８，如ＯＥＭ１竖直软键的起始地址为 １００，则ＯＥＭ２温度显示界面的竖直软键首地址为 １０８，分号后的内容为注释内容 。 （５）用户程序的嵌入。首先修改…＼ＨＭＩ－Ａｄ－ ｖａｎｃｅｄ＼ＯＥＭ路径下的新建ｒｅｇｉｅ．ｉｎｉ初始化文件，设 置系统启动时需要载入的界面程序。如将界面程序 Ｏｅｍｂｓｐ０．ｅｘｅ载人数控系统，其程序对应于主界面中 空白地址７所对应的水平软键（第８个水平软键）， 则程序内容如下： ［ＴａｓｋＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ］ Ｔａｓｋ７＝ｎａｍｅ：＝Ｏｅｍｂｓｐ０，Ｔｉｍｅｏｕｔ＝５００００； 系统启动时载入的界面程序中，系统主界面中增