BEIJING - FANUC 温度补偿功能应用 NO.文件信息文档名称类别发布日期温度补偿功能应用经验类文档2013 年 8 月 15 日发布范围北京发那科机电有限公司全体营销业务线√北京发那科机电有限公司技术部机床厂最终用户关键词：温度检测模块、外部机械原点偏移改版记录：版本改版内容修订人日期1.0新发布朱成龙文件审批记录：编写人业务审核批准人报送朱成龙目录温度补偿功能应用............................................................. 31、概述........................................................................32、 温度补偿过程...............................................................3 2.1 数学模型建立..........................................................3 2.2 补偿数据采样 ..........................................................5 2.2.1 传感器安装 ......................................................52.2.2 数据采样.........................................................53、 温度补偿方案...............................................................53.1 硬件配置...............................................................63.1.1 选型.............................................................63.1.2 接线.............................................................73.1.3 PMC 接口.........................................................9 3.1.3.1 输入信号（温度输入模块→PMC）............................93.1.3.2 输出信号（PMC→温度输入模块） ..........................103.1.4 控制方式........................................................113.2 软件功能设计..........................................................123.2.1 选型............................................................133.2.2 参数设定........................................................13附件： PMC 程序 ..............................................................13温度补偿功能应用1、概述 金属材料具有“热胀冷缩”的性质，该特性在物理学上通常用热膨胀系数（ Thermal expansion coefficient，α therm ）描述。精工机床的床身、立柱、托板等导轨基础件和滚珠丝杠等传动部件一般由金属材料制成，由于机床驱动电机的发热、运动部件摩擦发热以及环境温度等的变化，均会对机床运动轴位置产生附加误差，这将直接影响机床的定位精度，从而影响工件的加工精度。对于在普通车间环境条件下使用的精工机床尤其是行程较长的机床热膨胀系数的影响更不容忽视。以行程5m的轴来说，金属材料的热膨胀系数为10ppm（10um/每1m每1℃），理论上温度每升高1℃，5m行程的轴就“胀长”50um。因此高精度机床和长行程机床需使用“温度补偿”功能来消除附加误差。2、温度补偿过程 2.1 数学模型建立机床坐标轴的定位误差随温度变化会附加一定偏差，对每一给定温度可测出相应的定位误差曲线，为了完成温度补偿需要测出不同温度下的定位误差曲线。如图1为一组实验曲线，测量条件是：以23度误差曲线为基准，在行程500mm～1500mm范围内不停的运动加热机床，每隔20min做一次定位误差测量采样，采样间距100mm，并用点温计记录滚珠丝杠的温度。因此一定温度T的定位误差曲线可以表示为如图2所示的直线，其数学表达式为： （公式 1）其中： 为轴实际位置的定位误差温度偏差补偿值 是与轴位置不相关的温度偏差补偿值 为轴的实际位置 为轴的参考点位置 为与轴位置相关的温度补偿系数（定位误差曲线的梯度）图1：不同温度范围时Z轴定位误差曲线图 2：温度 T 时 X 轴定位误差曲线根据图2绘制温度系数曲线图如图3所示，该曲线反映了某一温度下，******补偿位置对应的******误差，用拟合直线逼近该曲线以后，利用公式1计算： （公式 2）其中：为位置相关点误差等于0所对应的温度；为******的测量温度为在情况下的温度系数，该温度系数表示在某一温度下，滚珠丝杠每 1000mm 所对应的******误差。图 3：温度系数曲线图以机床参考点作为零基准测量位移（P0 =0），忽略参考点处温度影响（Δ K x (T ) =0），则由公式1和公式2得以下关系： （公式 3） 根据公式 3，只需采样丝杠******温度T max 、 T max 情况下温度系数TK max 、参考温度T0 、当前丝杠温度 T 及当前轴位置 P x ，即可计算出当前情况下的位置偏移，将此值作为补偿值对机械原点进行偏移后即可保证机床的定位精度。2.2 补偿数据采样 2.2.1 传感器安装 为准确采样丝杠温度，将温度传感器安装在靠近电机与丝杠连接处的丝杠最末端，传感器可采用 PT100。 PT100 是铂电阻温度传感器，适用于测量-60 度～+400 度之间的温度，完全适用于机床的使用环境温度 5 度～45 度。 PT100 在 0 度时的电阻为 100 欧，在 100 度时的电阻温度约为 138.5 欧，随着温度的变化电阻成线性变化，大约为每摄氏度 0.4 欧。图 4：PT100 铂电阻 RT 曲线图标2.2.2数据采样 机床开机热机30min，测量此时传感器温度T0 为参考温度； 来回运行测量轴，每20min测量此时的丝杠温度T和该温度下的温度系数（丝杠伸长量）； 待丝杠温度T测量值基本保持不变时记录当前丝杠温度为丝杠******温度T max ，此温度下温度系数TK max 。3、 温度补偿方案 FANUC 在实现温度补偿功能时可采用温度输入模块+外部机械原点偏移功能来实现，具体应用方案如下： 3.1 硬件配置 3.1.1 选型 FANUC 输入输出模块I/O Moudle A中包含温度输入模块（ Temperature Input Moudle）可进行温度模拟量的输入，温度补偿模块相关硬件订货号如下： I/O LINK i 连接方式：表 1： FANUC I/O Moudle A 温度输入模块 I/O LINK i 连接方式下配件订货号模块名称订货号含义基本单元 ABU05AA03B-0826-J002横置，可连接 5 个输入输出单元（其他基本单元请查看订货清单）接口单元 AIF01DA03B-0826-J015标准基本单元，不可扩展（其他接口单元请查看订货清单）温度输入模块 ATI04AA03B-0826-J056Pt/JPt 热电阻输入模块温度输入模块 ATI04BA03B-0826-J057J/K 热电偶输入模块端子单元 ATB01AA03B-0826-J350Pt/JPt 热电阻端子单元端子单元 ATB01BA03B-0826-J351J/K 热电偶端子单元I/O LINK 连接方式：表 2： FANUC I/O Moudle A 温度输入模块 I/O LINK 连接方式下配件订货号模块名称订货号含义基本单元 ABU05AA03B-0819-J002横置，可连接 5 个输入输出单元（其他基本单元请查看订货清单）接口单元 AIF01AA03B-0819-J011标准基本单元，不可扩展（其他接口单元请查看订货清单）温度输入模块 ATI04AA03B-0819-J056Pt/JPt 热电阻输入模块温度输入模块 ATI04BA03B-0819-J057J/K 热电偶输入模块端子单元 ATB01AA03B-0819-J350Pt/JPt 热电阻端子单元端子单元 ATB01BA03B-0819-J351J/K 热电偶端子单元 线缆（ FOR I/O LINK&I/O LINK i）：表 3： FANUC I/O Moudle A 温度输入模块线缆订货号模块名称订货号含义I/O 与接口单元连接线缆 K1XA03B-0807-K801A03B-0807-K802K801（5m）K802（10m）温度输入模块与端子单元连接线缆 K5XA03B-0807-K808A03B-0807-K809A03B-0807-K810K808(5m)K809(7m)K810(10m)其中温度输入模块分为 ATI04A 和 ATI04B 两种，主要区别如下：表 4： FANUC 温度输入模块 ATI04A 和 ATI04B 规格对照模块传感器类型温度输入范围分辨率精度ATI04APT100/JPT100 热电阻-50～300.0℃ 0.1℃±1%ATI04BJ/K 热电偶0～600.0℃0.1℃±1%3.1.2 接线温度输入模块总体接线图和端子单元接线图如下：图 5：温度输入模块总体接线图图 6：热电阻型接线图 7：热电偶型接线图 8：温度输入模块管脚定义ATI04A 热电阻型ATI04B 热电偶型图 9：端子单元接线区别左：热电阻型端子单元 ATB01A右：热电偶型端子单元 ATB01B3.1.3 PMC 接口 温度输入模块与 PMC 的接口占用 4 字节输入和 4 字节输出，具体输入输出地址含义如下： 3.1.3.1 输入信号（温度输入模块→PMC）表 5： FANUC 温度输入模块输入信号地址分配及含义0DI 07～DI 00CH1 和 CH3 温度输入值，或者 CH1 和 CH3 异常信息（低 8 位）+1DI 12～DI 08CH1 和 CH3 温度输入值，或者 CH1 和 CH3 异常信息（高 5 位）DI 15～DI 13状态信号+2DI 23～DI 16CH2 和 CH4 温度输入值，或者 CH2 和 CH4 异常信息（低 8 位）+3DI 28～DI 24CH2 和 CH4 温度输入值，或者 CH2 和 CH4 异常信息（高 5 位）DI 31～DI 29状态信号· CH1 和 CH3 通道温度数据读入DI07DI06DI05DI04DI03DI02DI01DI00DI15DI14DI13DI12DI11DI10DI09DI08DI00～DI12 CH1和CH3温度输入值或者异常信息详细DI13 异常标志位1：温度读取异常，异常信息保存在DI00～DI12中 0： DI00～DI12存储数值为温度输入值DI14 CH1数据读取准备好信号，当这一位为1时可读取 CH1 的DI00～DI12温度数据DI15 CH3数据读取准备好信号，当这一位为1时可读取CH3的DI00～DI12温度数据 · CH2 和 CH4 通道温度数据读入DI23DI22DI21DI20DI19DI18DI17DI16DI31DI30DI29DI28DI27DI26DI25DI24DI16～DI28 CH2和CH4温度输入值或者异常信息详细DI29 异常标志位 1：温度读取异常，异常信息保存在DI16～DI28中 0：DI16～DI28存储数值为温度输入值DI30 CH2数据读取准备好信号，当这一位为1时可读取CH2的DI16～DI28温度数据DI31 CH4数据读取准备好信号，当这一位为1时可读取CH4的DI16～DI28温度数据 温度输入数据是以16进制代码表示， 数据值为实际温度的10倍，另外如果使用 AT104A 热电阻型温度输入模块DI12和DI28表示温度值的正负，使用ATI04B热电偶型温度输入模块时温度输入值始终为正值，DI12和DI28无正负含义。例： 使用 ATI04A 接口单元，读取温度数据 5FFBh 5FFB=101 1111 1111 1011，前三位为标志位，第四位为温度正负， 则实际温度为-[NOT(1111111011)+1]/10=-0.5℃ 3.1.3.2 输出信号（PMC→温度输入模块）表 6： FANUC 温度输入模块输出信号地址分配及含义0DO07～DO004 通道自动控制方式通道切换时间（低 8 位）+1DO15～DO084 通道自动控制方式通道切换时间（低 8 位）+2DO23～DO16模块设定数据和定时数据+3DO31～DO24模块设定数据和定时数据DO00～DO15 4 通道自动控制方式通道切换时间注： 2 通道方式不需设定，通常时间设定范围为 0.5s 到 10s，设定时以实际时间 10 倍的 16 进制数值进行设定。DO17 温度输入模块类型 0： ATI04B 热电偶型 1： ATI04A 热电阻型DO18 传感器类型 ATI04A 0： PT 1： JPT ATI04B 0： K 1： JDO19 备用，请设置 0DO24 通道数 0： 2 通道 1： 4 通道（此时必须设定 DO25）DO25 4 通道模式指定 0：自动方式 1：手动方式（通过 DO22 读取请求信号和 DO26 通道选择信号手动指定）DO16 系统准备好信号DO22 读取请求信号DO26 通道选择信号 0： CH1 和 CH2 1： CH3 和 CH4图 10： 4 通道手动模式温度读取时序要求注：温度读取请求信号与系统准备好信号之间需要有1s以上的间隔时间。 3.1.4 控制方式 温度输入模块控制方式有以下3种： ·2通道控制方式（通道CH1和CH2数据每0.3s更新） ·4通道自动方式（通道CH1和CH2与CH3和CH4数据读取自动切换，每通道数据更新时间由PMC设定，设定范围0.5s到10s） ·4通道手动方式（通过读取请求信号指定） 以 4 通道自动方式举例，温度读取控制流程图如下：开始图 11： 4 通道自动方式控制流程图3.2 软件功能设计 FANUC 机械原点偏移功能可以输入偏移量而使机械原点偏移。输入偏移量时立即向对应的轴应用补偿使机械运动。偏移轴的偏移量以检测单位为单位，在信号ED0～ED15中以 0～+/-9999范围内的2进制代码予以指定。该补偿量始终是一个绝对值，输入时机械实际移动的量是与上一次的差分。 而通常的外部机械原点偏移无法使多个轴同时偏移，使用扩展的外部机械原点偏移功能时，可以同时进行相当于控制轴数量的外部机械原点偏移。外部机械原点偏移量在由参数确定的R区域中进行设定。偏移量采用二进制代码，设定范围-32767～32767的绝对值指令。 3.2.1 选型表 7： FANUC 温度输入模块使用软件功能说明功能名称订货号备注外部数据输入A02B-0327-J913 （ 31i-B）0i-D 标配包含外部刀具补偿、外部信息、外部机械原点偏移外部机械原点偏移A02B-0327-J912 （ 31i-B）0i-D 标配包含外部机械原点偏移和扩展的外部机械原点偏移注：外部机械原点偏移和扩展的外部机械原点偏移均在建立原点后生效，且与螺距误差补偿、直线度补偿等误差补偿功能叠加输出。 3.2.2 参数设定 参数 1203#0EMS 设定为 1， 外部机械原点偏移功能生效， 参数 1280 设定 PMC 中 R 区域地址，例：参数 1280 中设定 100 时表 8：机械原点偏移量分配说明R0100第1轴的外部机械原点偏移量（LOW）R0101第1轴的外部机械原点偏移量（HIGH）R0102第2轴的外部机械原点偏移量（LOW）R0103第2轴的外部机械原点偏移量（HIGH）…………R(0100+2(N-1))第n轴的外部机械原点偏移量（LOW）R(0100+2(N-1)+1)第n轴的外部机械原点偏移量（HIGH）偏移量理论计算值： 每一个轴以2字节的二进制代码来给出偏移量，设定范围-32767～32767，偏移量视为由绝对值指令的值，单位为检测单位。例：设定单位 IS-B，公制机械系统（参数 INM(NO.1001#0)=0） 检测单位0.0002mm（CMR(参数（ NO.1820）)=10）将参数 NO.1280设定为100时，写入R102=1100 1100（CCh）、R103=1110 1101（EDh）时，第 2 轴的机械位置偏移量为 EDCCh（脉冲）*0.0002（mm/脉冲）=-0.932mm 在常州创胜特尔 BC 混合型五轴联动加工中心上测试，理论设定偏移量1丝，实际偏移量7u，补偿效果良好。附件： PMC 程序 以温度输入模块 ATI04A 使用Pt100热电阻测量机床第一轴和第二轴温度为例，采用2 通道控制方式，模块地址分配X0～X3、Y0～Y3；外部机械原点偏移量起始地址R100（参数1280=100）；输入地址表：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输出地址表：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)温度补偿流程：PMC 编写：