軋輥磨床的數控化應用技術
2021-2-18 來源： 貴陽險峰機床有限責任公司 作者：茍大維，徐新力，秦東，龍合昌
摘要：軋輥磨床是一種金屬切削機床，廣泛應用于鋼鐵、有色、造紙等行業，隨著各行各業制造工藝要求都不斷提高，軋輥磨床的磨削修復難度較大，加工復雜度較高，對軋輥磨床提出了更高的數控化要求。選取西門子公司 SINUMERIK 840D sl數控系統為平臺，以 MK8463 軋輥磨床為研究對象，介紹了數控軋輥磨床的系統配置、工作原理、硬件設計以及功能特點等。
關鍵詞：軋輥磨床；數控化改造；技術應用
0 引 言
隨著我國經濟社會的快速發展和科技水平的不斷提升，工業化進程不斷加快，軋輥磨床作為滿足特殊工藝要求的重要工業生產設備，廣泛應用于鋼鐵產業、有色金屬冶煉產業、造紙印刷產業等諸多工業的生產過程。然而，在實際加工的過程中，高溫氧化、機械磨損等諸多原因往往會造成軋輥磨床幾何精度有所下降，需要周期性地對軋輥磨床的運行進行科學修復，最大限度地避免軋輥磨床在磨削軋輥時的精度和磨削效率下降而引起的軋輥磨床生產質量和工藝效率的降低。但是，在軋輥磨床中高磨削、中凹磨削以及錐度磨削等重要部件所涉及的機械結構較為復雜，零部件較多，軋制工藝所要求的軋輥輥面母線曲線加工難度較大，工業生產誤差難以控制。在此背景下，選取 SINUMERIK 840D sl 數控系統作為平臺，以貴陽險峰機床有限責任公司生產的 MK8463軋輥磨床為研究對象，對軋輥磨床進行全新的數控化設計，不斷提升軋輥磨床應用效率。
1、軋輥磨床概述
軋輥磨床是鋼鐵產業生產線的重要配套設備，其磨削精度、磨削效率的高低會在極大程度上直接影響鋼材生產過程軋輥質量和實際生產效率。在實際軋制鋼板的過程中，高溫氧化或機械磨損等諸多原因往往造成軋輥輥面面積減小、軋制精度下降，因此，鋼材生產工作人員需要定時定期對軋輥輥面進行磨削修復。與此同時，軋機工作輥和支撐輥輥面還需要按照一定排列方式實現耦合匹配，因此，在軋輥磨床的磨削軋輥的工作過程中，軋輥磨床數字控制系統根據軋輥面母線的數學模型，計算出砂輪在多種負荷運動條件下對輥面金屬的磨削程度有較大影響，從而根據該磨削程度對軋輥輥面進行科學修復。軋輥磨床在線測量系統主要將測量數據實時反饋給軋輥磨床控制系統，由控制系統對軋輥磨床機床發出對應的閉環控制指令，實現對整個軋機生產過程的精密管理和科學控制，圖 1 即為軋輥磨床電控系統連接示意圖。
圖 1 軋輥磨床電控系統連接示意圖
通常情況下，軋輥磨床的結構形式主要包括工作臺移動結構形式和砂輪架移動結構形式等兩大類。當軋輥磨床的被打磨工件實際直徑小于 630 mm 時，可采用工作臺移動結構模式布置軋輥磨床；而當被磨工件的實際直徑大約 630 mm時，則應該采用砂輪架移動結構形式布置軋輥磨床。同時，在軋輥磨床結構上，還應配置相應的車削拖板等特殊零部件，保證軋輥磨床前導工序的順利加工。在軋輥磨床和其他磨床的機械結構對比方面，軋輥磨床的顯著特點是擁有中高機構，軋輥磨床的輪廓曲線是借助磨床中高機構實現的。目前，在國外的軋輥磨床中，中高機構采用各種各樣的結構形式，凸輪杠桿結構形式的實際使用范圍最廣。但與此同時，盡管軋輥磨床機械結構中的中高結構能夠有效滿足軋輥磨床軋輥輪廓的精度要求，但中高機構的實際構造較為復雜，傳動鏈較長，整個工藝調整過程較為麻煩，且軋輥磨床砂輪架大多為三層架構形式，實際剛性較差，因此，國外部分軋輥磨床也采用 CNC 設備對其中高機構進行改良優化。
2、軋輥磨床的數控化改造技術
2.1 系統組成與工作原理
通常情況下，軋輥磨床大多為金屬切削機床，主要由床身、頭架、尾架、中心架、磨頭、電氣數控系統等重要部分組成，可以進一步將其劃分為承載系統、驅動系統、磨削系統和控制系統等四大子系統。在軋輥磨床的工業生產過程中，頭架、尾架和中心架支撐軋輥磨床工件，由頭架實現相應的驅動旋轉功能，數控系統則進一步根據軋輥磨床軋輥表面母線的數學模型和參數信息控制軋輥機床做多軸復合運動，進而在軋輥磨床實際生產運動過程中實現砂輪對軋輥表面的磨削控制。
為了實現對軋輥磨床的數控化精確控制，依托于軋輥表面輪廓曲線相關原理及其參數信息，對數控系統的 Z 軸、X軸、砂輪和工件轉動進行管理，滿足軋輥磨床工作精度要求。但是，由于軋輥磨床工業生產過程中的軋輥輪廓曲線變化幅度較大，橫向精度要求較高，因此，在 X 軸方向必須建立閉環系統控制軋輥磨床運動軌跡，彌補數控系統中對測量絲杠的誤差。在軋輥磨床的磨削過程中，由于砂輪磨損程度隨著砂輪材質的變化和工件材質的變化有所區別，數控系統并不能保證砂輪切削量的固定不變，故而會在一定程度上降低軋輥磨床砂輪生產效率。此外，軋輥磨床剛度較低，甚至受周圍環境影響較大，系統的不穩定會造成軋輥磨床在 Z 軸方向的爬行。因此，為了克服上述軋輥磨床工業生產缺陷，需單獨控制軋輥系統中的 Z 軸和 X 軸，利用數控系統能控制Z 軸、X 軸以及砂輪、工件的精確化轉動，以在 X 軸方向建立閉環系統的方式不斷提升軋輥磨床 X 軸方向的運動精度。
2.2 硬件設計
根據上述分析及軋輥磨床設計理論，在對軋輥磨床進行數據化改造過程中，選擇西門子 840D s1 系統一套，鍵盤、機床操作面板接口模塊、機床操作面板、單軸交流伺服控制和驅動等各一套，可編程控制器接口模塊和全數字式直流調速裝置各兩套，軋輥磨床縱向運動軸、橫向運動軸、中高機構偏心運動軸和中凹機構偏心運動軸等運動軸的交流伺服電機三個，更包括工件砂輪拖動電機、電子手輪和電源等諸多設備。
2.3 功能特點
在軋輥磨床輔以西門子公司 840D s1 數控系統后，軋輥磨床縱向運動軸、橫向運動軸、中高機構偏心運動軸、中凹機構偏心運動軸等數控軸能在小范圍內采用移動手持單元進行科學控制，既能夠設置相應的快速點動功能，又能借助西門子公司 804D s1 數控系統的電子手段定量調控，操作方便，簡單快捷，有效提高了軋輥磨床工業生產效率。首先，在此過程中，以適應軋輥磨床內置數據信息特質而設計開發的專業分析程序，能在輸入少量軋輥磨床參數信息的基礎上開展砂輪對軋輥表面的磨削工作，使軋輥磨床基層操作專業復雜度大幅度降低，普通員工即可完成，更能夠借助現代社會發展較快的智能機器人實現軋輥磨床砂輪對軋輥表面的磨削，無需專業人員再次安裝程序和編寫控制程序。
其次，軋輥磨床在配備西門子公司 840D s1 數控系統后，能夠有效編程和存儲任意組正弦曲線、CVC 曲線、錐度曲線、倒角曲線等磨削數學模型和磨削曲線數據，能夠編程和存儲任意組磨削工藝參數和任意組砂輪修整工藝參數，極大限度地提高了軋輥磨床工藝設備參數信息修改便捷性。再者，在具備 840D s1 數控系統的軋輥磨床專用編程界面，能夠使磨削曲線和工藝參數編撰更加簡單明了，能夠借助軋輥磨床數控系統對磨削過程中的操作界面參數信息進行修改，使磨削工序能夠按工藝參數信息編號組合，有效提升了軋輥磨床生產效率。
最后，軋輥磨床配備西門子 840D s1 數控系統后，機床具備斷電回退保護功能。當軋輥磨床發生安全事故或處于斷電狀態時，能夠有效利用其數控中心控制系統保護軋輥磨床機構動作，使軋輥磨床砂輪和工件間保持一定距離而保護工件。同時，軋輥磨床數控系統還具備完善的專家診斷系統，能夠及時為軋輥磨床操作者提供更加有效的預警信息和提示信息，為軋輥磨床檢修與維護工作人員的運維 管理工作提供一定參考。此外，配備西門子840D s1 數控系統后，具備磨削曲線參數、工藝參數以及工藝流程等的顯示功能，能夠實時顯示當前軋輥磨床磨削切面的相關參數，最大限度地使軋輥磨床操作者了解磨床磨削情況。借助 804D sl 系統的無電池、無風扇運轉、有效伺服電機無電刷等特色，保證數控磨床系統和伺服電機檢修次數有效降低，更能夠借助軋輥磨床所采用的電氣控制元器件，保證軋輥磨床工作可靠性、精確度與科學性的大幅度提升。
3 、 結 論
將配備西門子公司 840D s1 數控系統的軋輥磨床投入生產使用，對工業生產過程進行科學控制時，能夠有效借助伺服電機拖動方式大幅度簡化軋輥磨床機械結構，從而有效縮短軋輥磨床機床工件制造時間，有利于軋輥磨床工件生產成本的大幅度降低。同時，配備 804D s1 數控系統的軋輥磨床，其磨削精度較傳統模式下的機械式磨削精度有著較大幅度的提升。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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