軋輥磨床的數(shù)控化應(yīng)用技術(shù)
2021-2-18 來(lái)源： 貴陽(yáng)險(xiǎn)峰機(jī)床有限責(zé)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(jī)床，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色、造紙等行業(yè)，隨著各行各業(yè)制造工藝要求都不斷提高，軋輥磨床的磨削修復(fù)難度較大，加工復(fù)雜度較高，對(duì)軋輥磨床提出了更高的數(shù)控化要求。選取西門子公司 SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，以 MK8463 軋輥磨床為研究對(duì)象，介紹了數(shù)控軋輥磨床的系統(tǒng)配置、工作原理、硬件設(shè)計(jì)以及功能特點(diǎn)等。
關(guān)鍵詞：軋輥磨床；數(shù)控化改造；技術(shù)應(yīng)用
0 引 言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和科技水平的不斷提升，工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，軋輥磨床作為滿足特殊工藝要求的重要工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于鋼鐵產(chǎn)業(yè)、有色金屬冶煉產(chǎn)業(yè)、造紙印刷產(chǎn)業(yè)等諸多工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程。然而，在實(shí)際加工的過(guò)程中，高溫氧化、機(jī)械磨損等諸多原因往往會(huì)造成軋輥磨床幾何精度有所下降，需要周期性地對(duì)軋輥磨床的運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)修復(fù)，最大限度地避免軋輥磨床在磨削軋輥時(shí)的精度和磨削效率下降而引起的軋輥磨床生產(chǎn)質(zhì)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(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yè)生產(chǎn)誤差難以控制。在此背景下，選取 SINUMERIK 840D sl 數(shù)控系統(tǒng)作為平臺(tái)，以貴陽(yáng)險(xiǎn)峰機(jī)床有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 MK8463軋輥磨床為研究對(duì)象，對(duì)軋輥磨床進(jìn)行全新的數(shù)控化設(shè)計(jì)，不斷提升軋輥磨床應(yīng)用效率。
1、軋輥磨床概述
軋輥磨床是鋼鐵產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線的重要配套設(shè)備，其磨削精度、磨削效率的高低會(huì)在極大程度上直接影響鋼材生產(chǎn)過(guò)程軋輥質(zhì)量和實(shí)際生產(chǎn)效率。在實(shí)際軋制鋼板的過(guò)程中，高溫氧化或機(jī)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(chǎn)工作人員需要定時(shí)定期對(duì)軋輥輥面進(jìn)行磨削修復(fù)。與此同時(shí)，軋機(jī)工作輥和支撐輥輥面還需要按照一定排列方式實(shí)現(xiàn)耦合匹配，因此，在軋輥磨床的磨削軋輥的工作過(guò)程中，軋輥磨床數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)軋輥面母線的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出砂輪在多種負(fù)荷運(yùn)動(dòng)條件下對(duì)輥面金屬的磨削程度有較大影響，從而根據(jù)該磨削程度對(duì)軋輥輥面進(jìn)行科學(xué)修復(fù)。軋輥磨床在線測(cè)量系統(tǒng)主要將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給軋輥磨床控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對(duì)軋輥磨床機(jī)床發(fā)出對(duì)應(yīng)的閉環(huán)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)軋機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的精密管理和科學(xué)控制，圖 1 即為軋輥磨床電控系統(tǒng)連接示意圖。
圖 1 軋輥磨床電控系統(tǒng)連接示意圖
通常情況下，軋輥磨床的結(jié)構(gòu)形式主要包括工作臺(tái)移動(dòng)結(jié)構(gòu)形式和砂輪架移動(dòng)結(jié)構(gòu)形式等兩大類。當(dāng)軋輥磨床的被打磨工件實(shí)際直徑小于 630 mm 時(shí)，可采用工作臺(tái)移動(dòng)結(jié)構(gòu)模式布置軋輥磨床；而當(dāng)被磨工件的實(shí)際直徑大約 630 mm時(shí)，則應(yīng)該采用砂輪架移動(dòng)結(jié)構(gòu)形式布置軋輥磨床。同時(shí)，在軋輥磨床結(jié)構(gòu)上，還應(yīng)配置相應(yīng)的車削拖板等特殊零部件，保證軋輥磨床前導(dǎo)工序的順利加工。在軋輥磨床和其他磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)比方面，軋輥磨床的顯著特點(diǎn)是擁有中高機(jī)構(gòu)，軋輥磨床的輪廓曲線是借助磨床中高機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。目前，在國(guó)外的軋輥磨床中，中高機(jī)構(gòu)采用各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，凸輪杠桿結(jié)構(gòu)形式的實(shí)際使用范圍最廣。但與此同時(shí)，盡管軋輥磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)中的中高結(jié)構(gòu)能夠有效滿足軋輥磨床軋輥輪廓的精度要求，但中高機(jī)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造較為復(fù)雜，傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，整個(gè)工藝調(diào)整過(guò)程較為麻煩，且軋輥磨床砂輪架大多為三層架構(gòu)形式，實(shí)際剛性較差，因此，國(guó)外部分軋輥磨床也采用 CNC 設(shè)備對(duì)其中高機(jī)構(gòu)進(jìn)行改良優(yōu)化。
2、軋輥磨床的數(shù)控化改造技術(shù)
2.1 系統(tǒng)組成與工作原理
通常情況下，軋輥磨床大多為金屬切削機(jī)床，主要由床身、頭架、尾架、中心架、磨頭、電氣數(shù)控系統(tǒng)等重要部分組成，可以進(jìn)一步將其劃分為承載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、磨削系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四大子系統(tǒng)。在軋輥磨床的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，頭架、尾架和中心架支撐軋輥磨床工件，由頭架實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能，數(shù)控系統(tǒng)則進(jìn)一步根據(jù)軋輥磨床軋輥表面母線的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)信息控制軋輥機(jī)床做多軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在軋輥磨床實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)砂輪對(duì)軋輥表面的磨削控制。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥磨床的數(shù)控化精確控制，依托于軋輥表面輪廓曲線相關(guān)原理及其參數(shù)信息，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的 Z 軸、X軸、砂輪和工件轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)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(yè)生產(chǎn)過(guò)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(huán)系統(tǒng)控制軋輥磨床運(yùn)動(dòng)軌跡，彌補(bǔ)數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)測(cè)量絲杠的誤差。在軋輥磨床的磨削過(guò)程中，由于砂輪磨損程度隨著砂輪材質(zhì)的變化和工件材質(zhì)的變化有所區(qū)別，數(shù)控系統(tǒng)并不能保證砂輪切削量的固定不變，故而會(huì)在一定程度上降低軋輥磨床砂輪生產(chǎn)效率。此外，軋輥磨床剛度較低，甚至受周圍環(huán)境影響較大，系統(tǒng)的不穩(wěn)定會(huì)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(yè)生產(chǎn)缺陷，需單獨(dú)控制軋輥系統(tǒng)中的 Z 軸和 X 軸，利用數(shù)控系統(tǒng)能控制Z 軸、X 軸以及砂輪、工件的精確化轉(zhuǎn)動(dòng)，以在 X 軸方向建立閉環(huán)系統(tǒng)的方式不斷提升軋輥磨床 X 軸方向的運(yùn)動(dòng)精度。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)上述分析及軋輥磨床設(shè)計(jì)理論，在對(duì)軋輥磨床進(jìn)行數(shù)據(jù)化改造過(guò)程中，選擇西門子 840D s1 系統(tǒng)一套，鍵盤、機(jī)床操作面板接口模塊、機(jī)床操作面板、單軸交流伺服控制和驅(qū)動(dòng)等各一套，可編程控制器接口模塊和全數(shù)字式直流調(diào)速裝置各兩套，軋輥磨床縱向運(yùn)動(dòng)軸、橫向運(yùn)動(dòng)軸、中高機(jī)構(gòu)偏心運(yùn)動(dòng)軸和中凹機(jī)構(gòu)偏心運(yùn)動(dòng)軸等運(yùn)動(dòng)軸的交流伺服電機(jī)三個(gè)，更包括工件砂輪拖動(dòng)電機(jī)、電子手輪和電源等諸多設(shè)備。
2.3 功能特點(diǎn)
在軋輥磨床輔以西門子公司 840D s1 數(shù)控系統(tǒng)后，軋輥磨床縱向運(yùn)動(dòng)軸、橫向運(yùn)動(dòng)軸、中高機(jī)構(gòu)偏心運(yùn)動(dòng)軸、中凹機(jī)構(gòu)偏心運(yùn)動(dòng)軸等數(shù)控軸能在小范圍內(nèi)采用移動(dòng)手持單元進(jìn)行科學(xué)控制，既能夠設(shè)置相應(yīng)的快速點(diǎn)動(dòng)功能，又能借助西門子公司 804D s1 數(shù)控系統(tǒng)的電子手段定量調(diào)控，操作方便，簡(jiǎn)單快捷，有效提高了軋輥磨床工業(yè)生產(chǎn)效率。首先，在此過(guò)程中，以適應(yīng)軋輥磨床內(nèi)置數(shù)據(jù)信息特質(zhì)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的專業(yè)分析程序，能在輸入少量軋輥磨床參數(shù)信息的基礎(chǔ)上開(kāi)展砂輪對(duì)軋輥表面的磨削工作，使軋輥磨床基層操作專業(yè)復(fù)雜度大幅度降低，普通員工即可完成，更能夠借助現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展較快的智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)軋輥磨床砂輪對(duì)軋輥表面的磨削，無(wú)需專業(yè)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(shù)控系統(tǒng)后，能夠有效編程和存儲(chǔ)任意組正弦曲線、CVC 曲線、錐度曲線、倒角曲線等磨削數(shù)學(xué)模型和磨削曲線數(shù)據(jù)，能夠編程和存儲(chǔ)任意組磨削工藝參數(shù)和任意組砂輪修整工藝參數(shù)，極大限度地提高了軋輥磨床工藝設(shè)備參數(shù)信息修改便捷性。再者，在具備 840D s1 數(shù)控系統(tǒng)的軋輥磨床專用編程界面，能夠使磨削曲線和工藝參數(shù)編撰更加簡(jiǎn)單明了，能夠借助軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)對(duì)磨削過(guò)程中的操作界面參數(shù)信息進(jìn)行修改，使磨削工序能夠按工藝參數(shù)信息編號(hào)組合，有效提升了軋輥磨床生產(chǎn)效率。
最后，軋輥磨床配備西門子 840D s1 數(shù)控系統(tǒng)后，機(jī)床具備斷電回退保護(hù)功能。當(dāng)軋輥磨床發(fā)生安全事故或處于斷電狀態(tài)時(shí)，能夠有效利用其數(shù)控中心控制系統(tǒng)保護(hù)軋輥磨床機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使軋輥磨床砂輪和工件間保持一定距離而保護(hù)工件。同時(shí)，軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)還具備完善的專家診斷系統(tǒng)，能夠及時(shí)為軋輥磨床操作者提供更加有效的預(yù)警信息和提示信息，為軋輥磨床檢修與維護(hù)工作人員的運(yùn)維 管理工作提供一定參考。此外，配備西門子840D s1 數(shù)控系統(tǒng)后，具備磨削曲線參數(shù)、工藝參數(shù)以及工藝流程等的顯示功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前軋輥磨床磨削切面的相關(guān)參數(shù)，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(tǒng)的無(wú)電池、無(wú)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)、有效伺服電機(jī)無(wú)電刷等特色，保證數(shù)控磨床系統(tǒng)和伺服電機(jī)檢修次數(shù)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(xué)性的大幅度提升。
3 、 結(jié) 論
將配備西門子公司 840D s1 數(shù)控系統(tǒng)的軋輥磨床投入生產(chǎn)使用，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)控制時(shí)，能夠有效借助伺服電機(jī)拖動(dòng)方式大幅度簡(jiǎn)化軋輥磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而有效縮短軋輥磨床機(jī)床工件制造時(shí)間，有利于軋輥磨床工件生產(chǎn)成本的大幅度降低。同時(shí)，配備 804D s1 數(shù)控系統(tǒng)的軋輥磨床，其磨削精度較傳統(tǒng)模式下的機(jī)械式磨削精度有著較大幅度的提升。
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