軋輥磨床數控化改造與應用
2023-11-27 來源： 江蘇省高淳中等專業學校 作者：張芬芬
摘要: 以某冷軋薄板廠軋輥磨床改造項目為例，對數控技術在軋輥磨床改造中的應用展開分析。結果表明，對軋輥磨床數控系統改造后，輥形偏差縮小，磨削時間縮短，人機交互界面更加友好，可以顯示圖形，磨床的整體性能得到提升。
關鍵詞: 數控技術; 軋輥磨床; 改造
數控技術在多個領域得到了廣泛的應用，其中軋輥磨床是制造業不可或缺的重要設備，其磨削精度與產品質量密切相關。為提高軋輥磨床的磨削精度，需對數控系統進行改造升級。某冷軋薄板廠興建于 20世紀 90 年代末，建廠時的設計產量為 70 萬 t，共有 9條生產線，12 套機組，設備與技術基本上都是從國外引進，能夠生產高檔的冷軋板、彩涂板等，其產品在汽車制造、石化油工、建筑等行業中有著廣泛應用。該廠磨輥車間采用的支撐輥磨床是從美國引進的，主要負責酸洗冷軋聯合機組與平整機組的支撐輥修磨任務。磨床在長時間服役中數控系統不斷老化，部分功能喪失。而客戶對板面的質量要求逐步提高，軋輥磨床的加工精度對生產形成了一定的制約，亟需對軋輥磨床進行改造，以便更好地滿足生產需要。
1、改造原因及目標
1. 1 改造原因
近年來，軋鋼技術逐步完善，帶鋼質量逐步提升，為生產出能夠滿足不同客戶需求的帶鋼產品，需提升軋輥修磨技術，令軋輥的輥型復雜程度更高，磨削精度更高，偏心度、錐度偏差更小，操作更加方便，自動化程度更高，磨削速度更快，以適應更多的軋輥材質，應用范圍更廣。該廠的支撐輥磨床數控系統由插件版計算機、德國西門子公司出品的 S5 系列 PLC 組成，計算機與 PLC 之間以點對點方式傳輸信號［1］。受到計算機軟、硬件方面的限制，導致該磨床的自動化程度偏低，使用過程中經常出現問題，具體表現在以下幾方面:偏差大。磨削加工后的軋輥輥形存在較大的偏差，影響了冷軋板質量。輥形偏差是指磨削加工的輥形與預先設定的輥形之間的差值。軋輥作為軋鋼生產中鋼板的變形工具，對精度要求較高，尤其是對平直度要求較高，即 ＜ 50μ。軋輥磨床存在的主要問題是磨削輥形偏差較大，約為 100μ，無法滿足冷軋鋼板的板形精度要求，對冷軋板質量的提升產生了嚴重制約，無法滿足高精度、高質量產品的生產需要。
磨削效率低。磨床對軋輥中心校準的時間較長，數控程序中不具備補償功能，導致磨削效率低，平均每根軋輥的磨削用時約為 60 min 左右。由于效率過低，導致磨削至規定精度所需的道次增多，軋輥及砂輪的損耗隨之增大，致使輥耗降低。為供應質量合格、精度達標的軋輥，需保證軋輥的周轉量充足，這樣將導致生產成本增加。若是能夠在現有條件基礎上提高軋輥磨床的磨削效率，則可使軋輥的周轉量隨之減少。
自動化程度偏低。從軋輥磨床的操作性能來看，系統采用的操作界面較差，無法顯示圖形，導致生產過程中無法隨時查看圓度、磨削偏差等情況［2］。磨削程序較落后，無法自由編程，不具備硬件擴展功能，無法實現聯網通信及集中控制，不利于磨輥間生產率的提升。
故障率偏高。由于磨床的控制及傳動系統結構較為復雜，致使設備故障率增加。該軋輥磨床的傳動系統為直流系統，穩定性與可維護性較差，不但會對作業效率的提升產生影響，還會增加維護成本。直流電動機的缺點是需要經常保養碳刷，如果維護不及時將可能引發故障。系統插件版采用分立元件，與 PLC 之間的通信方式為點對點，PLC 與現場元件的通信方式也是點對點，需要敷設的電纜數量較多，故障率隨之增高，發生故障后查找及處理難度較大［3］，因此對軋輥磨床的數控系統進行升級改造勢在必行。
1. 2 改造目標
結合軋鋼生產及磨輥需求，對軋輥磨床數控系統進行升級改造，主要目標如下:
系統改造后，使磨削加工的輥形偏差小于 10 μ，提高板形質量，為高品質、高精度產品的批量生產提供保障。在數控系統軟件程序中增加補償功能，縮短磨削時間，提高磨削效率，使每根軋輥的磨削時間從原來的 60 min 縮減至 40 min 以內，以降低軋輥的周轉量［4］。引入友好型的人機操作界面，增加圖形顯示功能，采用模塊化思路設計磨削程序，為自由編程提供支撐。進一步簡化控制與傳動系統的結構，避免發生故障，提高磨床運行穩定性。用工業 PC 機替代 CNC 系統，數控系統與 PLC 的通信及 PLC 與現場元件的通信全部改為程序總線網絡( Profibus) ，減少電纜敷設量。
2、改造內容
本次改造屬于整體項目范疇，數控系統的選擇是改造的重點內容，要求所選的數控系統具備良好的控制性及通用性，在提升軋輥磨削精度及質量的基礎上降低工作強度。
2. 1 改造方案
可用于軋輥磨床數控系統改造的方案有以下幾種:
方案一: 工業 PC 機 + CNC + PLC。該方案的系統架構如圖 1 所示。
圖 1 工業 PC 機 + CNC + PLC 架構示意圖
該方案 中，數控系統的所有單元均獨立，通 過840D 將獨立 PC 機、CNC、PLC 等單元集中于一塊插件版上，各自獨立運行程序。其最突出的特點是 840D的應用，系統具有較強的通用性，故障率相對較低，便于維修［5］。
方案二: CNC + PLC，以工業 PC 機替代 CNC。該方案的系統架構如圖 2 所示。
圖 2 CNC + PLC( 以工業 PC 機替代 CNC) 架構示意圖
該方案中，CNC 被工業 PC 機取代，PLC 得以保留，將 PC 機劃分為兩部分，即操作和控制，前者主要負責對控制部分發出的指令信息進行接收與執行，后者可實現控制及圖形處理等功能。CNC 被工業 PC 機所取代，系統的硬件結構變得更加簡單，因 PC 機為工業專用，故而該系統的通用性較差，但專業性非常強，維修難度增大。
方案三: 工業 PC 機代替 CNC 與 PLC。該方案的架構如圖 3 所示
圖 3 工業 PC 機代替 CNC 與 PLC 的架構示意圖
該方案中，CNC、PLC 的功能均在 PC 機上，以軟件控制方式實現，PC 機具有超強的邏輯運算能力，利用擴展的總線接口，可與外部的驅動單元相連接。軟件型控制系統為實時操作系統，能夠對 CPU 資源自主使用，借助 Windows 操作系統，可完成畫面顯示、數據通信、邏輯掃描、控制任務等。該系統突出的特點是運算功能強大，現場總線技術的運用，豐富了控制系統對外圍輸入及輸出信號的監控。
從硬件結構、操作界面、編程方式、磨削功能等方面對上述 3 種改造方案進行比較，確定將方案一作為本次軋輥磨床數控系統改造的主要方案，選用某機床廠提供的支撐輥磨床 MK84125，因為 840D 系統的通用性強，能夠使現場設備保持正常運轉，加之系統價格較低，故將其作為首選。840D 數控系統由德國西門子公司研發，功能強大，包括人機界面、可編程控制器、數控內核、驅動控制等。系統各部分功能如圖 4 所示。
圖 4 系統各部分功能示意圖
2. 2 操作界面的開發
選好數控系統后，依托相關的開發軟件，對操作界面進行定義，通過操作界面的開發，實現全面自動化操作，以提升磨床的磨削效力及加工質量，輔助用戶以分層方式管理機床。對軋輥磨床的加工工藝進行融合設計，包括工件中心自動校正、砂輪自動修整、磨削自動循環、輥形偏差自動測量與修整及補償，按照實際需求，對加工工序進行靈活組合，實現不同軋輥及表面質量的整合。操作界面由 6 個窗口組成，具體開發過程如下:手動調整。軋輥磨床在非磨削加工狀態時，可運用手動調整窗口，以實現對磨床伺服軸、頭架主軸電機、砂輪主軸電機、測量臂等的手動調整。
參數設置。該窗口的主要功能是設置軋輥磨床的基本參數，由于參數對磨床的控制過程具有直接影響，故應正確、合理進行設置。大部分參數是在軋輥磨床調試期間完成設置，少部分參數需在特定情況下按磨床運行特點修改設置［6］。在修改設置參數時，用戶應具備相應的權限，參數修改完畢后予以保存，以替代之前的參數。
加工程序編輯。該窗口能夠編制軋輥磨床的加工程序，將系統提供的加工工序整合后，輸入最佳的磨削參數，使軋輥加工實現最優目標。
曲線參數。該窗口能夠完成軋輥輥形曲線參數的錄入、修改、保存等操作。可編程的曲線類型包括平輻輥形、正弦輥輥形、錐度輥輥形、曲線輥形等。在默認的情況下，系統保存數十條輥形參數，用戶可對曲線進行修改，并新增所需的曲線。
磨削。該窗口能夠對軋輥磨床自動磨削加工過程進行控制，系統裝載大量的程序，可提供多種控制方案，實現由簡到繁的自動磨削控制。
3、結束語
在軋輥磨床數控系統改造過程中，需合理應用先進的數控技術，根據生產需要選擇最為適宜的系統，達到改造目的，提高軋輥磨床的磨削精度，提升產品質量。未來一段時期，要加大數控技術研究力度，逐步改進完善，研發新技術，使其更好地為工業生產服務。
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