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數控軋(zhá)輥磨床磨削(xuē)技術的新方向——4點測量3D磨削
2018-9-28  來源: 山東安卓數控科技有限公司(sī)  作者:龐景方

       在造紙(zhǐ)機上,不斷提高的運行速度和(hé)對可接受振動範圍的減小已經(jīng)對造紙機輥筒的圓(yuán)度、偏心率和(hé)圓柱度提出了(le)新(xīn)的要求。圓度更好的輥(gǔn)筒遇到的振動問題更少,條痕問題更少,造紙機(jī)的運行性能(néng)也更好(hǎo)(較少的紙卷斷裂),從而也會降(jiàng)低造(zào)紙機(jī)的維護費用。為解決以上問題,芬蘭赫爾辛基工業大學機械設計係的幾位研究人(rén)員,研究出(chū)了針對造紙機輥筒(tǒng)在(zài)數控軋輥磨床加工(gōng)時的4點測量和3維磨削軟件。軋輥研究國際有限公司(Roll Research)為造紙行業的軋輥磨(mó)床提供新一代4點測量係統和3維磨削技術。

       1 、 4點測量(liàng)、3D磨削概念

       3D是M D和C D測量的疊加,M D是平(píng)麵(miàn)的、二(èr)維的。通常說的測量技術是3D,但對於磨削工作,它本身就是一個3D的工作空間。首(shǒu)先,4點測量技術是水(shuǐ)平和垂直麵的(de)疊加,是三維的,而傳統的隻是水平麵的,是二維的。通過4點(diǎn)測量(liàng)能精確測量出軋輥誤(wù)差的整體情況(兩點測量是檢測不出實際情況的),能通過測量數(shù)據計算出補償磨削曲線,進行二次磨削(xuē)。再依據補償磨削曲線,經過Z軸和微量進給U軸的相互運動完成補償磨削。再(zài)次,4點測量技術的理論依據和(hé)方(fāng)法是(shì):圓度測量的兩點法和三(sān)點法。兩點法適於測(cè)量具(jù)有(yǒu)偶數棱邊形狀誤差的外圓;而三點測量適用於測量具有奇(qí)數(shù)棱邊(biān)形狀的(de)外圓,隻有使用這(zhè)兩種方法才(cái)能測(cè)量出圓度的真實情況。現在(zài)軋輥磨床大多使用的數控測量方法,都是采用單一的兩點(diǎn)測量為理論依據的,所以它所測量出的數據是不準確的(de)。

       另外(wài),4點測量對校直(zhí)誤差和下彎誤(wù)差的測量也優於兩點測量;還有就是利用4點測量(liàng)的方法能過濾掉對測量沒有(yǒu)用的(de)信息,隻(zhī)把有用的信息顯(xiǎn)現出來,避(bì)免了無關信息的幹擾,提高了測量數據的真實(shí)性(xìng)。在測量學上,對於(yú)同一(yī)組數據,采用不(bú)同的數(shù)學模型、不同的算法,最後得出的結論是有區別的。國內(nèi)習慣重視硬件的投入(rù),忽略軟件的價值。對於西門子來(lái)說,它最有價值(zhí)的不是那些電機等硬件,而(ér)是它嵌入到這些設備中的控製代碼。現在(zài)具有戰略眼光的廠商(shāng),對軟件(jiàn)研發上的投入越來越(yuè)多。如圖1所示,在影響測量的因素當中,hardware硬件占35%,software軟件占(zhàn)45%,controller控(kòng)製(zhì)器占20%。這個數(shù)據是美國(guó)的GIDEP(政府工業數據交換項目)中提出來的(de)。

       4點測量係統的(de)硬件,應用當今流行的碳纖維材料較傳統(tǒng)的鐵件更輕便、剛性好、穩定性好、成本低等。應用4點測量技術,配以專業(yè)、先進的數控係統使測量技術在軋輥磨床上的應(yīng)用實現了突破性的飛躍,應用意義重大。

       2、  數控軋輥磨床
 
  
圖1  影響測量不確定的重要因(yīn)素
 
  
圖2  3D磨削(xuē)、4點測量數控軋輥磨床7軸聯動
1-砂輪床身 2-工件床身 3-頭(tóu)架 4—砂輪 5-大拖(tuō)板 6-磨架(橫(héng)向
進給) 7-中心架 8-尾架 9-測量架 10-測量臂
 
  
圖3  4點測量裝置安裝位置與測量臂運動
 
  
圖(tú)4  4點(diǎn)測量裝(zhuāng)置與3D磨削係統的自動(dòng)化係統布(bù)局

       2.1  4點測量、3D磨削數控(kòng)軋輥(gǔn)磨床各軸(如圖2)

       各傳(chuán)動軸:砂輪回轉主軸—C1軸、工件(jiàn)回(huí)轉主軸—C軸。五個為伺服驅(qū)動軸:拖板移動—Z軸、磨架移動(dòng)—X軸、磨頭微量(liàng)移動—曲(qǔ)線U軸、測量架移動—X1軸、測量臂移動—X2軸。

       2.2 自動4點軋輥測量設備(如圖3)

       4點測量裝置部(bù)分組成部件

       ● 水平測量臂。
       ● C型支架,碳纖維,卸裝軋(zhá)輥時液壓驅(qū)動上抬。
       ● C型支架上三個測量頭。1個(gè)固定在支架上,另外兩個測量頭(tóu)安裝在線性導軌上。            
       ● 1個磨輪側測量臂。液壓旋轉機構。
       ● 可更換測量端子。
       ● 海德漢傳感器。
       ● 參照盤,用於參照絕(jué)對直(zhí)徑測量。

       2. 3 數控(kòng)軋輥磨床所配備的西門子電氣、數控、傳動係統 

       西門子公司向Rol l Re s e a r c h公司提供歐(ōu)洲標準版本的西門(mén)子Sinumerik  840D  sl數(shù)控係統和標準的電器係(xì)統、驅動係統。Si nu mer i k  840D  sl數控係統包括(kuò)集成的Si matic  S7‐317 PLC  CPU(中央處理器),西門子Sinumerik  840D  sl軟件(jiàn)許可,所有需要的西門子數控軟件選項許可(kě),840D  sl數控軟件,用於(yú)西門子S7‐317  P L C的(de)P LC軟件,基於(yú)W i n d o w s  7的測量係統軟件(中(zhōng)文版),獨有(yǒu)的數控4點測量3D磨削軟件。如圖4所示。

       3  2點測量與4點測量技術對比 
 
  
圖5  圓(yuán)度及輪廓的定義
 
  
 圖6  圓度測量
 
  
圖7  等徑外形,具有相同的直徑、不(bú)同的圓度
 
  
圖8  圓度形態及(jí)其波形分布

       3.1 圓度(如圖5)

       圓度形態:在(zài)I S O  1101中被定義為兩個(gè)在給(gěi)定橫截麵內(nèi)的同(tóng)心圓所限定的區(qū)域。圓度:在I S O  1101中(zhōng)被定義為兩個在給定橫截麵圖9  采(cǎi)用混合4點測量設備(左(zuǒ))和兩點測量設備(右)測(cè)量的膠帶(dài)內的同(tóng)心(xīn)圓的半徑差。由(yóu)於(yú)旋(xuán)轉軸(zhóu)線的(de)運動,使得對大型旋轉柱形的圓度及圓柱(zhù)度測量非常(cháng)困難,它等同於一(yī)台(tái)標準圓(yuán)度測量儀的主軸誤差。為了測得圓度,必須分離旋(xuán)轉軸線和圓度輪廓。在徑向跳動信號測量中,是無法知道信號是來自於物體的運動還是其圓度輪廓的。在標準圓度測量(liàng)儀上(shàng),通過采用非常精確的主(zhǔ)軸來避免這個問題。

       3.2 圓度的測量——2點測量技術

       根據圓度在(zài)I S O  1101中的定義,對(duì)直(zhí)徑進行測量不能夠獲得圓度信息。采用卡規技(jì)術測量圓度,如圖(tú)6.
  
圖9  采用混合4點測量設備(左)和兩點測量設備(bèi)(右)測量的膠帶
 
  
圖10  圓度形態測量結果(示例)
 
  
圖11  由混合4點測量設備(左(zuǒ))和兩點測量設備(右(yòu))測量的三角形輪廓
 
  
圖12  軋輥在生產(chǎn)時可能(néng)會產生(shēng)振動

       如果不進行(háng)準確測量,是無法確定什麽地方出了問題圖7中顯示了具有不同奇(qí)數葉瓣(波動每(měi)轉)但直徑相同的外形。如果采用2點測量方法,比如遊標(biāo)尺,來測量這些外形的圓度,當旋轉具有這些外形的工件時,是無法發現任何差異的。在(zài)軋輥幾何尺寸測量中使用(yòng)的傳統設備都是基(jī)於2點測量方法的。如圖8所示。2點測量(liàng)技術:不能(néng)測量目標對象的真(zhēn)實圓度形態;偶數波形的形態(例如橢圓度、四(sì)邊形(xíng)度等)可以獲得,但是奇數波形無法采集到。 

       3. 3 4點測量方法與(yǔ)2點測量方法的比較

       膠帶測試:在軋輥表麵(miàn)貼上一小段膠帶後,采用這兩種係統來進行測量。從圖9中看出某主要軋輥磨床製(zhì)造商的兩點測量設備(右)無法(fǎ)區分奇(qí)數波形的圓度輪廓。傳統(tǒng)的測量設備僅僅能夠測得不同輪廓的徑(jìng)向跳(tiào)動和直徑差異外形。圓度形態測量結果(如圖10~圖12)。因(yīn)為造紙機輥(gǔn)筒振動問(wèn)題,通過造(zào)紙機輥筒常規(guī)測量、磨削(xuē)與(yǔ)4點(diǎn)測量3D磨削(xuē)得出了一份(fèn)對(duì)比:(1)質(zhì)量差的造紙機輥(gǔn)筒比質量好的造紙機輥筒在機運行(háng)時間(jiān)的縮短,要超過(guò)40%;(2)帶軸承磨削,3D補償磨削要比傳統的補償磨削,輥子的圓度形狀提高了(le)97%;(3)造紙機的開機率(lǜ)提高;(4)造紙機(jī)輥筒維修成本降低;(5)造紙機生產利潤提高。

       4  4點測量、3D磨削

       4.1 3D磨削(圖13)
 
       (1)基於對M D形態(圓(yuán)度形(xíng)態和跳動)以及CD形態(tài)(直(zhí)徑差異形態和校直(zhí)等)的精確測(cè)量(liàng),軋輥得以(yǐ)根據M D和CD曲線進行補償磨削從而獲得高精(jīng)度的軋輥形(xíng)態。 

       (2)在磨削(xuē)前利用4點測量設備(bèi)對(duì)M D形態(tài)(圓度形(xíng)態(tài)和跳動)以(yǐ)及CD形態(直徑差異形態和校直等)精確測量。

       (3)測量結果(guǒ)在磨削(xuē)中作為補償曲(qǔ)線利(lì)用。

       (4)獲得理想的軋輥形態。    
                                                              
       (5)MD→用於圓度形態(tài)和(hé)跳(tiào)動。   
                                        
       (6)CD→用於(yú)直徑差異形態及校直等。

       4.2 3D輥子外形測(cè)量技術,輔(fǔ)助輥子精密研磨

       如圖14所示,4點測量(liàng)係統與3D磨削(xuē)技術為軋輥(gǔn)測量帶來無與倫比的準確度,輥子輪廓(kuò)的測量(liàng)結(jié)果接著被處理成一個表麵狀況的三維圖像,這在(zài)兩點測量技術(shù)是不可能的。處理後的圖像與紙頁全幅縱、橫向分(fèn)布相(xiàng)結合(hé),這個三維圖像就可以很容易地定出缺(quē)陷所在的位置。在隨後的(de)研磨過(guò)程中,輥子表麵輪廓根據預定的同心幾何形狀進行修整,結果就成(chéng)了理想的輥(gǔn)子幾(jǐ)何形狀。

       4. 3 影響磨削質量的因素及解決(jué)方法
 
  
圖(tú)13  磨(mó)削前後的形態變化
 
  
圖14  軋輥(gǔn)磨削後的幾何形態(tài)
 
  
圖15  帶箱(xiāng)磨削
 
  
圖16  導軌誤差補償磨削

       4. 3.1 帶(軸承)箱磨(mó)削時(shí)為了避免軸承誤(wù)差,通(tōng)常在(zài)磨削前把軸承座從軋輥上拆卸下來,使得對軋輥的服務需要更長的時間。 在采用對軋輥的3D測量和3D補償磨削,對軸承誤差進行補(bǔ)償,就可以進行帶箱磨削,並且能夠得到理想的軋輥形態。如圖15。

       4. 3.2 導軌誤差補償磨削(圖16)

       直徑變化主要是由於機床導軌直線度誤差引起的。軋輥加工的精度不再僅僅是關(guān)於機床本身的精度,還和測量係統(tǒng)以及(jí)控製係統的精度緊密相關。由於有(yǒu)了測量和控製係統,現在對機床的主要要求(qiú)是其穩定性,而不是其機械精度。對軋輥的校直也不再像以前那麽重要(yào)。

       4. 3. 3 圓度誤差自動補償磨削(圖17)

       如(rú)果軋輥的圓度誤差在其(qí)整個長度上不是均一(yī)分布,也將導(dǎo)致直徑變化外形誤差。在補償軋輥直徑變化時,將所測得的數據存儲在控製係統中,通過計(jì)算得到補償曲線,進行補償磨削。 軋輥剛性差異會導致(zhì)圓度(dù)誤差,係統對由軋輥剛性差異引起的圓(yuán)度誤差進行補償磨削(xuē)。

       4. 3.4 校直誤差自動補償

       在軋輥安裝時,軋輥無需非常精確地(dì)平行於Z軸進行校直。校直偏差可以通(tōng)過以下方式進行補償:采用最初的校直測量數據和補償、在每(měi)次補償磨削中自動補償。

       4. 3. 5 偏心補償(圖18)

       沒有偏心補償功(gōng)能(néng)的(de)情形下,在開始(shǐ)磨削前(qián),軋輥必須在磨床上空轉幾個小時來消除軋輥上的熱(rè)膨脹差異。 采用偏心補(bǔ)償功能,軋輥的偏心(xīn)誤差可以進行測量並在磨削時進行補償,從而允許軋輥在磨床上的安裝工作(zuò)完成後(hòu)可以(yǐ)立即開始磨削工作。  

       4 . 4 輥(gǔn)筒數據管理係統

       輥 筒 數 據 管理係統基礎版包括安裝於磨床測量用計 算 機 上 的 本 地SQL數據庫和相關軟件。本 地(dì) 數 據 庫軟件,安裝於測量用計算機上的混合磨削控製軟件包含以下數據庫:輥筒測量數(shù)據(jù)、輥筒、TECHNOLOGY技術(shù)進(jìn)步輥筒類型(當為數據庫創建新軋輥時(shí)可用作模版)、砂輪、砂輪類型(新砂(shā)輪的修整)、操作人員、報表語言。
 
  
圖17  圓度誤(wù)差自動補償磨削
 
  
圖18  偏心補償
 
  
圖19  測量數據庫
 
  
圖20  輥筒的卡規形態(外形誤(wù)差)變化(huà)

       4. 5 數據庫軟件

       如圖19所示,某個測量數據(jù)可(kě)以通過首先選擇軋輥列表(黃色列表)中的軋輥(gǔn)序(xù)列號,然後從測(cè)量數據清單(dān)中找到。測量設備將所有測量數據存儲於測量數據庫(kù)中。上一次指定軋輥的測量數據可以(yǐ)從存檔中選出讀取。工件的其它測量和加工信息也可以保存下來。軟件會存儲加工使用過的程序清單。當下次磨削同一根(gēn)軋輥時,可以調用上一次的磨削程序清單。用戶不需要重新(xīn)輸(shū)入(rù)所有的參數信息,這樣工作效率更高。測量設備可根(gēn)據I S O9000係統(tǒng)的要(yào)求進行校準。圓度(dù)校準采用通過M I K E S(芬蘭計量鑒定(dìng)中心)測量的測試碟(dié)進行校準。

       4.6 輥筒的測量報告示(shì)例(lì)

       如圖20、圖(tú)21所示,采用三維(wéi)測量,可以創建工(gōng)件外殼(ké)示意圖。測量數據可選用不同方式進行表述:用圓柱坐標(作為輥筒整體)或者用直接坐(zuò)標係統以軋輥外(wài)殼擴展圖像的方式(shì)進行表述。如(rú)果需要,工件可以以不同方式進行(háng)旋轉和縮放,使得製作的報表清晰明了。

       5  4點(diǎn)測量(liàng)、3D磨削技術的優點(diǎn) 在軋輥磨削(xuē)車間:

       ● 帶(dài)(軸承)箱磨(mó)削→節省時間(jiān),更好的(de)磨削效果
       ●  自動校(xiào)直誤(wù)差補(bǔ)償→節省時間,更好的(de)磨削效果
       ● 對(duì)軋輥(gǔn)剛性差異引起的圓度→更好的磨削效果
       ● 誤差補償
       ●  偏心補償→節省時間(jiān),更好的磨削效果
       ●  軋(zhá)輥問題的快速分析(需RRI技術協助)→更好的磨削(xuē)效果在造紙過程中:
       ● 改(gǎi)善輥筒振動問題
       ● 改善紙張的兩麵差及平滑度
       ● 延長輥(gǔn)筒在造紙(zhǐ)機上的運行時間(jiān)
       ● 降低造紙(zhǐ)機振(zhèn)動水平和振紋
       ● 降低由振動引起的生產(chǎn)中斷
       ● 提升造(zào)紙機速度的可能性
 
 
  
圖21  測量後生成的三(sān)維圖像

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