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軋輥磨床數控化改造（zào）與應用

2024-8-22 來源：江蘇省高淳中等專業（yè）學校作者：張芬芬（fēn）

摘要: 以某（mǒu）冷軋薄板廠（chǎng）軋輥磨床改造項目為例，對數控技術在軋輥磨床改造中的（de）應用（yòng）展開分析。結果表明，對（duì）軋輥磨床數控係統改造後，輥形偏差縮小，磨削時間縮短，人機交互界麵更加友好，可以顯示圖形，磨床的整體性能得到提升。

關鍵詞: 數控技（jì）術（shù）; 軋輥（gǔn）磨床（chuáng）; 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（shì）製造業不可或缺（quē）的重（chóng）要設備，其（qí）磨削精（jīng）度與產品質量密（mì）切相關。為提高軋輥磨床的磨削精度，需對數控係（xì）統進行改造升級（jí）。某冷軋薄板廠興建於 20世紀（jì） 90 年代末，建（jiàn）廠時的（de）設計產量為 70 萬 t，共（gòng）有 9條生產（chǎn）線，12 套機組，設備與技術（shù）基本上（shàng）都是從國外引進，能夠生產高檔的冷軋板、彩塗板等，其產品（pǐn）在汽車製造、石化油工、建築等行業中有著廣泛應用。該廠磨輥車間采用的支撐（chēng）輥磨床是從美國引進（jìn）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（shù）控（kòng）係統不斷（duàn）老化，部分功（gōng）能喪失。而客戶（hù）對板麵的（de）質（zhì）量要求逐步提高，軋輥磨床的加工精度對生（shēng）產形成了一定的（de）製約，亟需（xū）對軋輥磨床進行改造，以便更好（hǎo）地滿足生產（chǎn）需（xū）要。

1、改（gǎi）造原因及目標

1. 1 改造原（yuán）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（tí）升軋輥修磨技術，令軋（zhá）輥的（de）輥型複雜程度更高，磨削精度更高，偏（piān）心度（dù）、錐度偏差更小，操作更（gèng）加方便，自動化（huà）程度更高，磨削（xuē）速度更快，以適應更多的軋輥材質，應用範圍更廣。該廠的支撐輥磨床數控係（xì）統由插件版計算機（jī）、德國西門子公司出品的 S5 係列 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（jī）軟、硬（yìng）件方麵的限製，導致該磨床（chuáng）的自動化（huà）程度偏低，使用（yòng）過程中經常出現（xiàn）問題，具（jù）體表現在以下幾方麵:

偏差大。磨削加工後的軋輥輥形存（cún）在較大（dà）的（de）偏差，影響了冷軋板質量。輥形偏差是指磨削加工的輥（gǔn）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（xíng）工具，對精度要求較高，尤其是對（duì）平直（zhí）度（dù）要求較（jiào）高，即＜ 50μ。軋輥磨床（chuáng）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製約，無（wú）法滿足（zú）高精度、高質量產品（pǐn）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（bǔ）償功能（néng），導致磨削效率低，平均每（měi）根軋輥的磨削用時約為 60 min 左右。由於（yú）效率過低，導致磨削至規定精度（dù）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（zhá）輥，需保證軋輥的周（zhōu）轉量充足，這樣將導致生產成（chéng）本增（zēng）加。若（ruò）是能夠在現有條件（jiàn）基礎上提（tí）高軋輥磨床的磨削效率，則可使軋（zhá）輥的周（zhōu）轉量隨之減少。

自動（dòng）化程度偏低。從軋輥磨床的操作性能來看，係統采用的操作界麵較差，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］。磨削程序較落後，無（wú）法自由（yóu）編程，不（bú）具備硬件（jiàn）擴展功能，無法實現聯網通信及集中控製，不利（lì）於磨（mó）輥間生產率的提升。

故障率偏高。由於磨（mó）床的控製及傳動係統結構較為複雜，致使（shǐ）設備故障率增加。該軋輥磨床（chuáng）的傳動係統為直流係統，穩定性與可維（wéi）護性較差（chà），不但會對作業效率的提升產生影（yǐng）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。係統插件版（bǎn）采用分立元件，與 PLC 之間（jiān）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（xū）要敷設的電纜數量較多，故障率隨之增高，發生故障後查找及處理難度較大［3］，因此對軋（zhá）輥磨床（chuáng）的數（shù）控係統進行升（shēng）級改造勢在（zài）必行。

1. 2 改造目標

結合軋鋼生（shēng）產及磨輥需求，對軋輥磨床數控係統進行升級改造，主要目標如（rú）下:

係統改造後，使（shǐ）磨削加工的輥形偏差小（xiǎo）於 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（shù）控（kòng）係統軟（ruǎn）件程序（xù）中增加補償功能，縮短磨削時（shí）間（jiān），提高（gāo）磨削效率，使每根軋輥的磨削（xuē）時間從原來的 60 min 縮（suō）減至 40 min 以內，以降（jiàng）低軋輥的周轉量［4］。引入友好型的人機操作界麵，增加圖形（xíng）顯示功能（néng），采用模塊化思路設計磨削程序（xù），為自由編程提供支撐。進一（yī）步簡化控製與（yǔ）傳動係統的結構，避免發生故障，提高磨床運行穩定性。用工業 PC 機替代（dài） CNC 係統，數控係（xì）統與 PLC 的通信及 PLC 與現場元件的通信全部（bù）改為程序總線（xiàn）網（wǎng）絡( Profibus) ，減少電纜敷設量。

2、改造內容

本次（cì）改造屬於整體項目範疇，數控係統的（de）選擇是改造的重點內容，要求所選的數控係統具備良好的控製性及通用性，在提升軋輥磨削精度及質量的基礎上降低工（gōng）作強度。

2. 1 改造（zào）方案

可用於軋輥磨床數控係統改造的方案有以下幾種:

方案一: 工（gōng）業 PC 機 + CNC + PLC。該方案的係統架構如圖 1 所示。

圖 1 工業 PC 機 + CNC + PLC 架構示意圖（tú）

該方案中，數控係（xì）統的所有單（dān）元（yuán）均獨立，通過840D 將獨（dú）立 PC 機（jī）、CNC、PLC 等單元集中於一塊插件版（bǎn）上，各自獨立運行程序。其最突出的（de）特點是 840D的應用，係統具有較（jiào）強（qiáng）的通用性，故（gù）障（zhàng）率相對較低，便於維修［5］。

方案二: CNC + PLC，以工業 PC 機替代 CNC。該方案的係（xì）統（tǒng）架構如圖 2 所示。

圖（tú） 2 CNC + PLC( 以工（gōng）業 PC 機替代 CNC) 架（jià）構示意圖

該方案中，CNC 被工業 PC 機取（qǔ）代，PLC 得以保留，將 PC 機劃分為兩部分，即操作和控製，前者主（zhǔ）要負（fù）責對控製部（bù）分發出的指令信息進（jìn）行接收與執行，後者可（kě）實現控製（zhì）及圖形處理等功能。CNC 被工（gōng）業 PC 機（jī）所取代，係統的（de）硬件（jiàn）結構變得更加簡（jiǎn）單（dān），因 PC 機為工業專用，故而（ér）該係統的通用性較差，但專業性非常強，維修（xiū）難度增大。

方案（àn）三: 工業（yè） PC 機代（dài）替（tì） CNC 與 PLC。該方案的架構如（rú）圖 3 所示。

圖 3 工業（yè） PC 機代替 CNC 與 PLC 的架構示意（yì）圖

該方（fāng）案中，CNC、PLC 的功能均在 PC 機上，以軟件（jiàn）控製方式實現，PC 機具有（yǒu）超（chāo）強的邏輯運算能力（lì），利用擴展的總線接口，可與外部的（de）驅動單元（yuán）相連接。軟件型控製係統為（wéi）實時操作係統，能夠對 CPU 資源自主使（shǐ）用，借助 Windows 操作係（xì）統（tǒng），可完成畫麵顯示、數據通信、邏輯掃描、控（kòng）製任務等。該係統突出的特點是運算功能強大，現場（chǎng）總線技術（shù）的運用，豐富了控製係統對外（wài）圍輸入及輸出信號的監控。

從硬件結構、操作界麵、編程方式、磨削功能等方麵對上述 3 種改造方案進行比較（jiào），確定將方案（àn）一作為（wéi）本次軋輥磨床數控係統改造的主要（yào）方案，選用某機床廠（chǎng）提（tí）供（gòng）的（de）支撐輥磨床 MK84125，因為 840D 係統的通用性強，能夠（gòu）使現場設（shè）備保持正常運轉，加（jiā）之係統價格較低，故將其作為首選。840D 數控係統由德（dé）國西門子公司研發，功能強大，包括人機界麵、可編程控製器、數控內（nèi）核、驅動控製等。係統各部分功（gōng）能如圖 4 所（suǒ）示。

圖 4 係統各部分功能示意圖

2. 2 操作界（jiè）麵的開發（fā）

選好數控係（xì）統後，依托相關的開發軟件，對操作界麵進行定義，通過（guò）操作界麵的開發，實現全麵自動化操（cāo）作，以提升磨床（chuáng）的磨削效力及加工（gōng）質量，輔助用戶以分層方式管理機床。對軋輥磨床（chuáng）的加工工藝進行融（róng）合（hé）設計，包括工（gōng）件中心自動校正、砂輪自動修整、磨削（xuē）自動循（xún）環、輥形（xíng）偏差自動（dòng）測（cè）量與修整及補償，按照實際需求，對加工工序進行靈活（huó）組合，實現不同軋輥及表麵質量的整（zhěng）合。操作界麵由 6 個窗口組成，具（jù）體開發過程如下:

手動調整。軋輥磨床在非（fēi）磨削（xuē）加工狀態時（shí），可運用手（shǒu）動調整窗口（kǒu），以實現對磨床伺服軸、頭架主軸電機、砂輪主（zhǔ）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（shù），由（yóu）於參數對磨床的控製過（guò）程具有直接影響，故（gù）應正確、合理進（jìn）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（tè）定（dìng）情況下按磨（mó）床運行特點修改設置［6］。在修改設置參（cān）數時，用戶應具備（bèi）相應的權限，參數修（xiū）改完畢後予以保存，以替代之前的參數。

加工程序編（biān）輯。該窗口能夠編製軋輥磨床的加工程（chéng）序，將係統提供的加工工序整合（hé）後，輸入最佳的磨削參數，使軋輥加（jiā）工實現最優目標。

曲線參數（shù）。該窗（chuāng）口能夠（gòu）完（wán）成軋輥輥形曲線參數的錄入、修改、保（bǎo）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，係統保存數十條輥形參數，用戶可對曲線進行（háng）修（xiū）改，並新增所需的曲線。

磨削。該窗口（kǒu）能夠對軋輥（gǔn）磨床（chuáng）自動磨削加工過程進行控（kòng）製，係統裝載（zǎi）大量的程序，可提供多種控製方案，實現由（yóu）簡到繁的自動（dòng）磨削控製。

3、結束語

在軋輥磨床數控係統改造過程（chéng）中，需合理應用先進（jìn）的（de）數控技術（shù），根據生產需要選擇最為適宜（yí）的係統，達到改造目（mù）的，提高軋輥磨床的磨削精度，提升（shēng）產品質量。未來一（yī）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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