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數控軋輥磨床磨削技（jì）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（gōng）司作者：龐景方

在造紙機上，不（bú）斷提高的運行速度和對可接受振動範（fàn）圍的減小已經（jīng）對造紙機輥筒的圓度、偏心率和圓柱度提出（chū）了新的要求。圓度更好的輥筒遇到的振動問題更少，條痕問題更少，造紙機的運（yùn）行性（xìng）能也更好（較少的紙卷斷裂），從而也會降低造紙機的維護費用。為解決以上問題，芬蘭赫爾辛基（jī）工業（yè）大學（xué）機械設計係的幾位研究人員（yuán），研究出了針對造（zào）紙機輥筒在數控軋輥磨床加工時（shí）的4點測量和3維磨削（xuē）軟件。軋輥研究國際有限公司（sī）（Roll Research）為造（zào）紙行業的軋輥磨床提供新一代4點測量係統和3維磨削技術。

1 、 4點測量、3D磨削概念

3D是M D和C D測量的（de）疊加，M D是平麵的、二維的。通（tōng）常說的測量技術是3D，但對於磨削（xuē）工作，它本身就是一個3D的（de）工（gōng）作（zuò）空間。首（shǒu）先，4點測量技術是水平和垂直麵的疊加，是三維的，而傳統的隻是水平麵的，是二維（wéi）的。通過4點測量能精確測（cè）量出軋輥誤差的整體（tǐ）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。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（bǔ）償（cháng）磨削。再次，4點測量技術的理論依據和方法（fǎ）是：圓度測量的兩點法和三點法。兩點法（fǎ）適於測量具有偶數棱邊形狀誤差的外圓；而三點測量（liàng）適用於測量具有奇數棱邊形狀的外（wài）圓，隻有使用這兩種方法才能測量出圓度的真（zhēn）實情（qíng）況。現在軋（zhá）輥磨床大多使用的數控測量方法（fǎ），都是采用單一的（de）兩點測（cè）量為理論依據的，所以它（tā）所測量出的數據是不準確的。

另外，4點測量對校直誤差和下彎誤差的測量也優（yōu）於兩點（diǎn）測量（liàng）；還有就是利用4點（diǎn）測量的方法能過（guò）濾（lǜ）掉對測量沒有用的信息，隻把有用的信息顯現出來，避免（miǎn）了無關信（xìn）息的幹擾，提高了測量數據的真實性。在測量學上，對於同一組數據，采用不同（tóng）的（de）數學模（mó）型、不同的算法（fǎ），最後（hòu）得出的結論是有區別的。國內習慣重視硬件的投入，忽（hū）略軟件的價值。對於西門子來說，它最有價值的不是那些電機（jī）等硬件，而是它嵌入到這些設備中的控製代碼。現在具有戰略眼光的廠商，對軟件研發上的投（tóu）入越來越多（duō）。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）製器（qì）占20%。這個數據是美（měi）國的GIDEP（政府工業數據（jù）交換項目）中提出來的。

4點測（cè）量係統（tǒng）的（de）硬件，應用當今流行的碳纖維材料較傳統（tǒng）的鐵件（jiàn）更輕便、剛性好、穩定性好、成本（běn）低等。應用4點測量技術，配以專（zhuān）業、先進的數（shù）控係統使測量技術在軋（zhá）輥磨床上的應用實現了突破性的飛躍，應用意義重（chóng）大。

2、數控軋輥磨床

圖（tú）1 影響測量不（bú）確定（dìng）的重要因素

圖2 3D磨削、4點測量數控軋輥（gǔn）磨床7軸聯動

1-砂輪床身 2-工（gōng）件床身 3-頭架（jià） 4—砂輪 5-大拖板 6-磨架（橫向

進給) 7-中心架 8-尾架 9-測量架（jià） 10-測量臂

圖3 4點測量裝置安裝位置與測量臂運（yùn）動

圖4 4點測量裝置與3D磨削係統的（de）自動化係統布（bù）局

2.1 4點測量、3D磨（mó）削數控軋輥磨床各軸（如圖2）

各傳動軸：砂輪回轉主軸—C1軸、工（gōng）件（jiàn）回轉主軸—C軸。五個為伺服驅（qū）動軸：拖板移動—Z軸（zhóu）、磨架（jià）移動—X軸、磨頭微量移動—曲線（xiàn）U軸、測量架移動—X1軸、測量臂移動—X2軸。

2.2 自動（dòng）4點軋輥測（cè）量設備（如圖3）

4點測量裝置部分組成部件

● 水平測量（liàng）臂。

● C型支架，碳纖維，卸裝軋輥時液壓驅動上抬。

● C型支架上三個（gè）測量頭。1個固定在支架上，另外兩個測量頭安裝在線性導軌上。

● 1個磨輪側測量臂。液壓旋轉機構。

● 可更（gèng）換測量端子。

● 海德（dé）漢傳感器。

● 參照盤，用於參照絕（jué）對直徑測（cè）量（liàng）。

2. 3 數控（kòng）軋輥磨（mó）床所配備（bèi）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）洲標準版本的西門子Sinumerik 840D sl數控係統和標準的電器係統、驅動係統。Si nu mer i k 840D sl數控係統（tǒng）包括集成的Si matic S7‐317 PLC CPU（中央處理器），西門子（zǐ）Sinumerik 840D sl軟件許可，所有（yǒu）需要的西門子數控軟件選項（xiàng）許可，840D sl數控軟件，用於西門子S7‐317 P L C的P LC軟件，基於W i n d o w s 7的測量係統軟件（中文版），獨（dú）有的（de）數控4點測量3D磨（mó）削軟件。如圖（tú）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（yì）

圖6 圓度（dù）測量

圖7 等徑外形，具有相同的直徑、不同的圓度

圖8 圓度形態（tài）及其波形分布

3.1 圓度（dù）（如圖5）

圓度形態：在I S O 1101中被定義為兩個在給定橫截（jié）麵內的同心圓所限定的區域。圓度：在I S O 1101中被定義為兩個在給定橫（héng）截麵圖9 采（cǎi）用混合4點測（cè）量設備（左）和兩點測量設備（右）測量的膠帶內的同心圓的半徑差。由於（yú）旋轉軸線的運動，使得（dé）對大型旋轉柱形的圓度及圓柱度測量非（fēi）常（cháng）困難，它（tā）等同於一台標準圓度測量儀的主軸誤差。為了測得圓度，必須分離旋轉軸線和圓（yuán）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（shì）其圓度輪廓的（de）。在標準圓度測量儀上，通過采（cǎi）用非常精確的主（zhǔ）軸來避（bì）免這個問題。

3.2 圓度的測量——2點測（cè）量技術

根據（jù）圓度在I S O 1101中的定義，對直（zhí）徑（jìng）進行測量不能夠獲（huò）得圓度信息。采用（yòng）卡規技術測量圓度，如圖6.

圖9 采用（yòng）混合4點測量設備（左）和兩點測量設備（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）和兩點測量設備（右）測量的三（sān）角形（xíng）輪（lún）廓

圖12 軋輥在生產時可能（néng）會產生振動

如果不進行準確（què）測（cè）量，是無法確定什麽地（dì）方（fāng）出了（le）問題圖7中顯示了具有不同奇數葉瓣（波（bō）動每轉）但直徑相同的外形。如果采用2點測量方法，比如遊標尺，來測量這些外形的（de）圓度，當旋（xuán）轉具有這些外形的工件（jiàn）時，是無法（fǎ）發現任何差（chà）異的。在軋輥幾何尺寸測量中使用的傳統設（shè）備都是基於2點測量方法的。如圖8所（suǒ）示。2點測量技術：不能測量目標對象的真（zhēn）實圓度形態；偶數（shù）波形的形態（例如（rú）橢圓度、四邊形度等）可以獲得，但是奇（qí）數波形無法采集到。

3. 3 4點測量方法與2點測量方法的比較

膠帶測試：在軋輥表麵貼上一小段膠帶後，采用這兩種係統來進行測量。從圖9中看出某（mǒu）主要軋輥磨床製造商的兩點測量設備（右）無法區分奇數波形的圓度輪廓（kuò）。傳統的測（cè）量設備僅僅能夠測得（dé）不同輪廓的徑向跳動和直徑差異外形。圓度形態測量結果（如圖（tú）10～圖12)。因為造紙機輥筒振動問題，通過造紙機輥筒常規測量、磨削與4點測量3D磨削得出了（le）一份對比：（1）質量（liàng）差的造紙機輥筒比質量好的造紙機輥筒在機運行時間的縮短，要超過40%；（2）帶軸承（chéng）磨削，3D補（bǔ）償磨（mó）削要比傳統的補償磨削，輥子的圓度形狀提高了97%；（3）造紙機的開機率提高；（4）造紙機輥筒維修成本降（jiàng）低；（5）造紙機生產利潤提高。

4 4點測量（liàng）、3D磨削

4.1 3D磨削（圖13）

（1）基於對M D形態（圓度形態和（hé）跳動）以及（jí）CD形態（直徑差（chà）異形態和校（xiào）直（zhí）等）的精確測量，軋輥得以根據M D和CD曲線（xiàn）進行補償磨（mó）削從而獲得高精度的軋輥形態。

(2）在磨削前利用4點測量設備對M D形態（圓度形態和跳動）以及CD形態（直徑差異形態和校直等）精確測量（liàng）。

(3）測量結果在（zài）磨（mó）削中作（zuò）為補償曲線利用。

(4）獲（huò）得理想的軋輥形態。

(5）MD→用（yòng）於圓度形態和跳動。

(6）CD→用（yòng）於直徑差異形態及校（xiào）直等。

4.2 3D輥子外形測量技術，輔助輥（gǔn）子精密研磨

如圖14所示，4點測量係統與（yǔ）3D磨（mó）削技術為軋輥測量帶來無與倫比的準確度，輥子輪廓的（de）測量結果接著被處理成一個表麵狀況的三維圖像，這在兩點測量技術是不可能的。處（chù）理後的圖（tú）像與紙頁全幅縱、橫向分布相結合，這個三維圖像就可以很容易地定出缺陷所在的位（wèi）置。在隨後的研磨（mó）過程中，輥子表麵輪廓（kuò）根據預定的同心幾何形（xíng）狀進行修整（zhěng），結（jié）果就成了理想的輥子幾何形狀。

4. 3 影響磨削質量的因素及解決方法

圖13 磨削前後（hòu）的形態變化

圖14 軋輥磨削（xuē）後（hòu）的幾何形（xíng）態

圖15 帶（dài）箱磨削

圖16 導軌誤差補償（cháng）磨削

4. 3.1 帶（軸承）箱（xiāng）磨削時為了避免軸承誤差，通常在磨削前把軸承座從軋輥上拆（chāi）卸下來，使（shǐ）得對軋（zhá）輥（gǔn）的服務需要更長的時間。在采用對軋輥的3D測量和（hé）3D補償磨削，對軸承誤差進行補償，就可以進行帶箱（xiāng）磨削，並且（qiě）能夠得到理想的軋輥形態。如圖15。

4. 3.2 導軌誤差（chà）補償磨削（圖16）

直徑變化主要是由於機床導（dǎo）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，還和測量係統以（yǐ）及控製係統的精度緊密相關。由於有了測量和控製係統，現在對機床的主要要（yào）求是其（qí）穩定性（xìng），而（ér）不是其機械精度。對軋輥的（de）校直也不再像以前那麽（me）重要。

4. 3. 3 圓度誤差自（zì）動補償磨削（圖17）

如果軋輥的圓度誤差在其（qí）整個長度上（shàng）不（bú）是均一分布，也將（jiāng）導致直（zhí）徑變化外形誤（wù）差。在補償軋輥（gǔn）直徑變（biàn）化（huà）時，將所測得的數據存儲在控製係統（tǒng）中，通過計算得到補償曲線，進行補償磨削（xuē）。軋輥剛性差異會導致圓度誤差，係（xì）統對由軋輥剛性差異引起的圓度誤（wù）差進行補償磨削。

4. 3.4 校直誤差自動補償

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

4. 3. 5 偏心補償（圖18）

沒（méi）有偏心補償功能的情形下，在開始磨削前，軋輥必須在磨床上（shàng）空轉幾個小時來消除軋輥上的熱膨脹差異。采用偏心補償功能，軋輥的偏心誤差可以（yǐ）進行測量並在磨削時進行補償，從而允許（xǔ）軋輥在磨床上的安裝工作完成後可以立即開始磨削工作。

4 . 4 輥（gǔn）筒數據（jù）管理（lǐ）係統

輥筒數（shù）據管（guǎn）理係（xì）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（kòng）製軟（ruǎn）件包含以下數據庫：輥筒測（cè）量數據、輥筒、TECHNOLOGY技術進步輥筒類型（當為數據庫（kù）創建新軋輥時可用作模版（bǎn））、砂輪、砂輪類型（新砂輪的修整）、操作人員、報表語言。

圖17 圓度誤差自動補償（cháng）磨削

圖18 偏（piān）心補償

圖19 測量數（shù）據庫

圖20 輥筒的卡規形態（外（wài）形誤差）變化

4. 5 數據（jù）庫軟（ruǎn）件

如圖（tú）19所示，某個測量數據可以通過首先選擇（zé）軋輥列表（黃色列表）中的軋輥（gǔn）序列號，然後從測量數據清單中找（zhǎo）到。測量設備將所有測量數據存儲於測量數據庫中。上一次指定軋輥的測量數據可以從存（cún）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（de）程序清單。當下（xià）次磨削同一根軋輥時，可以調用上一次的磨削程序（xù）清單（dān）。用戶不需要重新輸入（rù）所有的參數信息，這樣工作效率更高。測（cè）量設備可（kě）根（gēn）據I S O9000係統的要求進行校準。圓度（dù）校準采用（yòng）通過M I K E S（芬（fēn）蘭計量鑒定中心）測量的測試碟進行校準。

4.6 輥筒的測量報告（gào）示例

如圖20、圖21所示，采用三維測（cè）量，可以創建工件外殼示意圖。測量數據（jù）可選用不同方（fāng）式進（jìn）行表述（shù）：用圓柱坐標（biāo）（作為輥筒整（zhěng）體）或（huò）者用直接坐標係統以軋輥（gǔn）外殼擴展圖像（xiàng）的方式進行表述。如果需要，工件可以以（yǐ）不同方式進行旋轉和縮放，使得製作的報表清晰明了。

5 4點測量、3D磨削技術的優點在軋輥磨削車間：

● 帶（軸承）箱磨削→節（jiē）省時間，更好（hǎo）的磨（mó）削效果（guǒ）

● 自動校（xiào）直誤差補償（cháng）→節省時間，更好的磨削效果

● 對軋輥剛（gāng）性差異引起的圓度→更（gèng）好（hǎo）的磨削效果

● 誤差補償（cháng）

● 偏心補償（cháng）→節省時間，更好的磨削效果（guǒ）

● 軋輥問題的快速分析（需（xū）RRI技術（shù）協助）→更好的（de）磨削效果在造紙過程中：

● 改善輥筒振動問題（tí）

● 改善紙張的兩麵（miàn）差及平滑度

● 延長（zhǎng）輥筒在（zài）造紙機上的運行時間

● 降低造紙機振動水平和振紋

● 降低由（yóu）振動引起的生產中斷