轧辊磨床的技术升级与实施

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武钢热轧厂有轧辊磨床七台，用于轧机工作辊、支撑辊的修磨，其自动化水平低，磨削一支轧辊需60min，且精度达不到要求，配件采购困难。为此，决定进行技术更新。首先对6#轧辊磨床进行全自动数控技术升级，现已安装调试完成，全面达到了技术升级的功能考核目标。
    一、技术升级目标及总体方案
          采用当前最先进的通用CNC数控系统软硬件，及适合轧辊磨床自动化的功能软件，同时对机械部分进行必要的改造，使之成为全自动数控轧辊磨床。
          采用西门子SINUMERIK840D数控系统，配以HEIDENHAIN直线光栅尺，组成全新现代化系统。
          配备西门子全数字化控制交流伺服装置(SIMODRIVE611D)和交流伺服电动机(1FT/K6)，增加两个伺服坐标轴（伺服系统），分别用于新增加的X2轴及测量系统X1轴的驱动。
          测量系统全部采用西门子伺服电机通过精密滚珠丝杆传动，可测量轧辊的辊形、直径、圆度、圆柱度、同轴度以及安装精度。
( Z( z5 A. U3 K% A8 A          增加一套X2轴传动机构参与轧辊测量，及砂轮直径的自动在线检测和砂轮的自动快速趋近。
          重新设计能自动校正轧辊安装精度的中心托架，应配备油泵供油的托瓦稀油润滑装置。
8 ~" ^! P( q+ X1 G. c          磨床改进后，能完成直线、正弦曲线、多次方曲线（最高达八次方、包括ASR和VCR曲线）以及任意曲线轧辊的全自动磨削。
) B0 A& l4 ?* F0 L, J    二、改进的具体内容及实施
; c$ ?, B! L* h+ z& N4 ^. r          1．CNC及电气控制系统
: A' K: I# T+ e) Q$ t) P          西门子全数字型SINUMERIK840D，内置S7300可编程控制器，由SIMODRIVE611D型伺服单元驱动所有1 FT/K6型全数字控制交流伺服电动机（五轴），利用MMC1030EM软件包、S7300编程软件及NC编程语言编制磨床专用控制程序，以实现全自动磨削加工循环及轧辊的自动测量。采用OP031彩色液晶薄型显示器，配备MM 103人机接口，中文显示；操作系统基于MS Windows95，具有完备的报警与系统诊断功能，配备丰富的操作帮助功能，加入适合现场操作的各种专有画面，以实现辊形曲线的显示、曲线编程、测量精度显示、打印及存贮（硬盘或软盘上）；系统硬盘驱动器上存贮有轧辊数据库，可对所有加工过的轧辊进行记录，以便随时调阅并打印输出。充分利用新型全数字化系统（840D）的优越性，简化控制线路和硬件，用软件完成部分原来只能用硬件实现的功能，提高系统可靠性，按全自动数控轧辊磨床的要求重新配置机床操纵面板，新增一个带磁性吸座的活动操作盒，包括电子手轮和操作按键等。
        配备五个伺服电机控制轴，分别为大抱板(Z)、磨架（X)、曲线磨削机构（U）、测量机构(X1)、砂轮直径检测及自动趋近控制机构（X2），在X1、X2轴的前端各配备一个12mm的光栅头。为保证位置控制精度、可靠性以及系统设计需要，五轴中除U轴外均配有两套位置检测系统，即伺服电机轴端的编码器和各自移动体上的直线光栅尺，以便一套出现故障时，可由另一套保证工作。配备一个电子手轮，用作各轴的手动调整。改进后，机床具有快速返回参考点功能，即各坐标轴在作参考点返回操作时只需移动很朽离即可，能大大减少准备时间，并避免无谓的机械磨损。
9 p7 F) q& L: U. ~6 C( x5 U) N$ k         采用德国海德汉（HEIDENHAIN）新型高精度、高可靠性直线光栅尺，另增加一根直线光栅尺用于X2轴位置测量。
; l3 S3 H8 E, A- S+ y7 k          新增多种保护和监控功能，如防撞保护、坐标轴工作区域限定、测量头过量压缩保护、软件限位等，最大限度地保护人员和设备安全。
! P4 N' O: F& u% R# Z! D9 h          新增直径基准盘、砂轮修整、砂轮直径测量板位置检测等自动检测功能，实现全自动。
          新增轧辊表面温度检测装置，采用红外测温仪测量，数控系统据以进行温度补偿磨削。
9 a. I, f1 w1 k4 |  L) f; }  v          新增头架角度测量装置，为轧辊圆度和同心度测量提供采样基准信号。
7 a6 d0 v1 f% f          建立车间轧辊磨床管理系统，包括设备使用、维护、检修、故障诊断的管理和数据库管理。
  E" e3 S; \) `7 ]+ j; ^" o          采用西门子6RA70作为新型砂轮和头架直流调速装置。         
          经上述改进后，磨削时能根据轧辊探伤装置测得的轧辊裂痕深度实时调整磨削参数，数据可由操作者手动输入，也可由探伤装置的探伤数据接口直接传输至磨床数控系统。
          2．测量系统
; i& }+ V; d0 ]) X* C          A、B两测头光栅均安装在封闭的测量臂内，通过杠杆机构非接触测量，以有效保护光栅测头。
          通过X1轴和A、B测头实现轧辊直径、辊形、圆度、圆柱度、同轴度的测量，并自动检测轧辊安装精度。
          轧辊自动测量机构的X1轴由固定在砂轮架上的测量架底座、可沿底座上部导轨横向移动的滑架和固定在滑架前端由油缸抬起或放下的测量臂（A测头）组成。测量滑架由一个1FT/K6伺服电机驱动一对蜗轮、蜗杆和滚珠丝杆以实现快、慢速移动，滑架位置由一根LS186直线光栅检测。
          新增加的X2轴由一台1FT/K6伺服电机驱动滚珠丝杆及一条直线滚动导轨副和直线滚动光杆实现直线运动。光杆前端安装一套光栅检测装置（C测头），其移动位置由安装在滚动光杆上的LS直线光栅检测，X2轴能自动完成砂轮恒线速度控制，并检测砂轮表面位置，以实现砂轮自动快、慢速趋近。
6 z+ K9 I  w2 n4 F3 d          新测量系统保证了轧辊在φ700~800mm时，测量系统与轧辊探伤系统等同时工作而不发生干涉。
# |% N: K" p% V7 X          3．中心架
0 A! D9 o/ c  a% A; r          中心架托瓦为二瓦斜角支承，方便轧辊吊装，并可避免在测量过程中上瓦壳体与A测头发生干涉，确保测量安全和迅速完成。一套中心托架由左（尾架端）、右（头架端）两中心架组成，配备可供选择的不同直径的支承块，以满足对辊径在φ300~500mm范围内轧辊的支承。为了实现轧辊安装精度的调整，左中心架设计为上下两层，下层底座中有一套带动上层瓦座沿横向调整的机构，以实现轧辊安装精度的自动闭环校正。调整是通过一台由FUJI交流变频调速装置控制的电机驱动一套微量进给机构进行的。中心架可沿床身导轨纵向手动调整，以方便对不同长度轧辊的支承。
          中心架配有托瓦自动稀油润滑装置，废油通过油槽回收到废油箱。
* n: w$ u( c% n' N, i          4．砂轮动平衡
5 K3 k9 s. Y/ ]9 V, k! _/ v5 x          砂轮动平衡装置采用简单、实用、可靠的手动机构，并配备动平衡检测仪。安装方便，无须在主轴中心制作深而大的安装孔，因此不会影响主轴刚性，特别适用于要求强力磨削的磨床。
+ b3 S1 Z: A) q# l2 E& p          5．平顶尖
8 o1 X, y! A- @) \* _          采用平顶尖磨削能方便轧辊的装卸，减少辅助时间，显著提高磨床的利用率。
1 I( a3 Y$ d3 A( l" W! l5 K% E          6．液压驱动的砂轮罩壳
" P& ^' ^0 \* B          包括罩壳壳体、传动机构、液压油缸及液压系统等，以便砂轮快速更换。
) m! P0 |) a: [. J$ V* O' x    三、改进后磨床的主要功能特点
. `% Q- j" T$ g! U3 d          1．自适应磨削
/ y- T3 u2 d( S0 |+ @8 h/ a% j8 A! q          为提高自动化和智能化程度及磨削效率，改进后的磨床增加自适应磨削功能，针对轧辊中间磨损大、两端磨损小的特点，采用先分别磨两端，再贯穿磨削整个辊面的方法。
2 P0 \7 Q' |7 Z$ H: x3 s  ]          2．轧辊数据库
9 J' S* t: X0 A9 d) u: l& c& M           数据库保存着每根轧辊的当前参数在分析板材轧制中出现的问题时，可随时从数据库中调出（或打印）所需轧辊及其配对辊的有关参数进行分析。为了更准确地了解辊形和分析轧制后轧辊的磨损情况，可根据需要使测量后的辊形曲线数据按不同密度（点数）打印输出。
          3．温度补偿磨削
. K! x$ m+ f6 ]4 E2 j1 {: a8 X8 X          根据轧辊温度与辊型之间的变化规律，输入温度补偿曲线或系数，选择相应的补偿曲线进行磨削。
" C$ H+ L; H- d1 v          4．砂轮自动直径测量及恒线速
          砂轮直径检测装置使系统在任何时候都能自动测量砂轮直径并确认砂轮修整器和直径基准盘的位置。
          5．定量磨削控制
, y7 X* ]/ y4 Y7 I# v9 v- C          为提高轧辊的利用率，自动磨削时可设定一定的磨除量（疲劳层厚度），由系统自动控制进给量直至达到设定的磨除量后自动转入精磨。
$ B' ^7 M6 W. Y* a$ k          6．计算机联网数据
          通过上位计算机可对本磨床所磨轧辊的参数和测量结果进行数据管理，今后经自动化改造的磨床全部计算机联网后可实现数据共享。
$ q4 L0 C$ I+ L8 c0 B          7．数控功能取舍灵活
          可根据磨辊的具体需要对自动磨削和测量循环的各个环节或功能进行取舍。
) z! m: n* S" Q9 G          8．远程诊断
" r/ }, a" C' V1 H/ {- v0 J/ U9 o          数控系统配备了专用的软硬件，可实现远程诊断，解除设备维护的后顾之忧。
          四、效果
          1．圆柱面磨削精度（见表1)
            
  T; q" b$ Q5 V: c9 x- v          2．中凸（凹）磨削精度（见表2）
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7 \$ y& Q; t/ S: [! |& Y4 C, k          3．ASR，VCR曲线及任意曲线磨削精度（见表3）
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0 }( D  |% L. a" ~# L: t         经过近半年运行，磨床效率明显提高，辊型磨削精度达到德国新磨床出厂标准。全自动化磨削避免了人为因素的干预，提高了系统可靠性，方便了维护，为提高板型质量打下了坚实基础，同时也为其它磨床的技术改进提供了成功经验。