轧辊磨床数控化改造与应用
（江苏省高淳中等专业学校 江苏南京 211300）
作者简介：张芬芬：民族：汉，出生年月：1988.08，性别：女，籍贯：山东滕州，最高学历：本科，毕业院校：天津职业技术师范大学，职称：讲师，研究方向：数控铣、电气安装与维修及加工中心。
摘要：以某冷轧薄板厂轧辊磨床改造项目实例为依托，对数控技术在轧辊磨床改造中的应用展开分析论述。结果表明，对轧辊磨床的数控系统改造后，辊形偏差缩小，磨削时间缩短，人机交互界面更加友好，可以显示图形，磨床的整体性能得到提升。
关键词：数控技术；轧辊磨床；改造
0引言
科学水平的不断提高，使相关技术得到快速发展，数控技术便是其中之一，该技术在多个领域内广泛应用，尤其是制造业。轧辊磨床是制造行业不可或缺的重要设备，其磨削精度与产品的质量密切相关。为提高轧辊磨床的磨削精度，可对现有的数控系统进行改造升级。下面以具体的改造项目为例，对数控技术在轧辊磨床改造中应用展开分析。
1改造项目概况
某冷轧薄板厂兴建于上个世纪90年代末，建厂时的设计产量为70万吨，厂内共有9条生产线，十二套机组，设备和技术基本上都是从国外引进，能够生产高档的冷轧板、彩涂板等，产品在汽车制造、石化油工、建筑等行业广泛应用。该厂磨辊车间采用的支撑辊磨床是从美国引进，主要负责酸洗冷轧联合机组和平整机组的支撑辊修磨任务。磨床在长时间的服役中，数控系统不断老化，部分功能基本丧失。而客户对板面的质量要求却进一步提高，轧辊磨床的加工精度对生产形成一定的制约。因此，亟需对轧辊磨床进行改造，以便更好的满足生产需要。
2数控技术在轧辊磨床改造中应用
2.1改造原因分析
近年来，轧钢技术逐步完善，带钢质量随之提升，为生产出能够满足不同客户需求的带钢产品，对轧辊修磨技术产生一系列要求，如轧辊的辊型复杂程度更高，磨削精度更高，偏心度、锥度偏差更小，能够适应的轧辊材质更多，可以应用的范围更广，操作更加方便，自动化程度更高，磨削速度更快。该厂的支撑辊磨床数控系统由插件版计算机、德国西门子公司出品的S5系列PLC组成，计算机与PLC之间以点对点的方式传输信号[1]。受到计算机软、硬件方面的限制，导致该磨床的自动化程度偏低，在使用过程中，经常出现问题，具体体现在如下方面：
2.1.1偏差大
磨削加工后的轧辊辊形存在较大的偏差，影响了冷轧板的质量。辊形偏差具体是指磨削加工的辊形与预先设定的辊形之间的差值，轧辊作为轧钢生产中钢板的变形工具，随着精度要求的提升，尤其是对平直度要求的提高，即<50u。轧辊磨床存在的主要问题是磨削辊形偏差较大，约为100u左右，无法满足冷轧钢板的板形精度要求，对冷轧板质量的提升产生严重制约，无法满足高精度、高质量产品的生产需要。
2.1.2磨削效率低
磨床对轧辊中心校准的时间相对较长，数控程序中不具备补偿功能，导致磨削效率低，平均每根轧辊的磨削用时约为60min左右。由于效率过低，导致磨削至规定精度所需的道次增多，轧辊和砂轮的损耗随之增大，致使辊耗降低。为供应质量合格、精度达标的轧辊，需要保证轧辊的周转量充足，这样一来导致生产成本增加。若是能够在现有的基础上，提高轧辊磨床的磨削效率，则可以使轧辊的周转量随之减少。
2.1.3自动化程度偏低
从轧辊磨床的操作性能看，系统采用的操作界面比较差，无法显示图形，导致工作人员在生产过程中不能随时查看圆度、磨削偏差等情况[2]。磨削程序比较落后，无法自由编程，不具备硬件扩展功能，无法实现联网通讯和集中控制，不利于磨辊间生产率的提升。
2.1.4故障率偏高
由于磨床的控制和传动系统结构较为复杂，致使设备的故障率增加。该轧辊磨床的传动系统为直流系统，稳定性与可维护性比较差，不但对作业效率的提升产生影响，而且还使维护成本增大。直流电动机最为突出的缺点是需要对碳刷经常保养，维护不及时，便可能引起故障。系统插件版采用分立元件，与PLC之间的通讯方式为点对点，PLC与现场元件的通讯方式也是点对点，需要敷设的电缆数量较多，故障率随之增高，发生故障后，查找和处理的难度比较大[3]。基于上述种种原因，对轧辊磨床的数控系统进行升级改造已经势在必行。
2.2改造目标
按照改造原因，并结合轧钢生产及磨辊间的需求，对本次轧辊磨床数控系统升级改造的目标加以明确，具体如下：
（1）轧辊磨床数控系统改造后，要使磨削加工的辊形偏差小于10u，提高板形质量，为高品质、高精度产品的批量生产提供保障。
（2）在数控系统软件程序当中增加补偿功能，缩短磨削时间，提高磨削效率，使每根轧辊的磨削时间从原本的60min，缩减至40min以内，以此来降低轧辊的周转量[4]。
（3）引入友好型的人机操作界面，增加图形显示功能，采用当前最为流行的模块化思路，设计磨削程序，为自由编程提供支撑。
（4）在原有的基础上，进一步简化控制与传动系统的结构，避免不必要故障的发生，提高磨床的运行稳定性。用工业PC机替代现有的CNC系统，数控系统与PLC的通讯及PLC与现场元件的通讯，全部改为Profibus（程序总线网络），减少电缆的敷设量。
2.3改造内容
本次改造归属于整体项目的范畴，数控系统的选择是改造的重点内容，要求所选的数控系统要具备良好的控制性能和通用性，由此能够在提升轧辊磨削精度和质量的基础上，降低工作强度。
2.3.1改造方案
可用于轧辊磨床数控系统改造的方案有以下几种：
（1）方案一 工业PC机+CNC+PLC，该方案的系统架构如图1所示。
图1工业PC机+CNC+PLC的架构示意图
在该方案中，数控系统的所有单元均为独立，通过840D将独立PC机、CNC、PLC等单元，集中于一块插件版上，各自独立运行自己的程序，从这个角度上讲，该数控系统为独立系统，其最为突出的特点在于840D的应用，除此之外，系统具有较强的通用性，故障率相对较低，便于维修[5]。
（2）方案二 CNC+PLC，以工业PC机替代CNC。该方案的系统架构如图2所示。
图2 CNC+PLC（以工业PC机替代CNC）的架构示意图
在该方案中，CNC被工业PC机取代，PLC得以保留，将PC机划分为两个部分，即操作和控制，前者主要负责对控制部分发出的指令信息进行接收和执行，后者可实现控制及图形处理等功能。CNC被工业PC机所取代，系统的硬件结构变得更加简单，因PC机为工业专用，从而使该系统的通用性比较差，但专业性非常强，维修方面的困难程度增大。
（3）方案三 工业PC机代替CNC和PLC。该方案的架构如图3所示。
图3工业PC机代替CNC和PLC的架构示意图
在该方案中，CNC、PLC的功能均在PC机上，以软件的控制方式实现，PC机具有超强的逻辑运算能力，利用扩展的总线接口，可与外部的驱动单元相连接。软件型控制系统为实时操作系统，能够对CPU资源自主使用，借助Windows操作系统，可以完成画面显示、数据通讯、逻辑扫描、控制任务等。该系统最为突出特点体现在运算功能强大，现场总线技术的运用，丰富了控制系统对外围输入和输出信号的监控。
2.3.2确定改造方案
从硬件结构、操作界面、编程方式、磨削功能等方面，对上述三种改造方案加以比较，最终决定将方案一作为本次轧辊磨床数控系统改造的主要方案，该方案的代表性制造商为国内某机床厂，选用由该厂提供的支撑辊磨床MK84125。之所以在本次改造中选择该方案，主要是因为840D系统的通用性强，能够使现场设备保持正常运转，加之系统的价格较低，故此将之作为首选。840D数控系统是由德国西门子公司研发的产品，它的功能比较强大，包括人机界面、可编程控制器、数控内核、驱动控制等。系统各部分的功能如图4所示。
图4 系统各部分功能示意图
2.4操作界面开发
数控系统选好后，可依托相关的开发软件，对操作界面进行定义。通过操作界面的开发，可以实现全面自动化操作的目标，有助于提升磨床的磨削效力，加工质量将会变得更加稳定。不仅如此，还能辅助用户以分层的方式管理机床。数控系统对轧辊磨床的加工工艺进行设计融合，具体包括工件中心自动校正、砂轮自动修整、磨削自动循环、辊形偏差自动测量与修整及补偿。按照实际需求，可对加工工序灵活组合，实现不同轧辊及表面质量的整合。操作界面由6个窗口组成，具体的开发过程如下：
2.4.1手动调整
轧辊磨床在非磨削加工状态时，可以运用手动调整窗口，以此来实现对磨床伺服轴、头架主轴电机、砂轮主轴电机、测量臂等的手动调整。
2.4.2参数设置
该窗口的主要功能是设置轧辊磨床的基本参数，由于参数对磨床的控制过程具有直接影响，故此在设置时，应当确保正确、合理。通常情况下，大部分参数是在轧辊磨床调试期间完成设置，仅少部分参数需要在特定的情况下，按磨床运行特点修改设置[6]。在对设置参数修改时，需要用户具备相应的权限，当参数修改完毕后，应予以保存，使其替代之前的参数。
2.4.3加工程序编辑
该窗口能够编制轧辊磨床的加工程序，即将系统提供的加工工序整合后，输入最佳的磨削参数，使轧辊加工实现最优的目标。
2.4.4曲线参数
该窗口能够完成轧辊的辊形曲线参数的录入、修改、保存等操作，可编程的曲线类型包括平辐辊形、正弦辊辊形、锥度辊辊形、曲线辊形等。在默认的情况下，系统保存数十条辊形参数，用户可对曲线进行修改，并新增所需的曲线。
2.4.5磨削
该窗口能够对轧辊磨床自动磨削加工过程进行控制，系统装载大量的程序，可提供多种控制方案，能实现由简到繁的自动磨削控制。
3结论
综上所述，在轧辊磨床数控系统改造过程中，可对先进的数控技术合理应用，根据生产需要，选择最为适宜的系统，达到改造的目的，提高轧辊磨床的磨削精度，提升产品质量。未来一段时期，要加大数控技术的研究力度，对现有的技术逐步改进和完善，开发新的技术，使其更好的为工业生产服务。
参考文献
[1]李阔,吴怀超,令狐克均,赵丽梅.数控轧辊磨床三点非接触式测量原理及误差分析与仿真[J].机械设计与制造,2022(9):43-48.
[2]张晓斐等.粒子群算法对轧辊磨床静压轴承的多目标优化[J].机械设计与制造,2021(7):290-294,300.
[3]石豆豆.重型数控轧辊磨床砂轮主轴系统静压轴承的优化设计与性能研究[D].贵州大学,2021.
[4]邱兆祥.基于西门子840Dsl的数控轧辊磨床系统开发与研究[D].湖北工业大学,2020.
[5]程俊兰,洪海.轧辊磨床数控改造及辊形轮廓曲线通用程序设计[J].北华航天工业学院学报,2018(5):1-3.
[6]张毅勃.WALDRICH SIEGEN轧辊磨床精度修复及使用效果分析[J].中国设备工程,2018(13):163-164.
