軋輥磨床數(shù)控化改造與應(yīng)用

張芬芬

(江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校,南京 211300)

數(shù)控技術(shù)在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其中軋輥磨床是制造業(yè)不可或缺的重要設(shè)備,其磨削精度與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。為提高軋輥磨床的磨削精度,需對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造升級。某冷軋薄板廠興建于20世紀(jì)90年代末,建廠時的設(shè)計產(chǎn)量為70萬t,共有9條生產(chǎn)線,12套機(jī)組,設(shè)備與技術(shù)基本上都是從國外引進(jìn),能夠生產(chǎn)高檔的冷軋板、彩涂板等,其產(chǎn)品在汽車制造、石化油工、建筑等行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。該廠磨輥車間采用的支撐輥磨床是從美國引進(jìn)的,主要負(fù)責(zé)酸洗冷軋聯(lián)合機(jī)組與平整機(jī)組的支撐輥修磨任務(wù)。磨床在長時間服役中數(shù)控系統(tǒng)不斷老化,部分功能喪失。而客戶對板面的質(zhì)量要求逐步提高,軋輥磨床的加工精度對生產(chǎn)形成了一定的制約,亟需對軋輥磨床進(jìn)行改造,以便更好地滿足生產(chǎn)需要。

1 改造原因及目標(biāo)

1.1 改造原因

近年來,軋鋼技術(shù)逐步完善,帶鋼質(zhì)量逐步提升,為生產(chǎn)出能夠滿足不同客戶需求的帶鋼產(chǎn)品,需提升軋輥修磨技術(shù),令軋輥的輥型復(fù)雜程度更高,磨削精度更高,偏心度、錐度偏差更小,操作更加方便,自動化程度更高,磨削速度更快,以適應(yīng)更多的軋輥材質(zhì),應(yīng)用范圍更廣。該廠的支撐輥磨床數(shù)控系統(tǒng)由插件版計算機(jī)、德國西門子公司出品的S5系列PLC組成,計算機(jī)與PLC之間以點對點方式傳輸信號[1]。受到計算機(jī)軟、硬件方面的限制,導(dǎo)致該磨床的自動化程度偏低,使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題,具體表現(xiàn)在以下幾方面:

偏差大。磨削加工后的軋輥輥形存在較大的偏差,影響了冷軋板質(zhì)量。輥形偏差是指磨削加工的輥形與預(yù)先設(shè)定的輥形之間的差值。軋輥作為軋鋼生產(chǎn)中鋼板的變形工具,對精度要求較高,尤其是對平直度要求較高,即<50μ。軋輥磨床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(zhì)量的提升產(chǎn)生了嚴(yán)重制約,無法滿足高精度、高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。

磨削效率低。磨床對軋輥中心校準(zhǔn)的時間較長,數(shù)控程序中不具備補(bǔ)償功能,導(dǎo)致磨削效率低,平均每根軋輥的磨削用時約為60 min左右。由于效率過低,導(dǎo)致磨削至規(guī)定精度所需的道次增多,軋輥及砂輪的損耗隨之增大,致使輥耗降低。為供應(yīng)質(zhì)量合格、精度達(dá)標(biāo)的軋輥,需保證軋輥的周轉(zhuǎn)量充足,這樣將導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。若是能夠在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上提高軋輥磨床的磨削效率,則可使軋輥的周轉(zhuǎn)量隨之減少。

自動化程度偏低。從軋輥磨床的操作性能來看,系統(tǒng)采用的操作界面較差,無法顯示圖形,導(dǎo)致生產(chǎn)過程中無法隨時查看圓度、磨削偏差等情況[2]。磨削程序較落后,無法自由編程,不具備硬件擴(kuò)展功能,無法實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信及集中控制,不利于磨輥間生產(chǎn)率的提升。

故障率偏高。由于磨床的控制及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,致使設(shè)備故障率增加。該軋輥磨床的傳動系統(tǒng)為直流系統(tǒng),穩(wěn)定性與可維護(hù)性較差,不但會對作業(yè)效率的提升產(chǎn)生影響,還會增加維護(hù)成本。直流電動機(jī)的缺點是需要經(jīng)常保養(yǎng)碳刷,如果維護(hù)不及時將可能引發(fā)故障。系統(tǒng)插件版采用分立元件,與PLC之間的通信方式為點對點,PLC與現(xiàn)場元件的通信方式也是點對點,需要敷設(shè)的電纜數(shù)量較多,故障率隨之增高,發(fā)生故障后查找及處理難度較大[3],因此對軋輥磨床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造勢在必行。

1.2 改造目標(biāo)

結(jié)合軋鋼生產(chǎn)及磨輥需求,對軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,主要目標(biāo)如下:

系統(tǒng)改造后,使磨削加工的輥形偏差小于10 μ,提高板形質(zhì)量,為高品質(zhì)、高精度產(chǎn)品的批量生產(chǎn)提供保障。在數(shù)控系統(tǒng)軟件程序中增加補(bǔ)償功能,縮短磨削時間,提高磨削效率,使每根軋輥的磨削時間從原來的60 min縮減至40 min以內(nèi),以降低軋輥的周轉(zhuǎn)量[4]。引入友好型的人機(jī)操作界面,增加圖形顯示功能,采用模塊化思路設(shè)計磨削程序,為自由編程提供支撐。進(jìn)一步簡化控制與傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),避免發(fā)生故障,提高磨床運行穩(wěn)定性。用工業(yè)PC機(jī)替代CNC系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)與PLC的通信及PLC與現(xiàn)場元件的通信全部改為程序總線網(wǎng)絡(luò)(Profibus),減少電纜敷設(shè)量。

2 改造內(nèi)容

本次改造屬于整體項目范疇,數(shù)控系統(tǒng)的選擇是改造的重點內(nèi)容,要求所選的數(shù)控系統(tǒng)具備良好的控制性及通用性,在提升軋輥磨削精度及質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低工作強(qiáng)度。

2.1 改造方案

可用于軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)改造的方案有以下幾種:

方案一:工業(yè)PC機(jī)+CNC+PLC。該方案的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)PC機(jī)+CNC+PLC架構(gòu)示意圖

該方案中,數(shù)控系統(tǒng)的所有單元均獨立,通過840D將獨立PC機(jī)、CNC、PLC等單元集中于一塊插件版上,各自獨立運行程序。其最突出的特點是840D的應(yīng)用,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性,故障率相對較低,便于維修[5]。

方案二:CNC+PLC,以工業(yè)PC機(jī)替代CNC。該方案的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 CNC+PLC(以工業(yè)PC機(jī)替代CNC)架構(gòu)示意圖

該方案中,CNC被工業(yè)PC機(jī)取代,PLC得以保留,將PC機(jī)劃分為兩部分,即操作和控制,前者主要負(fù)責(zé)對控制部分發(fā)出的指令信息進(jìn)行接收與執(zhí)行,后者可實現(xiàn)控制及圖形處理等功能。CNC被工業(yè)PC機(jī)所取代,系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)變得更加簡單,因PC機(jī)為工業(yè)專用,故而該系統(tǒng)的通用性較差,但專業(yè)性非常強(qiáng),維修難度增大。

方案三:工業(yè)PC機(jī)代替CNC與PLC。該方案的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 工業(yè)PC機(jī)代替CNC與PLC的架構(gòu)示意圖

該方案中,CNC、PLC的功能均在PC機(jī)上,以軟件控制方式實現(xiàn),PC機(jī)具有超強(qiáng)的邏輯運算能力,利用擴(kuò)展的總線接口,可與外部的驅(qū)動單元相連接。軟件型控制系統(tǒng)為實時操作系統(tǒng),能夠?qū)PU資源自主使用,借助Windows操作系統(tǒng),可完成畫面顯示、數(shù)據(jù)通信、邏輯掃描、控制任務(wù)等。該系統(tǒng)突出的特點是運算功能強(qiáng)大,現(xiàn)場總線技術(shù)的運用,豐富了控制系統(tǒng)對外圍輸入及輸出信號的監(jiān)控。

從硬件結(jié)構(gòu)、操作界面、編程方式、磨削功能等方面對上述3種改造方案進(jìn)行比較,確定將方案一作為本次軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)改造的主要方案,選用某機(jī)床廠提供的支撐輥磨床MK84125,因為840D系統(tǒng)的通用性強(qiáng),能夠使現(xiàn)場設(shè)備保持正常運轉(zhuǎn),加之系統(tǒng)價格較低,故將其作為首選。840D數(shù)控系統(tǒng)由德國西門子公司研發(fā),功能強(qiáng)大,包括人機(jī)界面、可編程控制器、數(shù)控內(nèi)核、驅(qū)動控制等。系統(tǒng)各部分功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)各部分功能示意圖

2.2 操作界面的開發(fā)

選好數(shù)控系統(tǒng)后,依托相關(guān)的開發(fā)軟件,對操作界面進(jìn)行定義,通過操作界面的開發(fā),實現(xiàn)全面自動化操作,以提升磨床的磨削效力及加工質(zhì)量,輔助用戶以分層方式管理機(jī)床。對軋輥磨床的加工工藝進(jìn)行融合設(shè)計,包括工件中心自動校正、砂輪自動修整、磨削自動循環(huán)、輥形偏差自動測量與修整及補(bǔ)償,按照實際需求,對加工工序進(jìn)行靈活組合,實現(xiàn)不同軋輥及表面質(zhì)量的整合。操作界面由6個窗口組成,具體開發(fā)過程如下:

手動調(diào)整。軋輥磨床在非磨削加工狀態(tài)時,可運用手動調(diào)整窗口,以實現(xiàn)對磨床伺服軸、頭架主軸電機(jī)、砂輪主軸電機(jī)、測量臂等的手動調(diào)整。

參數(shù)設(shè)置。該窗口的主要功能是設(shè)置軋輥磨床的基本參數(shù),由于參數(shù)對磨床的控制過程具有直接影響,故應(yīng)正確、合理進(jìn)行設(shè)置。大部分參數(shù)是在軋輥磨床調(diào)試期間完成設(shè)置,少部分參數(shù)需在特定情況下按磨床運行特點修改設(shè)置[6]。在修改設(shè)置參數(shù)時,用戶應(yīng)具備相應(yīng)的權(quán)限,參數(shù)修改完畢后予以保存,以替代之前的參數(shù)。

加工程序編輯。該窗口能夠編制軋輥磨床的加工程序,將系統(tǒng)提供的加工工序整合后,輸入最佳的磨削參數(shù),使軋輥加工實現(xiàn)最優(yōu)目標(biāo)。

曲線參數(shù)。該窗口能夠完成軋輥輥形曲線參數(shù)的錄入、修改、保存等操作?？删幊痰那€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(rèn)的情況下,系統(tǒng)保存數(shù)十條輥形參數(shù),用戶可對曲線進(jìn)行修改,并新增所需的曲線。

磨削。該窗口能夠?qū)堓伳ゴ沧詣幽ハ骷庸み^程進(jìn)行控制,系統(tǒng)裝載大量的程序,可提供多種控制方案,實現(xiàn)由簡到繁的自動磨削控制。

3 結(jié)束語

在軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)改造過程中,需合理應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù),根據(jù)生產(chǎn)需要選擇最為適宜的系統(tǒng),達(dá)到改造目的,提高軋輥磨床的磨削精度,提升產(chǎn)品質(zhì)量。未來一段時期,要加大數(shù)控技術(shù)研究力度,逐步改進(jìn)完善,研發(fā)新技術(shù),使其更好地為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。