基于西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控軋輥磨床升級改造

摘 要：以20世紀(jì)90年代初的日本東芝軋輥磨床床身為基礎(chǔ)，利用西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)作為軋輥磨床數(shù)字化運動控制平臺，基于PCU 50.5工控機終端的操作系統(tǒng)，開發(fā)一套磨削軋輥輥型和精度滿足當(dāng)前國內(nèi)高端軋板需求的數(shù)控軋輥磨床專用系統(tǒng)，重點闡述了采用西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合自主開發(fā)的數(shù)控軋輥磨床專用系統(tǒng)，成功對東芝軋輥磨床進行升級改造應(yīng)用，并介紹了軋輥磨床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計原理與調(diào)試方法，為磨輥車間的智慧管理提供預(yù)留接口。通過升級改造，這臺瀕臨淘汰的軋輥磨床重新煥發(fā)出新的生命力，為其他年代久遠面臨淘汰的軋輥磨床升級再利用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控軋輥磨床；升級改造

0 引言

1990年進口的日本東芝軋輥磨床（設(shè)備型號：KWA-1660D（CH）；加工直徑1 600*7 000 mm；軋輥磨床自重95 t；承重63 t；磨削最大凸凹度（直徑）±5 mm），熱軋1810線支承輥磨削，多年使用，砂輪床身導(dǎo)軌面拉傷嚴(yán)重（深度達到3～5 mm，長度達到6 m多），輥形誤差0.02 mm/m，同軸度0.02 mm/m，磨頭在使用中抱軸，經(jīng)檢修后雖然能勉強使用，但不能大功率持續(xù)磨削，磨削效率極低。電氣系統(tǒng)為日本東芝磨床系統(tǒng)，已經(jīng)淘汰，無法購買到備件，存在整臺磨床系統(tǒng)崩潰癱瘓的隱患。

現(xiàn)場工作環(huán)境較差，軋輥磨床原電氣系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性均已下降，磨床故障點增多，使用中設(shè)備故障不斷，導(dǎo)致設(shè)備故障停機時間延長，故障率較以前有較大增加，且該系列產(chǎn)品屬于東芝公司較早的產(chǎn)品，備件早已停產(chǎn)無法供應(yīng)，這給磨床的使用及維護帶來極大的困難，該磨床目前已無法適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)需求。

為提高該磨床使用水平，改善磨輥質(zhì)量，并與磨輥車間的智能制造發(fā)展相適應(yīng)。經(jīng)過多次現(xiàn)場實際勘察、論證，認(rèn)為該磨床雖然生產(chǎn)的時間較早，電氣控制系統(tǒng)完全淘汰^［1］，但該磨床床身剛性較好，核心機械部件磨頭等較為完好，精度較高，通過必要的專業(yè)修復(fù)后能夠達到當(dāng)前磨削軋輥精度要求，可繼續(xù)使用。綜合評判，該磨床通過現(xiàn)代技術(shù)改造后，磨削精度和工作效率完全能夠滿足現(xiàn)在的軋輥磨削要求，故提出對這臺東芝軋輥磨床電氣系統(tǒng)整體進行更換，機械部分部件修復(fù)利用的整體升級改造方案^［2］，增加遠程診斷功能和軋輥磨削數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)^［3］，為軋輥磨床磨輥車間智慧管理系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 東芝軋輥磨床改造要求

（1）利用KWA-1660D（CH）磨床現(xiàn)有部分機械結(jié)構(gòu)（含測量系統(tǒng)，不含探傷等輔助設(shè)施），對電氣系統(tǒng)進行全部改造，采用目前主流的西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)，僅利用KWA-1660D（CH）磨床現(xiàn)有工件床身和砂輪床身，保留頭架及尾架機械系統(tǒng)，中心架系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求決定留用，通過改造，提高其可靠性和靈活性，使該磨床性能達到出廠水平。

（2）磨削軋輥技術(shù)要求：改造后，圓柱面磨削輥形誤差精度要求為0.004 mm/m，同軸度精度要求為0.004 mm/m。

2 東芝軋輥磨床改造方案

2.1 電氣系統(tǒng)

針對電氣系統(tǒng)的改造方案主要有以下幾個方面。

（1）數(shù)控磨床電氣硬件線路整體設(shè)計。結(jié)合磨床原有功能和實際需求，設(shè)計全新的磨床主回路、數(shù)控系統(tǒng)控制回路及電氣控制柜。設(shè)計思路是盡量采用通用性較好的主流電氣元件，方便用戶后期維修。既要滿足當(dāng)前的實際生產(chǎn)要求，又要有一定的超前性，為工廠智能制造預(yù)留接口，滿足未來工廠智能制造發(fā)展的需求^［4］。軋輥磨床主控制系統(tǒng)采用SIEMENS 840D sl數(shù)控系統(tǒng)作為整機控制核心，S120伺服系統(tǒng)作為數(shù)控軸的選配，所有檢測發(fā)訊裝置、數(shù)據(jù)測量與控制裝置，控制元器件都按840D sl數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)要求配置，系統(tǒng)通信采用PROFINET總線控制^［5］。

（2）采用S120伺服系統(tǒng)對軋輥磨床坐標(biāo)軸系統(tǒng)進行配置，S120伺服系統(tǒng)采用西門子新型通信接口DRIVE-CLIQ，通過這種接口，可以直接與伺服電機及電機編碼器等組件連接，每一個組件都有1個唯一的電子銘牌，通過DRIVE-CLIQ接口，由840D sl數(shù)控系統(tǒng)拓撲自動識別。

（3）利用西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)作為軋輥磨床數(shù)字化運動控制平臺，基于PCU 50.5工控機終端的操作系統(tǒng)，開發(fā)一套磨削軋輥輥型和精度滿足當(dāng)前國內(nèi)高端軋板需求的數(shù)控軋輥磨床專用系統(tǒng)。

（4）增加遠程診斷功能和軋輥磨削數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

2.2 機械部分

針對機械部分的改造方案主要有以下幾個方面。

（1）對東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床砂輪床身修補加工，恢復(fù)砂輪床身各項基礎(chǔ)精度，使磨床滿足正常磨削的要求。

（2）對拖板靜壓供油系統(tǒng)進行全面改造，將測壓點由側(cè)護板引出，增加1個測壓中轉(zhuǎn)箱，增加壓力分配器，方便測量和調(diào)整導(dǎo)軌靜壓浮起量；重新調(diào)整大拖板靜壓系統(tǒng)，保證大拖板浮起量達到出廠精度。

（3）砂輪主軸采用主軸動靜壓軸承設(shè)計，通過偏心率控制特殊工藝和瓦面大阻尼結(jié)構(gòu)。使砂輪主軸滿足高表面質(zhì)量、高精度軋輥磨削要求。

（4）新增磨曲線裝置（U軸），采用靜壓偏心套結(jié)構(gòu)。工作時，由伺服電機帶行星減速器再驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，通過直線滾動導(dǎo)軌副定位，使?jié)L珠螺母上下移動進而帶動高精度靜壓偏心套作小角度擺動，使裝于靜壓偏心套內(nèi)的砂輪主軸相對于輥面作微量無間隙切入（或退出）運動。該運動與拖板（Z軸）運動相復(fù)合，從而在軋輥表面磨削出所需曲線。

3 東芝軋輥磨床電氣系統(tǒng)升級改造

3.1 東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)配置

對東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床的機床機械部件、電氣部件、軸功能進行詳細剖析，是進行軋輥磨床控制系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要的第一步，針對東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床進行磨床結(jié)構(gòu)分析，坐標(biāo)軸、砂輪主軸和頭架主軸定義分析。東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床的機械結(jié)構(gòu)由工件床身和砂輪床身組成，工件床身搭載尾架、中心架，砂輪床身搭載磨架、測量臂、磨曲線機構(gòu)等設(shè)備。工件床身安裝有頭架、尾架和中心架，為磨削軋輥時提供穩(wěn)定的支撐，砂輪床身承載砂輪架和砂輪及測量臂，測量臂內(nèi)安裝有測量軋輥表面曲線精度的長度計，并在外測量臂上配置檢測軋輥的探傷儀，如圖1所示。

東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床電氣控制系統(tǒng)由840D sl數(shù)控系統(tǒng)、SINAMICS S120伺服電機軸控制系統(tǒng)和磨床輔助控制系統(tǒng)組成，輔助控制系統(tǒng)為包括PCU 50.5工控機、遠程服務(wù)器在內(nèi)的外圍控制終端^［6］。

3.2 東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床Z軸（拖板）雙電機驅(qū)動設(shè)計

東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床的砂輪床身（12.8 m*3.0 m*3.3 m）Z軸坐標(biāo)行程較長，為了實現(xiàn)較高的傳動精度，消除間隙，設(shè)計Z軸（拖板）電氣控制采用主從軸功能，機械結(jié)構(gòu)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)。使安裝在Z軸上的2臺伺服電機，設(shè)定其中1臺為主動伺服電機，另外1臺為從動伺服電機，2臺伺服電機通過減速器帶動2個小齒輪消除側(cè)隙，主動伺服電機用來驅(qū)動軸，從動伺服電機用于預(yù)加載，2臺伺服電機相互作用，輸出張力扭矩（Tension Torque），在Z軸上實現(xiàn)速度同步和自動消隙，如圖2所示。Z軸的雙電機驅(qū)動雙齒輪齒條傳動能夠減小傳動間隙，且傳動需要大扭矩時，所有電機同時輸出同向扭矩向機床提供必要的動力，以有效提高驅(qū)動能力及平衡機械負載，只是此時無消隙功能^［7］。采用840D sl數(shù)控系統(tǒng)主從軸功能可以使改造后的東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床Z軸（拖板）具有較大功率輸出，消除間隙效果較好，機械結(jié)構(gòu)緊湊且穩(wěn)定等優(yōu)點。

Z軸雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中，設(shè)計2套相同的伺服行星減速裝置，采用1個伺服電動機驅(qū)動對應(yīng)的行星減速裝置，從而在2個小齒輪上可同時獲得摩擦力矩（以消除間隙），并對軋輥磨床Z軸（拖板）在齒條上的整體形成張緊同步運行的扭矩。

3.3 東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床專用HMI軟件設(shè)計

結(jié)合東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床的實際軋輥磨削加工工藝要求和OPC UA相關(guān)條件限制，利用在PCU 50.5工控機終端，考慮到以后在嵌入式系統(tǒng)中進行應(yīng)用，并根據(jù)軋輥磨床特殊磨削加工的應(yīng)用需求，選用開發(fā)圖形界面使用的主要組件也是Qt的圖形庫，構(gòu)建東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床專用磨削界面HMI軟件設(shè)計，軋輥磨床專用HMI界面如圖3所示。

通過西門子840D sl的OPC UA服務(wù)器，可以利用PCU 50.5工控機終端進行磨削數(shù)據(jù)讀寫操作和設(shè)置監(jiān)控磨削電流、磨削線速度、頭架轉(zhuǎn)數(shù)等操作。在軋輥磨床實際工作中，需要將加工磨削參數(shù)、檢測曲線及工作步驟等進行合理規(guī)劃，開發(fā)一套操作簡潔、運行平穩(wěn)、為磨輥車間的智慧管理提供預(yù)留接口的軋輥磨床專用HMI軟件是軋輥磨床改造中的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語

在改造中，選用西門子840D sl 數(shù)控系統(tǒng)和S120交流伺服系統(tǒng)完成了該數(shù)控軋輥磨床的技術(shù)改造。改造中在機械上修復(fù)了機床導(dǎo)軌，新增Z軸（拖板）雙電機驅(qū)動，提高了機床機械運行精度。在電氣控制方面，通過840D sl 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了軋輥磨床的特殊加工工藝要求，輥形誤差0.004 mm/m，同軸度0.004 mm/m，提高了軋輥磨削效率。更換的西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)解決了許多軋輥磨床之前無法解決的問題，提高了磨床的可靠性，軋輥磨床定制化的HMI界面設(shè)計，操作簡便，功能齊全，達到了預(yù)期效果，為工廠帶來了較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

［1］汪紅，陳興義.基于華中HNC-818AT數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床升級改造［J］.制造技術(shù)與機床，2018（12）：164-168.

［2］余緯，李夢陽，張長永，等.基于西門子828D系統(tǒng)的立式加工中心數(shù)控改造［J］.機床與液壓，2017，45（16）：191-193.

［3］楊喬杰，余光懷，王勇，等.立臥復(fù)合鏜銑床的數(shù)控改造及應(yīng)用［J］.機械設(shè)計，2018，35（增刊1）：217-222.

［4］趙冬梅.傳統(tǒng)老舊銑床的數(shù)控化改造及分析［J］.機床與液壓，2018，46（14）：128-130.

［5］安毅，許建，劉明陽.西門子840D sl多通道控制在數(shù)控銑槽機改造中的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機床，2019（2）：169-171.

［6］許建.西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)在SC125大型車銑鏜床技術(shù)改造中的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機床，2017（6）：162-165.

［7］李攀科，余慶明，王元倫，等.雙電機驅(qū)動的主從軸功能在數(shù)控機床上的運用［J］.制造技術(shù)與機床，2021（5）：157-160.