軋輥磨床數控化改造與應用

張芬芬

(江蘇省高淳中等專業學校,南京 211300)

數控技術在多個領域得到了廣泛的應用,其中軋輥磨床是制造業不可或缺的重要設備,其磨削精度與產品質量密切相關。為提高軋輥磨床的磨削精度,需對數控系統進行改造升級。某冷軋薄板廠興建于20世紀90年代末,建廠時的設計產量為70萬t,共有9條生產線,12套機組,設備與技術基本上都是從國外引進,能夠生產高檔的冷軋板、彩涂板等,其產品在汽車制造、石化油工、建筑等行業中有著廣泛應用。該廠磨輥車間采用的支撐輥磨床是從美國引進的,主要負責酸洗冷軋聯合機組與平整機組的支撐輥修磨任務。磨床在長時間服役中數控系統不斷老化,部分功能喪失。而客戶對板面的質量要求逐步提高,軋輥磨床的加工精度對生產形成了一定的制約,亟需對軋輥磨床進行改造,以便更好地滿足生產需要。

1 改造原因及目標

1.1 改造原因

近年來,軋鋼技術逐步完善,帶鋼質量逐步提升,為生產出能夠滿足不同客戶需求的帶鋼產品,需提升軋輥修磨技術,令軋輥的輥型復雜程度更高,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,以適應更多的軋輥材質,應用范圍更廣。該廠的支撐輥磨床數控系統由插件版計算機、德國西門子公司出品的S5系列PLC組成,計算機與PLC之間以點對點方式傳輸信號[1]。受到計算機軟、硬件方面的限制,導致該磨床的自動化程度偏低,使用過程中經常出現問題,具體表現在以下幾方面:

偏差大。磨削加工后的軋輥輥形存在較大的偏差,影響了冷軋板質量。輥形偏差是指磨削加工的輥形與預先設定的輥形之間的差值。軋輥作為軋鋼生產中鋼板的變形工具,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,對冷軋板質量的提升產生了嚴重制約,無法滿足高精度、高質量產品的生產需要。

磨削效率低。磨床對軋輥中心校準的時間較長,數控程序中不具備補償功能,導致磨削效率低,平均每根軋輥的磨削用時約為60 min左右。由于效率過低,導致磨削至規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。為供應質量合格、精度達標的軋輥,需保證軋輥的周轉量充足,這樣將導致生產成本增加。若是能夠在現有條件基礎上提高軋輥磨床的磨削效率,則可使軋輥的周轉量隨之減少。

自動化程度偏低。從軋輥磨床的操作性能來看,系統采用的操作界面較差,無法顯示圖形,導致生產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,不具備硬件擴展功能,無法實現聯網通信及集中控制,不利于磨輥間生產率的提升。

故障率偏高。由于磨床的控制及傳動系統結構較為復雜,致使設備故障率增加。該軋輥磨床的傳動系統為直流系統,穩定性與可維護性較差,不但會對作業效率的提升產生影響,還會增加維護成本。直流電動機的缺點是需要經常保養碳刷,如果維護不及時將可能引發故障。系統插件版采用分立元件,與PLC之間的通信方式為點對點,PLC與現場元件的通信方式也是點對點,需要敷設的電纜數量較多,故障率隨之增高,發生故障后查找及處理難度較大[3],因此對軋輥磨床的數控系統進行升級改造勢在必行。

1.2 改造目標

結合軋鋼生產及磨輥需求,對軋輥磨床數控系統進行升級改造,主要目標如下:

系統改造后,使磨削加工的輥形偏差小于10 μ,提高板形質量,為高品質、高精度產品的批量生產提供保障。在數控系統軟件程序中增加補償功能,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,以降低軋輥的周轉量[4]。引入友好型的人機操作界面,增加圖形顯示功能,采用模塊化思路設計磨削程序,為自由編程提供支撐。進一步簡化控制與傳動系統的結構,避免發生故障,提高磨床運行穩定性。用工業PC機替代CNC系統,數控系統與PLC的通信及PLC與現場元件的通信全部改為程序總線網絡(Profibus),減少電纜敷設量。

2 改造內容

本次改造屬于整體項目范疇,數控系統的選擇是改造的重點內容,要求所選的數控系統具備良好的控制性及通用性,在提升軋輥磨削精度及質量的基礎上降低工作強度。

2.1 改造方案

可用于軋輥磨床數控系統改造的方案有以下幾種:

方案一:工業PC機+CNC+PLC。該方案的系統架構如圖1所示。

圖1 工業PC機+CNC+PLC架構示意圖

該方案中,數控系統的所有單元均獨立,通過840D將獨立PC機、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的應用,系統具有較強的通用性,故障率相對較低,便于維修[5]。

方案二:CNC+PLC,以工業PC機替代CNC。該方案的系統架構如圖2所示。

圖2 CNC+PLC(以工業PC機替代CNC)架構示意圖

該方案中,CNC被工業PC機取代,PLC得以保留,將PC機劃分為兩部分,即操作和控制,前者主要負責對控制部分發出的指令信息進行接收與執行,后者可實現控制及圖形處理等功能。CNC被工業PC機所取代,系統的硬件結構變得更加簡單,因PC機為工業專用,故而該系統的通用性較差,但專業性非常強,維修難度增大。

方案三:工業PC機代替CNC與PLC。該方案的架構如圖3所示。

圖3 工業PC機代替CNC與PLC的架構示意圖

該方案中,CNC、PLC的功能均在PC機上,以軟件控制方式實現,PC機具有超強的邏輯運算能力,利用擴展的總線接口,可與外部的驅動單元相連接。軟件型控制系統為實時操作系統,能夠對CPU資源自主使用,借助Windows操作系統,可完成畫面顯示、數據通信、邏輯掃描、控制任務等。該系統突出的特點是運算功能強大,現場總線技術的運用,豐富了控制系統對外圍輸入及輸出信號的監控。

從硬件結構、操作界面、編程方式、磨削功能等方面對上述3種改造方案進行比較,確定將方案一作為本次軋輥磨床數控系統改造的主要方案,選用某機床廠提供的支撐輥磨床MK84125,因為840D系統的通用性強,能夠使現場設備保持正常運轉,加之系統價格較低,故將其作為首選。840D數控系統由德國西門子公司研發,功能強大,包括人機界面、可編程控制器、數控內核、驅動控制等。系統各部分功能如圖4所示。

圖4 系統各部分功能示意圖

2.2 操作界面的開發

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

手動調整。軋輥磨床在非磨削加工狀態時,可運用手動調整窗口,以實現對磨床伺服軸、頭架主軸電機、砂輪主軸電機、測量臂等的手動調整。

參數設置。該窗口的主要功能是設置軋輥磨床的基本參數,由于參數對磨床的控制過程具有直接影響,故應正確、合理進行設置。大部分參數是在軋輥磨床調試期間完成設置,少部分參數需在特定情況下按磨床運行特點修改設置[6]。在修改設置參數時,用戶應具備相應的權限,參數修改完畢后予以保存,以替代之前的參數。

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

曲線參數。該窗口能夠完成軋輥輥形曲線參數的錄入、修改、保存等操作。可編程的曲線類型包括平輻輥形、正弦輥輥形、錐度輥輥形、曲線輥形等。在默認的情況下,系統保存數十條輥形參數,用戶可對曲線進行修改,并新增所需的曲線。

磨削。該窗口能夠對軋輥磨床自動磨削加工過程進行控制,系統裝載大量的程序,可提供多種控制方案,實現由簡到繁的自動磨削控制。

3 結束語

在軋輥磨床數控系統改造過程中,需合理應用先進的數控技術,根據生產需要選擇最為適宜的系統,達到改造目的,提高軋輥磨床的磨削精度,提升產品質量。未來一段時期,要加大數控技術研究力度,逐步改進完善,研發新技術,使其更好地為工業生產服務。