基于西門子840D sl數控系統的數控軋輥磨床升級改造

摘 要：以20世紀90年代初的日本東芝軋輥磨床床身為基礎，利用西門子840D sl數控系統作為軋輥磨床數字化運動控制平臺，基于PCU 50.5工控機終端的操作系統，開發一套磨削軋輥輥型和精度滿足當前國內高端軋板需求的數控軋輥磨床專用系統，重點闡述了采用西門子840D sl數控系統結合自主開發的數控軋輥磨床專用系統，成功對東芝軋輥磨床進行升級改造應用，并介紹了軋輥磨床電氣控制系統設計原理與調試方法，為磨輥車間的智慧管理提供預留接口。通過升級改造，這臺瀕臨淘汰的軋輥磨床重新煥發出新的生命力，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。

關鍵詞：西門子840D sl數控系統；數控軋輥磨床；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，砂輪床身導軌面拉傷嚴重（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，經檢修后雖然能勉強使用，但不能大功率持續磨削，磨削效率極低。電氣系統為日本東芝磨床系統，已經淘汰，無法購買到備件，存在整臺磨床系統崩潰癱瘓的隱患。

現場工作環境較差，軋輥磨床原電氣系統的性能、穩定性均已下降，磨床故障點增多，使用中設備故障不斷，導致設備故障停機時間延長，故障率較以前有較大增加，且該系列產品屬于東芝公司較早的產品，備件早已停產無法供應，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當前生產需求。

為提高該磨床使用水平，改善磨輥質量，并與磨輥車間的智能制造發展相適應。經過多次現場實際勘察、論證，認為該磨床雖然生產的時間較早，電氣控制系統完全淘汰^［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，通過必要的專業修復后能夠達到當前磨削軋輥精度要求，可繼續使用。綜合評判，該磨床通過現代技術改造后，磨削精度和工作效率完全能夠滿足現在的軋輥磨削要求，故提出對這臺東芝軋輥磨床電氣系統整體進行更換，機械部分部件修復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據自動采集處理系統^［3］，為軋輥磨床磨輥車間智慧管理系統建設奠定基礎。

1 東芝軋輥磨床改造要求

（1）利用KWA-1660D（CH）磨床現有部分機械結構（含測量系統，不含探傷等輔助設施），對電氣系統進行全部改造，采用目前主流的西門子840D sl數控系統，僅利用KWA-1660D（CH）磨床現有工件床身和砂輪床身，保留頭架及尾架機械系統，中心架系統根據設計要求決定留用，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

針對電氣系統的改造方案主要有以下幾個方面。

（1）數控磨床電氣硬件線路整體設計。結合磨床原有功能和實際需求，設計全新的磨床主回路、數控系統控制回路及電氣控制柜。設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。既要滿足當前的實際生產要求，又要有一定的超前性，為工廠智能制造預留接口，滿足未來工廠智能制造發展的需求^［4］。軋輥磨床主控制系統采用SIEMENS 840D sl數控系統作為整機控制核心，S120伺服系統作為數控軸的選配，所有檢測發訊裝置、數據測量與控制裝置，控制元器件都按840D sl數控系統的技術要求配置，系統通信采用PROFINET總線控制^［5］。

（2）采用S120伺服系統對軋輥磨床坐標軸系統進行配置，S120伺服系統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數控系統拓撲自動識別。

（3）利用西門子840D sl數控系統作為軋輥磨床數字化運動控制平臺，基于PCU 50.5工控機終端的操作系統，開發一套磨削軋輥輥型和精度滿足當前國內高端軋板需求的數控軋輥磨床專用系統。

（4）增加遠程診斷功能和軋輥磨削數據采集處理系統。

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，恢復砂輪床身各項基礎精度，使磨床滿足正常磨削的要求。

（2）對拖板靜壓供油系統進行全面改造，將測壓點由側護板引出，增加1個測壓中轉箱，增加壓力分配器，方便測量和調整導軌靜壓浮起量；重新調整大拖板靜壓系統，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計，通過偏心率控制特殊工藝和瓦面大阻尼結構。使砂輪主軸滿足高表面質量、高精度軋輥磨削要求。

（4）新增磨曲線裝置（U軸），采用靜壓偏心套結構。工作時，由伺服電機帶行星減速器再驅動滾珠絲桿轉動，通過直線滾動導軌副定位，使滾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升級改造

3.1 東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床數控系統配置

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設計至關重要的第一步，針對東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床進行磨床結構分析，坐標軸、砂輪主軸和頭架主軸定義分析。東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床的機械結構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、磨曲線機構等設備。工件床身安裝有頭架、尾架和中心架，為磨削軋輥時提供穩定的支撐，砂輪床身承載砂輪架和砂輪及測量臂，測量臂內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由840D sl數控系統、SINAMICS S120伺服電機軸控制系統和磨床輔助控制系統組成，輔助控制系統為包括PCU 50.5工控機、遠程服務器在內的外圍控制終端^［6］。

3.2 東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床Z軸（拖板）雙電機驅動設計

東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床的砂輪床身（12.8 m*3.0 m*3.3 m）Z軸坐標行程較長，為了實現較高的傳動精度，消除間隙，設計Z軸（拖板）電氣控制采用主從軸功能，機械結構采用齒輪齒條結構。使安裝在Z軸上的2臺伺服電機，設定其中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個小齒輪消除側隙，主動伺服電機用來驅動軸，從動伺服電機用于預加載，2臺伺服電機相互作用，輸出張力扭矩（Tension Torque），在Z軸上實現速度同步和自動消隙，如圖2所示。Z軸的雙電機驅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數控系統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，機械結構緊湊且穩定等優點。

Z軸雙電機驅動系統中，設計2套相同的伺服行星減速裝置，采用1個伺服電動機驅動對應的行星減速裝置，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軟件設計

結合東芝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中進行應用，并根據軋輥磨床特殊磨削加工的應用需求，選用開發圖形界面使用的主要組件也是Qt的圖形庫，構建東芝KWA-1660D（CH）軋輥磨床專用磨削界面HMI軟件設計，軋輥磨床專用HMI界面如圖3所示。

通過西門子840D sl的OPC UA服務器，可以利用PCU 50.5工控機終端進行磨削數據讀寫操作和設置監控磨削電流、磨削線速度、頭架轉數等操作。在軋輥磨床實際工作中，需要將加工磨削參數、檢測曲線及工作步驟等進行合理規劃，開發一套操作簡潔、運行平穩、為磨輥車間的智慧管理提供預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節。

4 結語

在改造中，選用西門子840D sl 數控系統和S120交流伺服系統完成了該數控軋輥磨床的技術改造。改造中在機械上修復了機床導軌，新增Z軸（拖板）雙電機驅動，提高了機床機械運行精度。在電氣控制方面，通過840D sl 數控系統實現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數控系統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界面設計，操作簡便，功能齊全，達到了預期效果，為工廠帶來了較好的經濟效益。

參考文獻：

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