轧辊磨床的数控化应用技术

苟大维 徐新力 秦东 龙合昌

摘  要：轧辊磨床是一种金属切削机床，广泛应用于钢铁、有色、造纸等行业，随着各行各业制造工艺要求都不断提高，轧辊磨床的磨削修复难度较大，加工复杂度较高，对轧辊磨床提出了更高的数控化要求。选取西门子公司SINUMERIK 840D sl数控系统为平台，以MK8463轧辊磨床为研究对象，介绍了数控轧辊磨床的系统配置、工作原理、硬件设计以及功能特点等。

关键词：轧辊磨床;数控化改造;技术应用

Abstract：Roll grinder is a metal cutting machine tool，widely used in steel，non-ferrous metals，paper making and other industries. With the continuous improvement of the manufacturing process requirements in all walks of life，the grinding repair of the roll grinder is more difficult and the processing complexity is higher. Grinding machines put forward higher requirements for numerical control. The SINUMERIK 840D sl CNC system of Siemens was selected as the platform，and the MK8463 roll grinder was taken as the research object. The system configuration，working principle，hardware design and functional characteristics of the CNC roll grinder were introduced.

Keywords：roller grinder;numerical control transformation;technical application

0  引  言

随着我国经济社会的快速发展和科技水平的不断提升，工业化进程不断加快，轧辊磨床作为满足特殊工艺要求的重要工业生产设备，广泛应用于钢铁产业、有色金属冶炼产业、造纸印刷产业等诸多工业的生产过程。然而，在实际加工的过程中，高温氧化、机械磨损等诸多原因往往会造成轧辊磨床几何精度有所下降，需要周期性地对轧辊磨床的运行进行科学修复，最大限度地避免轧辊磨床在磨削轧辊时的精度和磨削效率下降而引起的轧辊磨床生产质量和工艺效率的降低。但是，在轧辊磨床中高磨削、中凹磨削以及锥度磨削等重要部件所涉及的机械结构较为复杂，零部件较多，轧制工艺所要求的轧辊辊面母线曲线加工难度较大，工业生产误差难以控制。在此背景下，选取SINUMERIK 840D sl数控系统作为平台，以贵阳险峰机床有限责任公司生产的MK8463轧辊磨床为研究对象，对轧辊磨床进行全新的数控化设计，不断提升轧辊磨床应用效率。

1  轧辊磨床概述

轧辊磨床是钢铁产业生产线的重要配套设备，其磨削精度、磨削效率的高低会在极大程度上直接影响钢材生产过程轧辊质量和实际生产效率。在实际轧制钢板的过程中，高温氧化或机械磨损等諸多原因往往造成轧辊辊面面积减小、轧制精度下降，因此，钢材生产工作人员需要定时定期对轧辊辊面进行磨削修复。与此同时，轧机工作辊和支撑辊辊面还需要按照一定排列方式实现耦合匹配，因此，在轧辊磨床的磨削轧辊的工作过程中，轧辊磨床数字控制系统根据轧辊面母线的数学模型，计算出砂轮在多种负荷运动条件下对辊面金属的磨削程度有较大影响，从而根据该磨削程度对轧辊辊面进行科学修复。轧辊磨床在线测量系统主要将测量数据实时反馈给轧辊磨床控制系统，由控制系统对轧辊磨床机床发出对应的闭环控制指令，实现对整个轧机生产过程的精密管理和科学控制，图1即为轧辊磨床电控系统连接示意图。

通常情况下，轧辊磨床的结构形式主要包括工作台移动结构形式和砂轮架移动结构形式等两大类。当轧辊磨床的被打磨工件实际直径小于630 mm时，可采用工作台移动结构模式布置轧辊磨床;而当被磨工件的实际直径大约630 mm时，则应该采用砂轮架移动结构形式布置轧辊磨床。同时，在轧辊磨床结构上，还应配置相应的车削拖板等特殊零部件，保证轧辊磨床前导工序的顺利加工。在轧辊磨床和其他磨床的机械结构对比方面，轧辊磨床的显著特点是拥有中高机构，轧辊磨床的轮廓曲线是借助磨床中高机构实现的。目前，在国外的轧辊磨床中，中高机构采用各种各样的结构形式，凸轮杠杆结构形式的实际使用范围最广。但与此同时，尽管轧辊磨床机械结构中的中高结构能够有效满足轧辊磨床轧辊轮廓的精度要求，但中高机构的实际构造较为复杂，传动链较长，整个工艺调整过程较为麻烦，且轧辊磨床砂轮架大多为三层架构形式，实际刚性较差，因此，国外部分轧辊磨床也采用CNC设备对其中高机构进行改良优化。

2  轧辊磨床的数控化改造技术

2.1  系统组成与工作原理

通常情况下，轧辊磨床大多为金属切削机床，主要由床身、头架、尾架、中心架、磨头、电气数控系统等重要部分组成，可以进一步将其划分为承载系统、驱动系统、磨削系统和控制系统等四大子系统。在轧辊磨床的工业生产过程中，头架、尾架和中心架支撑轧辊磨床工件，由头架实现相应的驱动旋转功能，数控系统则进一步根据轧辊磨床轧辊表面母线的数学模型和参数信息控制轧辊机床做多轴复合运动，进而在轧辊磨床实际生产运动过程中实现砂轮对轧辊表面的磨削控制。

为了实现对轧辊磨床的数控化精确控制，依托于轧辊表面轮廓曲线相关原理及其参数信息，对数控系统的Z轴、X轴、砂轮和工件转动进行管理，满足轧辊磨床工作精度要求。但是，由于轧辊磨床工业生产过程中的轧辊轮廓曲线变化幅度较大，横向精度要求较高，因此，在X轴方向必须建立闭环系统控制轧辊磨床运动轨迹，弥补数控系统中对测量丝杠的误差。在轧辊磨床的磨削过程中，由于砂轮磨损程度随着砂轮材质的变化和工件材质的变化有所区别，数控系统并不能保证砂轮切削量的固定不变，故而会在一定程度上降低轧辊磨床砂轮生产效率。此外，轧辊磨床刚度较低，甚至受周围环境影响较大，系统的不稳定会造成轧辊磨床在Z轴方向的爬行。因此，为了克服上述轧辊磨床工业生产缺陷，需单独控制轧辊系统中的Z轴和X轴，利用数控系统能控制Z轴、X轴以及砂轮、工件的精确化转动，以在X轴方向建立闭环系统的方式不断提升轧辊磨床X轴方向的运动精度。