新型數控技術在軋輥磨床上的開發(fā)與實現

1、青島濱海大學（本科）3摘 要軋輥磨床是現代工業(yè)生產中不可或缺的一種重要生產裝備，其生產的軋輥主要應用在冶金、造紙、軋鋼等行業(yè)，隨著產品要求質量的不斷提高，軋輥磨床的精度也越能保證軋輥磨床具有良好的動靜剛度、動態(tài)特性、穩(wěn)定性、加工工藝性，在機床的設計過程中需要采用現代設計方法實現結構的動態(tài)設計。在鋼鐵企業(yè)中，軋輥磨床用于將軋鋼后的軋輥修磨到所需精度后再送回軋機反復使用，由于鋼鐵生產具有自動化、連續(xù)化、精度高等特點，對于軋輥磨床需要在盡可能短的時間將軋輥表面誤差磨削到級，這樣的要求靠人工是無法達到的，故從80年代開始數控技術在軋輥磨床上被廣泛使用，且不斷更新。本課題主要完成了以下工作：1） 介紹了

2、當代主要數控技術的特點，其中重點介紹了西門子SINUMERIK 840D數控系統(tǒng)、工業(yè)PC及軟件、現場總線技術的特點、結構和作用。2） 對軋輥磨床的控制作用和目標進行了說明，對當今具有代表性的軋輥磨床制造商的數控系統(tǒng)結構進行了分析，并進行了比較。3） 對寶鋼熱軋廠的軋輥磨床改造項目進行了介紹，其中對數控系統(tǒng)的結構、特點進行了說明，并評估了改造效果和安裝調試中遇到問題的解決方案。4） 介紹了數控立式復合磨床的未來發(fā)展方向以及在我國現代工業(yè)中對磨床方面的改造，在未來的工業(yè)發(fā)展中，磨床將起到越來越舉足輕重的作用。關鍵詞：數控，軋輥磨床，現場總線，磨床診斷系統(tǒng)，復合磨床ABSTRACTRoll gri

3、nder modern industrial production is a kind of indispensable eq,he production of roll is mainly used in metallurgy,papermaking rolling,With the improvement of product quality ,roll grinder accuracy is higher and higher aiso .In order to ensure the static stifamic trait,stability and processing of at

4、urability in the design process of the ma in needed to adopts modern design realize the dynamic structure design.The roll grinding machine is used for grinding the roll which participate the steel rolling to certain accuracy. For the character of modern steel production is automatic, continuous and

5、accurate, the requirement of the roll grinding machine is to grind a roll tom lever in the shortest time. The demand is hardly to satisfy through manual work, so the numerical controltechnology is widely used and still updating for the roll grinding machine. The content of this paper is as follow:1）

6、 Introduces the characters of modern NC technology, and mainly introduces the characters, system frame, functions of SINUMERIK 840D, industrial PC and software, profibus.2） Explains the mission of NC system of roll grinding machine. Analyses and compares the NC systems of the mainly roll grinding ma

7、chine manufacturer.3） Introduces the revamping of roll grinding machines. Explains the system frame and characters of NC system. Evaluates the effects of revamping and the solution of certain problems.4） introduces the future development direction of the roll grinder as well as in our modern industr

8、ial of roll grinder transformation, in the industrial development in the future, the roll grinder will play an increasingly important role.Keywords: NC(Numerical Control),roll grinding machine, fieldbus，grinder diagnostic system，Compound Grindin第一章 引 言隨著計算機技術和控制技術的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)正在發(fā)生一些變化和變革，這些發(fā)展和變革的趨勢主要表現

9、在三電一體化和嵌入式系統(tǒng)，以PC為基礎的分布式控制系統(tǒng)和現場總線的應用這幾個方面。在激烈的國內外市場的競爭中，鋼鐵企業(yè)為降低成本和增加高附加值產品，產品生產線的設備不斷向自動化、高速化、連續(xù)化和高精度發(fā)展。要實現提高作業(yè)率，減少故障率；節(jié)能降耗，改善產品質量，生產高附加值產品的目標，僅靠人力已不可能完成，自動化控制系統(tǒng)已經成為不可或缺的關鍵設備，不斷完善和改進自動化控制系統(tǒng)也是改進工藝、解決設備問題的最主要的手段。隨著IT技術和控制技術的發(fā)展，數控系統(tǒng)正在發(fā)生一些變化和變革，這些發(fā)展和變革的趨勢主要表現在以下幾個方面。1.1數控系統(tǒng)發(fā)展的方向和趨勢數控系統(tǒng)發(fā)展的方向和趨勢主要有以下特點：1）數

10、控系統(tǒng)向開放式體系結構發(fā)展開放式體系結構使數控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、可擴展性，并可以較容易的實現智能化、網絡化。開放式體系結構的新一代數控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，數控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據這些開放的資源進行的系統(tǒng)集成，同時它也為用戶根據實際需要靈活配置數控系統(tǒng)帶來極大方便，促進了數控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用，開發(fā)生產周期大大縮短。同時，這種數控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，而結構可以保持不變。2）數控系統(tǒng)向軟數控方向發(fā)展現在，實際用于工業(yè)現場的數控系統(tǒng)主要有以下四種類型，分別代表了數控技術的不同發(fā)展階段，對不同類型的數控系統(tǒng)進行分析后發(fā)現，數控系統(tǒng)不但從

11、封閉體系結構向開放體系結構發(fā)展，而且正在從硬數控向軟數控方向發(fā)展的趨勢。目前最新的開放體系結構的數控系統(tǒng)是SOFT型開放式數控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口。就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡和相應的驅動程序一樣。用戶可以在WINDOWS NT平臺上，利用開放的CNC內核，開發(fā)所需的各種功能，構成各種類型的高性能數控系統(tǒng)，與前幾種數控系統(tǒng)相比，SOFT型開放式數控系統(tǒng)具有最高的性能價格比，因而最有生命力。通過軟件智能替代復雜的硬件，正在成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。3）向復合化方向發(fā)展在零件

12、加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數控加工程序，自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。4）向多軸聯動化方向發(fā)展由于在加工自由曲面時，3軸聯動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，進而對工件的加工質量造成破壞性影響，而5軸聯動控制對球頭銑刀的數控編程比

13、較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系統(tǒng)開發(fā)商不遺余力地開發(fā)5軸、6軸聯動數控系統(tǒng)，隨著5軸聯動數控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及，5軸聯動控制的加工中心和數控銑床已經成為當前的一個開發(fā)熱點。電子技術、信息技術、網絡技術、模糊控制技術的發(fā)展使新一代數控系統(tǒng)技術水平大大提高，促進了數控機床產業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進了現代制造技術的快速發(fā)展。數控機床性能在高速度、高精度、高可靠性和復合化、網絡化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長足的進步。5)數控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展隨著數控機床網絡化應用的日趨廣泛，數控系統(tǒng)的

14、高可靠性已經成為數控系統(tǒng)制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16個小時內連續(xù)工作，無故障率在P(t)=99%以上，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對某一臺數控機床而言，如主機與數控系統(tǒng)的失效率之比為10：1（數控的可靠比主機高一個數量級）。此時數控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數控裝置，主軸及驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。如果對整條生產線而言，可靠性要求還要更高。1.2在軋輥磨床上應用數控技術的目的在鋼鐵企業(yè)中，軋輥主要用于熱、冷軋鋼板軋制，由于其在高溫、高負載等惡劣條件下工作，故很快就發(fā)生磨損，當軋輥磨損

15、到一定程度，為保證軋件表面質量和尺寸精度，需要及時換輥。而更換下來的軋輥也需要迅速放到軋輥磨床上進行磨削，磨削到一定精度要求后再送回軋機使用。隨著熱帶鋼軋機要求的高質量、高速度和高精度，導致軋輥的更換頻率增加，軋輥的加工量增大，同時由于板帶的尺寸精度、軋制穿帶性能等與軋輥的磨削精度有著密切的關系，故對軋輥磨削質量也提出了很高的要求。要求軋輥磨床需要在30分鐘左右的時間將軋輥表面誤差磨削到級，而這些要求靠人工控制已根本無法滿足，故必須依靠自動化設備來提高軋輥磨削效率和精度，滿足軋鋼生產的需要。由于以上原因，故從80年代開始數控技術在軋輥磨床上被廣泛使用，且不斷更新，同時促進了鋼鐵業(yè)的發(fā)展。1.3

16、本文的主要工作和目標本文重點介紹了大量應用于軋輥磨床的數控技術，其中重點介紹了專用數控系統(tǒng)、工業(yè)PC及軟件、現場總線技術的特點、優(yōu)點和作用進行了闡述，并根據軋輥磨床對數控系統(tǒng)的要求，對寶鋼熱軋廠的軋輥磨床數控系統(tǒng)改造項目進行了介紹，重點對當今最具有代表性的軋輥磨床制造商提供的數控系統(tǒng)改造方案進行了分析和比較，重點評估了改造效果，并分析了安裝調試中遇到問題的解決方案。山東大學自學考試畢業(yè)設計（本科）2寶鋼熱軋磨床特點和數控系統(tǒng)結構2.1熱軋軋輥磨床的結構和工作特點在鋼鐵企業(yè)中，軋輥主要用于熱、冷軋鋼板軋制，由于其在高溫、高負載等惡劣條件下工作，故很快就發(fā)生磨損，當軋輥磨損到一定程度，為保證軋件表

17、面質量和尺寸精度，需要及時換輥。而更換下來的軋輥也需要迅速放到軋輥磨床上進行磨削，磨削到一定精度要求后再送回軋機使用。以前，磨輥間內的作業(yè)與主軋線設備的發(fā)展相比，稍稍落后了一些，隨著熱帶鋼軋機要求的高質量、高速度和高精度，導致軋輥的更換頻率增加，軋輥的加工量增大，同時由于板帶的尺寸精度、軋制穿帶性能等與軋輥的磨削精度有著密切的關系，故對軋輥磨削質量也提出了很高的要求。而這些要求靠人工控制已無法滿足，故必須依靠自動化設備來提高軋輥磨削效率和精度，滿足軋鋼生產的需要。寶鋼熱軋2050軋輥磨床是用于軋輥表面精加工的設備，其主要作用是磨削熱軋廠的工作輥和支承輥。寶鋼2050熱軋廠是1989年投產的，軋

18、輥數控磨床和軋機為同期引進和投入使用，其數控系統(tǒng)為IBSO公司專為德國WALDRICH軋輥制造廠開發(fā)的第一代產品，型號為ILC-500。這批數控軋輥磨床在后續(xù)的十幾年內確保了軋鋼產品質量，為寶鋼創(chuàng)造了很大價值。2.1.1軋輥磨床的結構磨床主要有以下三部分獨立的部件機械地組成：1）后床身，包括：轉動砂輪的砂輪主軸；沿軋輥長度方向往復縱向運動的砂輪刀架；砂輪趨近和退回磨床/軋輥中心橫向運動的砂輪頭。2）前床身，用來轉動、支撐和調整軋輥的，包括：轉動軋輥的床頭箱主軸，床頭箱裝有固定從動軸心的一個頂尖，這個軸心通常用來與緩沖器一起協(xié)作工作，這個緩沖器用來防止從動軸心由于接觸轉動軋輥產生的磨損，這個緩沖

19、器有兩個主要部件構成，一個部件（安裝在從動軸心上）是通過滾柱軸承連接到它的轉動部件上，另一個部件與軋輥的終端連接。緩沖器轉動部件的表面是有硬橡膠制造的，以至于不會損壞接觸的軋輥。這個頂尖、軸心和緩沖器配置用來在軋輥的傳動側縱向定位軋輥，可以配置一個可選擇的電機驅動頂尖來自動定位軋輥。尾架（頂針座）用來在軋輥的操作側縱向定位軋輥，尾架有一個尾架身（主要結構）和一個固定從動軸心的套筒組成，這個軸心通常用來與緩沖器一起協(xié)力工作，這個緩沖器用來防止從動軸心由于接觸轉動軋輥產生的磨損，這個緩沖器也有兩個主要部件構成，一個部件（安裝在從動軸心上）是通過滾柱軸承連接到它的轉動部件上，另一個部件與軋輥的終端連

20、接。緩沖器轉動部件的表面是有硬橡膠制造的，以至于不會損壞接觸的軋輥。這個套筒、軸心和緩沖器配置用來在軋輥的操作側縱向定位軋輥，為了更容易定位軋輥，尾架身可以選擇配備一個電機傳動系統(tǒng)。托架是用來支撐軋輥、以及在水平方向和垂直方向對準軋輥的。托架可以選擇電機驅動來縱向定位，也可以選擇液壓夾緊裝置來取代壓力夾緊螺栓和簡易定位快換裝置的需要。這些托架可以是專用型，它只適合一個小范圍的工作輥和支撐輥輥頸直徑；也可以是綜合型的，它適合一個較大范圍的工作輥和支撐輥輥頸直徑范圍，等等。軟支撐裝置用來靠動壓將軋輥放到托架上，防止由軋輥不當的靠近磨床引起的不必要的損害。3）測量臂，用來測量軋輥幾何尺寸的。圖3-1

21、軋輥磨床結構圖2.1.2現代軋輥磨床的特點現代軋輥磨床主要特點：CNC控制、高度自動化和集成化、磨削效率和精度高。軋輥磨床的主要運動如砂輪、軋輥的旋轉運動均采用了全數字化直流傳動，控制精度高并可實現在一定范圍內無級調速。砂輪主軸采用了毛細管節(jié)流的靜壓支承，床身導軌采用了靜壓導軌，具有足夠的剛度及耐磨性。砂輪能完成微量進給，連續(xù)和端頭自動進給和砂輪磨損補償進給，能磨削出最大凸度或凹度為3毫米的任何形狀的曲線。實現窗口顯示，人機對話方式，通過鍵盤和鼠標進行輸入。輸出設備采用彩色打印機，可打印出程序、曲線等，且能在一張表上用不同顏色同時打印出幾種曲線。可同時儲存多個程序，操作人員可根據意愿自由編程。

22、伺服軸采用交流變頻調速系統(tǒng)，無需維護和更換碳刷，減少了大量的維護費用和備件費用。提供診斷方式，便于維修人員查找故障。一個熟練的操作人員不需要一直集中精力就可以完成一個一直重復的全自動化操作。使用自動控制磨床，操作人員只需要提前確定要做的工作和起動磨床操作程序一旦磨床操作程序起動了，它就可以獨立的工作，只有完成了操作，或者突然發(fā)生一些異常要求操作人員緊急中斷時，磨床才會停下來。在自動控制操作的過程中，操作人員或許要通過評估磨床采集的數據來監(jiān)控磨床執(zhí)行的工作情況。在當前的操作過程中，如果操作人員不在時，可以自動打印出來數據，也可以隨后挑選一些有用的數據打印出來，這些數據也可以存儲在本機的數據庫中，

23、在完成操作后的任何時間都能查看。在開始操作之前，操作人員不需要停機再重新起動，就可以跳過預先確定好的而做沒有預見到的操作。在自動操作過程中，可能因為一些原因，操作人員需要中斷正在運行的操作，為了給操作人員最大限度的靈活操作，自動控制磨床的人機界面采用了自由跳躍概念來設計。2.2計算機數字控制軸為了完成磨床各項控制任務，軋輥磨床一般有多軸需要計算機控制，CNC通過伺服電機、轉動編碼器和其它相關的控制元件來持續(xù)控制每個軸的精確位置和速度。為了讓CNC控制每個軸的位置，我們必須為每個軸設定一個參考點。設定參考點是為了對于每個軸，相對于一些已知物體機械參考，CNC都有一個固定的“已知位置”。利用這個相

24、對某個固定機械參考的“已知位置”，CNC能控制和監(jiān)控每個軸的精確位置。這個參考點不要和機械零點相混淆，因為這個參考點并不一定是這些軸的機械零點位置。1）Z軸:安裝在后床身上，用來使磨床的砂輪刀架以磨床后床身的靜壓方式縱向運動。2）X軸（砂輪刀架基座）:安裝在后床身刀架上，用來使砂輪刀架以砂輪刀架基座的靜壓的方式橫向運動砂輪頭。3）U軸（微量砂輪進刀）:安裝在后床身砂輪刀架基座上，用來橫向微量運動砂輪頭（與磨床/軋輥中心之間往返運動）4）Y軸（微調輥型軸）:安裝在后床身砂輪刀架基座上，通過在砂輪頭內部同時采用一個傾斜橫向進給機械裝置用來橫向微量運動砂輪頭。5）S2主軸（砂輪主軸）：安裝在后床身砂

25、輪大家的砂輪頭上，用來轉動砂輪和確認從砂輪探頭（A軸）反饋的砂輪直徑，從而調整砂輪的線速度；當磨損導致砂輪直徑變化時，保持砂輪的線速度時時連續(xù)。一旦砂輪探頭被校正好，CNC顯示砂輪的轉速和砂輪的線速度。6）S1軸（床頭箱主軸）：安裝在前床身，用來轉動軋輥和調整砂輪的轉速CNC顯示軋輥的轉速。7）C軸（可選擇的測量臂）：安裝在卡規(guī)往復臺上，測量臂安裝在一個圓柱狀的框架上，這個框架可以轉動90°，把測量臂翻轉到“開”和“關”的位置上，可以方便的測量和停放。C軸可以控制測量臂的運動，測量臂可以協(xié)同E軸和Q軸一起測量軋輥輥型、圓度和直徑。它也可以用來手動校準來顯示軋輥的垂直位置和在每次校準位

26、置處的軋輥的直徑。8）E軸（前測量臂測量裝置）：安裝在前測量臂的內部，隨前測量臂測量軋輥輥型的變化和圓度。協(xié)同Q軸，可以測量軋輥輥型和圓度，還可以測量由于支撐輥頸的托架的原因導致的軋輥偏心度。CNC顯示的E軸位置就是上測量臂接觸軋輥以后壓緊時的數值。當測量臂和軋輥不接觸時，E軸的位置為“零”，C軸使測量臂和軋輥接觸以后，它停止運動并固定在它自己的位置處。進一步壓緊或松開E軸和Q軸，用C軸阻止輥面的變化，這樣可以采集輥型的測量值。9）Q軸（后測量臂測量裝置）：安裝在后測量臂的內部，隨后測量臂測量軋輥輥型變化和圓度。協(xié)同E軸，可以測量輥型和圓度，還可以測量由于支撐輥頸的托架的原因導致的軋輥偏心度。

27、CNC顯示的Q軸位置就是后測量臂接觸軋輥以后壓緊的數值。當測量臂和軋輥不接觸時，Q軸的位置為“零”，C軸使測量臂和軋輥接觸以后，它停止運動并固定住它自己的位置。進一步壓緊或松開E軸和Q軸，用C軸阻止輥面的變化，這樣可以采集輥型的測量值。10）A1軸（探傷探頭）：安裝在卡規(guī)往復臺上，它在兩個測量臂之間的一條線上與磨床中心線對直，用來驅動渦流探傷儀的探頭與輥面做橫向運動。2.3軋輥磨床控制系統(tǒng)的主要組成部分及作用1）CNC（計算機數字控制）主要作用：自動控制各伺服軸的轉速和位置；自動控制各主軸的速度；處理和執(zhí)行包含有序操作、循環(huán)磨削、測量等指令在內的程序。2）PLC（程序邏輯控制器）主要作用：執(zhí)行

28、和連續(xù)驗證邏輯操作程序；以PLC程序的形式，來監(jiān)控磨床所有的操作功能。3）工業(yè)PC主要作用：存儲數據，在PLC和CNC間傳送存儲的程序和數據；通過網絡與CNC交換數據；顯示與實際和理論軋輥輥型、軋輥缺陷（裂紋和軟點）、磨削循環(huán)的時間、存儲數據庫（本機和計算機中心的）有關的數據；打印生產日報、警報診斷圖表；打印磨削結果報告來監(jiān)控質量打印出在PC監(jiān)控器上顯示的磨床測量系統(tǒng)的所有數據；直接或通過網絡（如果可以）與磨輥車間的計算機交換信息；存儲所有與磨削循環(huán)（磨削程序）和磨床操作軟件有關的信息。333熱軋軋輥磨床數控系統(tǒng)整體改造方案寶鋼熱軋2050軋輥磨床是用于軋輥表面精加工的設備，其主要功用是磨削熱

29、軋廠的工作輥和支承輥，其數控系統(tǒng)為IBSO公司專為德國WALDRICH軋輥制造廠開發(fā)的第一代產品，型號為ILC-500。隨著用戶對鋼板表面質量要求的不斷提高，軋輥磨床的磨削精度成為制約鋼板質量和板形精度的瓶頸，同時磨輥間減少操作人員數量并提高勞動生產率的要求也越來越強烈，故決定對寶鋼熱軋2050軋輥磨床進行改造。本章重點介紹具體改造方案。3.1磨床數控系統(tǒng)改造的原因隨著軋鋼技術的不斷改進和發(fā)展，對軋輥加工提出了一系列技術上的要求：更加復雜的軋輥輥型（CVC、多元軋輥）；更小的軋輥輥型偏差和偏心度、圓度及錐度偏差；更快的磨削速度和效率；適應于更多的軋輥材質，應用范圍更廣同時，磨輥間的發(fā)展對軋輥磨

30、床也有新的要求：提高勞動生產率，減少人員投入；提高磨床的使用壽命；更高的軋輥檢測要求和足夠大的檢測數據的存儲能力；寶鋼2050熱軋軋輥磨床是20世紀80年代從德國進口的，其數控系統(tǒng)主要采用分立插件板計算機、PLC采用西門子S5-130，并且通過點對點連接的方式進行信號傳送。由于計算機硬件及軟件的限制，使得該磨床自動化水平較差，并存在以下問題：1）磨削后的軋輥輥型偏差大，嚴重制約了熱軋板的板形質量和凸度指標的進一步提高。軋輥輥型偏差指實際輥型與設定輥型的差值。由于軋輥是軋鋼過程中鋼板主要的變形工具，隨著用戶對鋼板尺寸精度要求越來越高，特別是對鋼板平直度要求小于50，而目前軋輥磨床磨削輥型偏差大，

31、基本在100左右。由于磨床磨削輥型偏差已大于鋼板板形精度要求，故嚴重制約了熱軋板的板形質量和凸度指標的進一步提高，更無法適應日后大量雙高產品對軋輥精度的要求，使寶鋼的國際競爭力處于落后地位。2）磨削效率低下由于磨床校準軋輥中心時間較長，程序中也無補償功能，因此磨削時間長，效率低下。目前2050熱軋磨削平均每根需4560分鐘，而同樣1580熱軋平均每根只需2540分鐘。由于磨削效率低，同樣要磨削到規(guī)定的精度所需要的磨削道次就多，軋輥的損耗及砂輪的損耗都相對較大，影響到輥耗的進一步降低。同時，為保證軋線正常供應合格的軋輥，必須保證軋輥足夠的周轉量。如能提高磨床磨削效率，則能減少軋輥周轉量。3）自動

32、控制水平落后，嚴重制約了磨輥間勞動生產率的提高在操作性能方面，該系統(tǒng)操作界面差，無法進行圖形顯示，操作工不能隨時察看園度、磨削偏差等曲線，同時不能預見磨削效果。磨削程序未采用模塊化設計，無法實現自由編程。硬件設計時無擴展功能，不能聯網通訊，也不能實現磨床集中控制，嚴重制約了磨輥間勞動生產率的提高。4）磨床控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)結構復雜，故障率高。磨床采用直流傳動系統(tǒng)，設備的穩(wěn)定性和維護性差，影響磨床作業(yè)率的提高和維護成本的降低。直流電機中碳刷需經常維護保養(yǎng)，如維護不及時就會造成故障。CNC系統(tǒng)插件板采用的是分立元件，和PLC之間采用點對點通訊，PLC和現場元件之間也是采用點對點通訊，故電纜量大，故

33、障率高，且故障查找和處理難度較大。5）備品備件采購難、費用高由于電氣技術發(fā)展很快，很多電氣備件難以采購或采購費用很高。目前磨床上許多電氣設備存在老化現象，要保證磨床的較高功能投入率和精度，就需投入大量的備品備件費和維修費。且隨著磨床的進一步老化，投入費用將進一步提高。由于以上原因，原磨床數控系統(tǒng)已無法滿足軋鋼和磨輥間的要求，為確保熱軋產品表面質量和提高勞動生產率，決定對磨床數控系統(tǒng)進行改造。3.2磨床數控系統(tǒng)改造的目標根據軋鋼和磨輥間的需求，本次改造的目標是：1）確保磨削后的軋輥輥型偏差小于±10，滿足軋鋼板形控制的要求，通過改造，確保磨削后的軋輥輥型偏差小于±10，滿足軋

34、鋼板性控制的要求，確保熱軋板的板形質量和凸度指標的進一步提高，為日后大量雙高產品打下基礎。2）磨削效率提高30%以上，通過在程序中加入各類補償功能，使磨削時間由原來平均每根4560分鐘降低到平均每根2540分鐘，降低軋輥周轉量。3）大幅提高自動控制水平，通過聯網和集中監(jiān)控，提高磨輥間勞動生產率，在操作性能方面，實現圖形顯示，磨削程序采用模塊化設計，實現自由編程。通過聯網通訊實現磨床集中控制，提高磨輥間勞動生產率。4）簡化磨床控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)結構，降低故障率。通過采用交流傳動系統(tǒng)，提高設備的穩(wěn)定性，減少維護量和維護成本。采用工業(yè)PC替代CNC，和PLC之間采用Profibus通訊，PLC和現場

35、元件之間也是采用Profibus通訊，減少電纜量，降低故障率，提高診斷功能。5）解決備品備件采購難、費用高問題通過采用標準的工業(yè)PC和西門子PLC產品，使得備品備件采購得到保障，備品備件費用得到大幅下降。3.3磨床數控系統(tǒng)改造內容1. CNC、PLC的改造針對目前落后的CNC系統(tǒng)（8088和8086水平）和PLC系統(tǒng)（S5135U），改造后控制系統(tǒng)全面升級，更新換代，達到目前的先進水平。新的系統(tǒng)投入后，磨床可實現全自動磨削，操作工可在控制室內操作和監(jiān)控磨床，軋輥磨削數據可按要求進行存儲和打印，實現信息共享。2. 傳動控制系統(tǒng)改造目前2050熱軋磨輥間磨床的主軸電機和砂輪電機均為直流電機，其控制

36、系統(tǒng)均為Siemens直流模擬控制系統(tǒng)。由于直流電機價格昂貴，維護困難，隨著交流調速技術的日益成熟和完善，交流調速取代直流調速已成為一種必然趨勢。本工程擬將工作輥磨床的直流電機改為交流電機。工作輥磨床更換下來的直流電機可用作萬能磨床電機的備件。改造后的交流電機，其傳動控制系統(tǒng)均作改造，均由全數字化組件構成。全數字控制系統(tǒng)性能好、可靠性高，可滿足高動態(tài)品質、高調速精度的要求。對傳動系統(tǒng)的控制可采用靈活多樣的軟件模塊，以滿足各種不同控制的要求，并具備調速系統(tǒng)最佳控制性能的自動優(yōu)化功能。全數字裝置還提供對系統(tǒng)完備的監(jiān)控保護和故障自診斷功能。同時擁有多種方便快捷的通訊聯網形式，可以與自動化系統(tǒng)聯網通訊

37、，進行參數的設定和信息的交換。傳動控制裝置與磨床控制系統(tǒng)之間擬采用現場總線方式連接，實現數字控制，以減少控制電纜的數量并提高可靠性。3. 磨床測量臂的更換2050熱軋磨床測量臂的更新改造。由于磨床的測量臂已使用了多年，傳感器的精度低，測量支座的旋轉接觸面磨損嚴重，其精度已不能滿足目前軋輥高精度測量的要求。由于作為控制的一個重要環(huán)節(jié)，測量結果將反饋到數控系統(tǒng)中參與運算，且精度要求達到1，所以必須更換磨床的測量臂，提高磨床的測量精度，才能保證改造后磨床磨削精度。4. 傳動電機改造1）將現有磨床輔助傳動軸的直流電機全部改為交流伺服電機。2）將所有的托架調整改為交流伺服電機調整。3）將14工作輥磨床的

38、主軸和砂輪直流電機改為交流電機。其更換后的直流電機可作為萬能磨床電機的備件。5. 磨床導軌及移動部件的精度恢復由于2050熱軋軋輥磨床經多年使用，其導軌等活動部件均有不同程度的磨損。從而降低了機床的整體精度。要對磨床進行改造，必須對磨床的導軌及移動部件的精度進行恢復。4熱軋軋輥磨床數控系統(tǒng)具體改造方案4.1 CNC、PLC部分的改造方案4.1.1改造前磨床CNC、PLC系統(tǒng)結構及特點改造前磨床CNC、PLC系統(tǒng)結構如圖4-1所示圖4-1改造前磨床數控系統(tǒng)結構示意圖4.1.2本次改造可供選擇的三種方案本次改造共有三種方案，分別為三家世界最優(yōu)秀的軋輥磨床制造商提供，其技術特點如下：1. 采用獨立的

39、工業(yè)PC、CNC、PLC系統(tǒng)該方式的基本結構如圖4-2：圖4-2模式1基本結構圖代表性的軋輥磨床制造商有意大利POMINI公司，其數控系統(tǒng)基本結構如圖4-3：圖4-3 POMINI磨床數控系統(tǒng)結構圖如圖4-3所示，系統(tǒng)同時具有獨立的工業(yè)PC、CNC和PLC，雖然西門子840D系統(tǒng)將CNC和PLC的CPU集成在一塊插件板上，但他們獨立運行各自的程序，故仍認為他們是獨立的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是采用西門子標準的840D產品，備件通用性強，故障率低，維修簡單。2. 采用獨立的CNC、PLC系統(tǒng)，其中CNC由工業(yè)PC取代該方式的基本結構如圖4-4：圖4-4模式2基本結構圖代表性的軋輥磨床制造商有德國WAL

40、DRICH公司，其數控系統(tǒng)基本結構如圖4-5：如圖4-5所示，系統(tǒng)采用工業(yè)PC代替CNC系統(tǒng)，保留獨立的PLC，工業(yè)PC劃分為控制部分和操作部分。其中控制部分同時實現CNC控制功能和處理圖形信息，并負責和PLC機操作部分通訊。操作部分負責接收控制部分的指令信息并執(zhí)行顯示、打印等功能。該結構用工業(yè)PC代替了CNC，硬件結構相對簡單，但由于采用的是專用的工業(yè)PC，其備件通用性差，專業(yè)性強，維修困難。圖4-5 WALDRICH磨床數控系統(tǒng)結構圖3. 采用工業(yè)PC代替CNC、PLC系統(tǒng)該方式的基本結構如圖4-6圖4-6模式3基本結構圖代表性的軋輥磨床制造商有德國HERKULES公司，其數控系統(tǒng)基本結構

41、如圖4-7：圖4-7 HERKULES磨床數控系統(tǒng)結構圖如圖4-7所示，CNC和PLC控制的所有功能均在PC機上以全軟件型控制方式實現，PC機本身可以實現快速的邏輯運算功能，通過PC機擴展的現場總線接口可以連接外部通用輸入/輸出接口和驅動單元。全軟件型控制系統(tǒng)的控制軟件是一個實時操作系統(tǒng)，它可以自主使用PC的CPU資源。所以對于這種控制系統(tǒng)來說，PC的Windows操作系統(tǒng)完成上位機畫面的顯示、通訊等工作，實時操作系統(tǒng)則完成PLC的邏輯掃描和CNC的控制任務10。該方式充分發(fā)揮了PC的強大運算功能，使用主流的現場總線技術極大的豐富了控制系統(tǒng)外圍輸入/輸出信號的監(jiān)控，并且可以非常靈活的集成到工廠

42、管理網路之中。但缺點是對維修人員技能要求較高，一旦出故障需要很專業(yè)的知識才能找到故障。4.1.3三種方案的比較和選擇1. 三種方案的全面比較1）硬件結構比較西門子公司的840D為通用數控系統(tǒng)，該類系統(tǒng)可應用于各類機床，具備各類控制功能，通用性強，可和西門子直流調速系統(tǒng)6RA70及交流調速系統(tǒng)611D配合完成對磨床的控制。WALDRICH、HERKULES磨床公司自行開發(fā)的CNC系統(tǒng)采用標準工業(yè)PC機，專為自己廠家磨床設計，其控制功能更強大，但通用性差，一般只應用于同一廠家生產的磨床上。硬件結構上WALDRICH公司保留了獨立的PLC結構，硬件結構相對復雜，但對于故障查找和處理有其優(yōu)越性。該系統(tǒng)

43、使用雙硬盤、雙顯示器、雙電源設計，也體現了公司設計理念是盡量避免停機時間和提高故障處理速度。HERKULES公司硬件主要特點是結構簡單，但采用的是非主流硬件產品，備件通用性不夠。2）操作界面和編程方式比較三家公司由于都采用Windows系統(tǒng)，中文菜單，采用全圖形方式的操作界面，畫面豐富，測量結果可隨時顯示，磨削狀態(tài)可及時顯示。同時采用靈活的菜單式自由編程方式，根據工藝特點將已編制好的相應的功能塊組合成為一個磨削程序,功能塊可任意多次調用，可任意改變在程序中的位置，也可隨時刪除和修改參數，所有程序可以以文件形式儲存和調用。3）磨削功能比較三種數控系統(tǒng)均可和測量系統(tǒng)結合實現以下主要磨削功能：自動夾

44、緊軋輥功能；自動調節(jié)軋輥中心的功能；自動驅進軋輥（自動對刀）功能；自動軋輥偏心補償功能；自動床身導軌偏差補償；自動輥形偏差測量和補償；恒電流磨削功能；按磨削量磨削的要求；砂輪線速度自動補償功能自動砂輪修磨功能砂輪損耗自動補償功能4）故障診斷方面比較西門子840D數控系統(tǒng)雖然設計較為傳統(tǒng)，但由于采用標準產品，易于得到維修知識的培訓，也可及時得到當地西門子公司的技術支撐，對于維修人員來說該系統(tǒng)是具有非常大的優(yōu)勢的。WALDRICH磨床公司數控系統(tǒng)自己設計了一套獨立的故障診斷系統(tǒng)，使用WINCC編程，能監(jiān)控幾乎所有部件的工作情況，可提供大量的故障處理信息，并可記錄歷年故障情況。且由于保留了獨立的PL

45、C系統(tǒng)（西門子S7產品），對于查找和解決現場大量的常見故障是非常有利的。HERKULES磨床公司數控系統(tǒng)將CNC、PLC全部集成在PC機中，且提供了大量的故障報警信息，能監(jiān)控大量的部件工作情況，但由于出現故障時一般需要外接編程器進行故障查找，且由于其控制軟件對于維修人員技能要求較高，故出現問題后解決起來難度很大，從現場維修人員角度來看這種設計未必是最好的。2. 改造方案的確定經過對三個方案的比較，我們的結論是都能滿足改造要求，且各有優(yōu)缺點，但由于考慮到以下兩個重要原因，我們最后選定了采用WALDRICH公司的ILC2000控制系統(tǒng)：1）由于原磨床為WALDRICH公司制造，采用的是ILC500

46、控制系統(tǒng)和西門子S5 PLC，現場維修人員已有10幾年維護經驗，特別對PLC的STEP5語言非常熟悉，故很容易掌握STEP7語言，培訓工作量小，有利于確?，F場設備的正常運轉。HERKULES公司的全開放式系統(tǒng)雖然是發(fā)展方向，但對本改造項目而言需要對維護人員進行TwinCAT相關知識培訓，可能會造成改造后設備故障難以處理而影響生產，故我們放棄了HERKULES公司的全開放式系統(tǒng)方案。2）由于本次磨床改造還涉及到機械部分的改造，故改造的風險非常大，我們認為由原磨床制造廠WALDRICH公司進行改造的話其成功的可靠性更大一些。綜合以上兩個因素，我們最后選定了采用WALDRICH公司的ILC2000控

47、制系統(tǒng)。4.2選定的WALDRICH公司的ILC2000R控制系統(tǒng)改造方案4.2.1 ILC2000R控制系統(tǒng)原理和功能圖4-8改造后新系統(tǒng)的原理圖4.2.2 ILC 2000R控制系統(tǒng)的功能說明1）CNC和PLC之間通過Profibus連接和通訊；2）PLC和現場數字傳動系統(tǒng)以及ET200S模塊之間通過Profibus連接和通訊；3）PLC通過模擬I/O板接受砂輪負荷以及砂輪直徑測量變阻器的信號，用于確保砂輪線速度恒定；4）現場的光柵、旋轉脈沖發(fā)生器測量的信號通過計數器輸入CNC，用于精確地檢測磨床各軸的位置，以實現精確定位。5）測量裝置檢測的信號通過計數器輸入CNC，用于偏差補償功能，并可

48、將相關數據處理后用于圖形顯示、打印或向軋輥數據采集服務器傳輸；6）通過以太網連接兩個操作站，一個在機床操作臺上（第一操作站），另一個在集中監(jiān)控室內（第二操作站），通過將幾臺磨床的第二操作站集中在一個集中監(jiān)控室內，實現了磨床集中監(jiān)控。同時由于CNC控制裝置在電氣柜內，而打印機要放在集中監(jiān)控室內，故打印機采用網絡打印機連接，方便了操作人員打??；7）PLC通過Profibus和磨床故障診斷系統(tǒng)（GDS）連接，磨床故障診斷系統(tǒng)采用WinCC軟件編程，可適時報警并查詢歷史故障，還可在線查詢電氣圖、PLC圖、操作說明書等，提高了故障解決速度；8）CNC通過串口和軋輥在線探傷儀連接，用于軋輥的表面探傷，大大

49、減少了人工探傷的工作量，提高了探傷穩(wěn)定性；9）通過以太網可將磨削、探傷數據發(fā)送到磨削數據服務其中，為磨輥間軋輥管理系統(tǒng)提供基礎數據。4.2.3 ILC 2000R CNC控制單元組成 隨著計算機技術的發(fā)展，目前WALDRICH公司的CNC控制單元也有了很大的發(fā)展，采用了基于現場總線技術的開放式數控系統(tǒng)ILC 2000R，采用了標準的工控機和Windows操作系統(tǒng)，在此基礎上開發(fā)了磨床控制程序，充分滿足了工業(yè)系統(tǒng)實時性要求。系統(tǒng)組成為：1)標準的工控機：1000MHZ處理能力；128MB內存；20GB硬盤；3.5寸軟驅；54倍速CD-ROM32MB顯卡；空氣過濾器；模擬外置MODEM（可選項：內

50、置ISDN）。2）外設連接部件：PS2-鼠標，PS2-鍵盤；LPT，COM1，COM2，USB1，USB2；以太網接口；磨床連接口；PROFIBUS接口；12個計數器（CP型測量臂）前面板接口（MB-IO）；2-3個操作設備接口。3）操作站15寸-TFT平面顯示器（可選項：2×15/17”TFT平面顯示器）；鍵盤；軌跡球；可選項：嵌入式安裝ILC 2000R CNC控制單元的特點：1）全圖形操作界面直觀的操作指令非常容易使用和掌握。只要你知道如何使用WINDOWS，那么就可以非常容易地操作ILC 2000。磨床重要部件的狀態(tài)以圖形形式顯示（砂輪，軋輥，手輪）。程序當前執(zhí)行的步驟和下一

51、步將要執(zhí)行的步驟以圖形形式顯示。2）靈活的編程模塊化編程。各種工藝步驟已預先編寫好，操作人員只需根據工藝需要調用各模塊組成需要的程序，并可儲存程序，文件名取法和WINDOWS系統(tǒng)相同。特別的編程順序在程序中處理測量結果?？梢栽谀ハ鲿r將最終標準整合到程序中，以節(jié)約時間，從而得到最佳磨削結果?？梢栽谀ハ鲿r將中斷標準整合到程序中，自動作用于軋輥磨削從而減少誤差。100%為應用而設計圖形化和短程序預覽使編程更加簡便。一般用戶可以被賦予特定的操作權限。3）圖形曲線和連續(xù)軌跡的編輯曲線和軌跡可以在編輯是以圖形形式顯示。曲線上751個點可以任意編輯。連續(xù)的軌跡最多由50段組成。4）增加的同步操作：通過在同一

52、時間完成不同的功能來節(jié)約時間。5）測量結果的圖形顯示；快速識別關鍵數據；公差極限的圖形顯示。6）功能U軸和X軸的所有幾何位置在磨削和調整時都可以得到。通過U軸和X軸可以實現所有的磨削功能（連續(xù)進刀，兩端進刀等）并且可通過任何的幾何形式組合起來。在兩個磨削程序段之間可以改變磨床轉換點，但這不會中斷連續(xù)的磨削過程。輥形測量最多可達751個點。床身偏差修正和X1軸偏差修正可以被編輯并以圖形的方式監(jiān)測。軋輥的圓度、偏心度、同心度可以靠兩個測量探頭同時測量。機床所有基本的功能都可以靠程序來實現?？杀槐４娴某绦驍盗坑纱鎯臻g的大小來決定。在存儲能力允許的情況下，任何測量結果都被同步保存。系統(tǒng)自動處理當前的

53、測量數據。4.3 SINUMERIK S7-400 PLC控制器特點CNC控制系統(tǒng)本身的功能非常強大，在多軸控制、靈活編程、保證高精度、圖形界面方面有非常大的優(yōu)點，但在邏輯控制方面PLC仍具有優(yōu)勢，因此系統(tǒng)采用和PLC結合的控制方式實現控制。S7-400主要有以下幾方面的特點：極短的指令處理時間保證了極快的程序執(zhí)行速度。對于輸入信號的變化，輸出信號的響應時間最多為0.5ms。中央信號模板和擴展信號模板在沒有散熱風扇的情況下工作?？缮壍腃PU模塊、可擴展的I/O模塊以及帶有PROFIBUS接口的多種功能模塊能實現各種運動控制。一個單元中CPU運行的點模塊結構通過多重運算來實現。通過基于STEP

54、 7的高級編程語言以及圖形工具可以非常高效的對S7-400進行配置。所有程序數據，包括程序的原代碼、用戶數據都保存在CPU中。通過以太網和國際互聯網相連接。自動處理過程中的容錯能力和防故障能力能夠滿足電源中斷和防故障時的特殊要求。4.4 Profibus通訊特點本次改造方案中采用了Profibus技術，用于CNC和PLC、PLC和GDS、PLC和現場設備之間的通訊，結構如圖所示：圖4-9磨床Profibus示意圖采用Profibus技術的優(yōu)點在于：提高了系統(tǒng)的準確性：由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，他從根本上提高了測量與控制的精度，減少了傳輸誤差。提高了系統(tǒng)的可靠性：由于系統(tǒng)

55、的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。4.5磨床故障診斷系統(tǒng)（GDS）特點磨床故障診斷系統(tǒng)會為有經驗的或沒有經驗的維護人員在維護磨床或排除磨床故障時提供幫助。通過對顯示信息的圖形支持，可以對故障源以及可能出現的故障位置進行定位。通過對安裝部件的直接指示可以定位到相應的元器件從而對其進行必要的維護或修理工作。通過對故障內容更進一步的信息顯示，例如靠經驗得到的故障手順書，會給更進一步的故障診斷提供迅捷的信息。通過對預安裝技術資料信息的顯示，使維護人員在工作中得到方便地信息支持。故障診斷系統(tǒng)示意畫面如圖所示圖4-10磨床診斷系統(tǒng)參考畫面所有這

56、一切都為磨床及時的維護和有效的故障診斷提供保證，從而使磨床長期處于良好的工作狀態(tài)。故障診斷系統(tǒng)的功能作用有：顯示當前所有的故障信息，包括對應故障點的指示以及電氣圖紙上對應點的指示；保存一段時間內所有的故障信息；顯示和故障有關的一系列信息；顯示和故障有關的所有可能的故障源信息，并提供排除故障的方法；顯示故障手順書中一些經過經驗積累寫入的故障排除信息；通過圖形追蹤到產生故障的元器件的具體位置；顯示和磨床有關的技術資料；磨床操作指導書；電氣技術資料（電氣設計圖、電路圖、接線端子圖等）；機械技術資料（液壓圖等）。5磨床集中控制系統(tǒng)特點5.1多臺磨床集中控制技術的系統(tǒng)結構隨著計算機技術的不斷進步，世界先

57、進磨床的數控系統(tǒng)不斷得到完善，已基本上實現了全自動磨削，精度也達到了很高程度，同時由于相關技術的進步，新型磨床的故障也較少，因此由一名操作工控制多臺磨床已成為可能。由于軋輥磨床較大，相距較遠，如由一名操作工操作，該操作工將不停地從一臺磨床跑到另一臺磨床，一旦發(fā)生緊急情況往往又無法及時處理，因此必須通過多臺磨床集中控制來解決這一矛盾。網絡技術的發(fā)展為我們提供了這種可能，除了磨床本身自動化程度提高外，我們可在每臺磨床上增設第2臺操作站，使得每臺磨床的數控系統(tǒng)硬件結構如圖5-1所示：圖5-1磨床集中控制示意圖如圖所示，每臺磨床設由兩個操作站和一個控制站，第1操作站的作用同原來一樣，使操作工可在現場直

58、接操作磨床，而每臺磨床的第2操作站集中到一間控制室中，由一名操作工集中控制多臺磨床。5.2 多臺磨床集中控制技術的工作原理由于將每臺磨床的第2操作站集中到一個中央控制室中，操作工就免除了在各磨床之間的奔波之苦，只需坐控制室內通過每臺磨床的第2操作站來操縱磨床。對于采用新的數控系統(tǒng)的磨床而言，其全自動磨削功能非常強大，其程序采用模塊化，操作工可根據要求任意制磨削程序，設定磨削參數，然后起動磨削程序。數控磨床則根據設定的程序和參數進行全自動磨削，并通過其自動補償功能確保磨削精度，操縱人員可同時監(jiān)控幾臺磨床的運行情況，并可根據實際情況適當地修改程序和參數，一旦遇緊急情況可及時進行處理。磨削結束后，發(fā)出指令，由另一操作工將軋輥吊走，并吊上新輥，再進行新的操作。通過這種方法，既減少了人員，提高了勞動生產率，又避免了原方式操作工疲于奔命、應接不