M84125磨床改造方案425

普通型轧辊磨床M84125改数控型

技术方案

1总体说明及加工技术要求

1.1 总体说明

●改造后的轧辊磨床是一台高效率、高精度及高可靠性的数控轧辊磨

床，它采用先进的电气控制技术和机械传动技术，性能达到先进水

平。先进电气控制技术的采用使得该轧辊磨床的中高机械传动大大

简化，减少了中高机械传动链，在可靠性上得到很大提高。

●改造后的磨床采用当前世界最先进的西门子840D数控系统，配备专

为轧辊磨床设计的自动化控制软件，将用户使用方便放在第一位开

发设计，多种多样的功能已被模式化，在进行轧辊磨削编程作业时，

操作人员只需根据相关对话框的提示输入有关的工艺参数，不必要

求操作者进行复杂而烦琐的编程作业。具有足够灵活及对用户友好

的操作界面。

●原机床加工的轧辊轮廓曲线类型少，只能加工单一曲线，不能加工

其他曲线和用户自定义的曲线；原机床中高机构使用的是凸轮杠杆

机构，采用机械结构的中高机构结构比较复杂，传动链长，调整麻

烦，而且砂轮架为三层结构，刚性较差。加工的轧辊轮廓曲线的精

度低，为了加工出轧辊表面的轮廓曲线，要求在横向和纵向通过机

械方式来实现联动，传动链长。改变加工曲线参数困难，为了改变

轧辊轮廓曲线的角度和它的高度，需要拆开机床齿轮箱，更换齿轮

组，来改变传动链的传动比，达到改变曲线参数的目的。由于齿轮

组个数有限，因此曲线的参数变化受到限制。

●根据甲方轧辊磨床M84125具体情况和要求，乙方根据多年多年从事

轧辊磨床专业工作中积累的经验，本着提高设备技术含量和机床的

使用可靠性的原则对磨床进行的改造。以满足甲方对轧辊磨削的效

率、精度以及曲线灵活性的要求；简化和方便设备的使用维护，降

低磨床的维护成本和备件费用。该设备经过改造后具有技术先进、

成熟可靠、性能稳定、工艺完善、经济实用的特点。

●扩大磨床的加工范围：由于数控磨床能实现几个坐标的联动，加工

程序可以按照加工零件的要求变换，所以它的适应性和灵活性很强，

可以加工普通磨床无法加工的辊形复杂的轧辊。

●减轻工人劳动强度，改善劳动条件。当程序输入后，数控磨床不需

要人工干预，就能按加工程序要求连续自动的进行加工，减轻工人

劳动强度，改善劳动条件。

●因此，通过此次对磨床的数控化改造，能够增加轧辊磨床加工曲线

的类型，提高磨床的加工精度和生产效率。改造后中高机构采用偏

心套的机构形式。该偏心套轴承与主轴轴线偏心。采用CNC控制中

高磨削时，中高机构的传动为连续轨迹控制。磨削时将轧辊中高参

数编入程序，采用数控插补实现中高磨削。该中高机构适用与磨削

具有多种不同曲线特性的轧辊，如：正弦曲线，抛物线以及CVC曲

线和任意曲线等等。所有这些曲线参数均可在限定范围内输入程序。

无需更换交换齿轮，以及调整杠杆间距，缩短了辅助时间。

综上所述：电气部分重新设计、全部更新。机械部分以改造为主。对两床身调整，恢复其精度。需重新设计制造磨架以上部件：如砂轮主轴系统、磨架进给装置、数控曲线磨削装置(U轴)、操纵台、测量系统（X1轴）、拖板位置检测装置，砂轮罩壳，砂轮夹盘，液压系统等。

1.2 加工工件技术要求

1.2.1圆柱面磨削：

1.2.2中凸(凹)磨削：

1.2.3任意曲线磨削：

2磨床机械改造各部件结构及功能说明

注：磨架部分全部重新制作，增加一套测量装置及液压系统

2.1.1主轴部分

砂轮主轴动静压轴承及静压偏心套

砂轮主轴前后径向轴承均采用高精度动静压轴承，主轴轴向采用高精度推力

轴承。在主轴动静压轴承设计中，将采用特殊结构及工艺。由于采用动静压轴承，

主轴在最佳刚度的动静压腔内运转，具有很高的回转精度及刚度，稳定性好，动

态刚性强，不易振动等特点。能同时满足粗磨、精磨的要求。

主轴在最佳刚度静压腔内运转，有很高的回转精度及刚度。可进行粗、精及

抛光磨削，主轴前后轴承设计在砂轮及皮带轮受力中心处，比传统的主轴悬臂结

构有更高的刚度及回转精度，由交流电机驱动。

偏心套动静压轴承工作原理：

本机床偏心套采用静压轴承，砂轮主轴轴承采用动静压轴承。从供油系统供给具有

一定压力的润滑油，通过各油腔的节流器具进入相应的偏心套前轴承油腔内和后轴承油腔内。由于各油腔对称等面积分布，各节流器的阻尼相等，轴承各油腔的压力相等，如果不考虑偏心套主轴系统自重偏心套浮起在轴承的中心位置。因此，偏心套于轴承之间各处的间隙相等。油腔内的压力油经过间隙从周向和轴向封油面流出。

主轴的动静压轴承，经过节流器的压力油时入上下两油腔。此两油腔对称

等面积分布，此时上下油腔的压力相等，主轴与轴承上下之间的间隙相等，主轴

轴承的前腔当进入经过节流阀的压力油时，将主轴推向动压腔（后腔）。当考虑

主轴系统自重影响和主轴工作受到负载时，主轴产生向下和向后（动压腔）产生

偏移，此时，前腔（静压腔）间隙增大，后腔（动压腔）间隙减小。当主轴在高

速旋转时，将润滑油经过油楔带入动压腔，此时动压腔压力增大，将主轴平衡于设

计中心位置上，采用此结构轴承，可提高轴承工作时承载能力和刚性。

2.1.2数控中高机构—凸度位移系统(U轴)

原机床砂轮架结构

高精度数控曲线磨削装置(U轴)采用静压偏心套结构(内装主轴动静压轴承)。工作时，由全数字交流伺服电机经减速装置驱动滚珠丝杆转动，通过直线滚动导轨副定位，使滚珠螺母上下移动进而带动杠杆偏心机构，驱动高精度静压偏心套作微量角度摆动，使砂轮相对于辊面作微量无间隙。使装于静压偏心套内的砂轮主轴相对于辊面作微量无间隙趋近或退离运动。该运动与拖板(Z 轴)运动相插补，从而在轧辊表面磨削出所需曲线。（数控中高机构安装在磨架内部，它是机床实现曲线磨削的主要执行机构，当大拖板沿床身导轨纵向移动时，装于拖板床身侧面的Z轴位置光栅发出电脉冲讯号，通过电脉冲讯号将Z 轴位置输入计算机，经运算处理后输出u轴控制指令，使伺服电机按要求转动，经过减速机构带动滚珠丝杆转动，由于滚珠丝杆螺母已由直线滚动导轨副限制了转动的自由度，故当丝杆转动时，螺母将沿直线滚动导轨副上下移动，从而驱动偏心套摆杆上下摆动，偏心套回转，使砂轮主轴获得趋近或退离工件的运动，从而在整个辊面长度内实现了曲线磨削。）

如果是中凸（中凹）磨削（正弦曲线），操作者只需输入中高量和辊面长度并选择合适的曲线，就可进行磨削，如果是任意曲线（包括CVC曲线）必须按Z轴位置遂点输入u轴的值（即坐标值输入法）或将f（u）=z数学模型输入计算机。按照输入的参数，经Z轴和u轴的复合运动，能在辊面上精确的完成曲线磨削。

机床断电保护机构

机床断电保护机构主要包括保护油缸和液压系统，它独特的结构设计使得无论偏心套处在什么位置都能确保在断电、故障或操作急停按钮后，砂轮立即退离工件表面1mm。机构复位时，复位精度为1μm。

2.1.3磨架及其进给机构

磨架的主要作用为砂轮的进给，同时它也是轧辊测量系统的重要组成部分。磨架采用单层整体结构，具有很高的刚性，磨架内装有砂轮主轴及静压偏心套和磨曲线装置。磨架导轨为贴塑静压导轨，磨架进给机构由西门子交流伺服电机和精密滚珠丝杆组成。

2.1.4轧辊测量系统

测量范围:300-1250mm; 测量臂行程: 1000mm

安装在磨架上的测量装置，可随拖板沿Z轴方向移动，以便实现对轧辊的辊面测量，同时，两测量臂可沿横向（轧辊直径方向）相对于轧辊中心同时趋近或离开，以适应不同直径轧辊的测量需要；两测量臂的翻转动作，是由油缸来实现的,内测臂是安装在磨架上的,由磨架的前进来接近工件，外测量架由交流伺服电机通过减速器及滚珠丝杆来驱动。测量时，内外测量臂通过液压油缸分别放下进入测量位置，其它时候测量臂收起。测量架由交流伺服电机通过减速器及滚珠丝杆来驱动。轧辊测量系统配备了一个长光栅(测量架)和两个光栅测头(A、B测头)。测量架移动导轨采用双V滑动导轨副，大大提高了测量架的运动精度及定位精度，给实现高精度测量提供了可靠的基础保证，大大提高了测量架的运动精度及定位精度，轧辊测量系统配备了一个长光栅和两个光栅测头。

测量状态

非测量状态

该测量装置可测量轧辊的辊形、辊径、切削量、圆柱度、圆度和同轴度.机床在准备功能阶段还可对轧辊的安装精度进行检测，测量结果送计算机，它能将轧辊给定曲线与实际曲线进行比较，并产生出误差曲线和补偿曲线，从而进行CNC补偿磨削。

所有测量均可在磨削前后和磨削过程中进行，测量数据可以归并到CNC磨削程序中，并通过与轧辊磨削精度相比较（轧辊磨削精度采用公差带输入），使机床自动进行（或中断）磨削循环。

在测量中，安装在测量架上的长光栅测量尺用于直径测量。安装在测量臂内的短光栅测量尺参与各种形式测量。测量精度为1μm。

当拖板沿Z轴方向运动时,如运动方向上的侧限位开关动作,则拖板沿该方向的运动立即停止.

当测量结束时，可在油缸的作用下，两测量臂绕支承轴转90°，便于磨削和吊装轧辊。

进行直径测量前，应将测量装置两测头在装于尾架端的直径基准环上进行校准，寻找测量参考值，以便准确测量出轧辊直径（相对于基准环的直径准确性）。

设计制造磨床的测量架底座和操纵台；操纵台上安装改造后的操纵面板、仪表、显示器以及打印机和电子手轮和手持按钮站等。

本产品采用CNC测量轧辊的测量装置，轧辊的直径和曲线形状由测头（A和B）来测量。测量数据由数控系统自动记录下来，测量结果经计算机处理后，可以打印机和显示屏打印或显示出来。还可以打印出轧辊表面廓形。

测头的测量臂的回转由液压缸驱动，使其绕轴回转，按下控制台相应按钮，即可使测量臂处于测量位置和停止位置（转动角度90°）。

测头装于测量杆的下端。测量杆的上端与短光栅尺接触。当测头接触工件后，即压缩光栅尺。所得数据经计算机处理后显示于屏幕上。

外测量臂上的弹簧杆限位开关，其功能是限制拖板的纵向进给，以防止测量装置碰撞。

a）测量轧辊形状（圆柱度，中凸）

测量圆度

测量结果为“A＋B”（A、B测头测出相对值之和）

b）测量不同轴度

校准轧辊

测量结果为“（A－B）/2”（A、B测头测出相对值差的二分之一）

c）测量轧辊直径：（测量原理与用滑动量规的测量方法相同）测头（B）由磨架带到所需测量的直径位置“0”点（触发点），然后，测头（A）随测量臂移到“0”位置（第二测量触发点）之后，测量系统显示屏就显示测量工件的直径。

测量精度应用常用标准量规进行校对（室温下）。

用这种测量方法，工件在机床上的位置（水平位置）对测量精度无影响。

进行直径测量前，应将测量装置（A）、（B）测头在尾架套筒外圆柱面上进行校准，以便准确测量出轧辊直径。

测量架液压部分液压系统与主轴油供油为同一油源。其执行的运作主要包括：A、B两测臂90°翻转，A、B测头接触和脱离工件，砂轮断电状态自动脱离工件等。其中测量臂翻转运作可自锁。测量架导轨润滑使用一手拉泵，每班手动工作一次即可。

砂轮直径测量

砂轮直径、轧辊直径及磨除量实时测量通过安装在X1轴上的A测头实现。

。

2.1.5.液压部分

设计制作一套液压系统，满足主轴动静压轴承和测量臂回转及断电保护的使用。

主轴润滑系统采用变量泵供油，供油压力6.0Mpa ,油泵排量30ml/r，电机功率5.5KW，转速1400r/mim。蓄能器做为停机时向主轴补油以免轴瓦损坏。

供油压力、油温和清洁度可分别通过电接点压力表，油温监视器和滤油器监控，并能报警显示故障。因为动静压磨头用油粘度较大，摩擦功耗高，引起油温上升快，为了使机床砂轮主轴能正常工作，油箱油温采用自动恒温控制器将温升控制在15℃～30℃左右。油箱及自动恒温控制器放置在地基上，通过拖板大拖链及磨架拖链上下磨架。系统使用的L-HM46抗磨液压油。

主轴轴承润滑及测量架液压系统回油统一流入磨架的回油池内，通过一液位开关和延时器控制齿轮泵自动抽回油箱，齿轮泵排量16ml/r，电机功率0.37kw。

测量架液压部分液压系统与主轴油供油为同一油源。其执行的运作主要包括：A、B两测臂90°翻转，A、B测头接触和脱离工件，砂轮断电状态自动脱离工件等。其中测量臂翻转运作可自锁。测量架导轨润滑使用一手拉泵，每班手动工作一次即可。

液压元件有:泵、阀、活塞缸、油管等。

其他：

设计制造一套砂轮罩壳。

设计制造一套砂轮静平衡芯轴。

设计制造砂轮夹盘二套。

设计制作砂轮吊具一套。

设计制造一套拖板位置检测装置及在头架上安装圆度检测用发讯装置

2.2电气控制功能及元件

2.2.1数控主机

数控主机采用西门子新一代全数字分布式SINUMERIK 840D，内置S7-300可编程控制器（PLC315-2DP）。

2.2.2操作显示器系统

操作显示器采用西门子15寸彩色液晶显示器OP15,中文显示，操作系统采用中文MS-WINDOWS XP。系统具有完备的报警与诊断功能，配备丰富的帮助及操作提示。

2.2.3人机接口

人机接口功能由新型高性能SINUMERIK PCU50模块完成。PCU50为控制软件主机，它相当于计算机主机，CPU为PIII，500MHZ，128MB，含有硬盘、并行打印口、RS232串口，VGA、MPI、OPI接口USB等；其软件采用WINDOWS XP+HMI界面平台+OEM二次开发程序。具有各种适合轧辊磨床特殊要求、简洁明了的操作画面。实现磨床自动控制和自动磨削测量过程的模拟显示；曲线编程、测量精度显示以及打印和存贮。

2.2.4伺服系统

磨床包括四个伺服轴，分别是大拖板(Z轴)，磨架(X轴)，曲线磨削机构(U 轴)，测量机构 (X1轴)。

2.2.5电子手轮

配备电子手轮，用于各轴的手动调整(X、Z、Xl轴)。

2.2.6测量元件

配备高精度光栅用于X1轴的位置全闭环控制以及轧辊测量。测量系统还包括2个范围为12mm的光栅测量头。

2.2.7电缆

数控系统全部控制电缆，伺服电机动力电缆及直线光栅信号电缆均为原装进口(西门子或海德汉HEIDENHAIN)。

2.2.8电气控制柜

电气柜内元、器件选用西门子或施耐德产品，接近开关、极限开关等选用优质产品。电气控制柜防护等级为IP54。

2.3磨床主要功能说明

2.3.1自适应磨削功能

自适应磨削功能，针对轧辊在轧制后中间磨损大，两端磨损小这一特点，采用先分别磨两端待磨平后再贯穿磨削整个辊面的自动磨削方法。在磨削过程中，采用电流控制(控制进给、控制换向位置)，即当磨削电流减小到低于设定值后，控制系统立即发出进给和换向指令，随着磨削的不断进行，Z轴的换向点逐渐向轧辊中央靠近，一旦Z轴换向点接近轧辊中央处时，X轴退回，砂轮从轧辊尾架端重新趋近工件，并从尾架端向轧辊中部执行适应磨削，当适应磨削从尾架端逐渐执行到轧辊中央时，系统会自动转入全辊面磨削。

2.3.2轧辊数据存储及管理

磨床轧辊数据库保存着所有本磨床磨削轧辊的当前参数(直径、辊形、圆度、同轴度、磨削曲线和工艺以及轧辊的尺寸参数等)，在自动磨削前，可根据需磨轧辊的编号，直接从数据库中取出该轧辊的当前参数后，便可立即进入自动磨削，无需输入任何参数，做到快速准确。磨削结束后，轧辊的当前参数又被自动保存。

这样，为该轧辊的下次磨削提供数据准备。另外，在分析板材轧制中出现的问题时，也可随时从数据库中调出(或打印出)所需轧辊及其配对辊的有关参数(直径、辊形、圆度、同轴度、轧辊曲线程序及磨削工艺等)进行分析。起到了轧辊档案管理的作用。为了让工艺人员更加准确地了解辊形和分析轧制后轧辊的磨损情况，可以根据需要让测量后的辊形曲线数据按不同的要求打印输出。

2.3.3砂轮直径自动测量

砂轮直径测量系统(X1)在程序控制下自动测量砂轮直径。系统根据测量的砂轮直径，实现砂轮自动恒线速度控制和砂轮的快速自动趋近。

2.3.4定量磨除控制

为提高轧辊的利用率，自动磨削时可以采用磨除量定量控制。操作者设定一定的磨除量(疲劳层厚度)，磨削时由系统自动在线测量轧辊的直径变化，一旦达到设定的磨除量后自动转入精磨。

2.3.5轧辊加工程序灵活取舍

操作者可以根据磨辊的具体需要对自动磨削各个环节或功能进行取舍(或选择)。

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2.3.6测量功能

机床在自动磨削结束后，测量系统可测量出轧辊直径、辊形、圆度、同轴度等尺寸及精度数据，并且可将这些结果显示或打印出来(包括辊形理论曲线和误差曲线)。

2.3.7尾架位置自动测量功能

在直径测量基准校正、砂轮修整及砂轮直径检测过程中，系统将自动准确无误地确定各特征点(基准盘、金刚笔)在Z轴方向的位置(不受尾架位置改变的影响)。

。

2.3.8砂轮脱粒连续补偿

2.3.9辊形曲线生成

正弦曲线

锥度曲线

端部倒角：与辊身磨削一次生成单端、双端、对称、不对称、

或直线和圆弧组合的倒角。

CVC辊形：输入辊面任意三个点可自动生成一条CVC曲线。

圆弧磨削

离散曲线：逐点输入，形成连续曲线。

复合曲线

补偿曲线

2.3.10安全联锁

对机床机械、电气设备设置安全联锁功能，设备故障分系统警示、一般故障和重故障。一般故障时局部设备不允许开动，重故障时机床所有设备不允许开动。系统可保存机床出现的所有故障。

2.3.11砂轮动平衡装置

砂轮动平衡装置采用意大利马波斯生产的自动动平衡装置。