新型数控技术在轧辊磨床上的开发与实现—毕业设计

1、毕业设计论文基型数控技术在轧辊磨床上的开发与实现3摘 要轧辊磨床是现代工业生产中不可或缺的一种重要生产装备，其生产的轧辊主要应用在冶金、造纸、轧钢等行业，随着产品要求质量的不断提高，轧辊磨床的精度也越能保证轧辊磨床具有良好的动静刚度、动态特性、稳定性、加工工艺性，在机床的设计过程中需要采用现代设计方法实现结构的动态设计。在钢铁企业中，轧辊磨床用于将轧钢后的轧辊修磨到所需精度后再送回轧机反复使用，由于钢铁生产具有自动化、连续化、精度高等特点，对于轧辊磨床需要在尽可能短的时间将轧辊表面误差磨削到级，这样的要求靠人工是无法达到的，故从80年代开始数控技术在轧辊磨床上被广泛使用，且不断更新。本课题主要

2、完成了以下工作：1） 介绍了当代主要数控技术的特点，其中重点介绍了西门子sinumerik 840d数控系统、工业pc及软件、现场总线技术的特点、结构和作用。2） 对轧辊磨床的控制作用和目标进行了说明，对当今具有代表性的轧辊磨床制造商的数控系统结构进行了分析，并进行了比较。3） 对宝钢热轧厂的轧辊磨床改造项目进行了介绍，其中对数控系统的结构、特点进行了说明，并评估了改造效果和安装调试中遇到问题的解决方案。4） 介绍了数控立式复合磨床的未来发展方向以及在我国现代工业中对磨床方面的改造，在未来的工业发展中，磨床将起到越来越举足轻重的作用。关键词：数控，轧辊磨床，现场总线，磨床诊断系统，复合磨床ab

3、stractroll grinder 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 pr

4、ocessing of aturability 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, c

5、ontinuous and 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 i

6、s as follow:1） 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 ro

7、ll grinding machine 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

8、modern industrial 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 言随着计算机技术和控制技术的发展，工业控制系统正在发生一些变化和变革，

9、这些发展和变革的趋势主要表现在三电一体化和嵌入式系统，以pc为基础的分布式控制系统和现场总线的应用这几个方面。在激烈的国内外市场的竞争中，钢铁企业为降低成本和增加高附加值产品，产品生产线的设备不断向自动化、高速化、连续化和高精度发展。要实现提高作业率，减少故障率；节能降耗，改善产品质量，生产高附加值产品的目标，仅靠人力已不可能完成，自动化控制系统已经成为不可或缺的关键设备，不断完善和改进自动化控制系统也是改进工艺、解决设备问题的最主要的手段。随着it技术和控制技术的发展，数控系统正在发生一些变化和变革，这些发展和变革的趋势主要表现在以下几个方面。1.1数控系统发展的方向和趋势数控系统发展的方向

10、和趋势主要有以下特点：1）数控系统向开放式体系结构发展开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随cpu升级而升级，而结构可以保持不变。2）数控系统向软数控方向发展现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进

11、行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。目前最新的开放体系结构的数控系统是soft型开放式数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的cnc软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i/o之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在windows nt平台上，利用开放的cnc内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，soft型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势

12、。3）向复合化方向发展在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。4）向多轴联动化方向发展由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联

13、动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。5)数控系统向高可靠性方向发展随着数控机床网络

14、化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16个小时内连续工作，无故障率在p(t)=99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间mtbf就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的mtbf就要大于33333.3小时，而其中的数控装置，主轴及驱动等的mtbf就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。1.2在轧辊磨床上应用数控技术的目的在钢铁企业中，轧辊主要用于热、冷轧钢板轧制，由于其在高温、高负载等恶劣条件下工作，

15、故很快就发生磨损，当轧辊磨损到一定程度，为保证轧件表面质量和尺寸精度，需要及时换辊。而更换下来的轧辊也需要迅速放到轧辊磨床上进行磨削，磨削到一定精度要求后再送回轧机使用。随着热带钢轧机要求的高质量、高速度和高精度，导致轧辊的更换频率增加，轧辊的加工量增大，同时由于板带的尺寸精度、轧制穿带性能等与轧辊的磨削精度有着密切的关系，故对轧辊磨削质量也提出了很高的要求。要求轧辊磨床需要在30分钟左右的时间将轧辊表面误差磨削到级，而这些要求靠人工控制已根本无法满足，故必须依靠自动化设备来提高轧辊磨削效率和精度，满足轧钢生产的需要。由于以上原因，故从80年代开始数控技术在轧辊磨床上被广泛使用，且不断更新，同

16、时促进了钢铁业的发展。1.3本文的主要工作和目标本文重点介绍了大量应用于轧辊磨床的数控技术，其中重点介绍了专用数控系统、工业pc及软件、现场总线技术的特点、优点和作用进行了阐述，并根据轧辊磨床对数控系统的要求，对宝钢热轧厂的轧辊磨床数控系统改造项目进行了介绍，重点对当今最具有代表性的轧辊磨床制造商提供的数控系统改造方案进行了分析和比较，重点评估了改造效果，并分析了安装调试中遇到问题的解决方案。山东大学自学考试毕业设计（本科）2宝钢热轧磨床特点和数控系统结构2.1热轧轧辊磨床的结构和工作特点在钢铁企业中，轧辊主要用于热、冷轧钢板轧制，由于其在高温、高负载等恶劣条件下工作，故很快就发生磨损，当轧辊

17、磨损到一定程度，为保证轧件表面质量和尺寸精度，需要及时换辊。而更换下来的轧辊也需要迅速放到轧辊磨床上进行磨削，磨削到一定精度要求后再送回轧机使用。以前，磨辊间内的作业与主轧线设备的发展相比，稍稍落后了一些，随着热带钢轧机要求的高质量、高速度和高精度，导致轧辊的更换频率增加，轧辊的加工量增大，同时由于板带的尺寸精度、轧制穿带性能等与轧辊的磨削精度有着密切的关系，故对轧辊磨削质量也提出了很高的要求。而这些要求靠人工控制已无法满足，故必须依靠自动化设备来提高轧辊磨削效率和精度，满足轧钢生产的需要。宝钢热轧2050轧辊磨床是用于轧辊表面精加工的设备，其主要作用是磨削热轧厂的工作辊和支承辊。宝钢2050

18、热轧厂是1989年投产的，轧辊数控磨床和轧机为同期引进和投入使用，其数控系统为ibso公司专为德国waldrich轧辊制造厂开发的第一代产品，型号为ilc-500。这批数控轧辊磨床在后续的十几年内确保了轧钢产品质量，为宝钢创造了很大价值。2.1.1轧辊磨床的结构磨床主要有以下三部分独立的部件机械地组成：1）后床身，包括：转动砂轮的砂轮主轴；沿轧辊长度方向往复纵向运动的砂轮刀架；砂轮趋近和退回磨床/轧辊中心横向运动的砂轮头。2）前床身，用来转动、支撑和调整轧辊的，包括：转动轧辊的床头箱主轴，床头箱装有固定从动轴心的一个顶尖，这个轴心通常用来与缓冲器一起协作工作，这个缓冲器用来防止从动轴心由于接触

19、转动轧辊产生的磨损，这个缓冲器有两个主要部件构成，一个部件（安装在从动轴心上）是通过滚柱轴承连接到它的转动部件上，另一个部件与轧辊的终端连接。缓冲器转动部件的表面是有硬橡胶制造的，以至于不会损坏接触的轧辊。这个顶尖、轴心和缓冲器配置用来在轧辊的传动侧纵向定位轧辊，可以配置一个可选择的电机驱动顶尖来自动定位轧辊。尾架（顶针座）用来在轧辊的操作侧纵向定位轧辊，尾架有一个尾架身（主要结构）和一个固定从动轴心的套筒组成，这个轴心通常用来与缓冲器一起协力工作，这个缓冲器用来防止从动轴心由于接触转动轧辊产生的磨损，这个缓冲器也有两个主要部件构成，一个部件（安装在从动轴心上）是通过滚柱轴承连接到它的转动部件

20、上，另一个部件与轧辊的终端连接。缓冲器转动部件的表面是有硬橡胶制造的，以至于不会损坏接触的轧辊。这个套筒、轴心和缓冲器配置用来在轧辊的操作侧纵向定位轧辊，为了更容易定位轧辊，尾架身可以选择配备一个电机传动系统。托架是用来支撑轧辊、以及在水平方向和垂直方向对准轧辊的。托架可以选择电机驱动来纵向定位，也可以选择液压夹紧装置来取代压力夹紧螺栓和简易定位快换装置的需要。这些托架可以是专用型，它只适合一个小范围的工作辊和支撑辊辊颈直径；也可以是综合型的，它适合一个较大范围的工作辊和支撑辊辊颈直径范围，等等。软支撑装置用来靠动压将轧辊放到托架上，防止由轧辊不当的靠近磨床引起的不必要的损害。3）测量臂，用来

21、测量轧辊几何尺寸的。图3-1轧辊磨床结构图2.1.2现代轧辊磨床的特点现代轧辊磨床主要特点：cnc控制、高度自动化和集成化、磨削效率和精度高。轧辊磨床的主要运动如砂轮、轧辊的旋转运动均采用了全数字化直流传动，控制精度高并可实现在一定范围内无级调速。砂轮主轴采用了毛细管节流的静压支承，床身导轨采用了静压导轨，具有足够的刚度及耐磨性。砂轮能完成微量进给，连续和端头自动进给和砂轮磨损补偿进给，能磨削出最大凸度或凹度为3毫米的任何形状的曲线。实现窗口显示，人机对话方式，通过键盘和鼠标进行输入。输出设备采用彩色打印机，可打印出程序、曲线等，且能在一张表上用不同颜色同时打印出几种曲线。可同时储存多个程序，

22、操作人员可根据意愿自由编程。伺服轴采用交流变频调速系统，无需维护和更换碳刷，减少了大量的维护费用和备件费用。提供诊断方式，便于维修人员查找故障。一个熟练的操作人员不需要一直集中精力就可以完成一个一直重复的全自动化操作。使用自动控制磨床，操作人员只需要提前确定要做的工作和起动磨床操作程序一旦磨床操作程序起动了，它就可以独立的工作，只有完成了操作，或者突然发生一些异常要求操作人员紧急中断时，磨床才会停下来。在自动控制操作的过程中，操作人员或许要通过评估磨床采集的数据来监控磨床执行的工作情况。在当前的操作过程中，如果操作人员不在时，可以自动打印出来数据，也可以随后挑选一些有用的数据打印出来，这些数据

23、也可以存储在本机的数据库中，在完成操作后的任何时间都能查看。在开始操作之前，操作人员不需要停机再重新起动，就可以跳过预先确定好的而做没有预见到的操作。在自动操作过程中，可能因为一些原因，操作人员需要中断正在运行的操作，为了给操作人员最大限度的灵活操作，自动控制磨床的人机界面采用了自由跳跃概念来设计。2.2计算机数字控制轴为了完成磨床各项控制任务，轧辊磨床一般有多轴需要计算机控制，cnc通过伺服电机、转动编码器和其它相关的控制元件来持续控制每个轴的精确位置和速度。为了让cnc控制每个轴的位置，我们必须为每个轴设定一个参考点。设定参考点是为了对于每个轴，相对于一些已知物体机械参考，cnc都有一个固

24、定的“已知位置”。利用这个相对某个固定机械参考的“已知位置”，cnc能控制和监控每个轴的精确位置。这个参考点不要和机械零点相混淆，因为这个参考点并不一定是这些轴的机械零点位置。1）z轴:安装在后床身上，用来使磨床的砂轮刀架以磨床后床身的静压方式纵向运动。2）x轴（砂轮刀架基座）:安装在后床身刀架上，用来使砂轮刀架以砂轮刀架基座的静压的方式横向运动砂轮头。3）u轴（微量砂轮进刀）:安装在后床身砂轮刀架基座上，用来横向微量运动砂轮头（与磨床/轧辊中心之间往返运动）4）y轴（微调辊型轴）:安装在后床身砂轮刀架基座上，通过在砂轮头内部同时采用一个倾斜横向进给机械装置用来横向微量运动砂轮头。5）s2主轴

25、（砂轮主轴）：安装在后床身砂轮大家的砂轮头上，用来转动砂轮和确认从砂轮探头（a轴）反馈的砂轮直径，从而调整砂轮的线速度；当磨损导致砂轮直径变化时，保持砂轮的线速度时时连续。一旦砂轮探头被校正好，cnc显示砂轮的转速和砂轮的线速度。6）s1轴（床头箱主轴）：安装在前床身，用来转动轧辊和调整砂轮的转速cnc显示轧辊的转速。7）c轴（可选择的测量臂）：安装在卡规往复台上，测量臂安装在一个圆柱状的框架上，这个框架可以转动90，把测量臂翻转到“开”和“关”的位置上，可以方便的测量和停放。c轴可以控制测量臂的运动，测量臂可以协同e轴和q轴一起测量轧辊辊型、圆度和直径。它也可以用来手动校准来显示轧辊的垂直位

26、置和在每次校准位置处的轧辊的直径。8）e轴（前测量臂测量装置）：安装在前测量臂的内部，随前测量臂测量轧辊辊型的变化和圆度。协同q轴，可以测量轧辊辊型和圆度，还可以测量由于支撑辊颈的托架的原因导致的轧辊偏心度。cnc显示的e轴位置就是上测量臂接触轧辊以后压紧时的数值。当测量臂和轧辊不接触时，e轴的位置为“零”，c轴使测量臂和轧辊接触以后，它停止运动并固定在它自己的位置处。进一步压紧或松开e轴和q轴，用c轴阻止辊面的变化，这样可以采集辊型的测量值。9）q轴（后测量臂测量装置）：安装在后测量臂的内部，随后测量臂测量轧辊辊型变化和圆度。协同e轴，可以测量辊型和圆度，还可以测量由于支撑辊颈的托架的原因导

27、致的轧辊偏心度。cnc显示的q轴位置就是后测量臂接触轧辊以后压紧的数值。当测量臂和轧辊不接触时，q轴的位置为“零”，c轴使测量臂和轧辊接触以后，它停止运动并固定住它自己的位置。进一步压紧或松开e轴和q轴，用c轴阻止辊面的变化，这样可以采集辊型的测量值。10）a1轴（探伤探头）：安装在卡规往复台上，它在两个测量臂之间的一条线上与磨床中心线对直，用来驱动涡流探伤仪的探头与辊面做横向运动。2.3轧辊磨床控制系统的主要组成部分及作用1）cnc（计算机数字控制）主要作用：自动控制各伺服轴的转速和位置；自动控制各主轴的速度；处理和执行包含有序操作、循环磨削、测量等指令在内的程序。2）plc（程序逻辑控制器

28、）主要作用：执行和连续验证逻辑操作程序；以plc程序的形式，来监控磨床所有的操作功能。3）工业pc主要作用：存储数据，在plc和cnc间传送存储的程序和数据；通过网络与cnc交换数据；显示与实际和理论轧辊辊型、轧辊缺陷（裂纹和软点）、磨削循环的时间、存储数据库（本机和计算机中心的）有关的数据；打印生产日报、警报诊断图表；打印磨削结果报告来监控质量打印出在pc监控器上显示的磨床测量系统的所有数据；直接或通过网络（如果可以）与磨辊车间的计算机交换信息；存储所有与磨削循环（磨削程序）和磨床操作软件有关的信息。333热轧轧辊磨床数控系统整体改造方案宝钢热轧2050轧辊磨床是用于轧辊表面精加工的设备，其

29、主要功用是磨削热轧厂的工作辊和支承辊，其数控系统为ibso公司专为德国waldrich轧辊制造厂开发的第一代产品，型号为ilc-500。随着用户对钢板表面质量要求的不断提高，轧辊磨床的磨削精度成为制约钢板质量和板形精度的瓶颈，同时磨辊间减少操作人员数量并提高劳动生产率的要求也越来越强烈，故决定对宝钢热轧2050轧辊磨床进行改造。本章重点介绍具体改造方案。3.1磨床数控系统改造的原因随着轧钢技术的不断改进和发展，对轧辊加工提出了一系列技术上的要求：更加复杂的轧辊辊型（cvc、多元轧辊）；更小的轧辊辊型偏差和偏心度、圆度及锥度偏差；更快的磨削速度和效率；适应于更多的轧辊材质，应用范围更广同时，磨辊

30、间的发展对轧辊磨床也有新的要求：提高劳动生产率，减少人员投入；提高磨床的使用寿命；更高的轧辊检测要求和足够大的检测数据的存储能力；宝钢2050热轧轧辊磨床是20世纪80年代从德国进口的，其数控系统主要采用分立插件板计算机、plc采用西门子s5-130，并且通过点对点连接的方式进行信号传送。由于计算机硬件及软件的限制，使得该磨床自动化水平较差，并存在以下问题：1）磨削后的轧辊辊型偏差大，严重制约了热轧板的板形质量和凸度指标的进一步提高。轧辊辊型偏差指实际辊型与设定辊型的差值。由于轧辊是轧钢过程中钢板主要的变形工具，随着用户对钢板尺寸精度要求越来越高，特别是对钢板平直度要求小于50，而目前轧辊磨床

31、磨削辊型偏差大，基本在100左右。由于磨床磨削辊型偏差已大于钢板板形精度要求，故严重制约了热轧板的板形质量和凸度指标的进一步提高，更无法适应日后大量双高产品对轧辊精度的要求，使宝钢的国际竞争力处于落后地位。2）磨削效率低下由于磨床校准轧辊中心时间较长，程序中也无补偿功能，因此磨削时间长，效率低下。目前2050热轧磨削平均每根需4560分钟，而同样1580热轧平均每根只需2540分钟。由于磨削效率低，同样要磨削到规定的精度所需要的磨削道次就多，轧辊的损耗及砂轮的损耗都相对较大，影响到辊耗的进一步降低。同时，为保证轧线正常供应合格的轧辊，必须保证轧辊足够的周转量。如能提高磨床磨削效率，则能减少轧辊

32、周转量。3）自动控制水平落后，严重制约了磨辊间劳动生产率的提高在操作性能方面，该系统操作界面差，无法进行图形显示，操作工不能随时察看园度、磨削偏差等曲线，同时不能预见磨削效果。磨削程序未采用模块化设计，无法实现自由编程。硬件设计时无扩展功能，不能联网通讯，也不能实现磨床集中控制，严重制约了磨辊间劳动生产率的提高。4）磨床控制系统和传动系统结构复杂，故障率高。磨床采用直流传动系统，设备的稳定性和维护性差，影响磨床作业率的提高和维护成本的降低。直流电机中碳刷需经常维护保养，如维护不及时就会造成故障。cnc系统插件板采用的是分立元件，和plc之间采用点对点通讯，plc和现场元件之间也是采用点对点通讯

33、，故电缆量大，故障率高，且故障查找和处理难度较大。5）备品备件采购难、费用高由于电气技术发展很快，很多电气备件难以采购或采购费用很高。目前磨床上许多电气设备存在老化现象，要保证磨床的较高功能投入率和精度，就需投入大量的备品备件费和维修费。且随着磨床的进一步老化，投入费用将进一步提高。由于以上原因，原磨床数控系统已无法满足轧钢和磨辊间的要求，为确保热轧产品表面质量和提高劳动生产率，决定对磨床数控系统进行改造。3.2磨床数控系统改造的目标根据轧钢和磨辊间的需求，本次改造的目标是：1）确保磨削后的轧辊辊型偏差小于10，满足轧钢板形控制的要求，通过改造，确保磨削后的轧辊辊型偏差小于10，满足轧钢板性控

34、制的要求，确保热轧板的板形质量和凸度指标的进一步提高，为日后大量双高产品打下基础。2）磨削效率提高30%以上，通过在程序中加入各类补偿功能，使磨削时间由原来平均每根4560分钟降低到平均每根2540分钟，降低轧辊周转量。3）大幅提高自动控制水平，通过联网和集中监控，提高磨辊间劳动生产率，在操作性能方面，实现图形显示，磨削程序采用模块化设计，实现自由编程。通过联网通讯实现磨床集中控制，提高磨辊间劳动生产率。4）简化磨床控制系统和传动系统结构，降低故障率。通过采用交流传动系统，提高设备的稳定性，减少维护量和维护成本。采用工业pc替代cnc，和plc之间采用profibus通讯，plc和现场元件之间

35、也是采用profibus通讯，减少电缆量，降低故障率，提高诊断功能。5）解决备品备件采购难、费用高问题通过采用标准的工业pc和西门子plc产品，使得备品备件采购得到保障，备品备件费用得到大幅下降。3.3磨床数控系统改造内容1. cnc、plc的改造针对目前落后的cnc系统（8088和8086水平）和plc系统（s5135u），改造后控制系统全面升级，更新换代，达到目前的先进水平。新的系统投入后，磨床可实现全自动磨削，操作工可在控制室内操作和监控磨床，轧辊磨削数据可按要求进行存储和打印，实现信息共享。2. 传动控制系统改造目前2050热轧磨辊间磨床的主轴电机和砂轮电机均为直流电机，其控制系统均为

36、siemens直流模拟控制系统。由于直流电机价格昂贵，维护困难，随着交流调速技术的日益成熟和完善，交流调速取代直流调速已成为一种必然趋势。本工程拟将工作辊磨床的直流电机改为交流电机。工作辊磨床更换下来的直流电机可用作万能磨床电机的备件。改造后的交流电机，其传动控制系统均作改造，均由全数字化组件构成。全数字控制系统性能好、可靠性高，可满足高动态品质、高调速精度的要求。对传动系统的控制可采用灵活多样的软件模块，以满足各种不同控制的要求，并具备调速系统最佳控制性能的自动优化功能。全数字装置还提供对系统完备的监控保护和故障自诊断功能。同时拥有多种方便快捷的通讯联网形式，可以与自动化系统联网通讯，进行参

37、数的设定和信息的交换。传动控制装置与磨床控制系统之间拟采用现场总线方式连接，实现数字控制，以减少控制电缆的数量并提高可靠性。3. 磨床测量臂的更换2050热轧磨床测量臂的更新改造。由于磨床的测量臂已使用了多年，传感器的精度低，测量支座的旋转接触面磨损严重，其精度已不能满足目前轧辊高精度测量的要求。由于作为控制的一个重要环节，测量结果将反馈到数控系统中参与运算，且精度要求达到1，所以必须更换磨床的测量臂，提高磨床的测量精度，才能保证改造后磨床磨削精度。4. 传动电机改造1）将现有磨床辅助传动轴的直流电机全部改为交流伺服电机。2）将所有的托架调整改为交流伺服电机调整。3）将14工作辊磨床的主轴和砂

38、轮直流电机改为交流电机。其更换后的直流电机可作为万能磨床电机的备件。5. 磨床导轨及移动部件的精度恢复由于2050热轧轧辊磨床经多年使用，其导轨等活动部件均有不同程度的磨损。从而降低了机床的整体精度。要对磨床进行改造，必须对磨床的导轨及移动部件的精度进行恢复。4热轧轧辊磨床数控系统具体改造方案4.1 cnc、plc部分的改造方案4.1.1改造前磨床cnc、plc系统结构及特点改造前磨床cnc、plc系统结构如图4-1所示图4-1改造前磨床数控系统结构示意图4.1.2本次改造可供选择的三种方案本次改造共有三种方案，分别为三家世界最优秀的轧辊磨床制造商提供，其技术特点如下：1. 采用独立的工业pc

39、、cnc、plc系统该方式的基本结构如图4-2：图4-2模式1基本结构图代表性的轧辊磨床制造商有意大利pomini公司，其数控系统基本结构如图4-3：图4-3 pomini磨床数控系统结构图如图4-3所示，系统同时具有独立的工业pc、cnc和plc，虽然西门子840d系统将cnc和plc的cpu集成在一块插件板上，但他们独立运行各自的程序，故仍认为他们是独立的系统。该系统的优点是采用西门子标准的840d产品，备件通用性强，故障率低，维修简单。2. 采用独立的cnc、plc系统，其中cnc由工业pc取代该方式的基本结构如图4-4：图4-4模式2基本结构图代表性的轧辊磨床制造商有德国waldric

40、h公司，其数控系统基本结构如图4-5：如图4-5所示，系统采用工业pc代替cnc系统，保留独立的plc，工业pc划分为控制部分和操作部分。其中控制部分同时实现cnc控制功能和处理图形信息，并负责和plc机操作部分通讯。操作部分负责接收控制部分的指令信息并执行显示、打印等功能。该结构用工业pc代替了cnc，硬件结构相对简单，但由于采用的是专用的工业pc，其备件通用性差，专业性强，维修困难。图4-5 waldrich磨床数控系统结构图3. 采用工业pc代替cnc、plc系统该方式的基本结构如图4-6图4-6模式3基本结构图代表性的轧辊磨床制造商有德国herkules公司，其数控系统基本结构如图4-

41、7：图4-7 herkules磨床数控系统结构图如图4-7所示，cnc和plc控制的所有功能均在pc机上以全软件型控制方式实现，pc机本身可以实现快速的逻辑运算功能，通过pc机扩展的现场总线接口可以连接外部通用输入/输出接口和驱动单元。全软件型控制系统的控制软件是一个实时操作系统，它可以自主使用pc的cpu资源。所以对于这种控制系统来说，pc的windows操作系统完成上位机画面的显示、通讯等工作，实时操作系统则完成plc的逻辑扫描和cnc的控制任务10。该方式充分发挥了pc的强大运算功能，使用主流的现场总线技术极大的丰富了控制系统外围输入/输出信号的监控，并且可以非常灵活的集成到工厂管理网路

42、之中。但缺点是对维修人员技能要求较高，一旦出故障需要很专业的知识才能找到故障。4.1.3三种方案的比较和选择1. 三种方案的全面比较1）硬件结构比较西门子公司的840d为通用数控系统，该类系统可应用于各类机床，具备各类控制功能，通用性强，可和西门子直流调速系统6ra70及交流调速系统611d配合完成对磨床的控制。waldrich、herkules磨床公司自行开发的cnc系统采用标准工业pc机，专为自己厂家磨床设计，其控制功能更强大，但通用性差，一般只应用于同一厂家生产的磨床上。硬件结构上waldrich公司保留了独立的plc结构，硬件结构相对复杂，但对于故障查找和处理有其优越性。该系统使用双硬

43、盘、双显示器、双电源设计，也体现了公司设计理念是尽量避免停机时间和提高故障处理速度。herkules公司硬件主要特点是结构简单，但采用的是非主流硬件产品，备件通用性不够。2）操作界面和编程方式比较三家公司由于都采用windows系统，中文菜单，采用全图形方式的操作界面，画面丰富，测量结果可随时显示，磨削状态可及时显示。同时采用灵活的菜单式自由编程方式，根据工艺特点将已编制好的相应的功能块组合成为一个磨削程序,功能块可任意多次调用，可任意改变在程序中的位置，也可随时删除和修改参数，所有程序可以以文件形式储存和调用。3）磨削功能比较三种数控系统均可和测量系统结合实现以下主要磨削功能：自动夹紧轧辊功

44、能；自动调节轧辊中心的功能；自动驱进轧辊（自动对刀）功能；自动轧辊偏心补偿功能；自动床身导轨偏差补偿；自动辊形偏差测量和补偿；恒电流磨削功能；按磨削量磨削的要求；砂轮线速度自动补偿功能自动砂轮修磨功能砂轮损耗自动补偿功能4）故障诊断方面比较西门子840d数控系统虽然设计较为传统，但由于采用标准产品，易于得到维修知识的培训，也可及时得到当地西门子公司的技术支撑，对于维修人员来说该系统是具有非常大的优势的。waldrich磨床公司数控系统自己设计了一套独立的故障诊断系统，使用wincc编程，能监控几乎所有部件的工作情况，可提供大量的故障处理信息，并可记录历年故障情况。且由于保留了独立的plc系统（

45、西门子s7产品），对于查找和解决现场大量的常见故障是非常有利的。herkules磨床公司数控系统将cnc、plc全部集成在pc机中，且提供了大量的故障报警信息，能监控大量的部件工作情况，但由于出现故障时一般需要外接编程器进行故障查找，且由于其控制软件对于维修人员技能要求较高，故出现问题后解决起来难度很大，从现场维修人员角度来看这种设计未必是最好的。2. 改造方案的确定经过对三个方案的比较，我们的结论是都能满足改造要求，且各有优缺点，但由于考虑到以下两个重要原因，我们最后选定了采用waldrich公司的ilc2000控制系统：1）由于原磨床为waldrich公司制造，采用的是ilc500控制系统

46、和西门子s5 plc，现场维修人员已有10几年维护经验，特别对plc的step5语言非常熟悉，故很容易掌握step7语言，培训工作量小，有利于确保现场设备的正常运转。herkules公司的全开放式系统虽然是发展方向，但对本改造项目而言需要对维护人员进行twincat相关知识培训，可能会造成改造后设备故障难以处理而影响生产，故我们放弃了herkules公司的全开放式系统方案。2）由于本次磨床改造还涉及到机械部分的改造，故改造的风险非常大，我们认为由原磨床制造厂waldrich公司进行改造的话其成功的可靠性更大一些。综合以上两个因素，我们最后选定了采用waldrich公司的ilc2000控制系统。

47、4.2选定的waldrich公司的ilc2000r控制系统改造方案4.2.1 ilc2000r控制系统原理和功能图4-8改造后新系统的原理图4.2.2 ilc 2000r控制系统的功能说明1）cnc和plc之间通过profibus连接和通讯；2）plc和现场数字传动系统以及et200s模块之间通过profibus连接和通讯；3）plc通过模拟i/o板接受砂轮负荷以及砂轮直径测量变阻器的信号，用于确保砂轮线速度恒定；4）现场的光栅、旋转脉冲发生器测量的信号通过计数器输入cnc，用于精确地检测磨床各轴的位置，以实现精确定位。5）测量装置检测的信号通过计数器输入cnc，用于偏差补偿功能，并可将相关数

48、据处理后用于图形显示、打印或向轧辊数据采集服务器传输；6）通过以太网连接两个操作站，一个在机床操作台上（第一操作站），另一个在集中监控室内（第二操作站），通过将几台磨床的第二操作站集中在一个集中监控室内，实现了磨床集中监控。同时由于cnc控制装置在电气柜内，而打印机要放在集中监控室内，故打印机采用网络打印机连接，方便了操作人员打印；7）plc通过profibus和磨床故障诊断系统（gds）连接，磨床故障诊断系统采用wincc软件编程，可适时报警并查询历史故障，还可在线查询电气图、plc图、操作说明书等，提高了故障解决速度；8）cnc通过串口和轧辊在线探伤仪连接，用于轧辊的表面探伤，大大减少了人

49、工探伤的工作量，提高了探伤稳定性；9）通过以太网可将磨削、探伤数据发送到磨削数据服务其中，为磨辊间轧辊管理系统提供基础数据。4.2.3 ilc 2000r cnc控制单元组成 随着计算机技术的发展，目前waldrich公司的cnc控制单元也有了很大的发展，采用了基于现场总线技术的开放式数控系统ilc 2000r，采用了标准的工控机和windows操作系统，在此基础上开发了磨床控制程序，充分满足了工业系统实时性要求。系统组成为：1)标准的工控机：1000mhz处理能力；128mb内存；20gb硬盘；3.5寸软驱；54倍速cd-rom32mb显卡；空气过滤器；模拟外置modem（可选项：内置isd

50、n）。2）外设连接部件：ps2-鼠标，ps2-键盘；lpt，com1，com2，usb1，usb2；以太网接口；磨床连接口；profibus接口；12个计数器（cp型测量臂）前面板接口（mb-io）；2-3个操作设备接口。3）操作站15寸-tft平面显示器（可选项：215/17”tft平面显示器）；键盘；轨迹球；可选项：嵌入式安装ilc 2000r cnc控制单元的特点：1）全图形操作界面直观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。磨床重要部件的状态以图形形式显示（砂轮，轧辊，手轮）。程序当前执行的步骤和下一步将要执行的步骤以图

51、形形式显示。2）灵活的编程模块化编程。各种工艺步骤已预先编写好，操作人员只需根据工艺需要调用各模块组成需要的程序，并可储存程序，文件名取法和windows系统相同。特别的编程顺序在程序中处理测量结果。可以在磨削时将最终标准整合到程序中，以节约时间，从而得到最佳磨削结果。可以在磨削时将中断标准整合到程序中，自动作用于轧辊磨削从而减少误差。100%为应用而设计图形化和短程序预览使编程更加简便。一般用户可以被赋予特定的操作权限。3）图形曲线和连续轨迹的编辑曲线和轨迹可以在编辑是以图形形式显示。曲线上751个点可以任意编辑。连续的轨迹最多由50段组成。4）增加的同步操作：通过在同一时间完成不同的功能来

52、节约时间。5）测量结果的图形显示；快速识别关键数据；公差极限的图形显示。6）功能u轴和x轴的所有几何位置在磨削和调整时都可以得到。通过u轴和x轴可以实现所有的磨削功能（连续进刀，两端进刀等）并且可通过任何的几何形式组合起来。在两个磨削程序段之间可以改变磨床转换点，但这不会中断连续的磨削过程。辊形测量最多可达751个点。床身偏差修正和x1轴偏差修正可以被编辑并以图形的方式监测。轧辊的圆度、偏心度、同心度可以靠两个测量探头同时测量。机床所有基本的功能都可以靠程序来实现。可被保存的程序数量由存储空间的大小来决定。在存储能力允许的情况下，任何测量结果都被同步保存。系统自动处理当前的测量数据。4.3 s

53、inumerik s7-400 plc控制器特点cnc控制系统本身的功能非常强大，在多轴控制、灵活编程、保证高精度、图形界面方面有非常大的优点，但在逻辑控制方面plc仍具有优势，因此系统采用和plc结合的控制方式实现控制。s7-400主要有以下几方面的特点：极短的指令处理时间保证了极快的程序执行速度。对于输入信号的变化，输出信号的响应时间最多为0.5ms。中央信号模板和扩展信号模板在没有散热风扇的情况下工作。可升级的cpu模块、可扩展的i/o模块以及带有profibus接口的多种功能模块能实现各种运动控制。一个单元中cpu运行的点模块结构通过多重运算来实现。通过基于step 7的高级编程语言以

54、及图形工具可以非常高效的对s7-400进行配置。所有程序数据，包括程序的原代码、用户数据都保存在cpu中。通过以太网和国际互联网相连接。自动处理过程中的容错能力和防故障能力能够满足电源中断和防故障时的特殊要求。4.4 profibus通讯特点本次改造方案中采用了profibus技术，用于cnc和plc、plc和gds、plc和现场设备之间的通讯，结构如图所示：图4-9磨床profibus示意图采用profibus技术的优点在于：提高了系统的准确性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，他从根本上提高了测量与控制的精度，减少了传输误差。提高了系统的可靠性：由于系统的结构简化，设备与连

55、线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。4.5磨床故障诊断系统（gds）特点磨床故障诊断系统会为有经验的或没有经验的维护人员在维护磨床或排除磨床故障时提供帮助。通过对显示信息的图形支持，可以对故障源以及可能出现的故障位置进行定位。通过对安装部件的直接指示可以定位到相应的元器件从而对其进行必要的维护或修理工作。通过对故障内容更进一步的信息显示，例如靠经验得到的故障手顺书，会给更进一步的故障诊断提供迅捷的信息。通过对预安装技术资料信息的显示，使维护人员在工作中得到方便地信息支持。故障诊断系统示意画面如图所示图4-10磨床诊断系统参考画面所有这一切都为磨床及时的维

56、护和有效的故障诊断提供保证，从而使磨床长期处于良好的工作状态。故障诊断系统的功能作用有：显示当前所有的故障信息，包括对应故障点的指示以及电气图纸上对应点的指示；保存一段时间内所有的故障信息；显示和故障有关的一系列信息；显示和故障有关的所有可能的故障源信息，并提供排除故障的方法；显示故障手顺书中一些经过经验积累写入的故障排除信息；通过图形追踪到产生故障的元器件的具体位置；显示和磨床有关的技术资料；磨床操作指导书；电气技术资料（电气设计图、电路图、接线端子图等）；机械技术资料（液压图等）。5磨床集中控制系统特点5.1多台磨床集中控制技术的系统结构随着计算机技术的不断进步，世界先进磨床的数控系统不断

57、得到完善，已基本上实现了全自动磨削，精度也达到了很高程度，同时由于相关技术的进步，新型磨床的故障也较少，因此由一名操作工控制多台磨床已成为可能。由于轧辊磨床较大，相距较远，如由一名操作工操作，该操作工将不停地从一台磨床跑到另一台磨床，一旦发生紧急情况往往又无法及时处理，因此必须通过多台磨床集中控制来解决这一矛盾。网络技术的发展为我们提供了这种可能，除了磨床本身自动化程度提高外，我们可在每台磨床上增设第2台操作站，使得每台磨床的数控系统硬件结构如图5-1所示：图5-1磨床集中控制示意图如图所示，每台磨床设由两个操作站和一个控制站，第1操作站的作用同原来一样，使操作工可在现场直接操作磨床，而每台磨床的第2操作站集中到一间控制室中，由一名操作工集中控制多台磨床。5.2 多台磨床集中控制技术的工作原理由于将每台磨床的第2操作站集中到一个中央控制室中，操作工就免除了在各磨床之间的奔波之苦，只需坐控制室内通过每台磨床的第2操作站来操纵磨床。对于采用新的数控系统的磨床而言，其全自动磨削功能非常强大，其程序采用模块化，操作工可根据要求任意制磨削程序，设定磨削参数，然后起动磨削程序。数控磨床则根据设定的程序和参数进行全自动磨削，并通过其自动补偿功能确保磨削精度，操纵人员可同时监控几台磨床的运行情