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數(shù)控軋輥磨床磨削技術(shù)的新方向——4點(diǎn)測(cè)量3D磨削

2018-9-28 來(lái)源：山東安卓數(shù)控科技有限公司作者：龐景方

在造紙機(jī)上，不斷提高的運(yùn)行速度和對(duì)可接受振動(dòng)范圍的減小已經(jīng)對(duì)造紙機(jī)輥筒的圓度、偏心率和圓柱度提出了新的要求。圓度更好的輥筒遇到的振動(dòng)問(wèn)題更少，條痕問(wèn)題更少，造紙機(jī)的運(yùn)行性能也更好（較少的紙卷斷裂），從而也會(huì)降低造紙機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。為解決以上問(wèn)題，芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)系的幾位研究人員，研究出了針對(duì)造紙機(jī)輥筒在數(shù)控軋輥磨床加工時(shí)的4點(diǎn)測(cè)量和3維磨削軟件。軋輥研究國(guó)際有限公司（Roll Research）為造紙行業(yè)的軋輥磨床提供新一代4點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)和3維磨削技術(shù)。

1 、 4點(diǎn)測(cè)量、3D磨削概念

3D是M D和C D測(cè)量的疊加，M D是平面的、二維的。通常說(shuō)的測(cè)量技術(shù)是3D，但對(duì)于磨削工作，它本身就是一個(gè)3D的工作空間。首先，4點(diǎn)測(cè)量技術(shù)是水平和垂直面的疊加，是三維的，而傳統(tǒng)的只是水平面的，是二維的。通過(guò)4點(diǎn)測(cè)量能精確測(cè)量出軋輥誤差的整體情況（兩點(diǎn)測(cè)量是檢測(cè)不出實(shí)際情況的），能通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出補(bǔ)償磨削曲線，進(jìn)行二次磨削。再依據(jù)補(bǔ)償磨削曲線，經(jīng)過(guò)Z軸和微量進(jìn)給U軸的相互運(yùn)動(dòng)完成補(bǔ)償磨削。再次，4點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的理論依據(jù)和方法是：圓度測(cè)量的兩點(diǎn)法和三點(diǎn)法。兩點(diǎn)法適于測(cè)量具有偶數(shù)棱邊形狀誤差的外圓；而三點(diǎn)測(cè)量適用于測(cè)量具有奇數(shù)棱邊形狀的外圓，只有使用這兩種方法才能測(cè)量出圓度的真實(shí)情況。現(xiàn)在軋輥磨床大多使用的數(shù)控測(cè)量方法，都是采用單一的兩點(diǎn)測(cè)量為理論依據(jù)的，所以它所測(cè)量出的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。

另外，4點(diǎn)測(cè)量對(duì)校直誤差和下彎誤差的測(cè)量也優(yōu)于兩點(diǎn)測(cè)量；還有就是利用4點(diǎn)測(cè)量的方法能過(guò)濾掉對(duì)測(cè)量沒(méi)有用的信息，只把有用的信息顯現(xiàn)出來(lái)，避免了無(wú)關(guān)信息的干擾，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在測(cè)量學(xué)上，對(duì)于同一組數(shù)據(jù)，采用不同的數(shù)學(xué)模型、不同的算法，最后得出的結(jié)論是有區(qū)別的。國(guó)內(nèi)習(xí)慣重視硬件的投入，忽略軟件的價(jià)值。對(duì)于西門(mén)子來(lái)說(shuō)，它最有價(jià)值的不是那些電機(jī)等硬件，而是它嵌入到這些設(shè)備中的控制代碼。現(xiàn)在具有戰(zhàn)略眼光的廠商，對(duì)軟件研發(fā)上的投入越來(lái)越多。如圖1所示，在影響測(cè)量的因素當(dāng)中，hardware硬件占35%，software軟件占45%，controller控制器占20%。這個(gè)數(shù)據(jù)是美國(guó)的GIDEP（政府工業(yè)數(shù)據(jù)交換項(xiàng)目）中提出來(lái)的。

4點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)的硬件，應(yīng)用當(dāng)今流行的碳纖維材料較傳統(tǒng)的鐵件更輕便、剛性好、穩(wěn)定性好、成本低等。應(yīng)用4點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，配以專業(yè)、先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)使測(cè)量技術(shù)在軋輥磨床上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了突破性的飛躍，應(yīng)用意義重大。

2、數(shù)控軋輥磨床

圖1 影響測(cè)量不確定的重要因素

圖2 3D磨削、4點(diǎn)測(cè)量數(shù)控軋輥磨床7軸聯(lián)動(dòng)

1-砂輪床身 2-工件床身 3-頭架 4—砂輪 5-大拖板 6-磨架（橫向

進(jìn)給) 7-中心架 8-尾架 9-測(cè)量架 10-測(cè)量臂

圖3 4點(diǎn)測(cè)量裝置安裝位置與測(cè)量臂運(yùn)動(dòng)

圖4 4點(diǎn)測(cè)量裝置與3D磨削系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)布局

2.1 4點(diǎn)測(cè)量、3D磨削數(shù)控軋輥磨床各軸（如圖2）

各傳動(dòng)軸：砂輪回轉(zhuǎn)主軸—C1軸、工件回轉(zhuǎn)主軸—C軸。五個(gè)為伺服驅(qū)動(dòng)軸：拖板移動(dòng)—Z軸、磨架移動(dòng)—X軸、磨頭微量移動(dòng)—曲線U軸、測(cè)量架移動(dòng)—X1軸、測(cè)量臂移動(dòng)—X2軸。

2.2 自動(dòng)4點(diǎn)軋輥測(cè)量設(shè)備（如圖3）

4點(diǎn)測(cè)量裝置部分組成部件

● 水平測(cè)量臂。

● C型支架，碳纖維，卸裝軋輥時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)上抬。

● C型支架上三個(gè)測(cè)量頭。1個(gè)固定在支架上，另外兩個(gè)測(cè)量頭安裝在線性導(dǎo)軌上。

● 1個(gè)磨輪側(cè)測(cè)量臂。液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

● 可更換測(cè)量端子。

● 海德漢傳感器。

● 參照盤(pán)，用于參照絕對(duì)直徑測(cè)量。

2. 3 數(shù)控軋輥磨床所配備的西門(mén)子電氣、數(shù)控、傳動(dòng)系統(tǒng)

西門(mén)子公司向Rol l Re s e a r c h公司提供歐洲標(biāo)準(zhǔn)版本的西門(mén)子Sinumerik 840D sl數(shù)控系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的電器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。Si nu mer i k 840D sl數(shù)控系統(tǒng)包括集成的Si matic S7‐317 PLC CPU（中央處理器），西門(mén)子Sinumerik 840D sl軟件許可，所有需要的西門(mén)子數(shù)控軟件選項(xiàng)許可，840D sl數(shù)控軟件，用于西門(mén)子S7‐317 P L C的P LC軟件，基于W i n d o w s 7的測(cè)量系統(tǒng)軟件（中文版），獨(dú)有的數(shù)控4點(diǎn)測(cè)量3D磨削軟件。如圖4所示。

3 2點(diǎn)測(cè)量與4點(diǎn)測(cè)量技術(shù)對(duì)比

圖5 圓度及輪廓的定義

圖6 圓度測(cè)量

圖7 等徑外形，具有相同的直徑、不同的圓度

圖8 圓度形態(tài)及其波形分布

3.1 圓度（如圖5）

圓度形態(tài)：在I S O 1101中被定義為兩個(gè)在給定橫截面內(nèi)的同心圓所限定的區(qū)域。圓度：在I S O 1101中被定義為兩個(gè)在給定橫截面圖9 采用混合4點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（左）和兩點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（右）測(cè)量的膠帶內(nèi)的同心圓的半徑差。由于旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)，使得對(duì)大型旋轉(zhuǎn)柱形的圓度及圓柱度測(cè)量非常困難，它等同于一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)圓度測(cè)量?jī)x的主軸誤差。為了測(cè)得圓度，必須分離旋轉(zhuǎn)軸線和圓度輪廓。在徑向跳動(dòng)信號(hào)測(cè)量中，是無(wú)法知道信號(hào)是來(lái)自于物體的運(yùn)動(dòng)還是其圓度輪廓的。在標(biāo)準(zhǔn)圓度測(cè)量?jī)x上，通過(guò)采用非常精確的主軸來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。

3.2 圓度的測(cè)量——2點(diǎn)測(cè)量技術(shù)

根據(jù)圓度在I S O 1101中的定義，對(duì)直徑進(jìn)行測(cè)量不能夠獲得圓度信息。采用卡規(guī)技術(shù)測(cè)量圓度，如圖6.

圖9 采用混合4點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（左）和兩點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（右）測(cè)量的膠帶

圖10 圓度形態(tài)測(cè)量結(jié)果（示例）

圖11 由混合4點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（左）和兩點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（右）測(cè)量的三角形輪廓

圖12 軋輥在生產(chǎn)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)

如果不進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，是無(wú)法確定什么地方出了問(wèn)題圖7中顯示了具有不同奇數(shù)葉瓣（波動(dòng)每轉(zhuǎn)）但直徑相同的外形。如果采用2點(diǎn)測(cè)量方法，比如游標(biāo)尺，來(lái)測(cè)量這些外形的圓度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)具有這些外形的工件時(shí)，是無(wú)法發(fā)現(xiàn)任何差異的。在軋輥幾何尺寸測(cè)量中使用的傳統(tǒng)設(shè)備都是基于2點(diǎn)測(cè)量方法的。如圖8所示。2點(diǎn)測(cè)量技術(shù)：不能測(cè)量目標(biāo)對(duì)象的真實(shí)圓度形態(tài)；偶數(shù)波形的形態(tài)（例如橢圓度、四邊形度等）可以獲得，但是奇數(shù)波形無(wú)法采集到。

3. 3 4點(diǎn)測(cè)量方法與2點(diǎn)測(cè)量方法的比較

膠帶測(cè)試：在軋輥表面貼上一小段膠帶后，采用這兩種系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。從圖9中看出某主要軋輥磨床制造商的兩點(diǎn)測(cè)量設(shè)備（右）無(wú)法區(qū)分奇數(shù)波形的圓度輪廓。傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備僅僅能夠測(cè)得不同輪廓的徑向跳動(dòng)和直徑差異外形。圓度形態(tài)測(cè)量結(jié)果（如圖10～圖12)。因?yàn)樵旒垯C(jī)輥筒振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)造紙機(jī)輥筒常規(guī)測(cè)量、磨削與4點(diǎn)測(cè)量3D磨削得出了一份對(duì)比：（1）質(zhì)量差的造紙機(jī)輥筒比質(zhì)量好的造紙機(jī)輥筒在機(jī)運(yùn)行時(shí)間的縮短，要超過(guò)40%；（2）帶軸承磨削，3D補(bǔ)償磨削要比傳統(tǒng)的補(bǔ)償磨削，輥?zhàn)拥膱A度形狀提高了97%；（3）造紙機(jī)的開(kāi)機(jī)率提高；（4）造紙機(jī)輥筒維修成本降低；（5）造紙機(jī)生產(chǎn)利潤(rùn)提高。

4 4點(diǎn)測(cè)量、3D磨削

4.1 3D磨削（圖13）

（1）基于對(duì)M D形態(tài)（圓度形態(tài)和跳動(dòng)）以及CD形態(tài)（直徑差異形態(tài)和校直等）的精確測(cè)量，軋輥得以根據(jù)M D和CD曲線進(jìn)行補(bǔ)償磨削從而獲得高精度的軋輥形態(tài)。

(2）在磨削前利用4點(diǎn)測(cè)量設(shè)備對(duì)M D形態(tài)（圓度形態(tài)和跳動(dòng)）以及CD形態(tài)（直徑差異形態(tài)和校直等）精確測(cè)量。

(3）測(cè)量結(jié)果在磨削中作為補(bǔ)償曲線利用。

(4）獲得理想的軋輥形態(tài)。

(5）MD→用于圓度形態(tài)和跳動(dòng)。

(6）CD→用于直徑差異形態(tài)及校直等。

4.2 3D輥?zhàn)油庑螠y(cè)量技術(shù)，輔助輥?zhàn)泳苎心?/font>

如圖14所示，4點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)與3D磨削技術(shù)為軋輥測(cè)量帶來(lái)無(wú)與倫比的準(zhǔn)確度，輥?zhàn)虞喞臏y(cè)量結(jié)果接著被處理成一個(gè)表面狀況的三維圖像，這在兩點(diǎn)測(cè)量技術(shù)是不可能的。處理后的圖像與紙頁(yè)全幅縱、橫向分布相結(jié)合，這個(gè)三維圖像就可以很容易地定出缺陷所在的位置。在隨后的研磨過(guò)程中，輥?zhàn)颖砻孑喞鶕?jù)預(yù)定的同心幾何形狀進(jìn)行修整，結(jié)果就成了理想的輥?zhàn)訋缀涡螤睢?/font>

4. 3 影響磨削質(zhì)量的因素及解決方法

圖13 磨削前后的形態(tài)變化

圖14 軋輥磨削后的幾何形態(tài)

圖15 帶箱磨削

圖16 導(dǎo)軌誤差補(bǔ)償磨削

4. 3.1 帶（軸承）箱磨削時(shí)為了避免軸承誤差，通常在磨削前把軸承座從軋輥上拆卸下來(lái)，使得對(duì)軋輥的服務(wù)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在采用對(duì)軋輥的3D測(cè)量和3D補(bǔ)償磨削，對(duì)軸承誤差進(jìn)行補(bǔ)償，就可以進(jìn)行帶箱磨削，并且能夠得到理想的軋輥形態(tài)。如圖15。

4. 3.2 導(dǎo)軌誤差補(bǔ)償磨削（圖16）

直徑變化主要是由于機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差引起的。軋輥加工的精度不再僅僅是關(guān)于機(jī)床本身的精度，還和測(cè)量系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的精度緊密相關(guān)。由于有了測(cè)量和控制系統(tǒng)，現(xiàn)在對(duì)機(jī)床的主要要求是其穩(wěn)定性，而不是其機(jī)械精度。對(duì)軋輥的校直也不再像以前那么重要。

4. 3. 3 圓度誤差自動(dòng)補(bǔ)償磨削（圖17）

如果軋輥的圓度誤差在其整個(gè)長(zhǎng)度上不是均一分布，也將導(dǎo)致直徑變化外形誤差。在補(bǔ)償軋輥直徑變化時(shí)，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算得到補(bǔ)償曲線，進(jìn)行補(bǔ)償磨削。軋輥剛性差異會(huì)導(dǎo)致圓度誤差，系統(tǒng)對(duì)由軋輥剛性差異引起的圓度誤差進(jìn)行補(bǔ)償磨削。

4. 3.4 校直誤差自動(dòng)補(bǔ)償

在軋輥安裝時(shí)，軋輥無(wú)需非常精確地平行于Z軸進(jìn)行校直。校直偏差可以通過(guò)以下方式進(jìn)行補(bǔ)償：采用最初的校直測(cè)量數(shù)據(jù)和補(bǔ)償、在每次補(bǔ)償磨削中自動(dòng)補(bǔ)償。

4. 3. 5 偏心補(bǔ)償（圖18）

沒(méi)有偏心補(bǔ)償功能的情形下，在開(kāi)始磨削前，軋輥必須在磨床上空轉(zhuǎn)幾個(gè)小時(shí)來(lái)消除軋輥上的熱膨脹差異。采用偏心補(bǔ)償功能，軋輥的偏心誤差可以進(jìn)行測(cè)量并在磨削時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，從而允許軋輥在磨床上的安裝工作完成后可以立即開(kāi)始磨削工作。

4 . 4 輥筒數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

輥筒數(shù) 據(jù) 管理系統(tǒng)基礎(chǔ)版包括安裝于磨床測(cè)量用計(jì) 算機(jī) 上的本地SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)軟件。本地數(shù) 據(jù) 庫(kù)軟件，安裝于測(cè)量用計(jì)算機(jī)上的混合磨削控制軟件包含以下數(shù)據(jù)庫(kù)：輥筒測(cè)量數(shù)據(jù)、輥筒、TECHNOLOGY技術(shù)進(jìn)步輥筒類型（當(dāng)為數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建新軋輥時(shí)可用作模版）、砂輪、砂輪類型（新砂輪的修整）、操作人員、報(bào)表語(yǔ)言。

圖17 圓度誤差自動(dòng)補(bǔ)償磨削

圖18 偏心補(bǔ)償

圖19 測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)

圖20 輥筒的卡規(guī)形態(tài)（外形誤差）變化

4. 5 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件

如圖19所示，某個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)首先選擇軋輥列表（黃色列表）中的軋輥序列號(hào)，然后從測(cè)量數(shù)據(jù)清單中找到。測(cè)量設(shè)備將所有測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)中。上一次指定軋輥的測(cè)量數(shù)據(jù)可以從存檔中選出讀取。工件的其它測(cè)量和加工信息也可以保存下來(lái)。軟件會(huì)存儲(chǔ)加工使用過(guò)的程序清單。當(dāng)下次磨削同一根軋輥時(shí)，可以調(diào)用上一次的磨削程序清單。用戶不需要重新輸入所有的參數(shù)信息，這樣工作效率更高。測(cè)量設(shè)備可根據(jù)I S O9000系統(tǒng)的要求進(jìn)行校準(zhǔn)。圓度校準(zhǔn)采用通過(guò)M I K E S（芬蘭計(jì)量鑒定中心）測(cè)量的測(cè)試碟進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.6 輥筒的測(cè)量報(bào)告示例

如圖20、圖21所示，采用三維測(cè)量，可以創(chuàng)建工件外殼示意圖。測(cè)量數(shù)據(jù)可選用不同方式進(jìn)行表述：用圓柱坐標(biāo)（作為輥筒整體）或者用直接坐標(biāo)系統(tǒng)以軋輥外殼擴(kuò)展圖像的方式進(jìn)行表述。如果需要，工件可以以不同方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放，使得制作的報(bào)表清晰明了。

5 4點(diǎn)測(cè)量、3D磨削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 在軋輥磨削車間：

● 帶（軸承）箱磨削→節(jié)省時(shí)間，更好的磨削效果

● 自動(dòng)校直誤差補(bǔ)償→節(jié)省時(shí)間，更好的磨削效果

● 對(duì)軋輥剛性差異引起的圓度→更好的磨削效果

● 誤差補(bǔ)償

● 偏心補(bǔ)償→節(jié)省時(shí)間，更好的磨削效果

● 軋輥問(wèn)題的快速分析（需RRI技術(shù)協(xié)助）→更好的磨削效果在造紙過(guò)程中：

● 改善輥筒振動(dòng)問(wèn)題

● 改善紙張的兩面差及平滑度

● 延長(zhǎng)輥筒在造紙機(jī)上的運(yùn)行時(shí)間

● 降低造紙機(jī)振動(dòng)水平和振紋

● 降低由振動(dòng)引起的生產(chǎn)中斷