劉紅軍 張樹萍 張 凱

(萊鋼股份有限公司棒材廠，山東 271126)

螺紋銑床用于棒材廠各條螺紋鋼生產(chǎn)線成品軋輥月牙形橫肋的加工，其加工效率、加工質(zhì)量、加工能力直接影響棒材生產(chǎn)線的產(chǎn)能、產(chǎn)品質(zhì)量及各類經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。隨著我廠軋鋼生產(chǎn)線工藝技術(shù)改造的逐步推進(jìn)，XK9350 螺紋銑床的加工效能及加工質(zhì)量已不能滿足主體生產(chǎn)線發(fā)展的需求，成為生產(chǎn)工序中的制約因素。主要表現(xiàn)是:加工精度低，加工軋輥月牙槽孔型變形;加工效率低，軋輥加工與軋輥消耗不匹配;加工能力低，髙硼鋼及高速鋼等高硬度軋輥月牙槽無法加工。

1 XK9350 螺紋銑床月牙槽加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺陷

1.1 加工精度低

XK9350 螺紋銑床采用三坐標(biāo)控制方式，在加工月牙槽槽型的過程中由軋輥的旋轉(zhuǎn)角度、銑頭主軸的擺動(dòng)角度、托板系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)三個(gè)方向的立體運(yùn)動(dòng)來完成。軋輥軸旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)簡單且剛性好，運(yùn)轉(zhuǎn)精度相對(duì)較高;銑頭主軸的擺動(dòng)角度傳動(dòng)鏈長，立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)及支持剛度較低，運(yùn)動(dòng)精度受限;托板系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)為滾珠絲杠傳動(dòng)，精度高，由于選型因素，剛性相對(duì)差。由于三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的剛性及精度不一致，導(dǎo)致月牙槽孔型變形，加工精度降低。

1.2 加工效率低

XK9350 螺紋銑床加工月牙槽孔型方式為擺頭銑削方式，加工工藝相對(duì)落后，對(duì)于常用的中小型棒材軋輥的單條軋槽，硬度在65～70HS，輥徑在?370 mm，采用XK9350 螺紋銑床按照國標(biāo)連續(xù)加工時(shí)間在50 min～60 min，加工效率低。在同等加工條件下，新型螺紋銑床的加工效率是XK9350 機(jī)床的3 倍以上，單槽加工時(shí)間在15 min～20 min。

1.3 加工能力低

擺頭銑削方式主要應(yīng)用于銑削軋輥硬度不高(≤70HS)、材質(zhì)相對(duì)均勻、軋輥孔型相對(duì)較小(≤?20 mm)或刻字標(biāo)示等的場合。當(dāng)加工軋輥硬度高于75HS，銑刀會(huì)出現(xiàn)急劇磨損、燒損或退刀讓刀等問題;軋輥材質(zhì)不均勻或加工軋輥孔型較大時(shí)，銑削抗力增大會(huì)導(dǎo)致銑刀打刀、孔型變形、退刀等突發(fā)問題，很難進(jìn)行正常的加工。

2 XK9350 整機(jī)改造方案

XK9350 擺頭螺紋銑床升級(jí)改造主要考慮三方面的問題:加工能力、加工精度、加工效率。經(jīng)過現(xiàn)場的考察研究，決定將XK9350 擺頭銑床升級(jí)改造為飛刀銑床。

2.1 XK9350 升級(jí)設(shè)計(jì)主要指標(biāo)

XK9350 升級(jí)設(shè)計(jì)主要指標(biāo):加工能力、加工精度、加工效率及穩(wěn)定性。

改造后飛刀銑床加工能力的提高包括加工軋輥硬度、加工規(guī)格范圍、加工國際標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)方面。加工軋輥硬度達(dá)到85HS;加工軋輥規(guī)格范圍是螺紋?12 mm～螺紋?50 mm，加工軋輥輥徑范圍在?310 mm～?500 mm;可加工GB1499.2—2007熱軋帶肋鋼筋，澳、新標(biāo)4671:2001、BS4449、KSD3504:2001、JISG3112 等各類標(biāo)準(zhǔn)成品軋輥月牙槽。改造后飛刀銑床加工精度高，其控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)工作可靠，系統(tǒng)分辨率達(dá)到0.001 mm和0.001°;改造后飛刀銑床加工效率大幅提升，職工勞動(dòng)強(qiáng)度降低，加工軋輥月牙槽單組效率提高200%，加工單槽絕對(duì)時(shí)間控制在20 min 以內(nèi);控制及伺服系統(tǒng)免維護(hù)，工作可靠，16 h 工作制，5 年內(nèi)控制系統(tǒng)故障率為0。

2.2 整機(jī)改造方案

飛刀銑床控制系統(tǒng)采用CNC 數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)半閉環(huán)控制或四軸手脈發(fā)生器控制，系統(tǒng)分辨率達(dá)到0.001 mm 或0.001°，通過程序編制實(shí)現(xiàn)國標(biāo)、日標(biāo)、韓標(biāo)、美標(biāo)等各類標(biāo)準(zhǔn)螺旋槽的加工;機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度、高剛度、高精度設(shè)計(jì)及安裝方案，保障加工精度及加工規(guī)格范圍;X 軸、Y 軸、Z 軸及A 軸四軸設(shè)計(jì)，用于完成月牙槽的立體加工;X 軸為飛刀主軸，采用同步齒形帶傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)緊湊結(jié)構(gòu)的飛刀主軸高速高精度旋轉(zhuǎn);Y 軸為軋輥軸，采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，軋輥軸響應(yīng)高并低速旋轉(zhuǎn);Z 軸托板運(yùn)動(dòng)軸，采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)托板的直線往返運(yùn)動(dòng)。A 軸用于單一軋槽完成后的換槽任務(wù)，為了節(jié)約成本，此軸手動(dòng)完成。

3 升級(jí)設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 數(shù)控系統(tǒng)選型

數(shù)控系統(tǒng)采用SINUMERIK802C Base Line 系統(tǒng)，它是一種微處理數(shù)字控制系統(tǒng)，主要用于控制帶伺服驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型機(jī)床。其硬件包括LCD 顯示區(qū)、NC 鍵盤區(qū)、MCP 機(jī)床控制面板區(qū)域，是一種集成的數(shù)控系統(tǒng)。軟件包括系統(tǒng)軟件、工具盒軟件、更新軟盤等，系統(tǒng)軟件有引導(dǎo)軟件(Boot 軟件)、人機(jī)通訊MMC 軟件、數(shù)控主機(jī)NCK 軟件、可編程邏輯控制器PLC 軟件、內(nèi)裝的PLC 用戶程序?qū)嵗?。引?dǎo)軟件把系統(tǒng)軟件從永久存儲(chǔ)器裝載到用戶存儲(chǔ)器DRAM 中并啟動(dòng)系統(tǒng);人機(jī)通訊軟件執(zhí)行所有操作功能;數(shù)控主機(jī)執(zhí)行所有NC 功能，該軟件控制一個(gè)帶最多三個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)主軸的NC 通道，實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)功能。PLC 軟件循環(huán)執(zhí)行內(nèi)裝PLC 用戶程序。SINUMERIK802C Base Line 可匹配安川∑-Ⅱ型伺服單元及SGMGH伺服電機(jī)。具有功能強(qiáng)、控制精度高、功耗小、輸出力矩大、性能穩(wěn)定、人機(jī)通訊界面操作簡便等特點(diǎn)。SINUMERIK802C Base Line 是在XK9350 升級(jí)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)中較理想的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。

3.2 執(zhí)行系統(tǒng)選型

伺服系統(tǒng)具有使用性能好、功能豐富及使用簡便性等特點(diǎn)，同時(shí)伺服電機(jī)具有控制精度高、低頻及矩頻特性好、過載能力強(qiáng)、速度響應(yīng)快、運(yùn)行性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。螺紋鋼成品軋輥月牙槽飛刀銑削方式是四軸三聯(lián)動(dòng)成型加工而成，執(zhí)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性將直接影響月牙槽的加工精度及加工效率。為此，XK9350 擺頭銑床升級(jí)改造執(zhí)行系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)。

3.3 X 軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

X 軸設(shè)計(jì)為飛刀主軸，直接承受飛刀銑削過程中的切削抗力，消耗功率大，安裝結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)距離長，占用空間尺寸狹小，工作環(huán)境差，傳動(dòng)精度高，設(shè)計(jì)X 軸與伺服電機(jī)采用同步齒形帶傳動(dòng)方式可以很好地滿足機(jī)床改造目標(biāo)要求。

(1)X 軸切削力計(jì)算

飛刀銑床X 軸為銑削月牙槽加工動(dòng)力軸，銑削過程中的主切削力計(jì)算公式為:

式中，F(xiàn)C是主切削力;ap是切削深度;f 是進(jìn)給量;Vc是切削速度。

飛刀銑床X 軸銑刀材質(zhì)為硬質(zhì)合金，月牙槽加工為溝槽加工方式，進(jìn)給為0.3 mm/r 時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式選擇系數(shù)及指數(shù)為:系數(shù)CFC=367;指數(shù)xFC=0.72;指數(shù)yFC=0.8;指數(shù)nFC=0;進(jìn)給為0.1 mm/r 時(shí)進(jìn)給修正系數(shù)KFC=1.18

則:FC=9.81×367×3.50.72×0.10.8×1.18=1 567.63 N

(2)X 軸伺服電機(jī)選型

X 軸切削力FC為1 567.63 N，額定轉(zhuǎn)速要求160 r/min，根據(jù)電機(jī)額定扭矩、電機(jī)額定輸出、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、伺服單元的容許負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，初步選用安川SGMGH 44ACA61 伺服電機(jī)。其輸出功率4.4 kW、輸出轉(zhuǎn)矩28.4 Nm、額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，瞬間最大扭矩71.1 N·m，伺服單元容許最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量67.5×10－4(kg·m2)。經(jīng)過所需要啟動(dòng)扭矩及扭矩有效值的確認(rèn)，選用上述伺服電機(jī)可供使用。帶17bit 增量編碼器，匹配同步齒形帶降速比i=2.75 傳動(dòng)，可滿足X 軸最小設(shè)定0.001°精度要求，并滿足X 軸驅(qū)動(dòng)力及伺服性能。

(3)伺服控制器的選型

伺服控制器的選型取決于伺服電機(jī)?！?Ⅱ型伺服控制器采用高性能CPU 及專業(yè)ASIC 開發(fā)設(shè)計(jì)，選配SGMGH 44ACA61 伺服電機(jī)，使伺服系統(tǒng)具有高分辨率、低速穩(wěn)定性、負(fù)載響應(yīng)快、自動(dòng)設(shè)定電機(jī)參數(shù)等特性。采用此種選型設(shè)計(jì)完全滿足XK9350 改造后的控制性能及精度要求。根據(jù)伺服電機(jī)容量為4.4 kW，選用配套容量為5.0 kW 的專用工作機(jī)械進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的SGDM-50ADA 伺服控制器控制驅(qū)動(dòng)X 軸伺服電機(jī)。

(4)同步齒形帶的選型

同步齒形帶傳動(dòng)準(zhǔn)確，對(duì)軸作用力小，遠(yuǎn)距離傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，耐油耐磨性好，抗老化性能好，環(huán)境溫度在－20～80℃，線速度可達(dá)50 m/s，傳動(dòng)比范圍寬，在低速傳動(dòng)中具有良好的同步性能。由于X 軸伺服電機(jī)安裝位置與飛刀主軸距離較遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精度要求高，因此X 軸傳動(dòng)采用同步齒形帶傳動(dòng)。

同步齒形帶的選型:

計(jì)算功率:Pc=KAP=7.48 kW

式中，KA是同步齒形帶工況系數(shù)。每日16 h 工作制，用于機(jī)床傳動(dòng)，選擇KA=1.7;P 是傳遞的功率，P=4.4 kW。

選擇帶型:根據(jù)Pc=7.48 kW 和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n1=1 500 r/min，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》，應(yīng)選用H 型，傳動(dòng)帶節(jié)距Pb=12.7 mm。

選取小帶輪齒數(shù):Z1＞Zmin，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》得Zmin=18，兼顧伺服電機(jī)輸出軸徑及X軸軸徑要求，選取Zmin=20

小帶輪節(jié)徑:d1=Z1Pb/π=20×12.7/3.14=80.85 mm

大帶輪齒數(shù):Z2=iZ1=2.75×20=55

大帶輪節(jié)徑:d2=Z2Pb/π=55×12.7/3.14=222.45 mm

傳動(dòng)帶速:v=πd1n1/6 000=π80.85×1 500/60 000=6.35 m/s

初定中心距a0:安裝結(jié)構(gòu)確定中心距在320 mm 左右。

選用帶長及齒數(shù):計(jì)算帶長Lpo=2a0+π(d1+d2)/2+(d2－d1)2/4a0=2×320+3.14×303.3/2+141.62/1 280=1 131.85 mm

按照《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》表10.36 選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度Lp=1 143.00 mm，齒形帶齒數(shù)為Zp=90，代號(hào)450。

理論中心距:a≈a0+(Lp－Lpo)/2=320+(1 143－1 131.85)/2=325.57 mm(采用中心距可調(diào))

小帶輪嚙合齒數(shù):Zn≈［1/2－(d2－d1)/6a］z=8.6

實(shí)際嚙合齒數(shù)Zn＞最小嚙合齒數(shù)Zmin=6

基本額定功率計(jì)算:Po=(Fp－mv2)v/1 000=(2 100.85－0.448×6.352)×6.35/1 000=13.23 kW

《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》表10-41 查得許用工作拉力Fp=2 100.85 N，單位長度質(zhì)量m=0.448 kg/m，基準(zhǔn)寬度bso=76.2 mm。

同步齒形帶寬度:bs=bso(Pc/KzPo)1/1.14=76.2×(7.48/13.23)1/1.14=39.776 mm

按照《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs=50.8 mm，代號(hào)200。

作用于軸上的力為:Fr=1 000Pc/v=1 000×7.48/6.35=1.178 kN

查SGMGH 44ACA61 伺服電機(jī)作用于軸上所允許的最大徑向力為1 470 N，實(shí)際作用力Fr小于額定值，因此徑向力校核計(jì)算滿足要求。

所選擇同步齒形帶的型號(hào)為:450H200 GB11616

帶輪的結(jié)構(gòu)和工作圖:

查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》選用雙邊擋圈bf=52.8 mm，擋圈厚度t=2 mm，小帶輪外徑d01=79.48 mm，選用直邊齒廓，確定齒廓尺寸，小帶輪齒廓尺寸如圖1。

3.4 伺服系統(tǒng)的安裝調(diào)試實(shí)例

伺服系統(tǒng)的安裝調(diào)試包括:數(shù)字操作器的連接、指令控制器的連接、伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接、編碼器的連接、伺服控制器控制電源及動(dòng)力電源的連接、再生電阻器的連接(當(dāng)內(nèi)置電阻器容量不夠時(shí)，在端子B1、B2 之間安裝外置式再生電阻器。)、DC 電抗器的連接(電源高諧波抑制用，串聯(lián)在整流電路的輸出側(cè)，對(duì)于容量為6 kW以下的伺服單元設(shè)置電抗器端子1、端子2，用于串聯(lián)DC 電抗器)等。

(1)安川∑-Ⅱ型伺服系統(tǒng)安裝原理圖，見圖2。

(2)通電前的檢查:首先確認(rèn)伺服驅(qū)動(dòng)SGMGH44ACA61 與伺服電機(jī)SGDM50ADA 插頭的連接，相序是否正確。具體連接圖，見圖3。

確認(rèn)伺服驅(qū)動(dòng)器CN2 與伺服電機(jī)編碼器連接正確，接插件螺絲擰緊。確認(rèn)伺服驅(qū)動(dòng)器CN1和數(shù)控系統(tǒng)的插頭連接正確，接插件螺絲擰緊。

(3)通電時(shí)檢查:確認(rèn)三相主電路輸入電壓在200 V～220 V 范圍內(nèi)，此伺服電源選用380 V/200 V 三相伺服變壓器。確認(rèn)單相輔助電路，輸入電壓在200 V～220 V 范圍內(nèi)。

圖1 小帶輪齒廓圖Figure 1 Teeth form drawing of smaller pulley

圖2 伺服系統(tǒng)安裝原理圖Figure 2 Installation principle diagram of servo system

圖3 相序圖Figure 3 Phase sequence diagram

(4)對(duì)安川伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。分為兩部分:參數(shù)密碼設(shè)定;用戶參數(shù)和功能參數(shù)設(shè)定。

參數(shù)密碼設(shè)定是用于用戶參數(shù)禁止改寫處理，防止無意間改寫用戶參數(shù)的功能。禁止改寫的用戶參數(shù)是所有用戶參數(shù)Pn□□□系列及部分輔助功能Fn□□□系列。在輔助參數(shù)設(shè)定時(shí)進(jìn)入P□□□□狀態(tài)輸入P0000 為允許改寫，輸入P0001 為禁止改寫。

用戶參數(shù)和功能參數(shù)的設(shè)定主要用于選擇和調(diào)整功能。包括參數(shù)設(shè)定及功能選擇兩種類型。參數(shù)設(shè)定是將要調(diào)整的參數(shù)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變更;功能選擇是將已分配給面板操作器各位數(shù)的功能進(jìn)行選擇，比如將功能選擇基本開關(guān)Pn000 的控制方式選擇為Pn000.1，則在控制方式由速度控制方式變更為位置控制方式。

(5)伺服驅(qū)動(dòng)器伺服增益的調(diào)整

將用戶參數(shù)及功能參數(shù)設(shè)定好后，開始調(diào)整伺服增益。伺服單元具有決定伺服響應(yīng)特性的伺服增益，通過調(diào)整伺服增益，可以調(diào)整伺服單元的響應(yīng)特性。

伺服單元由3 個(gè)反饋系構(gòu)成:電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，越是內(nèi)環(huán)，越要提高其響應(yīng)性。位置框圖見圖4。

從圖4 可以看出，伺服單元用戶參數(shù)中主要包括如下增益:位置環(huán)增益Pn102;扭矩指令濾波器時(shí)間常數(shù)Pn401;速度環(huán)增益Pn100;速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)Pn101。

圖4 位置框圖Figure 4 Position block diagram

調(diào)整步驟如下:正確的設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比Pn103→在機(jī)械不產(chǎn)生震動(dòng)的范圍內(nèi)盡可能的提高速度環(huán)增益Pn100，同時(shí)減少速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)Pn101→調(diào)整扭矩指令，濾波器時(shí)間常數(shù)Pn401 置于不產(chǎn)生震動(dòng)的設(shè)定→重復(fù)1、2 步驟將變更的值減少10%～20%→位置控制時(shí)，在機(jī)械不產(chǎn)生震動(dòng)的范圍內(nèi)提高位置環(huán)增益Pn102。

4 整機(jī)改造效果

XK9350 整機(jī)改造完畢，經(jīng)驗(yàn)收后投入使用。經(jīng)過15 個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到改造指標(biāo):

(1)XK9350 飛刀數(shù)控銑床完全可以加工GB1499.2—2007 熱軋帶肋鋼筋、澳、新標(biāo)4671:2001、BS4449、KSD3504:2001、JISG3112 等各類標(biāo)準(zhǔn)成品軋輥月牙槽，加工精度滿足以上各類標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)XK9350 飛刀數(shù)控銑床加工軋輥輥徑范圍可達(dá)?310 mm～?500 mm;規(guī)格范圍可達(dá)螺紋?12 mm～螺紋?50 mm。

(3)XK9350 飛刀數(shù)控銑床滿足硬度為80HS的高硼鋼軋輥月牙槽孔型的加工性能要求，為高硬度軋輥的持續(xù)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

(4)SINUMERIK802C Base Line 微處理數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)及伺服電機(jī)工作穩(wěn)定，操作安全可靠。

(5)系統(tǒng)分辨率達(dá)到0.001 mm 或0.001°，軋輥月牙槽加工精度達(dá)到0.02 mm，加工效率達(dá)到17 min/槽。

(6)軋輥加工效率與軋輥消耗達(dá)到了平衡狀態(tài)，完全滿足了棒材廠產(chǎn)能提升及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)提升等核心競爭力提升的新要求。

5 結(jié)語

該項(xiàng)目實(shí)施完成后系統(tǒng)穩(wěn)定，機(jī)床的加工能力擴(kuò)大、加工效率及穩(wěn)定性提高、加工精度大大改善，實(shí)現(xiàn)了高硼鋼等高硬度軋輥的持續(xù)加工，滿足了棒材廠應(yīng)用新材料、擴(kuò)大產(chǎn)能、提高指標(biāo)的要求，提高了棒材廠的核心競爭力，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)735.44 萬元。