大型重载多功能数控轧辊磨床的研制_王伟荣

图1 MK84200/15000-H数控轧辊磨床外观图 设计与开发大型重载多功能数控轧辊磨床的研制王伟荣（上海机床厂有限公司 上海200093）摘 要 介绍了对钢铁、造纸、橡胶工业等领域可实现中凸（凹）曲线辊面以及圆锥形辊面等部位磨削的数控轧辊磨床，研制开发了集烘缸、轧辊磨削于一体的新型复合、大型、重载数控轧辊磨床。

对可以实现对拖板纵向进给运动、砂轮架横向进给运动以及测量臂移动控制的“SGS 磨削之星”软件在轧辊磨削中的应用作了肯定。

通过对机床部件进行的有限元分析，提高了新型复合、大型、重载数控轧辊磨床的性能，得到了显著效果。

关键词 大型 重载 数控复合轧辊磨床 磨削之星随着钢铁、造纸、橡胶等工业领域的发展，对各种烘缸、轧辊的要求越来越趋于尺寸大型化，结构复杂化，辊面多样化。

为了满足工业生产的实际需要，上海机床多年来一直从事大型、重载、高精度数控轧辊的研发，最近研制的MK84200/15000–H 数控轧辊磨床可满足大型轧辊及复杂辊面的磨削，并可用大型烘缸的曲面磨削，属新型的复合磨床。

1 MK84200/15000-H 数控轧辊磨床介绍MK84200/15000-H 数控轧辊磨床（如图1所示）是集烘缸磨削、轧辊磨削于一体的新型复合重型数控轧辊磨床，可对造纸行业中烘缸及钢铁行业、橡胶行业中的轧辊进行磨削，如对支承辊、工作辊、橡胶辊等的粗磨、精磨加工，能够完成中凸（凹）曲线辊面以及圆锥形辊面等部位的磨削。

MK84200/15000–H 数控轧辊磨床为砂轮架移动式数控轧辊磨床，磨床的前、后床身为分离式结构，砂轮架由拖板带动可在后床身上纵向移动，配合X 轴的进给运动，能够实现两轴联动，完成各种型面的数控磨削及型面修整。

砂轮架通过直线导轨可在拖板上作横向移动，实现进给磨削。

工件装夹在位于前床身的头架及尾架之间，由头架带动工件旋转，可实现无级调速。

装卸工件采用软着陆装置，方便工件的装卸。

尾架顶尖套筒机动伸缩，并配有工件顶紧力检测装置，保证工件安全可靠夹紧。

尾架由电动机驱动可在前床身上纵向移动，适应不同长度工件的磨削需要，通过液压锁紧可实现磨削范围内任意长度的可靠定位。

尾架上配有砂轮修整器，可对砂轮进行修整。

测量装置采用双点式结构固定于拖板以便实现自动修整，自动磨削。

此机床还具有砂轮自动趋进功能。

1.1 机床主要技术规格参数最大磨削直径 2 000 mm 可扩展至 2 200 mm 最小烘缸磨削直径 80 mm最小轧辊磨削直径 390 mm 工件最大质量 85 000 kg 最大工件长度 15 000 mm 顶尖距 15 000 mm 工件转速范围(无级) 4～40 r/min 砂轮尺寸（外圆直径×宽度×内孔直径） 图1 MK84200/15000–H 数控轧辊磨床1 250 mm ×120 mm ×508 mm161 100 mm ×100 mm ×508 mm砂轮线速（恒线速） 45 m/s数控最小分辨率 0.000 1 mm砂轮架移动速度 10～1 020 mm/min拖板移动速度(Z 轴) 40～4 000 mm/min测量直径范围 80～2 200 mm托架支承直径范围 100～850 mm软着陆装置托直径托持范围 800～2 000 mm 冷却泵流量 400 L/min 砂轮架拖板往复运动（Z 轴）头架驱动交流电动机 132 kW 测量装置进给运动 （X 1轴、X 2轴） 砂轮架驱动交流电动机 132 kW 圆柱面磨削精度圆度 0.003 mm纵截面上直径一致性 0.004 mm表面粗糙度R a 0.1 μm中凸(凹)面磨削精度圆度 0.003 mm 辊形误差 0.004 mm 表面粗糙度 R a 0.2 μm 1.2 机床控制系统MK84200/15000-H 型数控轧辊磨床，采用西门子840D 数控系统，内置可编程控制器（PLC ），数控系统显示屏采用彩色TFT 显示器，其操作系统采用WINDOMS XP 工业版操作系统，带 10/100自适应以太网卡、USB 接口、鼠标等接口，PLC 模块的外部I/O 接点通过ProfiBus 工业现场总线传输到控制系统。

中文操作界面具有专用于轧辊磨床的专用菜单，并且可方便的在CNC 系统及磨削软件之间直接切换。

轧辊磨床软件采用了自主研发“SGS 磨削之星”，可以实现对拖板纵向进给运动的控制、砂轮架横向进给运动的控制、以及测量臂移动的控制等。

图2 头架结构 数控系统的功能包括： （1）自动趋进对刀功能；（2）砂轮磨损及修整后补偿功能； （3）故障智能诊断、查询功能； （4）磨削及修整过程中断功能； （5）程序自动控制磨削；（6）反向间隙、螺距误差补偿功能；（7）具有储存100条以上曲线程序的功能； （8）具有RS232 – C 及RS485通讯接口； （9）砂轮架进给超程、过载保护功能；（10）自适应磨削功能； （11）头架无级变速及砂轮恒线速功能； （12）机床故障报警灯闪烁功能； （13）砂轮自动动平衡功能； （14）机床断电砂轮自动后退功能； （15）自动测量功能； MK84200/15000-H 的数控轴数为： 砂轮架横向进给运动（X 轴） 中凸（凹）磨削运动（U 轴）1.3 机床主要部件结构 1.3.1 床 身 MK84200/15000–H 数控轧辊磨床前、后床身为分离式结构，前床身和拖板床身均采用高强度铸铁制造。

床身结构在设计过程中充分考虑到热变形及重载变形等因素，对床身铸件进行热处理，以消除铸造应力，避免引起床身扭曲变形。

通过结构优化提高了强度、刚度及稳定性。

在工件拖板床身间安装了不锈钢水槽，并用流水冲洗，保持清洁，避免磨削废液等对周围环境的污染。

1.3.2 头 架 头架是工件在旋转时的主要驱动装置，头架结构如图2所示。

头架拨盘由精度和刚度极高的高精图2 头架结构 度滚动轴承支承，具有自定位功能。

头架由高性能交流电机通过减速器及皮带降速驱动，用以带动工件回转，通过变频器对电机进行无级调速。

头架传动皮带采用扇形板结构张紧，调节方便可靠，头架顶尖为死顶尖结构,托磨削最大工件重量可达85 t 。

为适应不同磨削场合的需要，工件带动方式有顶尖17孔式，万向联轴器式及柔性联接式等方式，用户可根据现场情况任选其一。

1.3.3 烘缸驱动装置烘缸驱动装置专为烘缸磨削设计，烘缸驱动装置如图3所示。

它由底座及高精度减速机两部分组成，动力由头架传动轴提供，通过万向联轴器联该装置用于磨削接，减速机可横向移动，以满足小工件的加工需要。

小规格及一定重量的烘缸，工件带动方式有顶尖孔式，万向联轴器式及柔性联接式等方式，用户可根据现场情况任选其一。

18 图3 烘缸驱动装置1.3.4 尾架尾架结构如图4所示。

尾架体壳分上下二层，上层可横向微量移动，用以调整头尾架顶尖轴心线与拖板运动方向的平行。

顶尖套筒的伸出与缩进可由电机或手动旋转带动。

尾架顶尖装有轴向顶紧力数字式显示控制装置，通过应变片式或半导体式力传感器，顶尖的轴向顶紧力可直接显示。

MK84200/15000–H 数控轧辊磨床顶尖套筒的最大伸缩距离为150 mm 。

尾架可由电机驱动作纵向移动，当尾架定位后，由机械及液压压紧机构将尾架可靠地紧固在工件床身上，尾架后端设有止退装置，可有效防止尾架承载后后退。

尾架后端装有固定式砂轮修整器，可修整砂轮外圆。

尾架前端配有自动测量仪精度校准环。

1.3.5 拖 板（Z 轴）拖板布置于拖板床身上，拖板的纵向运动驱动力由SIEMENS 交流伺服电机经高精度减速器，通过高精度无间隙啮合的齿轮-齿条提供。

拖板运动支撑导轨为贴塑压力润滑导轨，导轨各油腔压力均匀，低速运动平稳，定位精度高，并且各腔压力均有压力表显示，便于检测。

拖板上布置有砂轮架、垫板、拖板驱动机构、操纵台、电气及液压器件、冷却喷嘴等功能部件，电气及液压管线通入拖板内腔。

为保证操作者的安全操作，拖板上装有防护栏杆及防护板，前侧装有前置式平台，以便砂轮对刀及修整，磨削时平台缩回原位，后侧装有上下梯，便于操作者上下。

1.3.6 砂轮架（X 轴）图3 烘缸驱动装置 砂轮架结构如图5所示。

砂轮架装在拖板上，砂轮架的横向进给运动由交流伺服电机经一对同步带轮及高精度滚珠丝杆传动。

为保证砂轮架进给的高精度和高刚度，滚珠丝杆两端由预加负荷的高精度成对滚动轴承支承。

砂轮架导轨采用了高精度滚柱直线导轨（附带阻尼块），使砂轮架快速进给响应性好，定位精度及重复定位精度高。

图5 砂轮架结构图图5 砂轮架结构 1.3.7 砂轮主轴系统图4 尾架结构 图4 尾架结构 为保证砂轮的高刚度及高精度支撑，砂轮主轴轴承采用薄膜反馈高压动静压轴承结构，主轴轴承润滑油由独立供油装置供给。

供油装置配有高精度过滤装置以及油温、液位、流量监控装置，能够实现恒温、稳压供油；具有完善的压力保护、失电失压保护、故障报警功能，安全可靠、维护方便，保证了砂轮主轴的高精度、高刚度、高负荷、高可靠性的要求。

砂轮主轴端部装有砂轮在线自动平衡仪，在磨削过程中通过平衡补偿，可有效地保证整个砂轮主轴系统的回转精度，能够充分满足使用国产砂轮进行轧辊磨削的平衡要求。

1.3.8 中凸（凹）机构（U 轴）中凸（凹）机构原理如图6所示。

采用静压偏心套结构，其砂轮轴轴承体是偏心套筒，套筒与砂轮架体壳配合采用与砂轮主轴相同结构原理的静压技术。

当偏心套转动时，形成灵敏的摆动进给，可 实现各种任意曲线的磨削。

图6 中凸（凹）机构原理图偏心套筒转位由交流伺服电机驱动，滚珠丝杆带动偏心套上的悬臂实现偏心套的微量角度的偏转。

悬臂下装有液压缸，通过机械结构使悬臂始终与丝杆螺母接触以消除间隙，当磨床突然停电时，通过蓄能器使液压缸反向推动悬臂，快速将砂轮退出工件表面，起到断电保护作用。

该运动与拖板（Z 轴）运动相复合，在轧辊表面磨削出所需形状。

1.3.9 托架托架（如图7所示）安装于工件床身上，可沿床身导轨由电机驱动移动。

图7 托架结构图7 托架结构托架支承块有手动调整机构，采用双瓦支承，托架分上、下两层，上层可横向移动。

托瓦采用巴氏合金，通过更换不同厚度的托瓦，可磨削不同直径的轧辊。

1.3.10 自动测量装置交流伺服电动自动测量装置安装在拖板上，可实现工件圆度、直径、纵截面直径一致性、辊形误差等的检测，测量装置结构如图8所示。

偏心套筒 滚珠丝杆通过采用高刚性、高强度、小变形单臂横梁框架式结构，保证和测量数据的准确性。

测量系统设有测量臂防掉装置，保证了测量的稳定与安全性。

测量系统采用双点式测量装置，两个测量点的水平移动采用双丝杆双导轨式双驱动形式，测量脚的上翻与下压由摇摆马达来驱动实现，测量数据通过HEIDENHAIN 光栅获得。