面向轧辊磨削的数控系统研究

张鹏翔，王冬，敖梓铭，李瀚洋，李学崑,3

(1.华辰精密装备(昆山)股份有限公司，江苏昆山 215337；2.清华大学机械工程系，北京 100084；3.摩擦学国家重点实验室，北京 100084)

0 前言

轧辊磨削是一种典型的外圆磨削加工。完整的轧辊磨削过程由多个功能组成，包括成型磨削、轧辊测量、砂轮修整等。为了实现轧辊磨削并达到所需的加工精度和加工效率，数控系统需根据实际要求控制轧辊磨床运动以实现轧辊磨削所需的各项功能。因此，数控系统需要包含这些功能，并能实现功能之间的顺序和跳转执行，从而减少由于人工干预可能导致的加工精度或加工效率降低[1-2]。

目前第三方数控系统主要是针对车削、铣削和平面磨削等加工过程开发而成，一般不具备轧辊磨削所需的相关功能。这些数控系统应用于轧辊磨削加工时，需要进行二次开发才能实现与轧辊磨削相关的功能[3-4]。典型的开发案例为在西门子840D数控系统基础上采用表格曲线插补和R参数读写等方式实现轧辊磨削的各项功能要求[5-7]。由于第三方数控系统具有封闭性，在其基础上所进行的二次开发只能在该系统所提供的功能基础上进行，具有较大的局限性。例如：无法直接实现特殊辊型(高次方曲线等)的插补算法，只能以微小直线段等方式拟合；无法实现与轧辊磨削相关的实时控制功能，如磨削力的实时柔顺控制等。因此，在第三方数控系统基础上研发的轧辊磨床数控系统在很大程度上限制了磨削效率和磨削精度的提升。

本文作者旨在研发一种针对轧辊磨床和轧辊磨削特点的专用数控系统。该系统以模块化的方式实现轧辊磨削的各项功能，以参数化的形式定义功能的相关接口。机床操作人员通过调用不同磨削功能模块，输入相关磨削参数，并根据需求确认各功能模块的执行顺序，即可实现轧辊磨削的各项功能。

1 轧辊磨削功能研究

轧辊磨床一般具有X轴、Z轴、S轴和W轴，其中X轴和Z轴间的联动形成磨削轨迹，S轴为砂轮旋转轴，W轴为轧辊旋转轴。此外，部分型号的机床还具有U轴、B轴和用于轧辊测量的测量部件。

轧辊磨削的主要功能为成型磨削、砂轮修整和轧辊测量三大种类。成型磨削主要为按照工艺将轧辊磨成指定的形状、尺寸和精度。轧辊的形状主要有直线段、圆弧段、正弦函数曲线段、高次方曲线段以及由多个不同类型曲线段衔接而成的组合曲线段等。砂轮修整主要为根据磨削要求将砂轮修整成指定的形状，如圆弧、倒斜角和圆角等。轧辊测量主要为测量轧辊的形状、圆度和安装误差，可以用于获取轧辊磨削前的初始状态，评估磨削过程中及磨削完成后的磨削质量。

因此，完整的轧辊磨削过程一般由多个磨削功能组成。操作人员根据磨削工艺要求进行选择，按执行的先后顺序进行排列，由此形成轧辊磨削工序。典型的磨削工序为：磨前测量、砂轮修整、成型磨削、磨削过程中的辊型测量和圆度测量、成型磨削、磨后辊型测量和圆度测量，其中磨前测量包括辊型测量、圆度测量、安装误差测量3个功能。数控系统以磨削工序作为输入，根据实际磨床的轴配置特点，控制轴的运动实现每个磨削功能。数控系统在成型磨削过程中，需控制X轴和Z轴的联动形成磨削轨迹，控制S轴和W轴的转速；在砂轮修整中，需控制X轴和Z轴的联动形成砂轮所需的修整形状，同时控制S轴的转速；在轧辊测量中，需控制Z轴的运动、W轴的转速、测量设备的动作和读取测量结果。此外，在实际磨削过程中，操作人员可以根据实际情况要求数控系统实现工序之间的跳转、某个工序提前结束或全部工序的停止。

2 数控系统架构研究

2.1 数控系统硬件架构

由前面两节的研究内容可知，为了满足轧辊磨削的特殊要求，针对所研究的数控系统，需从硬件和软件两部分展开研究。数控系统主要根据磨削工序及其包含的信息、人机交互界面和操作面板等产生的控制指令数据，通过控制电机的运动实现对轧辊的磨削。

数控系统的硬件部分采用开放式架构，主要组成部分为：主控制单元、伺服驱动器、驱动电机、端子模块和其他辅助部件[8-10]。该硬件架构如图1所示。

图1 数控系统硬件架构示意

在图1中，主控制单元采用工控机，为数控系统的核心部件。该控制单元负责处理轧辊磨削功能，由内部的运动控制算法产生轴位置、速度指令和其他控制指令，通过EtherCAT总线传输至电机驱动器和端子模块并接收返回的状态数据，从而实现磨削功能。端子模块主要用于接收开关量、脉冲量和模拟量等信号，同时生成控制相关设备所需的开关量、脉冲量和模拟量等信号。

2.2 数控系统功能架构

数控系统是典型的实时控制系统，需周期性地产生控制指令，并由EtherCAT总线在每个控制周期与驱动器和端子模块进行数据交互。此外，数控系统为多任务控制系统，除数控系统本身的控制任务外，还有其所依托的操作系统自身的任务。为了确保数控系统能可靠地运行以及相关控制任务能按照控制周期准确执行，此处将数控系统的任务划分为非实时任务、弱实时任务和强实时任务3个层次[11]。因此，数控系统的任务架构如图2所示。

图2 数控系统任务架构示意

在图2中，非实时层主要包含HMI任务和上位处理任务。HMI任务用于显示机床的相关信息和进行人机交互操作。上位处理任务主要是对外部输入数据进行处理，如形成轧辊磨削数据等，写入共享内存从而传递给数控系统的弱实时任务，并读取共享内存获取机床相关数据再传递给HMI任务。

相比数控系统的强实时任务，弱实时任务的控制周期更长。弱实时层任务包含数控系统主处理任务和设置任务。主处理任务的作用是维持数控系统的正常运转，对共享内存进行数据读写，并决定在设置、磨削、回参和手动4种状态中相互切换。设置任务主要用于配置系统的参数以及对驱动器或端子模块进行参数读写设置。

强实时层包含磨削控制任务、回参控制任务和手动控制任务。回参控制任务用于实现轴的回参考点功能，一般用于X轴、Z轴、U轴、B轴和W轴。手动控制任务主要用于通过手持单元或HMI界面来控制轴的运动以及对机床其他设备进行控制，如冷却水开关和测量设备的操作等。磨削控制任务是此数控系统的核心部分，所有磨削功能全部在该任务中实现，等同于其他机床自动状态下的任务。

数控系统所有任务的控制结果最终都转变成轴和端子模块上对应设备的控制指令。这些数据作为EtherCAT数据帧的一部分发送至驱动器和端子模块，从而达到控制目的。此外，驱动器和端子模块的状态数据也通过EtherCAT数据帧返回，最终返回至HMI界面，显示机床和加工状态。

3 磨削功能实现研究

3.1 成型磨削实现

成型磨削功能用于控制机床对轧辊按照指定的辊型和磨削参数进行磨削，为文中数控系统的核心功能，决定了轧辊的磨削精度和效率。根据机床的结构特点和轧辊磨削要求，成型磨削功能执行流程如图3所示。

图3 成型磨削流程

辊型数据用于描述轧辊所需磨削的形状，主要包含轧辊磨削长度和辊型特征参数。磨削工艺数据主要包含进给速度、S轴和W轴转速、磨削次数、端部进给量和换向延时等。趋近数据主要用于定义砂轮以何种方式与轧辊相接触从而实现磨削，主要包含趋近类型和趋近位置等数据。

趋近测量为控制测量设备靠近轧辊执行测量动作，再根据测量结果和已知的砂轮直径计算出砂轮与轧辊相接触时X轴对应的位置。

趋近控制按趋近类型控制X轴的运动使得砂轮与轧辊相接触。趋近类型有3种：位置趋近、电流趋近、手动趋近。位置趋近为X轴移动至趋近测量结果的位置。电流趋近为X轴的移动位置使得砂轮电机转矩电流达到指定值。手动趋近为操作人员通过手持单元控制X轴的移动。

磨削控制为插补算法根据辊型参数和磨削工艺参数控制X、Z轴的联动，使得砂轮按要求对轧辊进行磨削。此数控系统除了常规的直线段和圆弧段插补算法外，还针对性地开发正弦曲线段、高次方曲线段的插补算法，避免以微小直线段拟合产生的轨迹误差。此外，插补算法可以同时叠加其他实时控制算法，如磨削力的柔顺控制算法、进给速度动态控制算法、安装误差补偿算法和各种辊型补偿算法等[12-13]。在磨削过程中，操作人员可以通过手持单元控制X轴的运动，该运动量将叠加在插补算法输出结果上。大部分磨削工艺参数可随时更新并在磨削换向时生效，部分参数更新立即生效。

砂轮直径测量用于更新磨削后砂轮的直径，动作与趋近测量相同，根据测量结果和磨削控制结束前的X轴位置计算出当前砂轮直径。

3.2 砂轮修整实现

砂轮修整是为了保持砂轮在磨削过程中与轧辊间接触的一致性。砂轮修整功能执行流程如图4所示。

图4 砂轮修整流程

在图4中，修整数据包含两部分：砂轮数据用于定义砂轮宽度和修整特征；修整工艺数据包含修整次数、修整速度和砂轮转速等。

砂轮修整点定位控制主要用于确定砂轮修整器(金刚笔或金刚滚轮等)与砂轮之间的位置关系。由于砂轮修整器一般安装在机床尾架处，而尾架在机床上的位置与所磨削的轧辊长度有关，数控系统通过控制Z轴的运动和检测开关量信号确定Z方向的修整位置。由于不同砂轮所对应的直径不相同，数控系统通过手持单元控制X轴移动确定X方向的修整位置。对于同一砂轮再次修整，数控系统控制X轴移动至上一次修整结束的X位置。

砂轮修整功能控制为通过砂轮修整插补算法控制X、Z轴的联动实现修整目的。该插补算法主要适用于：直线段、圆弧段和两者形成的组合曲线段。修整工艺参数可随时更新并在修整换向时生效。

3.3 轧辊测量实现

轧辊测量主要有辊型、圆度和安装误差3种类型[14-15]。轧辊测量功能执行流程如图5所示。

图5 轧辊测量流程

如图5所示，测量数据主要包含测量类型、测量起始点和结束点(辊型测量和安装误差测量用)、测量时Z轴的速度、测量点个数和对应位置(圆度测量用)、测量次数和轧辊转速等数据。数控系统根据具体的测量类型，选择执行圆度测量、辊型测量或安装误差测量3个控制子任务中的1个。

轧辊圆度测量控制为数控系统控制测量设备对每个测量点进行直径测量并根据轧辊转速和测量次数对该点进行重复测量。圆度结果为根据所在测量点上轧辊不同角度所对应的直径变化量得到。

辊型测量控制为数控系统控制Z轴的运动，由测量起始点至结束点按测量次数进行往复运动。在该运动过程中，测量设备同时对轧辊进行直径测量，以测量起始点处的轧辊直径值为基准值，不同点的直径测量值组成辊型测量结果。

轧辊安装误差测量与辊型测量类似，不同之处在于测量设备在安装误差测量过程中需要3个测量头同时工作，而圆度测量和辊型测量只需要2个测量头同时工作。安装误差测量所增加的测量头用于消除辊型变化，从而得到真实的安装误差。此外，安装误差一般在磨前进行，所得到的结果用于在成型磨削过程中进行安装误差补偿。

数控系统按插补频率对轧辊测量结果进行采样，并将测量结果存放在由共享内存组成的环形缓冲区。上位处理程序读取轧辊测量结果后，按测量起始点到结束点进行排序处理，并在HMI界面上显示结果。

4 实验验证

为验证此数控系统的可行性，基于该数控系统进行轧辊磨削控制实验。主控制单元采用工控机，其中处理器采用X86架构的Core i7-3770 CPU，操作系统为Windows 7 64位系统。数控系统开发环境为德国3S公司的CodeSys控制系统编程软件，且数控系统运行在该编程软件提供的实时运行系统上。数控系统的弱实时任务执行周期为4 ms，强实时任务(插补任务插补周期和EtherCAT总线通信周期)执行周期为0.25 ms。根据上述研究，此数控系统采用符合IEC 61131-3标准的编程语言(结构化文本和梯形逻辑图)实现所有弱实时任务和强实时任务，主要采用C#语言实现非实时任务。

在此数控系统中，X、Z、S和W轴的驱动器采用支持EtherCAT通信协议的型号，测量设备所用到的电机由于只需要转速控制和限位检测，相应电机的驱动器为模拟量控制。测量设备的长度计输出TTL信号，传输至端子模块中的脉冲量计数器，并由此计算出测量结果。驱动器和端子模块具体如图6所示。

图6 数控系统的电气部件(局部)

用于磨削测试的轧辊磨床型号为MK8445，如图7所示，为工件移动式，最大加工直径为450 mm，其Z轴行程为4 200 mm，X轴行程为370 mm，砂轮最大转速为1 200 r/min，轧辊最大转速为140 r/min。

图7 磨削测试实验用的MK8445轧辊磨床

在图7中，用于磨削测试的轧辊所需的磨削长度为531 mm，目标辊型为正弦曲线，凹度为0.02 mm，半角为60°。磨削工序为砂轮修整、成型磨削、辊型测量和圆度测量。其中，该轧辊的成型磨削过程如图8所示。

图8 轧辊实际成型磨削过程

如图8所示：在成型磨削过程中，操作人员可修改磨削参数并在磨削换向时生效，也可提前结束成型磨削工序或整个磨削工程，还可通过手持单元手动控制X轴的运动，通过操作界面可临时更改磨削方向。

在轧辊磨削功能执行之前，数控系统需执行砂轮修整过程。实际修整过程如图9所示，其中砂轮修整器为金刚笔，安装在尾架靠近砂轮的侧面。所采用的砂轮宽度为60 mm，修整类型为修圆弧，且圆弧高度为0.03 mm。

图9 砂轮实际修整过程

在轧辊磨削功能完成后，数控系统一般执行辊型测量和圆度测量两个轧辊测量功能，用于评估轧辊磨削指令，该过程如图10所示。数控系统通过实时记录轧辊Z方向位置、两个长度计的读数和轧辊当前角度得到测量结果。

图10 轧辊实际测量过程

轧辊的Z方向测量起始点为18 mm，测量结束点为488 mm，测量速度为1 200 mm/min，测量次数为2次，测量结果如图11所示。轧辊磨削后的辊型误差最大值为2.23 μm，为两次测量结果的平均值。

图11 辊型测量结果

轧辊圆度测量点为Z方向18 mm处，轧辊转速为30 r/min，圆度测量结果如图12所示。轧辊在该点处的圆度为1.04 μm，为3次测量结果的平均值。

图12 圆度测量结果

在测试过程中，数控系统运行稳定，各项功能正常，完全满足轧辊磨削需求，同时磨削精度和效率也达到了工艺要求。

5 结论

针对轧辊磨削需求研发一种应用于轧辊磨床的开放式数控系统。通过对轧辊磨削所需具体功能开展分析，提出了数控系统软硬件架构和各磨削功能的具体实现方式。实际磨削结果表明，所研发的数控系统能够满足轧辊磨削的各种功能需求。