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機電一體化技術在數控鏜銑床改造中的應用

2023-4-3 來源：廣西機電技師學院作者：林翠虹，楊智棠

摘要：隨著科技快速發展，機電一體化技術已經在各個生產制造領域得到廣泛應用。文章對機電一體化技術在數控鏜銑床改造過程中的應用策略進行了分析。

關鍵詞：機電一體化；數控鏜銑床；機床改造

1、機電一體化技術與數控鏜銑床概述

1.1　機電一體化技術

機電一體化技術又叫機械電子工程技術，它屬于機械工程和自動化技術相結合而產生的一種新型技術，通過信號變換、接口、傳感器等技術的有機結合，可實現機電一體化設備的自動化與智能化控制 [1]。機電一體化系統主要包括以下部分。

（1）支持結構。包括機身、支撐等。

（2）動力驅動。其主要作用是為系統提供動力和能量。

（3）感知。其主要作用是對系統自身及其外部各種環境和狀態等進行檢測，將其轉化為能夠識別的信號，并傳輸到信息處理單元。通過信息處理單元的分析和處理之后，產生相應的控制信號，從而實現整體系統的良好運行。

（4）執行。其主要功能是將來自于信息處理單元的控制指令作為依據來實現相應的動作或功能。

目前，在機械生產制造領域，機電一體化技術已經得到了非常廣泛的應用。機電一體化系統整體組成要素如圖1所示。

圖1 機電一體化系統整體組成要素

1.2　數控鏜銑床

數控銑鏜床為數控高效、精密通用大型機加工設備[2]，是以普通鏜銑床為基礎發展而來的一種數字化鏜銑床，其基本工藝和普通鏜銑床類似。數控鏜銑床工作臺設有4×90°光學定位裝置，能滿足大形零件調頭加工的要求，還具有直角坐標系、極坐標系及輪廓加工的工藝機能 [3]。具體應用中，數控鏜銑床主要用來鏜銑一些具有較大直徑且深度較大的孔，以此來滿足實際加工需求。通常情況下，數控鏜銑床加工中心與普通鏜銑機床中的加工中心可以通用，只是在零件加工方面，數控鏜銑床被限制比較少一些。

2、數控鏜銑床改造中的機電一體化技術應用優勢

2.1　改造后的機床更加高效

使用機電一體化技術改造數控鏜銑床后，其整體系統具有更高的運行效率。特別是隨著納米技術的合理應用，使得鏜銑床的運行效率及其定位精度得到大幅度提升。因此，在數控鏜銑床改造中，通過機電一體化技術的合理應用，可以讓改造之后的數控鏜銑床更加高效，進一步提升其生產效率和經濟效益。

2.2　改造后的機床更加智能

傳統形式的數控鏜銑床工作效率較低，使用機電一體化技術改造此類機床后，可顯著提升系統整體性能，從而使其運行更加智能化。例如，在數控鏜銑床運行系統改造中，通過機電一體化技術的合理應用，可實現整體系統運行狀況的自主判斷與決策，從而有效確保其運行質量和安全性，使得數控機床達到良好的智能化控制與運行效果。

2.3　改造后的機床可實現個性化的生產加工

在具體改造中，將信息化技術和當今多樣化的市場需求相結合，通過對機床的自動化與智能化控制，可使其實際生產能夠充分滿足各種市場需求，從而達到良好的個性化生產加工效果。這對于數控鏜銑床的應用和機械加工制造行業的發展都具有十分深遠的意義。

2.4　改造后的機床可實現實時監控、自動報警及故障診斷

在數控鏜銑床改造過程中，通過機電一體化技術的合理應用，可對動力系統、傳動系統、制動控制系統等進行實時監控，出現故障能自動報警并準確地指出故障的部位，從而保障操作者和機床的安全性，提高機床的工作效率，簡化設備維護、維修工作，延長機床工作壽命。

3、數控鏜銑床改造中的機電一體化技術應用原則

3.1　物理模型的科學設計

在數控鏜銑機床的具體改造過程中，很多因素都會對其改造效果產生影響。基于此，要想有效提升其改造質量，就需要對其物理模型進行科學設計，尤其是細節部分的設計，一定要做到足夠科學、細致。具體改造中，需要根據數控鏜銑床的物理設計模型來進行改造，使其與抽象數學模型、狀態變量等做到有機結合，并對其狀態變量方面的工程方案加以科學設計。同時應借助于計算機技術來進行各項設計與改造工作的有效處理。通過這樣的方式，才可以讓整體的數控鏜銑床改造效果得以顯著提升，并使其在后續應用中體現出更高的質量水平。

3.2　改造要求的合理優化

在數控鏜銑床改造過程中，一定要使其系統達到最佳的優化效果，使其整體系統設計與改造得到合理優化，結合數控鏜銑床實際問題來進行其整體的科學設計與改造，并做好各項技術之間的有效融合。具體改造中，設計與技術人員一定要對數控鏜銑床的實際應用要求做到全面明確，然后以此為依據，通過科學化、多樣化的技術對其進行改造和創新，使其改造方案達到最佳的優化效果。通過這樣的方式，才可以讓數控鏜銑床的改造及其應用質量得以良好保障。

4、數控鏜銑床改造中的機電一體化技術應用策略

4.1　主軸系統改造中的應用

首先需要做好該部分的計算工作，通過每一個計算要點的合理控制來確保主軸系統的整體計算質量。在計算數控鏜銑床的主軸系統時，最重要的一項內容就是三角帶傳動設計中的計算。在三角帶的選擇中，一定要對其最大傳遞功率加以科學確定，通過這樣的設計方式，才可以讓數控鏜銑床主軸系統具有足夠長的使用壽命。計算三角帶傳動時，首先需要對其型號和數量等各項基礎信息做到全面明確，然后再計算功率 Pd ：

式中，Pd為數控鏜銑床三角帶最大傳動功率，kW；KA為數控鏜銑床三角帶的工況系數；P為數控鏜銑床中的電機額定功率，kW。

具體設計與改造中，三角帶型號的合理選擇也十分重要，需要結合 Pd 來進行三角帶型號的合理選擇。在確定小帶輪直徑時，為防止彎曲應力過大對整體系統壽命造成不良影響，需要在 D1≥ Dmin 的條件下進行系統性整合。其中，D1為小帶輪直徑，Dmin 為帶輪最小直徑。另外，在具體改造中，也需要做好膠帶速度的計算，一般情況下，膠帶速度應低于 25m/s。通過這樣的方式，才可以讓數控鏜銑床得到合理的設計與改造，使其應用效果與使用壽命得以良好保障。

4.2　主傳動系統改造中的應用

為實現數控鏜銑床整體改造質量的有效提升，其中，最為關鍵的一個改造要點就是其主傳動系統的改造。在數控鏜銑床中，主傳動系統的構成要素有很多，包括動力源、變速裝置等。要想讓主傳動系統具有更好的應用效果，就需要對其中的各個組成部分加以合理優化，合理控制數控鏜銑床主傳動系統的運行參數。數控鏜銑床主傳動系統改造中的運行參數控制情況見表 1。

表1 數控鏜銑機床主傳動系統改造中的運行參數控制情況

使用機電一體化技術對數控鏜銑機床中的主動系統進行改造設計的過程中，通常需要注意以下幾點。

（1）主傳動電機通常需要選擇直流電機和交流電機，且需要達到無極調速效果。

（2）在對數控鏜銑床進行驅動時，需要使其電機和主軸功率之間的設計達到良好的匹配效果。

（3）在對數控鏜銑床進行設計時，需要對其部件標準和模塊化結構的具體設計要求做到全面明確。

（4）在數控鏜銑床的設計中，一定要使其復合化與柔性化需求得以實現。通過這樣的方式，才能夠讓機電一體化技術在數控鏜銑床改造中發揮出充分的技術優勢，從而有效確保其改造效果。

4.3　伺服系統改造中的應用

伺服系統是數控鏜銑床中最重要的組成部分，因此，使用機電一體化技術對數控鏜銑床中的伺服系統進行改造時，只有保持該系統的穩定性，才可以防止各種干擾信號產生，從而讓整個數控鏜銑床的運行狀態保持穩定。因此，設計者與技術人員應注意把握以下幾點。

（1）注意保持系統穩定，具體設計中，需要結合伺服系統指令信號的實際作用情況來進行設計，以此來確保其穩定性。在輸入指令時，可先對信號做好指令狀態的確定，并將伺服系統穩定性作為設計中的重點內容，使其系統結構、參數特征等和外界信號達到良好的融合效果，以此來保障系統的穩定運行。

（2）注意保持系統的加工精度，在確定伺服系統的輸入信息和輸出信息時，一定要確保其精確度，并注意避免產生靜態誤差、動態誤差和穩定誤差等。

（3）注意保持系統響應速度足夠快，在對數控鏜銑床進行快速響應特征的具體分析中，需要將其與系統的實際運行情況相結合，對其質量輸入信號加以科學確定，并對相應數據進行全面整理，當信號處在響應和瞬態過程時，應借助于機電一體化技術讓相應的響應過程快速結束，從而實現給伺服系統響應時間的進一步縮短。通過這樣的改造方式，便可讓傳動裝置具有更好的加速能力。

4.4　在數控鏜銑機床特征優化改造中的應用

使用機電一體化技術改造數控鏜銑床之前，設計與技術人員首先需要做好數控鏜銑床的改造價值評估工作，合理判斷數控鏜銑床是否存在改造的價值。對于一些十分老舊的數控鏜銑床，如果機床和刀架等都存在嚴重磨損，改造過程中需要更換大量的硬件設施，這就需要耗費大量的經濟成本，使得機床的改造得不償失。其次，在改造過程中，借助于機電一體化技術，可對其控制模塊、連接塊、調節桿等進行合理改造，從而使其達到自動化與智能化的控制效果。例如，將操作臺設置到減振底座上方，將調節桿設置在固定架左側，將減振彈簧設置在導向塊上等。這些改造方法都可以讓數控鏜銑床的整體應用效率和質量得以顯著提升。使用機電一體化技術改造后的新型數控鏜銑床結構如圖 2所示。