機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控鏜銑床改造中的應(yīng)用
2023-4-3 來(lái)源: 廣西機(jī)電技師學(xué)院 作者:林翠虹,楊智棠
摘要:隨著科技快速發(fā)展,機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文章對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控鏜銑床改造過(guò)程中的應(yīng)用策略進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化 ;數(shù)控鏜銑床 ;機(jī)床改造
1、機(jī)電一體化技術(shù)與數(shù)控鏜銑床概述
1.1 機(jī)電一體化技術(shù)
機(jī)電一體化技術(shù)又叫機(jī)械電子工程技術(shù),它屬于機(jī)械工程和自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型技術(shù),通過(guò)信號(hào)變換、接口、傳感器等技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)備的自動(dòng)化與智能化控制 [1]。機(jī)電一體化系統(tǒng)主要包括以下部分。
(1)支持結(jié)構(gòu)。包括機(jī)身、支撐等。
(2)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。其主要作用是為系統(tǒng)提供動(dòng)力和能量。
(3)感知。其主要作用是對(duì)系統(tǒng)自身及其外部各種環(huán)境和狀態(tài)等進(jìn)行檢測(cè),將其轉(zhuǎn)化為能夠識(shí)別的信號(hào),并傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧Mㄟ^(guò)信息處理單元的分析和處理之后,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的良好運(yùn)行。
(4)執(zhí)行。其主要功能是將來(lái)自于信息處理單元的控制指令作為依據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作或功能。
目前,在機(jī)械生產(chǎn)制造領(lǐng)域,機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。機(jī)電一體化系統(tǒng)整體組成要素如圖1所示。

圖1 機(jī)電一體化系統(tǒng)整體組成要素
1.2 數(shù)控鏜銑床
數(shù)控銑鏜床為數(shù)控高效、精密通用大型機(jī)加工設(shè)備[2],是以普通鏜銑床為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的一種數(shù)字化鏜銑床,其基本工藝和普通鏜銑床類似。數(shù)控鏜銑床工作臺(tái)設(shè)有4×90°光學(xué)定位裝置,能滿足大形零件調(diào)頭加工的要求,還具有直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系及輪廓加工的工藝機(jī)能 [3]。具體應(yīng)用中,數(shù)控鏜銑床主要用來(lái)鏜銑一些具有較大直徑且深度較大的孔,以此來(lái)滿足實(shí)際加工需求。通常情況下,數(shù)控鏜銑床加工中心與普通鏜銑機(jī)床中的加工中心可以通用,只是在零件加工方面,數(shù)控鏜銑床被限制比較少一些。
2、 數(shù)控鏜銑床改造中的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
2.1 改造后的機(jī)床更加高效
使用機(jī)電一體化技術(shù)改造數(shù)控鏜銑床后,其整體系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行效率。特別是隨著納米技術(shù)的合理應(yīng)用,使得鏜銑床的運(yùn)行效率及其定位精度得到大幅度提升。因此,在數(shù)控鏜銑床改造中,通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)的合理應(yīng)用,可以讓改造之后的數(shù)控鏜銑床更加高效,進(jìn)一步提升其生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
2.2 改造后的機(jī)床更加智能
傳統(tǒng)形式的數(shù)控鏜銑床工作效率較低,使用機(jī)電一體化技術(shù)改造此類機(jī)床后,可顯著提升系統(tǒng)整體性能,從而使其運(yùn)行更加智能化。例如,在數(shù)控鏜銑床運(yùn)行系統(tǒng)改造中,通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)的合理應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)運(yùn)行狀況的自主判斷與決策,從而有效確保其運(yùn)行質(zhì)量和安全性,使得數(shù)控機(jī)床達(dá)到良好的智能化控制與運(yùn)行效果。
2.3 改造后的機(jī)床可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的生產(chǎn)加工
在具體改造中,將信息化技術(shù)和當(dāng)今多樣化的市場(chǎng)需求相結(jié)合,通過(guò)對(duì)機(jī)床的自動(dòng)化與智能化控制,可使其實(shí)際生產(chǎn)能夠充分滿足各種市場(chǎng)需求,從而達(dá)到良好的個(gè)性化生產(chǎn)加工效果。這對(duì)于數(shù)控鏜銑床的應(yīng)用和機(jī)械加工制造行業(yè)的發(fā)展都具有十分深遠(yuǎn)的意義。
2.4 改造后的機(jī)床可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警及故障診斷
在數(shù)控鏜銑床改造過(guò)程中,通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)的合理應(yīng)用,可對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,出現(xiàn)故障能自動(dòng)報(bào)警并準(zhǔn)確地指出故障的部位,從而保障操作者和機(jī)床的安全性,提高機(jī)床的工作效率,簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)、維修工作,延長(zhǎng)機(jī)床工作壽命。
3、數(shù)控鏜銑床改造中的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用原則
3.1 物理模型的科學(xué)設(shè)計(jì)
在數(shù)控鏜銑機(jī)床的具體改造過(guò)程中,很多因素都會(huì)對(duì)其改造效果產(chǎn)生影響。基于此,要想有效提升其改造質(zhì)量,就需要對(duì)其物理模型進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),尤其是細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì),一定要做到足夠科學(xué)、細(xì)致。具體改造中,需要根據(jù)數(shù)控鏜銑床的物理設(shè)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行改造,使其與抽象數(shù)學(xué)模型、狀態(tài)變量等做到有機(jī)結(jié)合,并對(duì)其狀態(tài)變量方面的工程方案加以科學(xué)設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)與改造工作的有效處理。通過(guò)這樣的方式,才可以讓整體的數(shù)控鏜銑床改造效果得以顯著提升,并使其在后續(xù)應(yīng)用中體現(xiàn)出更高的質(zhì)量水平。
3.2 改造要求的合理優(yōu)化
在數(shù)控鏜銑床改造過(guò)程中,一定要使其系統(tǒng)達(dá)到最佳的優(yōu)化效果,使其整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改造得到合理優(yōu)化,結(jié)合數(shù)控鏜銑床實(shí)際問(wèn)題來(lái)進(jìn)行其整體的科學(xué)設(shè)計(jì)與改造,并做好各項(xiàng)技術(shù)之間的有效融合。具體改造中,設(shè)計(jì)與技術(shù)人員一定要對(duì)數(shù)控鏜銑床的實(shí)際應(yīng)用要求做到全面明確,然后以此為依據(jù),通過(guò)科學(xué)化、多樣化的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造和創(chuàng)新,使其改造方案達(dá)到最佳的優(yōu)化效果。通過(guò)這樣的方式,才可以讓數(shù)控鏜銑床的改造及其應(yīng)用質(zhì)量得以良好保障。
4、數(shù)控鏜銑床改造中的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用策略
4.1 主軸系統(tǒng)改造中的應(yīng)用
首先需要做好該部分的計(jì)算工作,通過(guò)每一個(gè)計(jì)算要點(diǎn)的合理控制來(lái)確保主軸系統(tǒng)的整體計(jì)算質(zhì)量。在計(jì)算數(shù)控鏜銑床的主軸系統(tǒng)時(shí),最重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是三角帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的計(jì)算。在三角帶的選擇中,一定要對(duì)其最大傳遞功率加以科學(xué)確定,通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)方式,才可以讓數(shù)控鏜銑床主軸系統(tǒng)具有足夠長(zhǎng)的使用壽命。計(jì)算三角帶傳動(dòng)時(shí),首先需要對(duì)其型號(hào)和數(shù)量等各項(xiàng)基礎(chǔ)信息做到全面明確,然后再計(jì)算功率 Pd :

式中,Pd為數(shù)控鏜銑床三角帶最大傳動(dòng)功率,kW;KA為數(shù)控鏜銑床三角帶的工況系數(shù);P為數(shù)控鏜銑床中的電機(jī)額定功率,kW。
具體設(shè)計(jì)與改造中,三角帶型號(hào)的合理選擇也十分重要,需要結(jié)合 Pd 來(lái)進(jìn)行三角帶型號(hào)的合理選擇。在確定小帶輪直徑時(shí),為防止彎曲應(yīng)力過(guò)大對(duì)整體系統(tǒng)壽命造成不良影響,需要在 D1≥ Dmin 的條件下進(jìn)行系統(tǒng)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(jì)算,一般情況下,膠帶速度應(yīng)低于 25m/s。通過(guò)這樣的方式,才可以讓數(shù)控鏜銑床得到合理的設(shè)計(jì)與改造,使其應(yīng)用效果與使用壽命得以良好保障。
4.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)改造中的應(yīng)用
為實(shí)現(xiàn)數(shù)控鏜銑床整體改造質(zhì)量的有效提升,其中,最為關(guān)鍵的一個(gè)改造要點(diǎn)就是其主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造。在數(shù)控鏜銑床中,主傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成要素有很多,包括動(dòng)力源、變速裝置等。要想讓主傳動(dòng)系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用效果,就需要對(duì)其中的各個(gè)組成部分加以合理優(yōu)化,合理控制數(shù)控鏜銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。數(shù)控鏜銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)改造中的運(yùn)行參數(shù)控制情況見(jiàn)表 1。
表1 數(shù)控鏜銑機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)改造中的運(yùn)行參數(shù)控制情況

使用機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)數(shù)控鏜銑機(jī)床中的主動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的過(guò)程中,通常需要注意以下幾點(diǎn)。
(1)主傳動(dòng)電機(jī)通常需要選擇直流電機(jī)和交流電機(jī),且需要達(dá)到無(wú)極調(diào)速效果。
(2)在對(duì)數(shù)控鏜銑床進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),需要使其電機(jī)和主軸功率之間的設(shè)計(jì)達(dá)到良好的匹配效果。
(3)在對(duì)數(shù)控鏜銑床進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)其部件標(biāo)準(zhǔn)和模塊化結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)要求做到全面明確。
(4)在數(shù)控鏜銑床的設(shè)計(jì)中,一定要使其復(fù)合化與柔性化需求得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這樣的方式,才能夠讓機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控鏜銑床改造中發(fā)揮出充分的技術(shù)優(yōu)勢(shì),從而有效確保其改造效果。
4.3 伺服系統(tǒng)改造中的應(yīng)用
伺服系統(tǒng)是數(shù)控鏜銑床中最重要的組成部分,因此,使用機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)數(shù)控鏜銑床中的伺服系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí),只有保持該系統(tǒng)的穩(wěn)定性,才可以防止各種干擾信號(hào)產(chǎn)生,從而讓整個(gè)數(shù)控鏜銑床的運(yùn)行狀態(tài)保持穩(wěn)定。因此,設(shè)計(jì)者與技術(shù)人員應(yīng)注意把握以下幾點(diǎn)。
(1)注意保持系統(tǒng)穩(wěn)定,具體設(shè)計(jì)中,需要結(jié)合伺服系統(tǒng)指令信號(hào)的實(shí)際作用情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),以此來(lái)確保其穩(wěn)定性。在輸入指令時(shí),可先對(duì)信號(hào)做好指令狀態(tài)的確定,并將伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性作為設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容,使其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)特征等和外界信號(hào)達(dá)到良好的融合效果,以此來(lái)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)注意保持系統(tǒng)的加工精度,在確定伺服系統(tǒng)的輸入信息和輸出信息時(shí),一定要確保其精確度,并注意避免產(chǎn)生靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)定誤差等。
(3)注意保持系統(tǒng)響應(yīng)速度足夠快,在對(duì)數(shù)控鏜銑床進(jìn)行快速響應(yīng)特征的具體分析中,需要將其與系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況相結(jié)合,對(duì)其質(zhì)量輸入信號(hào)加以科學(xué)確定,并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面整理,當(dāng)信號(hào)處在響應(yīng)和瞬態(tài)過(guò)程時(shí),應(yīng)借助于機(jī)電一體化技術(shù)讓相應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程快速結(jié)束,從而實(shí)現(xiàn)給伺服系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步縮短。通過(guò)這樣的改造方式,便可讓傳動(dòng)裝置具有更好的加速能力。
4.4 在數(shù)控鏜銑機(jī)床特征優(yōu)化改造中的應(yīng)用
使用機(jī)電一體化技術(shù)改造數(shù)控鏜銑床之前,設(shè)計(jì)與技術(shù)人員首先需要做好數(shù)控鏜銑床的改造價(jià)值評(píng)估工作,合理判斷數(shù)控鏜銑床是否存在改造的價(jià)值。對(duì)于一些十分老舊的數(shù)控鏜銑床,如果機(jī)床和刀架等都存在嚴(yán)重磨損,改造過(guò)程中需要更換大量的硬件設(shè)施,這就需要耗費(fèi)大量的經(jīng)濟(jì)成本,使得機(jī)床的改造得不償失。其次,在改造過(guò)程中,借助于機(jī)電一體化技術(shù),可對(duì)其控制模塊、連接塊、調(diào)節(jié)桿等進(jìn)行合理改造,從而使其達(dá)到自動(dòng)化與智能化的控制效果。例如,將操作臺(tái)設(shè)置到減振底座上方,將調(diào)節(jié)桿設(shè)置在固定架左側(cè),將減振彈簧設(shè)置在導(dǎo)向塊上等。這些改造方法都可以讓數(shù)控鏜銑床的整體應(yīng)用效率和質(zhì)量得以顯著提升。使用機(jī)電一體化技術(shù)改造后的新型數(shù)控鏜銑床結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

1.減振底座;2.操作臺(tái);3.刀片;4.刀把;5.連接塊;6.調(diào)節(jié)桿;7.固定架;8.控制模塊
圖2 新型數(shù)控鏜銑床結(jié)構(gòu)
4.5 在數(shù)控鏜銑床接口技術(shù)中的應(yīng)用
機(jī)電一體化技術(shù),就是將機(jī)械、信息以及電子等各種技術(shù)融合到一個(gè)綜合系統(tǒng)中,其構(gòu)成要素和子要素之間的接口極為重要,主要有機(jī)械接口、電氣接口完成系統(tǒng)間信號(hào)對(duì)接 ;人機(jī)接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面。在對(duì)數(shù)控鏜銑機(jī)床進(jìn)行改造時(shí),接口技術(shù)是最為關(guān)鍵的一種設(shè)計(jì)技術(shù)。
5、結(jié)語(yǔ)
數(shù)控鏜銑床的改造會(huì)對(duì)其使用效率、質(zhì)量、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生直接影響。基于此,在對(duì)此類機(jī)床進(jìn)行改造的過(guò)程中,設(shè)計(jì)者與技術(shù)人員一定要對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)加以合理應(yīng)用,并結(jié)合實(shí)際情況和應(yīng)用需求來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)這樣的方式,才可以提升數(shù)控鏜銑機(jī)床的改造效果,滿足其實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展需求。
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