機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

陳志恒

(項(xiàng)城市中等專業(yè)學(xué)校，河南 項(xiàng)城 466200)

機(jī)械制造業(yè)是我國(guó)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對(duì)于推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用。機(jī)床制造業(yè)是機(jī)械制造業(yè)的支柱基石。數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)字代碼信息指令，控制刀具根據(jù)指定的運(yùn)行程序和運(yùn)動(dòng)速度與軌跡來實(shí)施自動(dòng)加工的機(jī)床。隨著微電子、計(jì)算機(jī)、軟件等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在控制系統(tǒng)方面變得日益完善，朝著多功能化和小型化方向發(fā)展，不僅自診斷能力不斷完善，且可靠性得到了有效提升。為了滿足未來加工的需要，需要在數(shù)控機(jī)床的性能方面不斷改造和優(yōu)化[1]。

1 某數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

該數(shù)控機(jī)床中的刀盤有2個(gè)，主軸與副主軸各1個(gè)，控制軸4個(gè)，進(jìn)給方向分別是X、Z、U、W，每個(gè)進(jìn)給的軸傳動(dòng)方式如下：電機(jī)利用同步齒形帶，把動(dòng)力向滾珠絲桿螺母副傳輸，最后電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在滾珠絲桿螺母副的作用下變化成直線運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)采用西門子某型號(hào)的系統(tǒng)，這種數(shù)控系統(tǒng)具有雙NC和雙通道的特點(diǎn)，其中，通道1主要是對(duì)刀盤1與X、Z軸的運(yùn)動(dòng)和副主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，通道2主要是對(duì)刀盤2與U、W軸的運(yùn)動(dòng)和主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。且兩個(gè)通道能獨(dú)立運(yùn)行，分別配備了各自的程序，也能相互配合完成共同的加工任務(wù)，因此靈活性較強(qiáng)。

1.2 電氣特點(diǎn)分析

該數(shù)控機(jī)床采用直流伺服系統(tǒng)，主軸與伺服電機(jī)均為直流電機(jī)，X、U軸位置反饋為光柵尺，屬于全閉環(huán)反饋，而Z、W軸位置反饋為外部脈沖編碼器，屬于半全閉環(huán)反饋。

1.3 現(xiàn)存問題分析

一是運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，故障率高，電氣元件老化，直流伺服系統(tǒng)、外圍控制電路中的故障多，甚至存在NC系統(tǒng)故障。二是X、Z、U、W軸絲桿螺母副磨損嚴(yán)重、精度下降。所以需要加強(qiáng)對(duì)其的升級(jí)改造，并在升級(jí)改造中加強(qiáng)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，通過應(yīng)用來降低其運(yùn)行成本，提高運(yùn)行效率和精度。

2 數(shù)控機(jī)床改造中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的實(shí)踐分析

2.1 系統(tǒng)改造

數(shù)控裝置是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的核心，所以必須精心選取數(shù)控系統(tǒng)。本次改造采用的數(shù)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是在結(jié)構(gòu)方面具有較強(qiáng)的開放性，二是具有十分強(qiáng)大的功能。屬于PC嵌入NC結(jié)構(gòu)下的開放式數(shù)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱開放式數(shù)控系統(tǒng)，其硬件包含了PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡的CPU為DSP，使得其在運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制方面有著較大的保障。之所以采用這一系統(tǒng)，主要是考慮該機(jī)床能實(shí)現(xiàn)主副軸同步功能，所選的開放式數(shù)控系統(tǒng)的同步功能比之前的同步功能更好，同時(shí)還能達(dá)到雙通道控制的要求，且指令編程風(fēng)格類似。數(shù)控及驅(qū)動(dòng)單元采用的是數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用了良好的人機(jī)互動(dòng)界面和PLC模塊，采用三個(gè)CPU，對(duì)人機(jī)通信和數(shù)字控制及可編程邏輯控制器分別采用MMC-CPU、NC-CPU、PLC-CPU，具有互相分工和互相支持的功能。除了數(shù)控系統(tǒng)改造外，還結(jié)合改造的數(shù)控系統(tǒng)，還對(duì)其電氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使得其在結(jié)構(gòu)和性能上均能滿足實(shí)際需要。

2.2 改造后的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床在改造后，包含了四個(gè)部分：控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體。但是每個(gè)結(jié)構(gòu)之間的性能要進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，切實(shí)發(fā)揮其改造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而更好地應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，促進(jìn)其性能的優(yōu)化和完善。

3 數(shù)控機(jī)床改造中機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用效果調(diào)試

3.1 機(jī)械部分改進(jìn)效果調(diào)試

為確保改進(jìn)方案的適用性，在機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用過程中，需要注重機(jī)床幾何精度的調(diào)控，并調(diào)整和優(yōu)化進(jìn)給傳動(dòng)鏈，這樣才能確保機(jī)床幾何精度與機(jī)床驗(yàn)收要求相符。在調(diào)整機(jī)床幾何精度時(shí)，需要做好導(dǎo)軌副刮研與配合調(diào)整，并對(duì)傳動(dòng)部件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，才能更好地與電氣參數(shù)調(diào)試相配合。但是在具體調(diào)試中，機(jī)械傳動(dòng)部件會(huì)給伺服系統(tǒng)的性能帶來影響，如間隙、剛度、摩擦、慣量、負(fù)載均勻性、溫度變形等均會(huì)帶來一定的影響。所以需要對(duì)這些影響因素進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)試和優(yōu)化。

3.2 伺服系統(tǒng)改進(jìn)效果調(diào)試

在調(diào)試伺服系統(tǒng)之前，需要完成機(jī)械部分的調(diào)整，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，觀察軸在運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)行速度變化和變化中軸所處的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于非正常狀態(tài)的軸，需要在硬件故障排除的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，一般采用自動(dòng)化即可，就能達(dá)到良好的調(diào)試效果，但是最后得到的最優(yōu)效果需要保存好，這樣才能更好地促進(jìn)伺服系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化和完善。

4 機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用注意事項(xiàng)

4.1 以需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品具有連續(xù)性、高效性和大型三個(gè)特點(diǎn)，此類機(jī)械產(chǎn)品在生產(chǎn)制造中，不僅對(duì)制造技術(shù)要求較高，且具有智能化的特點(diǎn)，所以要以需求為導(dǎo)向，確保所采用的機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用滿足安全、高效生產(chǎn)的需要。例如，在數(shù)控機(jī)床改造案例中，所選的開放式數(shù)控系統(tǒng)在雙通道控制和同步軸功能方面能滿足實(shí)際要求，能滿足鉆削、磨削、車削、銑削的需要。在性能方面，以所選的PLC模塊為例，能添加8個(gè)SM模塊，而NUC則能滿足繪畫加工、極坐標(biāo)編程、同步軸功能的需要。在伺服電機(jī)選擇方面，主軸伺服電機(jī)與副軸伺服電機(jī)也是結(jié)合實(shí)際來選擇，所以X、Z、U、W軸的進(jìn)給電機(jī)在扭矩、N、功率上都進(jìn)行了優(yōu)化[2]。

4.2 以確保安全為前提，切實(shí)加強(qiáng)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

在機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用過程中，要確保其在安全性上有著強(qiáng)大的保障。這就需要在機(jī)電一體化軟件系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、局域網(wǎng)技術(shù)、AI技術(shù)等方面加強(qiáng)對(duì)其的應(yīng)用和研究，才能更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。例如，在對(duì)其軟件改造設(shè)計(jì)時(shí)，采用了可編程序控制器，不僅能在內(nèi)部存儲(chǔ)中執(zhí)行運(yùn)算和控制順序，還能定時(shí)和計(jì)數(shù)，又能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并采用模擬式的輸入與輸出，對(duì)機(jī)械生產(chǎn)過程能有效控制。為確保其在機(jī)械生產(chǎn)中的安全性，要對(duì)機(jī)床換刀程序和主軸換擋程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用NC與PLC的有機(jī)結(jié)合，使換刀動(dòng)作順利安全完成。將刀盤的放松鍵按下，電磁閥A通電，電磁閥B斷電，這樣就將刀盤放松，再將刀盤的旋轉(zhuǎn)齒輪與Z軸的進(jìn)給齒輪掛擋，當(dāng)Z軸前進(jìn)或后退3 mm時(shí)，刀盤就會(huì)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)一個(gè)刀位，Z軸就會(huì)前進(jìn)或后退3 mm，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)N個(gè)刀位之后就能達(dá)到所需刀位。

4.3 切實(shí)做好機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用效果調(diào)試

要對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，才能更好地提升應(yīng)用成效。如機(jī)械傳動(dòng)部件給伺服系統(tǒng)的性能發(fā)揮帶來的影響較多，所以需要對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析和處理，才能降低其帶來的變化。如間隙這一因素，對(duì)于半閉環(huán)系統(tǒng)而言，容易導(dǎo)致位置誤差的出現(xiàn)，而全閉環(huán)系統(tǒng)中又會(huì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性帶來影響。所以對(duì)CNC系統(tǒng)補(bǔ)償量的設(shè)定值進(jìn)行了優(yōu)化和完善，有效地降低其產(chǎn)生的影響[3]。