机电一体化技术在机械制造业中的应用

陈志恒

(项城市中等专业学校，河南 项城 466200)

机械制造业是我国基础性产业，对于推动国民经济发展具有十分重要的作用。机床制造业是机械制造业的支柱基石。数控机床是采用数字代码信息指令，控制刀具根据指定的运行程序和运动速度与轨迹来实施自动加工的机床。随着微电子、计算机、软件等技术的快速发展，数控机床在控制系统方面变得日益完善，朝着多功能化和小型化方向发展，不仅自诊断能力不断完善，且可靠性得到了有效提升。为了满足未来加工的需要，需要在数控机床的性能方面不断改造和优化[1]。

1 某数控机床特点分析

1.1 结构特点分析

该数控机床中的刀盘有2个，主轴与副主轴各1个，控制轴4个，进给方向分别是X、Z、U、W，每个进给的轴传动方式如下：电机利用同步齿形带，把动力向滚珠丝杆螺母副传输，最后电机旋转运动在滚珠丝杆螺母副的作用下变化成直线运动。数控系统采用西门子某型号的系统，这种数控系统具有双NC和双通道的特点，其中，通道1主要是对刀盘1与X、Z轴的运动和副主轴旋转进行控制，通道2主要是对刀盘2与U、W轴的运动和主轴旋转进行控制。且两个通道能独立运行，分别配备了各自的程序，也能相互配合完成共同的加工任务，因此灵活性较强。

1.2 电气特点分析

该数控机床采用直流伺服系统，主轴与伺服电机均为直流电机，X、U轴位置反馈为光栅尺，属于全闭环反馈，而Z、W轴位置反馈为外部脉冲编码器，属于半全闭环反馈。

1.3 现存问题分析

一是运行时间较长，故障率高，电气元件老化，直流伺服系统、外围控制电路中的故障多，甚至存在NC系统故障。二是X、Z、U、W轴丝杆螺母副磨损严重、精度下降。所以需要加强对其的升级改造，并在升级改造中加强机电一体化技术的应用，通过应用来降低其运行成本，提高运行效率和精度。

2 数控机床改造中应用机电一体化技术的实践分析

2.1 系统改造

数控装置是整个数控机床的核心，所以必须精心选取数控系统。本次改造采用的数控系统具有以下特点：一是在结构方面具有较强的开放性，二是具有十分强大的功能。属于PC嵌入NC结构下的开放式数控系统，简称开放式数控系统，其硬件包含了PC机和运动控制卡，运动控制卡的CPU为DSP，使得其在运动控制和PLC控制方面有着较大的保障。之所以采用这一系统，主要是考虑该机床能实现主副轴同步功能，所选的开放式数控系统的同步功能比之前的同步功能更好，同时还能达到双通道控制的要求，且指令编程风格类似。数控及驱动单元采用的是数字交流驱动系统，采用了良好的人机互动界面和PLC模块，采用三个CPU，对人机通信和数字控制及可编程逻辑控制器分别采用MMC-CPU、NC-CPU、PLC-CPU，具有互相分工和互相支持的功能。除了数控系统改造外，还结合改造的数控系统，还对其电气系统进行了设计和优化，使得其在结构和性能上均能满足实际需要。

2.2 改造后的数控机床结构

数控机床在改造后，包含了四个部分：控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体。但是每个结构之间的性能要进行调试和优化，切实发挥其改造的技术优势，从而更好地应用机电一体化技术，促进其性能的优化和完善。

3 数控机床改造中机电一体化技术应用效果调试

3.1 机械部分改进效果调试

为确保改进方案的适用性，在机电一体化技术应用过程中，需要注重机床几何精度的调控，并调整和优化进给传动链，这样才能确保机床几何精度与机床验收要求相符。在调整机床几何精度时，需要做好导轨副刮研与配合调整，并对传动部件进行调整和优化，才能更好地与电气参数调试相配合。但是在具体调试中，机械传动部件会给伺服系统的性能带来影响，如间隙、刚度、摩擦、惯量、负载均匀性、温度变形等均会带来一定的影响。所以需要对这些影响因素进行针对性的调试和优化。

3.2 伺服系统改进效果调试

在调试伺服系统之前，需要完成机械部分的调整，并对关键参数进行设置，观察轴在运动中的运行速度变化和变化中轴所处的运行状态，对于非正常状态的轴，需要在硬件故障排除的基础上进行优化，一般采用自动化即可，就能达到良好的调试效果，但是最后得到的最优效果需要保存好，这样才能更好地促进伺服系统的性能得到优化和完善。

4 机电一体化技术在机械制造业中应用注意事项

4.1 以需求为导向，加强机电一体化技术的应用

机械制造业的产品具有连续性、高效性和大型三个特点，此类机械产品在生产制造中，不仅对制造技术要求较高，且具有智能化的特点，所以要以需求为导向，确保所采用的机电一体化技术在机械制造业中的应用满足安全、高效生产的需要。例如，在数控机床改造案例中，所选的开放式数控系统在双通道控制和同步轴功能方面能满足实际要求，能满足钻削、磨削、车削、铣削的需要。在性能方面，以所选的PLC模块为例，能添加8个SM模块，而NUC则能满足绘画加工、极坐标编程、同步轴功能的需要。在伺服电机选择方面，主轴伺服电机与副轴伺服电机也是结合实际来选择，所以X、Z、U、W轴的进给电机在扭矩、N、功率上都进行了优化[2]。

4.2 以确保安全为前提，切实加强机电一体化技术的应用

在机电一体化技术应用过程中，要确保其在安全性上有着强大的保障。这就需要在机电一体化软件系统、现场总线技术、局域网技术、AI技术等方面加强对其的应用和研究，才能更好地满足实际生产的需要。例如，在对其软件改造设计时，采用了可编程序控制器，不仅能在内部存储中执行运算和控制顺序，还能定时和计数，又能进行算术运算，并采用模拟式的输入与输出，对机械生产过程能有效控制。为确保其在机械生产中的安全性，要对机床换刀程序和主轴换挡程序的设计进行优化，采用NC与PLC的有机结合，使换刀动作顺利安全完成。将刀盘的放松键按下，电磁阀A通电，电磁阀B断电，这样就将刀盘放松，再将刀盘的旋转齿轮与Z轴的进给齿轮挂挡，当Z轴前进或后退3 mm时，刀盘就会正转或反转一个刀位，Z轴就会前进或后退3 mm，当转动N个刀位之后就能达到所需刀位。

4.3 切实做好机电一体化技术应用效果调试

要对应用效果进行调试和改进，才能更好地提升应用成效。如机械传动部件给伺服系统的性能发挥带来的影响较多，所以需要对这些影响因素进行分析和处理，才能降低其带来的变化。如间隙这一因素，对于半闭环系统而言，容易导致位置误差的出现，而全闭环系统中又会对系统动态特性带来影响。所以对CNC系统补偿量的设定值进行了优化和完善，有效地降低其产生的影响[3]。