机电一体化技术在数控镗铣床改造中的应用
2023-4-3 来源： 广西机电技师学院 作者：林翠虹，杨智棠
摘要：随着科技快速发展，机电一体化技术已经在各个生产制造领域得到广泛应用。文章对机电一体化技术在数控镗铣床改造过程中的应用策略进行了分析。
关键词：机电一体化 ；数控镗铣床 ；机床改造
1、机电一体化技术与数控镗铣床概述
1.1 机电一体化技术
机电一体化技术又叫机械电子工程技术，它属于机械工程和自动化技术相结合而产生的一种新型技术，通过信号变换、接口、传感器等技术的有机结合，可实现机电一体化设备的自动化与智能化控制 [1]。机电一体化系统主要包括以下部分。
（1）支持结构。包括机身、支撑等。
（2）动力驱动。其主要作用是为系统提供动力和能量。
（3）感知。其主要作用是对系统自身及其外部各种环境和状态等进行检测，将其转化为能够识别的信号，并传输到信息处理单元。通过信息处理单元的分析和处理之后，产生相应的控制信号，从而实现整体系统的良好运行。
（4）执行。其主要功能是将来自于信息处理单元的控制指令作为依据来实现相应的动作或功能。
目前，在机械生产制造领域，机电一体化技术已经得到了非常广泛的应用。机电一体化系统整体组成要素如图1所示。
图1 机电一体化系统整体组成要素
1.2 数控镗铣床
数控铣镗床为数控高效、精密通用大型机加工设备[2]，是以普通镗铣床为基础发展而来的一种数字化镗铣床，其基本工艺和普通镗铣床类似。数控镗铣床工作台设有4×90°光学定位装置，能满足大形零件调头加工的要求，还具有直角坐标系、极坐标系及轮廓加工的工艺机能 [3]。具体应用中，数控镗铣床主要用来镗铣一些具有较大直径且深度较大的孔，以此来满足实际加工需求。通常情况下，数控镗铣床加工中心与普通镗铣机床中的加工中心可以通用，只是在零件加工方面，数控镗铣床被限制比较少一些。
2、 数控镗铣床改造中的机电一体化技术应用优势
2.1 改造后的机床更加高效
使用机电一体化技术改造数控镗铣床后，其整体系统具有更高的运行效率。特别是随着纳米技术的合理应用，使得镗铣床的运行效率及其定位精度得到大幅度提升。因此，在数控镗铣床改造中，通过机电一体化技术的合理应用，可以让改造之后的数控镗铣床更加高效，进一步提升其生产效率和经济效益。
2.2 改造后的机床更加智能
传统形式的数控镗铣床工作效率较低，使用机电一体化技术改造此类机床后，可显著提升系统整体性能，从而使其运行更加智能化。例如，在数控镗铣床运行系统改造中，通过机电一体化技术的合理应用，可实现整体系统运行状况的自主判断与决策，从而有效确保其运行质量和安全性，使得数控机床达到良好的智能化控制与运行效果。
2.3 改造后的机床可实现个性化的生产加工
在具体改造中，将信息化技术和当今多样化的市场需求相结合，通过对机床的自动化与智能化控制，可使其实际生产能够充分满足各种市场需求，从而达到良好的个性化生产加工效果。这对于数控镗铣床的应用和机械加工制造行业的发展都具有十分深远的意义。
2.4 改造后的机床可实现实时监控、自动报警及故障诊断
在数控镗铣床改造过程中，通过机电一体化技术的合理应用，可对动力系统、传动系统、制动控制系统等进行实时监控，出现故障能自动报警并准确地指出故障的部位，从而保障操作者和机床的安全性，提高机床的工作效率，简化设备维护、维修工作，延长机床工作寿命。
3、数控镗铣床改造中的机电一体化技术应用原则
3.1 物理模型的科学设计
在数控镗铣机床的具体改造过程中，很多因素都会对其改造效果产生影响。基于此，要想有效提升其改造质量，就需要对其物理模型进行科学设计，尤其是细节部分的设计，一定要做到足够科学、细致。具体改造中，需要根据数控镗铣床的物理设计模型来进行改造，使其与抽象数学模型、状态变量等做到有机结合，并对其状态变量方面的工程方案加以科学设计。同时应借助于计算机技术来进行各项设计与改造工作的有效处理。通过这样的方式，才可以让整体的数控镗铣床改造效果得以显著提升，并使其在后续应用中体现出更高的质量水平。
3.2 改造要求的合理优化
在数控镗铣床改造过程中，一定要使其系统达到最佳的优化效果，使其整体系统设计与改造得到合理优化，结合数控镗铣床实际问题来进行其整体的科学设计与改造，并做好各项技术之间的有效融合。具体改造中，设计与技术人员一定要对数控镗铣床的实际应用要求做到全面明确，然后以此为依据，通过科学化、多样化的技术对其进行改造和创新，使其改造方案达到最佳的优化效果。通过这样的方式，才可以让数控镗铣床的改造及其应用质量得以良好保障。
4、数控镗铣床改造中的机电一体化技术应用策略
4.1 主轴系统改造中的应用
首先需要做好该部分的计算工作，通过每一个计算要点的合理控制来确保主轴系统的整体计算质量。在计算数控镗铣床的主轴系统时，最重要的一项内容就是三角带传动设计中的计算。在三角带的选择中，一定要对其最大传递功率加以科学确定，通过这样的设计方式，才可以让数控镗铣床主轴系统具有足够长的使用寿命。计算三角带传动时，首先需要对其型号和数量等各项基础信息做到全面明确，然后再计算功率 Pd ：
式中，Pd为数控镗铣床三角带最大传动功率，kW；KA为数控镗铣床三角带的工况系数；P为数控镗铣床中的电机额定功率，kW。
具体设计与改造中，三角带型号的合理选择也十分重要，需要结合 Pd 来进行三角带型号的合理选择。在确定小带轮直径时，为防止弯曲应力过大对整体系统寿命造成不良影响，需要在 D1≥ Dmin 的条件下进行系统性整合。其中，D1为小带轮直径，Dmin 为带轮最小直径。另外，在具体改造中，也需要做好胶带速度的计算，一般情况下，胶带速度应低于 25m/s。通过这样的方式，才可以让数控镗铣床得到合理的设计与改造，使其应用效果与使用寿命得以良好保障。
4.2 主传动系统改造中的应用
为实现数控镗铣床整体改造质量的有效提升，其中，最为关键的一个改造要点就是其主传动系统的改造。在数控镗铣床中，主传动系统的构成要素有很多，包括动力源、变速装置等。要想让主传动系统具有更好的应用效果，就需要对其中的各个组成部分加以合理优化，合理控制数控镗铣床主传动系统的运行参数。数控镗铣床主传动系统改造中的运行参数控制情况见表 1。
表1 数控镗铣机床主传动系统改造中的运行参数控制情况
使用机电一体化技术对数控镗铣机床中的主动系统进行改造设计的过程中，通常需要注意以下几点。
（1）主传动电机通常需要选择直流电机和交流电机，且需要达到无极调速效果。
（2）在对数控镗铣床进行驱动时，需要使其电机和主轴功率之间的设计达到良好的匹配效果。
（3）在对数控镗铣床进行设计时，需要对其部件标准和模块化结构的具体设计要求做到全面明确。
（4）在数控镗铣床的设计中，一定要使其复合化与柔性化需求得以实现。通过这样的方式，才能够让机电一体化技术在数控镗铣床改造中发挥出充分的技术优势，从而有效确保其改造效果。
4.3 伺服系统改造中的应用
伺服系统是数控镗铣床中最重要的组成部分，因此，使用机电一体化技术对数控镗铣床中的伺服系统进行改造时，只有保持该系统的稳定性，才可以防止各种干扰信号产生，从而让整个数控镗铣床的运行状态保持稳定。因此，设计者与技术人员应注意把握以下几点。
（1）注意保持系统稳定，具体设计中，需要结合伺服系统指令信号的实际作用情况来进行设计，以此来确保其稳定性。在输入指令时，可先对信号做好指令状态的确定，并将伺服系统稳定性作为设计中的重点内容，使其系统结构、参数特征等和外界信号达到良好的融合效果，以此来保障系统的稳定运行。
（2）注意保持系统的加工精度，在确定伺服系统的输入信息和输出信息时，一定要确保其精确度，并注意避免产生静态误差、动态误差和稳定误差等。
（3）注意保持系统响应速度足够快，在对数控镗铣床进行快速响应特征的具体分析中，需要将其与系统的实际运行情况相结合，对其质量输入信号加以科学确定，并对相应数据进行全面整理，当信号处在响应和瞬态过程时，应借助于机电一体化技术让相应的响应过程快速结束，从而实现给伺服系统响应时间的进一步缩短。通过这样的改造方式，便可让传动装置具有更好的加速能力。
4.4 在数控镗铣机床特征优化改造中的应用
使用机电一体化技术改造数控镗铣床之前，设计与技术人员首先需要做好数控镗铣床的改造价值评估工作，合理判断数控镗铣床是否存在改造的价值。对于一些十分老旧的数控镗铣床，如果机床和刀架等都存在严重磨损，改造过程中需要更换大量的硬件设施，这就需要耗费大量的经济成本，使得机床的改造得不偿失。其次，在改造过程中，借助于机电一体化技术，可对其控制模块、连接块、调节杆等进行合理改造，从而使其达到自动化与智能化的控制效果。例如，将操作台设置到减振底座上方，将调节杆设置在固定架左侧，将减振弹簧设置在导向块上等。这些改造方法都可以让数控镗铣床的整体应用效率和质量得以显著提升。使用机电一体化技术改造后的新型数控镗铣床结构如图 2所示。
1.减振底座；2.操作台；3.刀片；4.刀把；5.连接块；6.调节杆；7.固定架；8.控制模块
图2 新型数控镗铣床结构
4.5 在数控镗铣床接口技术中的应用
机电一体化技术，就是将机械、信息以及电子等各种技术融合到一个综合系统中，其构成要素和子要素之间的接口极为重要，主要有机械接口、电气接口完成系统间信号对接 ；人机接口提供人与系统间的交互界面。在对数控镗铣机床进行改造时，接口技术是最为关键的一种设计技术。
5、结语
数控镗铣床的改造会对其使用效率、质量、使用寿命和经济性等产生直接影响。基于此，在对此类机床进行改造的过程中，设计者与技术人员一定要对机电一体化技术加以合理应用，并结合实际情况和应用需求来进行改进。通过这样的方式，才可以提升数控镗铣机床的改造效果，满足其实际应用和发展需求。
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