機電一體化技術在磁懸浮齒輪裝置中的應用

文/劉芳

中國經濟的不斷發展，帶動了零部件生產企業間分工合作更加細化，行業規模日趨深化。磁懸浮齒輪作為磁懸浮裝置的基本部件，其生產要求越來越高，零部件精度、良品率都成為了制約生產廠家發展的關鍵因素。對于磁懸浮齒輪生產廠家而言，為了提高生產效率，降低人力資源成本，優化磁懸浮齒輪裝置必不可少。因此本文提出了改進磁懸浮齒輪生產線的相關方案，以期為機電一體化技術改進磁懸浮齒輪裝置的應用提供一些借鑒意義。

1 機電一體化技術基本概況

機電一體化技術屬于機械工程領域的復合型學科，包括計算機、信息通信、機械制造等多個細分領域。通過運用機電一體化技術，將研發、設計、和生產等多個環節相串聯，以實現工業制造智能化發展。當前，機電一體化技術在機械工程領域得到跨越式發展，成為眾多工程項目中降低成本、提高質量的重要技術手段。隨著機械技術與電子技術的緊密結合，既提升了機械工程領域的專業化程度，又促進應用機電一體化技術的行業快速發展。與其他技術相比，機電一體化技術在研發過程中，集聚著大量核心技術的創新發展，所以可以在多個行業中實現技術應用。

機電一體化技術主要有四方面的特點。

（1）體量小。隨著計算機技術、通信技術、機械制造技術的快速發展，使得機電一體化技術相關設備體積越來越小。

（2）研發與生產速度快。隨著經濟水平的逐漸提高，許多機電一體化設備制造商為了應對市場經濟的需要，從而采用多項設備性能的高技術生產工藝。

（3）安全性高。在采用先進計算機技術的機電一體化應用中，因為本身運用計算機進行操作，所以在實際運用中安全性得到了很大的提升。

（4）產品精密度高。以精密機械制造為例，機電一體化技術在企業生產過程中，能夠通過采用球桿儀等儀器分析測試圖形，檢測到機械零部件的誤差問題，從而及時糾正精密儀器生產問題，實現制造精密儀器精細化處理與企業效益的提高。

2 磁懸浮的發展歷程及運作原理

2.1 磁懸浮發展概要

磁懸浮技術是德國科學家赫爾曼·肯佩爾于1992年提出，并于1934年申請了磁懸浮技術的專利。上世紀70年代初，世界各國為了提高本國經濟發展速度，所以加快運輸能力成為各國發展經濟的首要手段。以英、法、德、日、美等發達國家，相繼開始制定磁懸浮技術的應用開發計劃。經過數十年的磁懸浮技術研發，形成了以德國Transrapid為代表的常導磁懸浮技術，其運作原理為利用直流電磁體自身吸力將列車懸空。日本Maglev為代表的超導磁斥式磁懸浮列車，其運作原理是利用磁體同極互相排斥的設計原理。以及以中國大連永磁懸浮課題組為代表的永磁懸浮技術，其運作原理是在不用其他動力的基礎上，通過采用特殊材質的永磁材料，以實現磁懸浮裝置的運用。

2.2 電磁懸浮運作原理

磁懸浮技術的原理是通過磁極之間的互相排斥原理，使物體克服自身重力而懸浮在空中的技術手段。磁懸浮系統由五個部分組成，分別是傳感器、控制器、電磁鐵、功率放大器與轉子。磁懸浮技術可以實現不論轉子受到怎樣的外界干擾，始終可以保持穩定狀態。假設在某參考點上，轉子受到一個向下的干擾，會使其偏離這一位置。此時，偏離參考點的轉子會被傳感器檢測出位置偏移，然后控制器會檢測出轉子的位移狀態，從而轉變成控制信號，再通過功率放大器將控制信號轉變為相應的控制電流。然后，將控制電流傳輸到電磁鐵中產生電磁力，從而使轉子回到原來的位置，實現磁懸浮運動。

3 目前磁懸浮齒輪生產線存在的瓶頸

磁懸浮齒輪生產工藝流程，包括磁懸浮齒輪胚-粗加工-精加工-滾切齒輪加工-剃齒加工-壓裝-電子束焊-熱處理-拋丸-磨削的過程，最終制成成品的過程。其中，粗加工與細加工屬于制作工序中的瓶頸工序。其制作難度高、生產合格率低的問題，是導致其他工序生產精度不穩定，磁懸浮齒輪生產線良品率不高的原因。

作為磁懸浮齒輪生產第一道工序，車削工序是直接影響磁懸浮齒輪生產線生產效率與周期的首要工序。因為毛坯在采購方面的延遲性存在客觀性，所以導致車削工序的物流吞吐量上下波動較大。由于大部分生產線的加工設備是普通車床，需要人為進行操作，勞動強度非常大，所以也成為良品率不高的原因之一。假如提高工作時間，又會提高人工使用成本。

4 機電一體化技術在磁懸浮齒輪裝置的應用

因為磁懸浮齒輪生產過程，是以人工為主導的生產程序，所以已經不適合“智能工業化”的要求。為了能夠有效提高加工設備的生產精度與自動化程度，需要對現有的磁懸浮齒輪裝置的生產車間進行機電一體化技術改造，從而達到提高生產效率的目的

4.1 磁懸浮齒輪裝置的車床改造

圖1：主軸系統的改造示意圖

主軸系統的改造。首先，原磁懸浮齒輪生產機床的主軸箱結構保持不變，拆除掛輪架，給主電動機配置恒定功率矢量變頻器。然后，將主軸編碼器安裝在主軸箱箱體上，通過聯軸器將掛輪軸與主軸編碼器鏈接，通過采用1:1轉速比，從而實現螺紋加工。最后，改造氣動卡盤與氣源系統，實現裝填快速化，最終提高磁懸浮齒輪生產效率（如圖1所示）。

進給系統優化。首先，先拆除磁懸浮齒輪生產機床的光杠與絲杠螺母副。其次，拆除進給箱和溜板箱中的變速傳動裝置及操縱機構。然后，將滾珠絲杠螺母副安裝在原絲杠螺母副。最后，使用驅動電機將橫、縱滾珠絲杠副進行連接，形成以聯軸器+驅動器+電機所構成的刀架縱橫方向的驅動源。通過這種連接方式的改動，減少了多余的中間環節，從而消除機械傳動的基本誤差。

改造車床操控性能。將機電一體化技術運用在車床工作中，實現自動化控制零件加工，將手動刀架替換為電動刀架，從而實現道具的裝夾和換位。根據磁懸浮齒輪生產的零件加工工藝要求與參數，使用程序編制用NC+PLC技術來控制車床生產的邏輯判斷與運算。從而實現磁懸浮齒輪零件加工時對刀具運行軌跡、零件運轉方式的計算。通過上述機電一體化的改造，提高了車床操控性能、穩定磁懸浮齒輪的制作精度、降低了人工操作對加工過程的干擾，可以使得加工效率成倍提升。

4.2 機電一體化系統選擇

系統的組成要素。機電一體化數控系統通常由數控裝置（NC）、驅動系統、反饋系統三部分構成。反饋系統通常由三種反饋方式，分別為全閉環系統、半閉環系統、開環系統。

系統方案的制定。通過改造的車間生產設備需要提升磁懸浮齒輪加工生產的效率。所以從提升改造性價比方面來看，采取半閉環反饋方式，內置或外置PLC，伺服驅動方式為主的經濟型數控系統較好。因為磁懸浮齒輪的幾何結構較為簡單，所以在刀具配置上使用6工位刀架與12把刀具配置來滿足加工效率提升要求，以及20/6的PLC輸出輸入點滿足外部控制要求。

進給系統的改造。通過使用伺服驅動與電機組成的反饋控制系統，并將兩部驅動電機分別放在床身尾部與外床鞍上，以便于驅動電機的安裝。同時通過錐環聯軸器將電機與滾珠絲杠副進行連接，來降低機械生產裝配的誤差。

潤滑系統得改進。通過配置標準的小型潤滑站進行潤滑控制。將小型潤滑站放在溜板箱附近，配置油道至滾珠絲母。然后，使用集中定量、定時的供油方式來進行手動潤滑與PLC程序的自動潤滑。

車床控制邏輯優化。車床的核心控制邏輯可以采用CNC的PLC標準車床程序實現。其中，PLC的I/O接口用DC24V繼電器過渡，工位的刀架實現自動換刀，間歇性工作的潤滑系統與雙位控制的潤滑站與PLC，通過變頻器參數完成主軸控制，并由NC加工指令發訊給變頻器實現。

5 結論

機電一體化技術隨著機械工程領域的逐漸細化，形成了比較嚴密的系統體系。在磁懸浮齒輪的生產中，通過使用機電一體化技術，可以提高磁懸浮齒輪的生產精度與良品率。以此同時，隨著生產操作流程的不斷優化、精煉，可以減少企業生產生成本與人力成本，提高企業的綜合效益。