機電一體化在數(shù)控機床的應(yīng)用與發(fā)展

摘 要：數(shù)控機床是最具代表性的機電一體化系統(tǒng)之一，數(shù)控機床綜合性能的提升在很大程度上得益于機電一體化最新成果的廣泛應(yīng)用。本文介紹了數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了我國在數(shù)控機床發(fā)展中面臨的主要問題，對機電一體化在數(shù)控機床的應(yīng)用進行了概述，并通過實際應(yīng)用案例對機電一體化在數(shù)控機床的具體應(yīng)用進行了研究，最后對機電一體化在數(shù)控機床的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：機電一體化;數(shù)控機床;自動控制

1數(shù)控機床發(fā)展中存在的問題

1.1核心技術(shù)掌握不足

我國是制造業(yè)大國，也是機床消費第一大國，行業(yè)發(fā)展十分迅速，在制造業(yè)中占據(jù)了重要的地位。然而也應(yīng)該看到，我國在數(shù)控機床制造上受制與國外的情況仍然十分普遍，盡管我國在系統(tǒng)集成應(yīng)用方面有較高的水平，但在高端機床設(shè)備上，一些關(guān)鍵的芯片和零件仍以進口為主，國產(chǎn)產(chǎn)品性能不夠強大，市場占有率不高，這是制約我國邁向世界數(shù)控機床強國的重要障礙。

1.2行業(yè)壁壘仍較明顯

數(shù)控機床屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品，涉及眾多電子、網(wǎng)絡(luò)、通信、軟件、機械等相關(guān)學(xué)科的知識，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能上均有極高的要求，而且目前數(shù)控機床相關(guān)技術(shù)還在快速的發(fā)展之中，這使一些普通制造企業(yè)想進入數(shù)控機床行業(yè)變得十分困難。因此，我國數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展仍以一些傳統(tǒng)的大企業(yè)為主，新創(chuàng)企業(yè)很難具備足夠的創(chuàng)新能力發(fā)展壯大。

1.3機電一體化結(jié)合不夠

數(shù)控機床本身是一種機電一體化產(chǎn)品，經(jīng)過多年的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)控機床已經(jīng)逐步形成了相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的技術(shù)系統(tǒng)，但是在機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展之下，數(shù)控機床技術(shù)仍然相對滯后，沒有將最先進的機電一體化技術(shù)融合進來，作為數(shù)控機床的發(fā)展動力。因此，機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床上的應(yīng)用仍然有待加強。

2機電一體化在數(shù)控機床的應(yīng)用

2.1數(shù)控機床中的機械設(shè)計

機械部分是機電一體化產(chǎn)品的基礎(chǔ)，但機械零部件是在電子技術(shù)的控制下發(fā)揮強大作用的，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前的數(shù)控機床在機械設(shè)計上面臨著更加巨大的挑戰(zhàn)。電子系統(tǒng)要求機械一體化產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、質(zhì)量輕便、運動精確等特點，以充分發(fā)揮機電一體化的優(yōu)勢。在機電一體化技術(shù)的應(yīng)用下，機床的每個傳動機構(gòu)和坐標(biāo)軸都需要通過獨立的伺服電機來驅(qū)動，而且其空間位置關(guān)系必須由計算機進行高速運算實時控制。

目前數(shù)控機床中的機械設(shè)計技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。機床主體一般設(shè)計為全封閉形式，避免加工過程中的碎屑或潤滑液甩出造成事故，同時設(shè)計了自動排屑系統(tǒng)，通過傾斜床身等機械設(shè)計手段使碎屑更快速排出。在工件裝夾方面，采用了液壓卡盤進一步提高夾緊力，采用變頻技術(shù)實現(xiàn)主軸的大范圍無級調(diào)速。通過自動回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計實現(xiàn)自動換刀，滿足不同工序的連續(xù)自動作業(yè)要求。這些都是機械設(shè)計給數(shù)控機床帶來的重大改進。

2.2數(shù)控機床中的自動控制

傳統(tǒng)的普通機床需要手工調(diào)整刀具和零件位置，精度很難得到保證，并且人力勞動強度很大。在機電一體化技術(shù)應(yīng)用以來，各種先進的自動控制技術(shù)開始引進機床的運動機構(gòu)，實現(xiàn)了快速、精確的定位和調(diào)速，大大提高了機床的加工效率和精度。技術(shù)人員通過事先編寫程序?qū)C床各軸的運動軌跡進行定義，然后通過計算機運行程序即可實現(xiàn)零件的自動加工?？梢姡詣涌刂萍夹g(shù)已經(jīng)成為數(shù)控機床的重要組成部分，成為“數(shù)控”二字的核心內(nèi)涵。機床的自動控制主要依賴于控制器的應(yīng)用，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是可編程控制器PLC，它可以與數(shù)控裝置進行指令的交互，通過譯碼和信息轉(zhuǎn)換完成控制信號的識別，從而準(zhǔn)確快速地完成對機床相應(yīng)機構(gòu)的運動控制，控制結(jié)果會實時反饋回數(shù)控裝置，由數(shù)據(jù)裝置對運作進行持續(xù)修正，使機床嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進行自動調(diào)速，實現(xiàn)高精度高效率的零件加工。

2.3數(shù)控機床中的伺服驅(qū)動

在機床設(shè)備中，負(fù)責(zé)完成各種運作的機構(gòu)零部件稱為執(zhí)行機構(gòu)，而執(zhí)行機構(gòu)本身是不會運動的，在傳統(tǒng)普通機床中，它由人來操作，而在機電一體化數(shù)控機床中，它是由驅(qū)動裝置完成特定動作的。驅(qū)動裝置是電子控制系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)換為機械運動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它一方面通過通信接口接收數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令，然后將該指令轉(zhuǎn)換為機械運動，使執(zhí)行機構(gòu)按指令要求完成特定的動作。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的是伺服驅(qū)動技術(shù)，它直接決定了數(shù)控機床的動態(tài)性能和精度控制能力。伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動單元、進給單元等構(gòu)成，控制信號需要由功率放大器放大后才能驅(qū)動沉重的機械機構(gòu)。數(shù)控機床的高穩(wěn)定性和高精度性能，主要得益于伺服驅(qū)動技術(shù)的成功應(yīng)用。

3機電一體化的數(shù)控機床的發(fā)展

3.1高速化發(fā)展

當(dāng)前，隨著社會運行節(jié)奏的加快，各行各業(yè)都要求具有更高的效率，機械加工的速度也必須進一步提高才能滿足社會發(fā)展的需求。但對于數(shù)控機床而言，速度與精度、穩(wěn)定性等性能不可兼得，速度過快必然影響加工的精度和設(shè)備的穩(wěn)定性。然而在機電一體化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，進一步提高數(shù)控機床的加工數(shù)據(jù)成為了可能。

3.2高精度發(fā)展

精度的提高是數(shù)控機床發(fā)展帶來的主要好處之一，通過自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用使傳統(tǒng)依靠人工控制的加工方式得到了徹底改變，在計算機配置軟件的應(yīng)用下，機電一體化應(yīng)用下的數(shù)控機床在加工精度上還有很大的提升空間。

3.3復(fù)合化發(fā)展

一般來說，待加工的工件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，在加工過程中需要停頓的次數(shù)就越多，例如中途換刀、更換夾具、改變夾持方向等。在機電一體化技術(shù)的發(fā)展下，數(shù)控機床開始采用多軸控制技術(shù)，可以一次性完成更多的復(fù)雜組合動作，減少中途暫停的時間，提高復(fù)雜零件的加工效率。

3.4智能化發(fā)展

智能化技術(shù)是當(dāng)前各行各業(yè)發(fā)展的共同趨勢，在數(shù)控機床的發(fā)展中，由于一體化技術(shù)的強大支撐，各種先進的人工智能技術(shù)引進數(shù)控系統(tǒng)成為了可能，從而使得數(shù)控機床具備一定的智能化水平，模仿人的智慧進行零件加工，處置突發(fā)情況。當(dāng)然，數(shù)控機床的智能化仍處于初級階段，但不得不說是一個必然的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1]劉曉玲，齊慶國.數(shù)控機床[M].冶金工業(yè)出版社，2014.

[2]封士彩，王長全.機電一體化導(dǎo)論[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2017.

作者簡介：

陳琪鈺（2000-）男，漢族，籍貫：湖南長沙，學(xué)歷：本科，研究方向：機械電子工程。