傳統(tǒng)機床向機械電子方向靠攏的必然趨勢及其改造策略

譚翰聲 邢思遠

【摘要】隨著電子技術和信息技術的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)由傳統(tǒng)機械化操作轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C電一體化控制，工業(yè)生產(chǎn)效益得到了本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變。在機床改造的過程中，人員應用機械電子及其自動化技術基礎，對大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路進行合理應用，將電子技術、信息技術、機械技術等融合、交叉，為傳統(tǒng)機床向機械電子方向靠攏鋪平了道路。文章從機械電子內(nèi)容著手，對傳統(tǒng)機床改造的原因進行探究。與此同時，文章還研究了傳統(tǒng)機床的改造策略，從其特征及優(yōu)勢出發(fā)，對其今后發(fā)展方向進行淺析，現(xiàn)結(jié)果如下。

【關鍵詞】機械電子;傳統(tǒng)機床;趨勢;改造策略;發(fā)展方向

1.機械電子概述

機械電子又稱機電一體化，在應用的過程中需要根據(jù)系統(tǒng)功能及系統(tǒng)需求實施對應構(gòu)建，達到組織、結(jié)構(gòu)、效益等內(nèi)容的優(yōu)化。機械電子能夠?qū)C構(gòu)得主功能、信息處理功能、動力功能、控制功能集成在一個系統(tǒng)中，達到運行-控制-反饋-調(diào)節(jié)一體化，大大降低了系統(tǒng)處理的工作量及難度。

機械電子構(gòu)建的過程中要依照機械系統(tǒng)理念，從各個層次、各個單元著手，將機械裝置與電子化軟件結(jié)合，實現(xiàn)微電子技術、信息變換技術、傳感可控技術、信息技術、電子電力技術、軟件編程技術等的集成應用。機械電子將技術與產(chǎn)品融合，在產(chǎn)品的基礎上對技術進行融入，將技術發(fā)展核心立于產(chǎn)品上，對產(chǎn)品的創(chuàng)新及發(fā)展具有至關重要的作用。機床向機械電子方向的發(fā)展主要指通過機械電子內(nèi)容對傳統(tǒng)機床進行優(yōu)化和提升的過程。在該過程中，機床能夠在保證組織及系統(tǒng)功能前提下實現(xiàn)科學布局，實現(xiàn)最佳配置，提升系統(tǒng)操作的可行性、安全性、準確性。與此同時，機床還能夠最大限度降低能耗，減少工藝成本，能夠從本質(zhì)上提升機床價值，實現(xiàn)機床加工效益最大化。

2.傳統(tǒng)機床向機械電子方向靠攏的必然趨勢

20世紀中期西方國家開始對機床機電一體化方面內(nèi)容進行研究，開始將機械電子機床的構(gòu)建提上日程。隨著時間的推移，機床機械電子研究不斷深入，其發(fā)展效果得到了本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變，主要可以劃分為3個階段（具體見表1）。

表1 傳統(tǒng)機床向機械電子方向發(fā)展的階段及特點

階段 時期 特征

初級階段 20世紀60

年代以前 處于自發(fā)狀態(tài)，機電一體化水平較低，研究內(nèi)容片面，電子技術及機械技術組合效益欠佳，產(chǎn)品經(jīng)濟效益低下。

蓬勃發(fā)展階段 20世紀60年

代～80年代 世界各國逐漸認識并接受機械電子技術及產(chǎn)品，機床數(shù)控技術、計算機技術得到延伸，大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路發(fā)展起來。

深入發(fā)展階段 20世紀90年

代以后 機床機械電子技術開始向智能化、模塊化邁進，建模、分析、集成等內(nèi)容較為完善，出現(xiàn)光電及細微機床機械電子方向兩方面分支，發(fā)展更為深入。

我國對機床機械電子方向發(fā)展的研究起于20世紀80年代，改革開放后，其機床部分技術已經(jīng)達到了國際水平，提升了精細、復雜、大量的零件加工效益，零件加工水平已經(jīng)得到了根本上的轉(zhuǎn)變。但是在上述發(fā)展的過程中，受到費用、技術等影響，數(shù)控機床生產(chǎn)也受到非常大的制約：

（1）數(shù)控機床價格高昂，在進行使用的過程中需要投入大量的資金，成本巨大。這種狀況導致小型或中小型企業(yè)難以承受，造成機床購置難度加大。

（2）在當前發(fā)展的過程中我國企業(yè)主要以普通機床為主，數(shù)量較為龐大。在使用數(shù)控機床代替的過程中操作難度較大，實現(xiàn)成本高昂。除此之外，當實現(xiàn)了數(shù)控機床替代后，普通機床資源閑置量大大上升，資源浪費現(xiàn)象較為嚴重，直接導致企業(yè)經(jīng)濟效益受損。

（3）國內(nèi)數(shù)控機床在購置的過程中時間周期較長，重新購置周期直接制約了企業(yè)的生產(chǎn)效益，很容易造成企業(yè)無法滿足自身生產(chǎn)要求，導致企業(yè)發(fā)展受到制約。

（4）當前國內(nèi)零件加工的過程中零件較為單一，數(shù)控機床許多功能閑置，很容易導致機床資源浪費，造成投入生產(chǎn)使用后的使用效益大打折扣。

因此，在機床發(fā)展的過程中相關人員應做好數(shù)控機床技術研究，在傳統(tǒng)機床技術上實施部分機械電子改造，從數(shù)控系統(tǒng)著手，將機械電子與傳統(tǒng)機床融合在一起，實現(xiàn)機械加工的快速、精確、安全、高效，最大限度提升傳統(tǒng)機床向機械電子方向靠攏的經(jīng)濟效益。

3.傳統(tǒng)機床的改造策略分析

在傳統(tǒng)機床發(fā)展中融入數(shù)控技術，實現(xiàn)機械電子方向改造，以改造代替購置，這種方法不僅能夠改善傳統(tǒng)機床的使用效益，還可以提升機械電子技術應用質(zhì)量，已經(jīng)成為機床改造的策略核心。

在實施傳統(tǒng)機械加工機床改造的過程中，人員要從機械加工機床機械電子方向發(fā)展趨勢的優(yōu)勢著手，將改造特征與改造優(yōu)勢有機結(jié)合在一起，合理配置機械電子技術，完成系統(tǒng)的自動化及數(shù)控化。

3.1 傳統(tǒng)機械加工機床的改造策略分析

傳統(tǒng)機械加工機床在改造的過程中要注意控制好對特定部位的改造。該過程中應加強對微機控制系統(tǒng)的設計及研究，實現(xiàn)傳統(tǒng)機床加工過程中的“加工”、“分析”、“處理”，提升系統(tǒng)控制的智能化水平。當前傳統(tǒng)機械加工機床向機械電子方向靠攏的特征及優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）傳統(tǒng)機械加工機床改造后交貨周期較短，可以最大限度縮短機床改造到投入應用的時間，降低了由于數(shù)控機床購置周期長導致的企業(yè)經(jīng)濟損失。相關資料顯示：傳統(tǒng)機械加工機床向機械電子方向改造的成本僅為數(shù)控機床購置成本的20%～40%，企業(yè)成本大幅降低。

（2）傳統(tǒng)機械加工機床在改造的過程中選取鑄造件一般較為精密且質(zhì)量較高。該鑄造件使用過程中常通常不是焊接構(gòu)件，在改造使用后能夠大大提升傳統(tǒng)機械加工機床的機械穩(wěn)定性。上述改造后的機床質(zhì)量較高，性能得到大幅改善，部分設備甚至可以當做新機床使用，提升了原有傳統(tǒng)機械加工機床的使用空間及使用價值。

（3）傳統(tǒng)機械加工機床數(shù)控改造的過程中人員對機床了解較為深入，改造維修操作難度較低。相對于購置數(shù)控機床而言，機床改造更加符合零部件加工要求，可以最大限度降低改造人員、加工人員、維修人員的工作量。傳統(tǒng)機械加工機床使用時間較長，相關人員對機床各部分結(jié)構(gòu)、零件、特性較為熟知，改造、使用、維修過程中培訓時間、培訓投入可以大大減少且質(zhì)量較高，改造完成后即可投入使用，縮短了由人員數(shù)控機床培訓導致的加長周期。

3.2 經(jīng)濟型數(shù)控機床改造策略分析

經(jīng)濟型數(shù)控機床主要是依照當前生產(chǎn)現(xiàn)狀要求，在原有生產(chǎn)功能基礎上最大限度降低生產(chǎn)成本的一項設備。該機床在我國應該用較為普遍，整體操作性、實用性較強。隨著機械電子技術的不斷發(fā)展和提升，經(jīng)濟型數(shù)控機床已經(jīng)得到了本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變，成本控制效益大幅提升，其具體特征及優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）經(jīng)濟型數(shù)控機床性能能較高且價格適中，可以大幅降低企業(yè)經(jīng)濟負擔，縮小企業(yè)開支。相對于進口數(shù)控機床動輒幾十萬元甚至幾百萬元的成本投入，經(jīng)濟型數(shù)控機床只需要幾萬元即可。該機床使用性能與數(shù)控機床相差不大，單其成本遠遠小于數(shù)控機床。

（2）經(jīng)濟型數(shù)控機床能夠滿足產(chǎn)品自動化需求，可以適應各種環(huán)境。在工作的過程中可以僅僅通過轉(zhuǎn)變加工程序?qū)崿F(xiàn)新功能的加入，縮短了投入使用的時間，對工作適應質(zhì)量具有非常重要的意義。與此同時，經(jīng)濟型數(shù)控機床還可以有效降低加工成本，無需工裝就可以完成處理操作。該機床應用時能智能化處理，簡化操作，具有非常高的加工精度，減少了產(chǎn)品的廢品率。

（3）經(jīng)濟型數(shù)控機床對工作人員工作素質(zhì)要求較高，需要人員能夠不斷調(diào)整自身對科學技術的認識，這對企業(yè)人力資源具有非常好的提升。在上述過程中，經(jīng)濟型數(shù)控機床拓展了工作人員的視野，為工作人員智能化學習創(chuàng)造了良好的環(huán)境空間，提升了人員技能水平。除此之外，經(jīng)濟型數(shù)控機床還降低了人員的工作量和工作強度，激發(fā)了人員的工作興趣及工作積極性，對企業(yè)核心凝聚力的形成具有非常好的促進作用。

4.機械電子背景下機床的發(fā)展方向

隨著我國機械電子工程及自動化內(nèi)容的不斷豐富及完善，機床改造已經(jīng)出現(xiàn)了翻天覆地的變化，各項內(nèi)容已經(jīng)出現(xiàn)了本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變。在機械電子背景下，機床必將快速化、智能化、環(huán)保化、個性化，必將越來越符合工業(yè)生產(chǎn)需求。

（1）快速化：該趨勢在當前的機床發(fā)展過程中非常明顯。截止目前為止，數(shù)控機床中車床主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)在10000r/min以上，轉(zhuǎn)動速度已經(jīng)遠遠超過傳統(tǒng)機床。與此同時，數(shù)控機床的快速移動速度也達到了120m/min以上，其加速度增幅達到原有加速度的3～4倍，速度持續(xù)增長且增長幅度不斷加大。機床的快速化已經(jīng)成為機械電子背景下發(fā)展的主要方向之一，尤其是在近年來納米技術研究拓展的過程中。相關資料顯示：納米機床精度可以在0.05～0.01nm之間，運轉(zhuǎn)速度及加速度將得到質(zhì)的飛躍。雖然該機床還沒有區(qū)域性投入使用，但在不久的將來一定會大幅提升零件加工效益，在零件處理中“大放異彩”。

（2）智能化：數(shù)控機床主要通過智能化手段達到對技術的分析、應用，實現(xiàn)零件處理。在上述過程中，機床需要具有與人相似的功能，在數(shù)據(jù)采集、集中的基礎上實施分析，實現(xiàn)自主決策。這對智能化需求較高且智能化水平越高決策越有效。與此同時，信息時代環(huán)境下，機床的產(chǎn)品觀念及模式將會出現(xiàn)一定轉(zhuǎn)變，對工作效益提升需求更高。因此，在機械電子背景下，機床必將越來越智能化、集成化，越來越虛擬生產(chǎn)、智能生產(chǎn)、精益生產(chǎn)。

（3）環(huán)保化：隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷深入，我國對企業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)化需求不斷上升，實現(xiàn)企業(yè)環(huán)保化已成為發(fā)展的必然。在上述環(huán)境下，綠色化產(chǎn)品觀念隨之而生。機床環(huán)保化改造的過程中將產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、使用、銷毀過程緊密串聯(lián)成一個整體，對各項危害環(huán)境的操作進行剔除，消除了可能出現(xiàn)的噪音污染、廢料污染等，最大限度提升了資源的利用率。這種發(fā)展方向與企業(yè)環(huán)保需求一致，是今后機床改造過程的必然之路。

5.總結(jié)

在實施傳統(tǒng)機械加工機床改造的過程中，人員要從機械加工機床機械電子方向發(fā)展趨勢的優(yōu)勢著手，將改造特征與改造優(yōu)勢有機結(jié)合在一起，合理配置機械電子技術，完成系統(tǒng)的自動化及數(shù)控化;要從改造策略中總結(jié)經(jīng)驗，在改造策略上設計具體改造操作，分層落實，逐層遞進，最大限度提升傳統(tǒng)機床向機械電子方向靠攏的質(zhì)量及效果。在今后的機床改造研究中，人們需要加強對機械電子的分析，從更深層次研究，探討更高效、更完善的改造策略。

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作者簡介：

譚翰聲（1993—），男，遼寧遼陽人，大學本科，現(xiàn)就讀于東北林業(yè)大學機電工程學院，研究方向：機械電子工程。

邢思遠（1994—），男，河北保定人，大學本科，現(xiàn)就讀于東北林業(yè)大學機電工程學院，研究方向：機械電子工程。