機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

李雪林

[摘? ? ? ? ? ?要]? 機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)屬于獨(dú)立性的交叉學(xué)科，其主要包括信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等，通過此技術(shù)使用的機(jī)械制造領(lǐng)域具有一定的改善。目前，在制造行業(yè)中，都廣泛使用機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)，機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的使用備受重視?；诖?，就機(jī)械制造中的機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)的使用進(jìn)行分析。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 機(jī)電一體化;數(shù)控技術(shù);機(jī)械制造

[中圖分類號(hào)]? TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）05-0210-02

在現(xiàn)代信息技術(shù)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)在多領(lǐng)域中被廣泛使用，其中包括機(jī)械制造領(lǐng)域。目前，人們對商品性能的需求逐漸嚴(yán)格，拋棄了落后并且陳舊的機(jī)械制造技術(shù)。為了對此種情況進(jìn)行改善，使機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)對生產(chǎn)量及品種種類的需求進(jìn)行滿足，要求全新的制造技術(shù)替代傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)。這個(gè)時(shí)候，才能夠有效促進(jìn)機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。受到國外機(jī)電一體化朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、微型化及綠色化模塊方向發(fā)展的促進(jìn)，機(jī)電一體化朝著機(jī)械制造領(lǐng)域的發(fā)展也具有更加遼闊的前景。

一、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展

（一）高速高效化

效率、精度及速度屬于機(jī)械制造技術(shù)的主要性能指標(biāo)，因?yàn)槭褂酶咚貱PU芯片、多CPU控制系統(tǒng)、RISC芯片和具有高分辨率的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，并且對機(jī)床特性、靜態(tài)特性進(jìn)行全面的改善，從而能夠有效提高機(jī)床高速高效化。

（二）柔性化

此方面主要包括數(shù)控系統(tǒng)自身及群控系統(tǒng)的柔性，其中數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用模塊化實(shí)現(xiàn)，其功能具有較大的覆蓋面，也具有較強(qiáng)的可裁剪性，能夠使不同用戶需求得到滿足。相同群控系統(tǒng)能夠根據(jù)不同生產(chǎn)流程需求自動(dòng)調(diào)整物料流及信息流，從而將群控系統(tǒng)的功能充分地發(fā)揮出來[1]。

（三）實(shí)時(shí)智能化

傳統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是在簡單理想環(huán)境中，其主要的作用就是實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度，從而保證能夠在規(guī)定期限中實(shí)現(xiàn)任務(wù)。人工智能試圖通過計(jì)算模型使人類各種智能行為得以實(shí)現(xiàn)，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，結(jié)合人工智能及實(shí)時(shí)系統(tǒng)，人工智能也朝著現(xiàn)實(shí)及實(shí)時(shí)響應(yīng)方面發(fā)展，實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著復(fù)雜及智能行為方面發(fā)展，所以出現(xiàn)了實(shí)時(shí)智能控制此領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，實(shí)時(shí)智能控制研究與使用也朝著專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等方面發(fā)展。比如，將系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置、故障診斷專家系統(tǒng)、編程專家系統(tǒng)等設(shè)置到數(shù)控系統(tǒng)中，并且在高速加工綜合運(yùn)動(dòng)控制過程中融入提前預(yù)測預(yù)算和動(dòng)態(tài)前饋功能，在溫度、壓力、速度控制及位置等方式使用模糊控制，從而有效提高數(shù)控系統(tǒng)控制性能，以此實(shí)現(xiàn)最佳控制[2]。

（四）多軸化控制

為了滿足市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，要求未來數(shù)控技術(shù)具備復(fù)合加工特點(diǎn)。數(shù)控技術(shù)此特點(diǎn)能夠使生產(chǎn)過程中的損失得到降低，數(shù)控技術(shù)復(fù)合加工指的是產(chǎn)品要能夠在一臺(tái)機(jī)床中運(yùn)行，也就是同個(gè)機(jī)床實(shí)現(xiàn)多道工序復(fù)合加工，此數(shù)控技術(shù)重點(diǎn)為機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸控制數(shù)量及精度，現(xiàn)代世界中有大量優(yōu)秀高精度多軸數(shù)控系統(tǒng)，比如西門子系統(tǒng)，不僅具有較高的精度，還具有大量的控制機(jī)床加工軸數(shù)量[3]。

二、機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的使用

（一）在煤礦機(jī)械中的使用

我國屬于資源大國，煤礦資源較為豐富，其在能源開發(fā)過程中占據(jù)重要的地位。但是如何使煤礦資源開發(fā)效率得到提高，降低成本，為現(xiàn)代煤礦資源開發(fā)的主要目標(biāo)。要想促進(jìn)煤機(jī)企業(yè)的發(fā)展，在現(xiàn)代競爭越來越激烈的環(huán)境中使自身的工業(yè)水平得到提高，就要和現(xiàn)代技術(shù)相互結(jié)合。煤礦開發(fā)對大設(shè)備收集是非常不利的，對原本開發(fā)設(shè)備，比如機(jī)床等，其工作效率比較低，對資金投入因素進(jìn)行全面的考慮，能夠在煤機(jī)企業(yè)開采過程中使用數(shù)控技術(shù)，通過原本設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)相互結(jié)合，改進(jìn)相應(yīng)的設(shè)備性能，使技術(shù)性能得到進(jìn)一步的提高，從而提高開采工藝。在煤礦企業(yè)中使用數(shù)控技術(shù)，能夠節(jié)約購買全新設(shè)備的費(fèi)用和成本，使投入成本得到降低，還能夠改進(jìn)原本的設(shè)備，使工作質(zhì)量及效率得到提高，從而使煤礦企業(yè)開發(fā)效率得到提高[4]。

（二）在工業(yè)生產(chǎn)中的使用

數(shù)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的使用主要為造紙印刷、食品加工等工業(yè)生產(chǎn)線中，或者應(yīng)用到農(nóng)藥加工及金屬冶金中。在生產(chǎn)線中使用數(shù)控技術(shù)能夠降低生產(chǎn)勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且提高生產(chǎn)線工作效率。在高危環(huán)境中實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，數(shù)控技術(shù)能夠代替部分危險(xiǎn)操作，從而提供給工作人員安全保障，還需要保證順利開展。數(shù)控技術(shù)實(shí)際操作就是人為和此產(chǎn)品生產(chǎn)相應(yīng)程序在計(jì)算機(jī)中輸入，利用自動(dòng)控制進(jìn)行生產(chǎn)操作。但是操縱并不表示使自己的生產(chǎn)人員雙手得到完全的解放，他們的責(zé)任就是對數(shù)控操作進(jìn)行監(jiān)督，完成驅(qū)動(dòng)單元輸送指令，并且對運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，在出現(xiàn)問題的時(shí)候要停止生產(chǎn)，并且對其進(jìn)行維護(hù)[5]。

（三）在汽車工業(yè)中的使用

在人民生活水平不斷提高的過程中，交通越來越便捷，汽車成為人們的主要代步工具，汽車需求量在不斷增加，促進(jìn)了汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。汽車制造商為了使汽車數(shù)量需求得到滿足，對汽車生產(chǎn)質(zhì)量開始重視。但是在汽車性能需求不斷提升的過程中，汽車零部件生產(chǎn)復(fù)雜程度及難度在不斷的擴(kuò)大。在汽車行業(yè)中使用數(shù)控技術(shù)，能夠使復(fù)雜工件實(shí)際生產(chǎn)需求得到提高，并且能夠有效實(shí)現(xiàn)多品種高速柔性生產(chǎn)線的規(guī)模發(fā)展。使用數(shù)控技術(shù)不僅能夠增加汽車生產(chǎn)數(shù)量，還能夠?yàn)楫a(chǎn)品更新提供快速制造的可能性。另外，柔性控制、虛擬制造、集成制造等數(shù)控技術(shù)都能夠應(yīng)用到汽車行業(yè)中，基于高效及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)零部件，促進(jìn)汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展[6]

（四）在航空工業(yè)中的使用

航空工業(yè)屬于我國的重點(diǎn)關(guān)注工業(yè)，因?yàn)槠漭^為特殊，并且具有較高的技術(shù)含量，每個(gè)零件都要求通過特殊加工。因?yàn)楹娇展I(yè)材料具備柔性適當(dāng)、低密度的特點(diǎn)，從而使航空工業(yè)對材料加工需求得到滿足。一般使用的材質(zhì)包括鋁合金、鋁等，此材料雖然普通，但是通過數(shù)控技術(shù)使用處理能夠滿足優(yōu)秀柔性及高精度的需求，能夠在航空中使用。數(shù)控技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，具有較快的材料切割速度，使切割工藝精細(xì)程度得到提高，還能夠節(jié)約能源及資源[7]。

三、機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)的使用實(shí)例

利用末端執(zhí)行器作為銑刀機(jī)器人實(shí)現(xiàn)葉輪零件的加工，表示能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件數(shù)控加工流程。

（一）機(jī)器人切削組件

切削加工組件主要包括主軸變頻器、數(shù)控主軸、輔助加工、主軸轉(zhuǎn)接頭等，在切削加工過程中的重點(diǎn)為數(shù)控主軸后，一般數(shù)控主軸包括風(fēng)冷及水冷兩種數(shù)控主軸，水冷數(shù)控主軸利用循環(huán)水實(shí)現(xiàn)主軸冷卻，風(fēng)冷數(shù)控主軸利用風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)冷卻。機(jī)器人載荷為6 kg，此系統(tǒng)使用水冷數(shù)控主軸加工。利用變頻器對工作頻率及輸出電壓等進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)0～24000 rpm無極調(diào)速，具有低噪聲、高速率、低溫升及低振動(dòng)的主要特點(diǎn)。使高速數(shù)控主軸利用轉(zhuǎn)接頭在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器中固定，實(shí)現(xiàn)加工刀具的安裝，連接數(shù)控主軸及驅(qū)動(dòng)電源，利用數(shù)控加工旋轉(zhuǎn)臺(tái)，便于泡沫固定及加工，創(chuàng)建完善機(jī)器人切削加工系統(tǒng)[8]。

（二）數(shù)控加工軌跡規(guī)則

圖1為數(shù)控多軸加工零件，其中的葉輪屬于數(shù)控多軸加工典型零件，還是發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件，使用普通三軸加工工藝無法實(shí)現(xiàn)加工，尤其是對扭曲葉片來說，只能夠利用多軸機(jī)床加工，對葉片質(zhì)量進(jìn)行保證。現(xiàn)代五軸加工能夠加工渦輪葉片，但是具有較高的成本。工業(yè)機(jī)器人中具備六個(gè)自由度，其在理論上能夠加工渦輪葉片。使用專用代碼轉(zhuǎn)換軟件使五軸加工軌跡朝著機(jī)器人識(shí)別代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)變，加工渦輪葉片。

UG數(shù)控編程，根據(jù)UG數(shù)控編程實(shí)現(xiàn)加工坐標(biāo)系、加工刀具、加工幾何體的創(chuàng)建。在實(shí)現(xiàn)加工之后，導(dǎo)出導(dǎo)軌并且保存，從而為后續(xù)機(jī)器人的加工打下基礎(chǔ)[9]。

（三）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工仿真

通過UG模塊規(guī)劃加工軌跡，利用UG功能賦予不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性，在不同關(guān)節(jié)中創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真模型的創(chuàng)建，以此能夠得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)。利用分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真模型的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)，對加工軌跡合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并且通過圖形實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)加速度、扭轉(zhuǎn)角及力變化的輸出，不僅能夠優(yōu)化機(jī)器人加工實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能夠優(yōu)化加工軌跡。圖2為機(jī)器人的三維模型，之后利用多種約束限制構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)，降低系統(tǒng)自由度，約束系統(tǒng)，在機(jī)器人底座中添加固定運(yùn)動(dòng)副[10]。

四、結(jié)語

機(jī)械制造技術(shù)不僅能夠衡量國家科技發(fā)展水平，還是國際科技競爭的重要內(nèi)容。通過相應(yīng)的時(shí)間表示，數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)，降低人力，使機(jī)械制造效率得到提高，還能夠滿足機(jī)械制造業(yè)中不同產(chǎn)品的精度需求，為現(xiàn)代繼續(xù)發(fā)展應(yīng)用中的主要技術(shù)，從而使其在現(xiàn)代如此激烈的競爭中不斷發(fā)展，促進(jìn)我國機(jī)械制造產(chǎn)品提高生產(chǎn)質(zhì)量及技術(shù)性，提高整體技術(shù)含量，使其滿足國際工業(yè)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)國家機(jī)械指導(dǎo)行業(yè)國家化發(fā)展。

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編輯 馬燕萍