機(jī)電一體化在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用與發(fā)展

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

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;數(shù)控機(jī)床;自動(dòng)控制

1數(shù)控機(jī)床發(fā)展中存在的問(wèn)題

1.1核心技術(shù)掌握不足

我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，也是機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)，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(guó)在數(shù)控機(jī)床制造上受制與國(guó)外的情況仍然十分普遍，盡管我國(guó)在系統(tǒng)集成應(yīng)用方面有較高的水平，但在高端機(jī)床設(shè)備上，一些關(guān)鍵的芯片和零件仍以進(jìn)口為主，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品性能不夠強(qiáng)大，市場(chǎng)占有率不高，這是制約我國(guó)邁向世界數(shù)控機(jī)床強(qiáng)國(guó)的重要障礙。

1.2行業(yè)壁壘仍較明顯

數(shù)控機(jī)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(jī)械等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能上均有極高的要求，而且目前數(shù)控機(jī)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(jìn)入數(shù)控機(jī)床行業(yè)變得十分困難。因此，我國(guó)數(shù)控機(jī)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(jī)電一體化結(jié)合不夠

數(shù)控機(jī)床本身是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)逐步形成了相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的技術(shù)系統(tǒng)，但是在機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展之下，數(shù)控機(jī)床技術(shù)仍然相對(duì)滯后，沒(méi)有將最先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)融合進(jìn)來(lái)，作為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)力。因此，機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用仍然有待加強(qiáng)。

2機(jī)電一體化在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

2.1數(shù)控機(jī)床中的機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械部分是機(jī)電一體化產(chǎn)品的基礎(chǔ)，但機(jī)械零部件是在電子技術(shù)的控制下發(fā)揮強(qiáng)大作用的，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床在機(jī)械設(shè)計(jì)上面臨著更加巨大的挑戰(zhàn)。電子系統(tǒng)要求機(jī)械一體化產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、質(zhì)量輕便、運(yùn)動(dòng)精確等特點(diǎn)，以充分發(fā)揮機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)。在機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用下，機(jī)床的每個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和坐標(biāo)軸都需要通過(guò)獨(dú)立的伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，而且其空間位置關(guān)系必須由計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)算實(shí)時(shí)控制。

目前數(shù)控機(jī)床中的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。機(jī)床主體一般設(shè)計(jì)為全封閉形式，避免加工過(guò)程中的碎屑或潤(rùn)滑液甩出造成事故，同時(shí)設(shè)計(jì)了自動(dòng)排屑系統(tǒng)，通過(guò)傾斜床身等機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)一步提高夾緊力，采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)主軸的大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速。通過(guò)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，滿足不同工序的連續(xù)自動(dòng)作業(yè)要求。這些都是機(jī)械設(shè)計(jì)給數(shù)控機(jī)床帶來(lái)的重大改進(jìn)。

2.2數(shù)控機(jī)床中的自動(dòng)控制

傳統(tǒng)的普通機(jī)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(dòng)強(qiáng)度很大。在機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，各種先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)始引進(jìn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了快速、精確的定位和調(diào)速，大大提高了機(jī)床的加工效率和精度。技術(shù)人員通過(guò)事先編寫程序?qū)C(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定義，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序即可實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)加工。可見(jiàn)，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，成為“數(shù)控”二字的核心內(nèi)涵。機(jī)床的自動(dòng)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(jìn)行指令的交互，通過(guò)譯碼和信息轉(zhuǎn)換完成控制信號(hào)的識(shí)別，從而準(zhǔn)確快速地完成對(duì)機(jī)床相應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，控制結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)反饋回?cái)?shù)控裝置，由數(shù)據(jù)裝置對(duì)運(yùn)作進(jìn)行持續(xù)修正，使機(jī)床嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)高精度高效率的零件加工。

2.3數(shù)控機(jī)床中的伺服驅(qū)動(dòng)

在機(jī)床設(shè)備中，負(fù)責(zé)完成各種運(yùn)作的機(jī)構(gòu)零部件稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身是不會(huì)運(yùn)動(dòng)的，在傳統(tǒng)普通機(jī)床中，它由人來(lái)操作，而在機(jī)電一體化數(shù)控機(jī)床中，它是由驅(qū)動(dòng)裝置完成特定動(dòng)作的。驅(qū)動(dòng)裝置是電子控制系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它一方面通過(guò)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(jī)械運(yùn)動(dòng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令要求完成特定的動(dòng)作。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它直接決定了數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和精度控制能力。伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元等構(gòu)成，控制信號(hào)需要由功率放大器放大后才能驅(qū)動(dòng)沉重的機(jī)械機(jī)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床的高穩(wěn)定性和高精度性能，主要得益于伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成功應(yīng)用。

3機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展

3.1高速化發(fā)展

當(dāng)前，隨著社會(huì)運(yùn)行節(jié)奏的加快，各行各業(yè)都要求具有更高的效率，機(jī)械加工的速度也必須進(jìn)一步提高才能滿足社會(huì)發(fā)展的需求。但對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，速度與精度、穩(wěn)定性等性能不可兼得，速度過(guò)快必然影響加工的精度和設(shè)備的穩(wěn)定性。然而在機(jī)電一體化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)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(jī)床發(fā)展帶來(lái)的主要好處之一，通過(guò)自動(dòng)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(jì)算機(jī)配置軟件的應(yīng)用下，機(jī)電一體化應(yīng)用下的數(shù)控機(jī)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(lái)說(shuō)，待加工的工件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，在加工過(guò)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(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展下，數(shù)控機(jī)床開(kāi)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(dòng)作，減少中途暫停的時(shí)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(shì)，在數(shù)控機(jī)床的發(fā)展中，由于一體化技術(shù)的強(qiáng)大支撐，各種先進(jìn)的人工智能技術(shù)引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)成為了可能，從而使得數(shù)控機(jī)床具備一定的智能化水平，模仿人的智慧進(jìn)行零件加工，處置突發(fā)情況。當(dāng)然，數(shù)控機(jī)床的智能化仍處于初級(jí)階段，但不得不說(shuō)是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：

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