機電一體化在數控機床的應用與發展

摘 要：數控機床是最具代表性的機電一體化系統之一，數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用。本文介紹了數控機床的發展現狀，分析了數控機床的基本結構和工作原理，分析了我國在數控機床發展中面臨的主要問題，對機電一體化在數控機床的應用進行了概述，并通過實際應用案例對機電一體化在數控機床的具體應用進行了研究，最后對機電一體化在數控機床的發展進行了展望。

關鍵詞：機電一體化;數控機床;自動控制

1數控機床發展中存在的問題

1.1核心技術掌握不足

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

1.2行業壁壘仍較明顯

數控機床屬于技術密集型產品，涉及眾多電子、網絡、通信、軟件、機械等相關學科的知識，并且在結構設計和性能上均有極高的要求，而且目前數控機床相關技術還在快速的發展之中，這使一些普通制造企業想進入數控機床行業變得十分困難。因此，我國數控機床技術的發展仍以一些傳統的大企業為主，新創企業很難具備足夠的創新能力發展壯大。

1.3機電一體化結合不夠

數控機床本身是一種機電一體化產品，經過多年的發展與應用，數控機床已經逐步形成了相對穩定的結構的技術系統，但是在機電一體化技術的快速發展之下，數控機床技術仍然相對滯后，沒有將最先進的機電一體化技術融合進來，作為數控機床的發展動力。因此，機電一體化技術在數控機床上的應用仍然有待加強。

2機電一體化在數控機床的應用

2.1數控機床中的機械設計

機械部分是機電一體化產品的基礎，但機械零部件是在電子技術的控制下發揮強大作用的，隨著機電一體化技術的快速發展，當前的數控機床在機械設計上面臨著更加巨大的挑戰。電子系統要求機械一體化產品具有結構簡單、體積小巧、質量輕便、運動精確等特點，以充分發揮機電一體化的優勢。在機電一體化技術的應用下，機床的每個傳動機構和坐標軸都需要通過獨立的伺服電機來驅動，而且其空間位置關系必須由計算機進行高速運算實時控制。

目前數控機床中的機械設計技術已經發生了很大的變化。機床主體一般設計為全封閉形式，避免加工過程中的碎屑或潤滑液甩出造成事故，同時設計了自動排屑系統，通過傾斜床身等機械設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，采用變頻技術實現主軸的大范圍無級調速。通過自動回轉刀架的設計實現自動換刀，滿足不同工序的連續自動作業要求。這些都是機械設計給數控機床帶來的重大改進。

2.2數控機床中的自動控制

傳統的普通機床需要手工調整刀具和零件位置，精度很難得到保證，并且人力勞動強度很大。在機電一體化技術應用以來，各種先進的自動控制技術開始引進機床的運動機構，實現了快速、精確的定位和調速，大大提高了機床的加工效率和精度。技術人員通過事先編寫程序對機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零件的自動加工?？梢?，自動控制技術已經成為數控機床的重要組成部分，成為“數控”二字的核心內涵。機床的自動控制主要依賴于控制器的應用，當前應用最廣泛的是可編程控制器PLC，它可以與數控裝置進行指令的交互，通過譯碼和信息轉換完成控制信號的識別，從而準確快速地完成對機床相應機構的運動控制，控制結果會實時反饋回數控裝置，由數據裝置對運作進行持續修正，使機床嚴格按照預設的參數進行自動調速，實現高精度高效率的零件加工。

2.3數控機床中的伺服驅動

在機床設備中，負責完成各種運作的機構零部件稱為執行機構，而執行機構本身是不會運動的，在傳統普通機床中，它由人來操作，而在機電一體化數控機床中，它是由驅動裝置完成特定動作的。驅動裝置是電子控制系統的指令轉換為機械運動的關鍵環節，它一方面通過通信接口接收數控裝置發出的控制指令，然后將該指令轉換為機械運動，使執行機構按指令要求完成特定的動作。當前廣泛應用的是伺服驅動技術，它直接決定了數控機床的動態性能和精度控制能力。伺服系統一般由驅動單元、進給單元等構成，控制信號需要由功率放大器放大后才能驅動沉重的機械機構。數控機床的高穩定性和高精度性能，主要得益于伺服驅動技術的成功應用。

3機電一體化的數控機床的發展

3.1高速化發展

當前，隨著社會運行節奏的加快，各行各業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展的需求。但對于數控機床而言，速度與精度、穩定性等性能不可兼得，速度過快必然影響加工的精度和設備的穩定性。然而在機電一體化技術快速發展的背景下，進一步提高數控機床的加工數據成為了可能。

3.2高精度發展

精度的提高是數控機床發展帶來的主要好處之一，通過自動控制系統的應用使傳統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用下，機電一體化應用下的數控機床在加工精度上還有很大的提升空間。

3.3復合化發展

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

3.4智能化發展

智能化技術是當前各行各業發展的共同趨勢，在數控機床的發展中，由于一體化技術的強大支撐，各種先進的人工智能技術引進數控系統成為了可能，從而使得數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，處置突發情況。當然，數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展趨勢。

參考文獻：

[1]劉曉玲，齊慶國.數控機床[M].冶金工業出版社，2014.

[2]封士彩，王長全.機電一體化導論[M].西安電子科技大學出版社，2017.

作者簡介：

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