機電一體化數(shù)控技術(shù)在機械制造中的應用

李雪林

[摘? ? ? ? ? ?要]? 機電一體化數(shù)控技術(shù)屬于獨立性的交叉學科，其主要包括信息技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、機械技術(shù)等，通過此技術(shù)使用的機械制造領(lǐng)域具有一定的改善。目前，在制造行業(yè)中，都廣泛使用機電一體化數(shù)控技術(shù)，機電一體化數(shù)控技術(shù)在機械制造中的使用備受重視。基于此，就機械制造中的機電一體化數(shù)控技術(shù)的使用進行分析。

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

[中圖分類號]? TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）05-0210-02

在現(xiàn)代信息技術(shù)中，計算機技術(shù)在多領(lǐng)域中被廣泛使用，其中包括機械制造領(lǐng)域。目前，人們對商品性能的需求逐漸嚴格，拋棄了落后并且陳舊的機械制造技術(shù)。為了對此種情況進行改善，使機械產(chǎn)品生產(chǎn)對生產(chǎn)量及品種種類的需求進行滿足，要求全新的制造技術(shù)替代傳統(tǒng)機械制造技術(shù)。這個時候，才能夠有效促進機電一體化數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。受到國外機電一體化朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、微型化及綠色化模塊方向發(fā)展的促進，機電一體化朝著機械制造領(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、精度及速度屬于機械制造技術(shù)的主要性能指標，因為使用高速CPU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)，并且對機床特性、靜態(tài)特性進行全面的改善，從而能夠有效提高機床高速高效化。

（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)計使用模塊化實現(xiàn)，其功能具有較大的覆蓋面，也具有較強的可裁剪性，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）實時智能化

傳統(tǒng)實時系統(tǒng)都是在簡單理想環(huán)境中，其主要的作用就是實現(xiàn)任務的調(diào)度，從而保證能夠在規(guī)定期限中實現(xiàn)任務。人工智能試圖通過計算模型使人類各種智能行為得以實現(xiàn)，在科學技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，結(jié)合人工智能及實時系統(tǒng)，人工智能也朝著現(xiàn)實及實時響應方面發(fā)展，實時系統(tǒng)也朝著復雜及智能行為方面發(fā)展，所以出現(xiàn)了實時智能控制此領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，實時智能控制研究與使用也朝著專家系統(tǒng)、自適應控制、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動控制過程中融入提前預測預算和動態(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，以此實現(xiàn)最佳控制[2]。

（四）多軸化控制

為了滿足市場經(jīng)濟發(fā)展需求，要求未來數(shù)控技術(shù)具備復合加工特點。數(shù)控技術(shù)此特點能夠使生產(chǎn)過程中的損失得到降低，數(shù)控技術(shù)復合加工指的是產(chǎn)品要能夠在一臺機床中運行，也就是同個機床實現(xiàn)多道工序復合加工，此數(shù)控技術(shù)重點為機床旋轉(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床加工軸數(shù)量[3]。

二、機電一體化數(shù)控技術(shù)在機械制造中的使用

（一）在煤礦機械中的使用

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。要想促進煤機企業(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，比如機床等，其工作效率比較低，對資金投入因素進行全面的考慮，能夠在煤機企業(yè)開采過程中使用數(shù)控技術(shù)，通過原本設(shè)備和計算機技術(shù)相互結(jié)合，改進相應的設(shè)備性能，使技術(shù)性能得到進一步的提高，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)備的費用和成本，使投入成本得到降低，還能夠改進原本的設(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)勞動人員的勞動強度，并且提高生產(chǎn)線工作效率。在高危環(huán)境中實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，數(shù)控技術(shù)能夠代替部分危險操作，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)實際操作就是人為和此產(chǎn)品生產(chǎn)相應程序在計算機中輸入，利用自動控制進行生產(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，他們的責任就是對數(shù)控操作進行監(jiān)督，完成驅(qū)動單元輸送指令，并且對運行進行實時的檢測，在出現(xiàn)問題的時候要停止生產(chǎn)，并且對其進行維護[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)復雜程度及難度在不斷的擴大。在汽車行業(yè)中使用數(shù)控技術(shù)，能夠使復雜工件實際生產(chǎn)需求得到提高，并且能夠有效實現(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，還能夠為產(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)都能夠應用到汽車行業(yè)中，基于高效及經(jīng)濟生產(chǎn)零部件，促進汽車行業(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)屬于我國的重點關(guān)注工業(yè)，因為其較為特殊，并且具有較高的技術(shù)含量，每個零件都要求通過特殊加工。因為航空工業(yè)材料具備柔性適當、低密度的特點，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，使切割工藝精細程度得到提高，還能夠節(jié)約能源及資源[7]。

三、機電一體化數(shù)控技術(shù)的使用實例

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

（一）機器人切削組件

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為數(shù)控主軸后，一般數(shù)控主軸包括風冷及水冷兩種數(shù)控主軸，水冷數(shù)控主軸利用循環(huán)水實現(xiàn)主軸冷卻，風冷數(shù)控主軸利用風扇實現(xiàn)冷卻。機器人載荷為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、低溫升及低振動的主要特點。使高速數(shù)控主軸利用轉(zhuǎn)接頭在工業(yè)機器人末端執(zhí)行器中固定，實現(xiàn)加工刀具的安裝，連接數(shù)控主軸及驅(qū)動電源，利用數(shù)控加工旋轉(zhuǎn)臺，便于泡沫固定及加工，創(chuàng)建完善機器人切削加工系統(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)動機主要零件，使用普通三軸加工工藝無法實現(xiàn)加工，尤其是對扭曲葉片來說，只能夠利用多軸機床加工，對葉片質(zhì)量進行保證。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)機器人中具備六個自由度，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器人識別代碼進行轉(zhuǎn)變，加工渦輪葉片。

UG數(shù)控編程，根據(jù)UG數(shù)控編程實現(xiàn)加工坐標系、加工刀具、加工幾何體的創(chuàng)建。在實現(xiàn)加工之后，導出導軌并且保存，從而為后續(xù)機器人的加工打下基礎(chǔ)[9]。

（三）實現(xiàn)機器人加工仿真

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)運動特性，在不同關(guān)節(jié)中創(chuàng)建驅(qū)動關(guān)系，實現(xiàn)運動仿真模型的創(chuàng)建，以此能夠得到運動參數(shù)。利用分析機器人運動仿真模型的動力學及運動學，對加工軌跡合理性進行驗證，并且通過圖形實現(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)化機器人加工實時監(jiān)控，還能夠優(yōu)化加工軌跡。圖2為機器人的三維模型，之后利用多種約束限制構(gòu)建的運動，降低系統(tǒng)自由度，約束系統(tǒng)，在機器人底座中添加固定運動副[10]。

四、結(jié)語

機械制造技術(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。通過相應的時間表示，數(shù)控技術(shù)被廣泛應用到機械制造業(yè)，降低人力，使機械制造效率得到提高，還能夠滿足機械制造業(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，促進我國機械制造產(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)標準，促進國家機械指導行業(yè)國家化發(fā)展。

參考文獻：

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[4]張新軍.機械制造中機電一體化數(shù)控技術(shù)的運用[J].速讀（旬刊），2017（2）.

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[7]張俊權(quán).數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的應用研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2013（30）：7.

[8]丁國棟.機電一體化數(shù)控技術(shù)在煤礦機電機械中的應用分析[J].山西能源學院學報，2017，30（1）：27-29.

[9]袁延明.機電一體化技術(shù)在煤礦機械中的應用探討[J].經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息，2017（15）：79.

[10]張寧輝.數(shù)控技術(shù)在機械加工中的應用與發(fā)展的前景[J].工程技術(shù)（文摘版），2017，4（35）：256.

編輯 馬燕萍