机电一体化技术在数控机床上的应用分析

机电一体化技术在数控机床上的应用分析

作者：梁利国

来源：《城市建设理论研究》2013年第24期

摘要：在科学技术是第一生产力的今天，随着经济社会的不断发展和科学技术的更新进步，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，导致了工程领域的技术革命与改造，在机械工程领域，极大地推动了不同学科的交叉与渗透。本文简要描述了机电一体化的概念，并重点探讨了机电一体化在数控机床中的应用。

关键词：机电一体化；数控机床；应用

中图分类号：TH-39文献标识码： A 文章编号：

前言

随着经济社会的不断发展和科学技术的更新进步，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。由于大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，特别是微型电子计算机的空前发展，促进了机械技术和电子技术的相互交叉和相互渗透，并使机械技术和电子技术在系统论、信息论和控制论的基础上有机地结合起来，形成了机电一体化技术。数控机床作为机电一体化产品的典型代表在当今制造业中扮演着非常重要的角色，本文就机电一体化在数控机床中的应用进行分析探讨。

1 机电一体化的基本概念

机电一体化的基本概念是根据系统功能目标和优化组织目标。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展。由此而产生的功能系统---机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。机电一体化是从系统的观点出发，合理配置与布局各功能单元，还将被赋予新的内容。并使整个系统最优化的系统工程技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称，是综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值。具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，还能赋予许多新的功能。其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，但是发展到机电一体化后。“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面，其主要功能依然是代替和放大的体力，机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。而不是机械

技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑，这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。因此，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术。

2 机电一体化在数控机床中的应用

2.1 机械设计技术的应用

机械技术是机电一体化的基础。在机械与电子相互结合的实践中，机电一体化不断对机械设计技术提出更高的要求（如结构更新颖、体积更小、质量更轻、精度更高、动态性能更好等），使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大改变。所谓数控机床，它主要还是一台用来加工零件的设备，但其在应用机电一体化之后，已不再是原来意义上简单的机床。数控机床的主传动、各个坐标轴的进给传动都由单独的伺服电动机驱动，并且各个坐标轴之间的运动关系通过计算机来进行协调控制。数控机床的机床本体部分相对于以往的普通机床做了很大的改进，主要包括以下几点：（1）采用了全封闭或半封闭防护装置。数控机床采用封闭防护装置可防止切屑或切削液飞出，给操作者带来意外伤害。（2）采用自动排屑装置。数控机床大都采用斜床身结构布局，便于采用自动排屑机，排屑方便。（3）主轴速高，工件装夹安全可靠。数控机床主轴箱大都由电主轴或传统机械主轴单元加变频电动机和变频器组成，以适应更高的转速要求；采用液压卡盘，夹紧力调整方便可靠，同时也降低了操作工人的劳动强度。（4）可自动换刀数控机床都采用了自动回转刀架，在加工过程中可自动换刀，连续完成多道工序的加工。（5）主、进给传动分离。数控机床的主传动与进给传动采用了各自独立的伺服电机，使传动链变得简单、可靠。同时各电机既可单独运动，也可实现多轴联动。这些都是机电一体化总体设计技术和机械设计技术的成功应用。

2.2 自动控制等技术的应用

在数控机床中，主要采用高精度定位控制、速度控制等自动控制技术，来保证数控机床的正常运行。信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出，它们大都依靠计算机来进行，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。所谓数控机床，其与普通机床的最大区别即在于“数控”，数控就好比给一台机器装上了一个“脑袋”，这是机电一体化应用中最为普遍的一点，同时它也是数控机床的核心。这部分集合了计算机技术、信号变换技术、软件编程技术等多项机电一体化技术，通过接收操作者通过输入装置输入的加工机电一体化在数控机床中的应用信息，经数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲到伺服系统，以驱动机床。如广泛应用于数控机床的可编程控制器（PLC），它主要是接收数控装置的 M、S、T 指令，对其进行译码并转换成相应的控制信号，控制辅助装置完成机床的相应开关动作，同时接收操作面板和机床的 I/O 信号，送给数控装置，经其处理后，输出指令来控制数控装置的工作状态和机床的动作。数控机床中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行，信息处理是否准确、及时，直接影响到产品的质量和效率。

2.3 执行与驱动技术的应用

数控机床中的伺服系统主要包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等，完成接收数控装置输出的指令信息，经功率放大后，驱动机床执行机构按规定的路径运动，以加工出符合要求的零件。伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件一方面通过电气接口与数控装置相连，以接收数控装置的控制指令；另一方面又通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作，因此伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。伺服系统在数控机床中的成功应用，使得数控机床具有较高的精度与稳定性。

2.4 检测与传感技术的应用

在数控机床中测量与反馈是由检测元件和相应的电路组成，它们将检测到的信号反馈至比较电路，经信号比较和信号放大驱动机床，以准确的速度做准确的定位。这是由于检测与传感技术是机电一体化的关键技术，它主要是将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号灯转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感与检测技术是数控机床不可或缺的一部分，它实现的是数控机床自身的实时监控与检测，保证每一个行动都按照下发的指令去操作，从而有效地保证了机床的正常运行与产品的质量。

结束语

随着经济社会的不断发展和科学技术的更新进步，和微电子技术突飞猛进的发展，计算机本身也发生了巨大变革。以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透并与机械技术有机结合所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品结构、功能、生产方式及管理体系均发生了重大改变，从而使工业生产进入了一个崭新的“机电一体化时代”。机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。

参考文献：

［1］袁中凡.机电一体化技术［M］.北京：电子工业出版社，2006

［2］戴庆辉.先进制造系统［M］.北京：机械工业出版社，2006

[3] 李建勇．机电一体化技术[M]．北京：科学出版社，2004