机械制造中机电一体化数控技术运用研究

引言

机电一体化数控技术是机械制造领域的核心技术之一。在机电一体化数控技术应用下，数控机床利用计算机控制系统，可以实现微米级甚至纳米级的运动控制，并支持齿轮、轴承、发动机叶片等机械复杂零件的精密加工，由此提升机械零件加工工艺的精度和一致性。

1 机电一体化数控技术的核心构成与原理

机电一体化数控技术的核心构成，包括控制系统、驱动系统、机械执行系统、传感器与反馈系统、人机交互界面（HMI）。系统的核心是计算机数控模块，负责解析加工指令、生成控制信号，并协调各个子系统工作。该系统配套的硬件主要包括计算机、可编程逻辑控制器（PLC），软件则涵盖实时操作系统与运动控制算法。驱动系统由伺服电机、步进电机和驱动器组成，负责将电信号转换为机械运动。比如通过脉冲信号控制电机的转速，实现刀具的精准定位与进给速度调节。机械执行系统包括机床主体、导轨、主轴等，负责完成切削、钻孔等加工动作。高精度的滚珠丝杠、直线导轨可以有效减少摩擦误差，提高加工的作业精度。传感器与反馈系统中光栅尺、编码器等设备能够实时监测位置、温度、振动等参数，形成闭环控制。例如，光栅尺的作用是保障加工误差得到及时修正，其分辨率高达微米级。人机交互界面主要负责提供编程、参数设置和状态监控功能，支持图形化操作与故障诊断。机电一体化数控系统的工作原理，可分为指令输入与解析、运动轨迹计算、伺服控制与执行、实时反馈与修正四步。第一步，指令输入与解析。用户先输入数字化加工程序（CAD/CAM 生成），随后由 CNC 系统把其解析为运动指令，如刀具的路径、速度等参数。第二步，运动轨迹计算。应借助插补算法把离散指令转化为连续的运动轨迹。第三步，伺服控制与执行。驱动器将会根据控制信号调节电机的转矩、速度，从而实现多轴联动。这期间 PID 控制器多用在消除位置误差。第四步，实时反馈与修正。传感器数据从总线回传到控制系统，再由系统动态调整机械加工的参数，确保精度的稳定性。

2 数控技术在机械制造中的应用优势

（1）提高生产效率。数控技术能够实现自动化加工，通过预先编写的程序控制机床的运行，减少了人工操作的时间和误差。机床可以按照设定的路径和参数连续加工多个零件，无需频繁地进行人工调整，大幅缩短生产周期。例如，在汽车零部件制造中，数控加工中心能够快速、准确地完成复杂零部件的加工，相比传统加工方式，生产效率提高数倍。（2）提升加工精度。数控系统通过精确的坐标定位和运动控制，能够保证加工过程的高精度。其定位精度可达到微米级，甚至更高，有效减少因人为因素和机床误差导致的加工偏差。这使得机械制造能够生产出更加精密的零件，满足航空航天、医疗器械等高端领域对零部件精度的严格要求。如在航空发动机叶片的制造中，数控技术确保叶片的形状和尺寸精度符合设计标准，提高了发动机的性能和可靠性。（3）增强生产灵活性。数控技术可以通过修改程序轻松实现不同零件的加工，无需对机床进行大规模的调整和改造。这使得企业能够快速响应市场需求的变化，及时调整生产计划，生产出多样化的产品。对于小批量、多品种的生产需求，数控技术的灵活性优势尤为明显，降低企业的生产成本和生产准备时间。

3 机械制造中机电一体化数控技术运用策略

3.1 注重硬件配置优化

配套的硬件是机电一体化数控技术应用的基础条件，所以，为了更好地实现技术应用，还需注重硬件配置的优化，从而充分发挥技术效能。在硬件配置上，考虑到机械制造设备的机械本体的刚性、精度和动态性能，会直接影响机电一体化技术的实施效果，所以，必须以提升刚性、精度和动态性能为导向进行硬件的配置。在此过程中，可以考虑采用有限元分析法进行优化设计，并积极运用高阻尼材料减少振动，还要通过精密滚珠丝杠、线性导轨等传动部件，从而提高运动精度，深入优化技术应用效果。动力与驱动部分结构作为硬件的核心，其的性能也是影响技术应用效果的关键。在作业过程中，传统的液压驱动可能会受到油液泄漏影响，使得定位精度通常仅能够达到 ± 0.1～0.5mm ，而且其的重复精度也会随油温波动，同时还会出现阀芯动作延迟，不利于快速响应。而伺服电机驱动具有高精度、高效率、智能化等优势，在闭环控制下，定位精度可以达到 ±0.01mm 以内，同时能够利用光栅尺反馈达到 ±0.005mm 的重复精度，且更加稳定。此外，响应速度也不受阀芯动作延迟所影响，可以达到毫秒级别，从而进一步提升技术应用效果。为此，在硬件配置上，也要优先使用伺服电机驱动，以提高响应速度和控制精度。

3.2 部署好传感器网络

在机电一体化技术应用中，所需的反馈信息，主要源于相应的传感器，所以，部署好传感器网络，也是技术应用中的重要一环。在机械制造作业中，技术应用所需的反馈信息主要包含机械运动参数、加工状态参数以及设备健康参数等，由于上述数据呈现出多样化的特征，所以，配套传感器的网络部署势必涉及到源异构传感器的合理选型和优化部署。对此，在部署时，需在数控机床上合理安装力传感器、振动传感器和声发射传感器，以便于实时监控切削状态，及时识别刀具磨损或破损情况，而且还要充分考虑注重传感器的标准化输出和抗干扰能力，结合测量范围、精度、响应速度、环境适应性等因素，进行部署方案的优化，确保信号质量满足后续分析和控制需求，为技术应用提供良好条件。但在上述过程中，需要注意考虑后续的维护需求，合理设置传感器的位置，以及传感器与机械机构之间的距离，由此方便后续维护操作。

3.3 数控机床的故障诊断

要想促使数控机床长时间处于稳定的运行状态中，专业人员要执行全面维护工作，日常对故障问题多加诊断，减少安全隐患的出现。从日常维护工作来看，对使用的各类机械部件，要制定好维护计划，落实机械润滑工作。比如，当维护工作落实期间面对直线导轨、滚珠丝杠等部分，调查机械实际的运行时间，当运行时间达到 500-1000h，那么要组织专门的工作人员将符合要求的润滑油加入其中。在维护管理工作中，电气系统的检查属于重点内容，面对复杂的电气线路，要实行周检计划，主要查看线路的连接是否牢固，而在电气柜装置中，需要清洁其中的灰尘，清洁工作的执行频率为每月一次。在数控系统内，其中存在一些关键参数，养成备份的优良习惯，对系统应用情况进行记录，并针对系统软件开展季度化更新工作，促使系统支持长期使用。若利用数控机床期间，其出现一定的异常情况，工作人员要采取适宜的诊断方式，比如，从数控系统自身的功能出发，其带有指示灯，异常状态下会发出报警信息，有助于协助工作人员短时间内对故障情况准确判断。

结束语

综上所述，多措并举促进机电一体化数控技术在机械制造中的落实，可以进一步优化机械制造的效率和效果。在机电一体化数控技术应用中，需从硬件配置、部署好传感器网络等多个方面入手，采取合适的技术措施，为技术应用提供良好的条件，从而使其更好地发挥其的效能。

参考文献：

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