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機(jī)床的機(jī)電一體化系統(tǒng)
摘要
本文綜述了金屬切削和成型機(jī)床的機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，也呈現(xiàn)了機(jī)械一體化模塊與機(jī)床的集成以及它們?cè)谥圃爝^程中的互動(dòng)。同時(shí)，用于靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差和熱誤差的精確定位和補(bǔ)償?shù)臉悠窓C(jī)電元件也作為示例被呈現(xiàn)了出來(lái)。隨后，文章討論了機(jī)電一體化系統(tǒng)的模塊化集成對(duì)機(jī)床的可重構(gòu)性和可靠性的影響，同時(shí)也討論了機(jī)床操作過程中的干預(yù)策略。通過主動(dòng)干預(yù)方法和被動(dòng)干預(yù)方法，討論了其性能和功能。通過壓電致動(dòng)器、磁致動(dòng)器和電液致動(dòng)器，文章特別強(qiáng)調(diào)了振動(dòng)的主動(dòng)阻尼和被動(dòng)阻尼。本文還呈現(xiàn)了機(jī)電元件與機(jī)床結(jié)構(gòu)、電子單元和 CNC 軟件系統(tǒng)的模塊化集成。本文結(jié)論部分討論了當(dāng)前研究在擴(kuò)大機(jī)電一體化在機(jī)床和制造系統(tǒng)中的應(yīng)用上所面臨的挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞：機(jī)床；機(jī)電一體化；自適應(yīng)電子學(xué)
1.簡(jiǎn)介
信息社會(huì)的技術(shù)改造與車床需求的可觀變化有關(guān)，需要為精度和生產(chǎn)率之間的設(shè)計(jì)的內(nèi)在沖突提供新的解決方案。未來(lái)機(jī)床的性能要求在于微系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于機(jī)械制造業(yè)來(lái)說，這就導(dǎo)致對(duì)機(jī)床精密度的要求進(jìn)一步提高， 如圖 1 所示。科學(xué)與技術(shù)的挑戰(zhàn)并不完全在于生產(chǎn)精確度更高的機(jī)械工具的能力，也在于以合理的生產(chǎn)成本大規(guī)模生產(chǎn)工件的能力。
全球化使得高工資國(guó)家的機(jī)械生產(chǎn)面臨著巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。在過程開發(fā)領(lǐng)域?qū)ふ医鉀Q方案的一個(gè)根本舉措是：通過技術(shù)替代縮短流程鏈。這必須通過增加高產(chǎn)程序的精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦呔瘸绦虻纳a(chǎn)率提高大多受這些程序的基本物理原理的限制。
因此，可以推斷，大型工作區(qū)域的生產(chǎn)精度要求及靈活可靠的生產(chǎn)所帶來(lái)的矛盾，需要機(jī)床具有一個(gè)通用的體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)電一體化系統(tǒng)的典型特征——轉(zhuǎn)換能力（可重構(gòu)性）和自我優(yōu)化（抗干擾性）。
從對(duì)客戶和制造商的調(diào)查中，我們確定了有關(guān)這方面的具體需求是：
? 預(yù)知維護(hù)導(dǎo)致的可用性增加；狀態(tài)和過程監(jiān)控；智能維護(hù)；診斷功能。
? 以功能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)導(dǎo)致的高度經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)（壽命—周期成本）；可重構(gòu)性導(dǎo)致的性能提高（動(dòng)態(tài)性、靈活性）。這些元素都是必須相關(guān)聯(lián)的：
? 高層次的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化：接口、技術(shù)模塊、獨(dú)立的功能組件。
? 高效的控制系統(tǒng)。
圖 1
近幾十年來(lái)，機(jī)電一體化已經(jīng)成為這些系統(tǒng)的一種發(fā)展方法。如今，機(jī)電一體化構(gòu)成了生產(chǎn)技術(shù)的重點(diǎn)學(xué)科。
機(jī)電一體化這一術(shù)語(yǔ)由日本安川電氣合作公司于 1969 年提出，以通過電子手段顯示機(jī)械部件的功能延伸。由于信息處理的發(fā)展速度如此之快，機(jī)械工程技術(shù)系統(tǒng)中的集成“智能”方面現(xiàn)在越來(lái)越走在了前沿。實(shí)質(zhì)上，機(jī)電系統(tǒng)的特征在于：機(jī)械系統(tǒng)以功能為導(dǎo)向的延伸，通過傳感器和致動(dòng)器的空間集成和/或功能集成以及控制系統(tǒng)的使用來(lái)保證功能。
機(jī)電一體化的好處不僅僅是累加效應(yīng)，正如以下定義所強(qiáng)調(diào)的：“（機(jī)電一體化需要）不同工程學(xué)科之間的協(xié)同作用，這些學(xué)科包括：機(jī)械工程、控制工程、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。這正是機(jī)電一體化的目標(biāo)所在；它從并發(fā)工程學(xué)的角度來(lái)看待機(jī)械設(shè)計(jì)。”
“自適應(yīng)電子學(xué)”這一術(shù)語(yǔ)是上世紀(jì) 80 年代在美國(guó)提出來(lái)的。在該術(shù)語(yǔ)的統(tǒng)一指導(dǎo)下，材料科學(xué)與工程開始了新的發(fā)展，這是受人體肌肉結(jié)構(gòu)中的仿生結(jié)構(gòu)原則啟發(fā)的，旨在通過傳感器材料的直接集成為航空和太空旅行生產(chǎn)高效的輕型結(jié)構(gòu)材料，作為結(jié)構(gòu)材料本身的傳感器和致動(dòng)器，如圖 2 所示。使用的傳感器材料包括壓電陶瓷、形狀記憶合金、磁致伸縮材料或電磁激活流體和聚合物。通過連接作為傳感器和致動(dòng)器的復(fù)合組件，使用適當(dāng)調(diào)整的電子控制系統(tǒng)，可直接影響基本機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的振動(dòng)控陣，可擴(kuò)展至 ASAC——主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲學(xué)控制。今天，尋找具有結(jié)構(gòu)材料的分布式集成的解決方案以通過復(fù)雜機(jī)械和信息技術(shù)形成一個(gè)活躍的復(fù)合材料的舉措才剛剛開始，且為大量研究的主題。
由傳感器材料制成的致動(dòng)器在高度集成的機(jī)電一體化部件中的應(yīng)用，例如精
密定位系統(tǒng)，在技術(shù)上已變得更為先進(jìn)了，且已經(jīng)在工業(yè)中得到了應(yīng)用。如果這類組件使用集成傳感器用于更高級(jí)別的機(jī)械或機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)的自主改善，它們?cè)跈C(jī)械工程的詞匯表中就被稱為自適應(yīng)電子學(xué)。
圖 2：機(jī)電一體化系統(tǒng)的特點(diǎn)
在未來(lái)，通過光學(xué)技術(shù)，機(jī)電一體化將會(huì)從根本上得到豐富，并且成為一種新的基本類型。即使在今天，它們也通過激光束直接應(yīng)用到了機(jī)床中，作為機(jī)械加工的替代機(jī)械驅(qū)動(dòng)和工具。
光波導(dǎo)允許傳感器、信息處理和高寬帶致動(dòng)器之間的無(wú)干擾通信?；诠鈱W(xué)原理的傳感器，包括工業(yè)圖像處理，實(shí)現(xiàn)了極高的信息密度。同時(shí)，通過光電進(jìn)行的信息處理的速度將在未來(lái)進(jìn)一步增加。
因此，可確定以下技術(shù)能夠促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，從而促進(jìn)機(jī)床的發(fā)展：
1. 基于摩爾定律的信息技術(shù)。
2. 用于輕型結(jié)構(gòu)及增加組件集成水平的自適應(yīng)電子學(xué)（和微系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)的制造過程）。
3. 作為通用的新基本類型的光學(xué)。
機(jī)電一體化的基本方法是基于機(jī)床發(fā)展之上的。1952 年，麻省理工學(xué)院在第一個(gè)帶有 NC 控制系統(tǒng)的機(jī)床中首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的電子控制的運(yùn)動(dòng)行為。從二十世紀(jì)七十年代開始，由于 NC 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和過程自動(dòng)化的越來(lái)越集成， 機(jī)電一體化已徹底改變了機(jī)床的功能和效率。為了能夠最大限度地利用機(jī)電一體化提供的現(xiàn)代技術(shù)選擇，需要為統(tǒng)一的設(shè)計(jì)修改流程和工具。第二章對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)描述。特別地，需要對(duì)設(shè)計(jì)范式做出改變，以防止系統(tǒng)復(fù)雜性不可避免的增加，這種增加是由于可靠性下降的先驗(yàn)導(dǎo)致的機(jī)電一體化功能增加造成的。
由于機(jī)器誤差的規(guī)模和帶寬均不同，如圖 3 所示，進(jìn)一步發(fā)展機(jī)床的機(jī)電一體化系統(tǒng)以堅(jiān)持分層概念框架是有道理的。
這樣做時(shí)，可區(qū)分下列系統(tǒng)層次：
1. 機(jī)床的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
組件傳感器和最低數(shù)量的附加傳感器可捕捉過程和機(jī)器的接近現(xiàn)實(shí)的圖像。有了這些模型的支持，控制系統(tǒng)就可使用機(jī)床的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)來(lái)糾正處理誤差。適合這個(gè)的主要應(yīng)用涉及了準(zhǔn)靜態(tài)誤差來(lái)源，例如熱測(cè)定位移或機(jī)器校準(zhǔn)。然而，來(lái)自這些傳感器的綜合數(shù)據(jù)也為提高機(jī)床的可靠性和可用性提供了舉措。此類解決方案不斷增加的重要性是 CNC 技術(shù)高速發(fā)展的結(jié)果。它們受到設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成的強(qiáng)烈影響，具體細(xì)節(jié)如第二章和第四章的示例所示。
2. 機(jī)床的機(jī)電元件。
這些主要包括主驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。過去的研究工作都集中于這一系統(tǒng)層次， 已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，且分析成果已經(jīng)發(fā)表。這些組件和它們與信息技術(shù)的集成，決定了系統(tǒng)層次 1 的致動(dòng)器的能力和解決方案措施的帶寬。由于系統(tǒng)集成的優(yōu)化，我們可期待重大進(jìn)展的出現(xiàn)（第四章）。
3. 額外的機(jī)電一體化解決方案在機(jī)床組件中的集成。
該系統(tǒng)層次的干擾目的是通過自主組件來(lái)改善機(jī)床的故障問題，這些自主組件要么直接充當(dāng)輔助驅(qū)動(dòng)以彌補(bǔ)靠近干擾源的尺寸誤差，要么為更高層次的控制系統(tǒng)改善機(jī)床組件基本結(jié)構(gòu)的受控過程行為。這種系統(tǒng)干擾的優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)計(jì)， 該設(shè)計(jì)根據(jù)本地問題和隨之而來(lái)的與待補(bǔ)償?shù)墓收蠋捰嘘P(guān)的的限制取消進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。作為即插即用模塊，這些解決方案對(duì)于可重構(gòu)性的實(shí)現(xiàn)來(lái)說是很有趣的。這些是第三章的重點(diǎn)。
圖 3:機(jī)床頻率誤差的解決方案
相對(duì)于機(jī)床的整體功能，上述并不獨(dú)立的系統(tǒng)層次同時(shí)具有特定適用性及不同程度的應(yīng)用發(fā)展（目前階段）。因此，其優(yōu)化效果只可通過系統(tǒng)集成概念（第四章）實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)集成概念既考慮了機(jī)械參與，又考慮了信號(hào)流和能量流以及最
重要的數(shù)據(jù)處理的架構(gòu)。含有基本參數(shù)（包括經(jīng)濟(jì)參數(shù)）的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的例子為即插即用能力、能量效率以及整體解決方案的可靠性。
3．結(jié)論
機(jī)電一體化為機(jī)床發(fā)展提供了最優(yōu)方法?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)（機(jī)械/材料、改造系統(tǒng)）、傳感器/致動(dòng)器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，是“智能型”機(jī)床未來(lái)發(fā)展的特征。在接下來(lái)的幾年中，新興的趨勢(shì)將是自優(yōu)化（部分為自適應(yīng)電子學(xué)組件）的越來(lái)越多的使用以及更為高效的控制系統(tǒng)的使用，以作為機(jī)器誤差和過程控制的模型支持。機(jī)器的所有功能將因?yàn)殡娮訉W(xué)的加入而得到增強(qiáng)，并因此具備了機(jī)電一體化功能。
作為機(jī)床靈活性的一項(xiàng)必需的前提條件，可重構(gòu)性需要機(jī)電一體化機(jī)床組件具備即插即用的功能。這就需要?jiǎng)?chuàng)建接口并對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這些接口需要在機(jī)械技術(shù)、能源技術(shù)和信息技術(shù)方面進(jìn)行統(tǒng)一。同時(shí)，在它們的設(shè)計(jì)中，這些機(jī)床組件必須是嚴(yán)格以功能為導(dǎo)向的。在硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)方面，它們必須對(duì)它們的功能進(jìn)行全面的描述。計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的類比技術(shù)或機(jī)器人技術(shù)將更加突出。
在可預(yù)見的未來(lái)，機(jī)器人技術(shù)和機(jī)床之間的界限將擴(kuò)散至機(jī)電一體化制造資源中。這一趨勢(shì)將伴隨著運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)方面的根本性轉(zhuǎn)變，但最重要的是控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的根本性改變。其中一個(gè)主要的挑戰(zhàn)將是確保這些機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性，以滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的可用性方面的經(jīng)濟(jì)要求。
挑戰(zhàn)在于，如何在最早的設(shè)計(jì)階段充分利用機(jī)電一體化選項(xiàng)和功能。針對(duì)這些機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具不能簡(jiǎn)單地概括為單個(gè)領(lǐng)域的建模、仿真，以及確保適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)交換。今天歸類到標(biāo)題“虛擬機(jī)工具”之下的設(shè)計(jì)技術(shù)的任務(wù)將發(fā)生根本性的擴(kuò)展。除了評(píng)估規(guī)范配置滿足的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，我們將在將來(lái)引導(dǎo)建立硬件和軟件配置的虛擬世界，這些硬件和軟件已經(jīng)是必不可少的了：隨著機(jī)電整合模塊實(shí)現(xiàn)的技術(shù)規(guī)范配置的實(shí)施，控制整個(gè)系統(tǒng)的軟件將會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建，組件中的相應(yīng)代理軟件也會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建。優(yōu)化工具也將在節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)方面實(shí)現(xiàn)組件間的職能分工優(yōu)化。同時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)能考慮到系統(tǒng)中所有可用傳感器的可靠性模型。這將確保整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可用性（機(jī)電一體化系統(tǒng)中任一操作狀態(tài)固有的可收回的）。這可通過一定程度上的硬件和軟件冗余并借助該系統(tǒng)現(xiàn)行狀態(tài)的廣泛知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，將范式“盡管有機(jī)電一體化的可靠性”轉(zhuǎn)換為范式“借助于機(jī)電一體化的可靠性”是可以實(shí)現(xiàn)的。