随着社会进步和科学技术的发展,对制造工程中的机电一体化技术提出了许多新的和更高的要求,制造工程中出现了一系列新概念。毫无疑问,机械制造自动化中的数控技术、FMS、CIMS及机器人等都会一致被认为是典型的机电一体化技术、产品及系统。
为了提高机电产品的性能质量,一些零件的制造精度要求越来越高,形状也越来越复杂,如高精度轴承的滚动体圆度要求小于0.05μm;激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求为0.025μm,表面粗糙度值为0.015μm。
一些零件为了提高效率、减少阻力和降低噪声,往往被设计成复杂的空间曲面,如螺杆压缩机包络成形螺旋曲面、膨胀机的叶轮叶片、飞机螺旋桨、潜水艇推进器等都具有极其复杂的空间曲面;现代汽车发动机的一些活塞已不是圆柱形,被设计成椭圆鼓形;为提高强度和使用寿命,一些机械轴也不再是圆柱形而是由几段圆弧组成的复合圆柱体;卫星天线的馈源要求有方与圆光滑过渡实体;而各类特殊刀具与模具,其型面也极其复杂。所有这些,都要求CNC机床具有高性能、高精度和稳定加工复杂形状零件表面的能力。因此,机电一体化技术和产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量化、微型化方向发展。
(1)机电一体化产品的高性能化 高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。新一代CNC系统就是以此“四高”为满足生产急需而诞生的。它采用128位或者256位CPU结构,以多总线连接,高速数据传递。因而,在相当高的分辨率(0.1μm)情况下,系统仍有高速度(150m/min),可控及联动坐标达24轴,并且有丰富的图形功能和自动程序设计功能。如瑞士米克朗公司生产的一种新型五轴联动铣削加工中心,主轴转速最高可达到100000r/min,重复定位精度不大于1μm。
在高性能数控系统中,除了具有直线、圆弧、螺旋线插补等一般功能外,还配置有特殊函数插补运算,如样条函数插补等。微位置段命令用样条函数来逼近,保证了位置、速度、加速度都具有良好的性能,并设置专门函数发生器、坐标运算器进行并行插补运算。超高速通信技术、全数字伺服控制技术是高速化的两个重要方面。
高速加工机床、技术、刀具和系统可靠性方面发展也较快,如法国IBAG公司等的磁悬浮轴承的高速主轴最高转速可达15×104r/min,加工中心换刀速度快达1.5s。切削速度方面,目前硬质合金刀具和超硬材料涂层刀具车削和铣削低碳钢的速度达500m/min以上,而陶瓷刀具可达800~1000m/min,比高速钢刀具30~40m/min的速度提高了数十倍。系统可靠性方面采用了冗余、故障诊断、自动检错、纠错、系统自动恢复、软硬件可靠性等技术予以保证,使得这种典型的机电一体化产品具有高性能,即高速、高效、高精度和高可靠性,它代表了机电一体化技术高性能化的发展趋势。(www.daowen.com)
(2)机电一体化产品的智能化趋势 人工智能在机电一体化产品中得到快速推广应用,机器人与数控机床的智能化就是人工智能应用的具体体现。随着制造业自动化程度的提高,信息量与柔性也同样提高,出现智能制造系统(IMS)控制器来模拟人类专家的智能制造活动;对制造中的问题进行分析、判断、推理、构思和决策,其目的在于取代或延伸制造过程中人的部分脑力劳动,并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。
1)诊断过程的智能化。诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。引入了人工智能的故障诊断系统,采用了各种推理机制,能准确判断故障所在,并具有自动检错、纠错与系统恢复功能,从而大大提高了系统的有效度。
2)人机接口的智能化。智能化的人机接口,可以大大简化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。
3)自动编程的智能化。操作者只需输入加工工件素材形状和需加工形状数据,加工程序就可全部自动生成,这里包含:素材形状和加工形状的图形显示,自动工序的确定,使用刀具、切削条件的自动确定,刀具使用顺序的变更,任意路径的编辑,加工过程干涉校验等。
4)加工过程的智能化。通过智能工艺数据库的建立,系统根据加工条件的变更,自动设定加工参数。同时,将机床制造时的各种误差预先存入系统中,利用反馈补偿技术对静态误差进行补偿。还能对加工过程中的各种动态数据进行采集,并通过专家系统分析进行实时补偿或在线控制。
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