机床电气技术的发展阶段是哪一年

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一、我国机电一体化的发展趋势

我国机电一体化的发展大体可以分为三个阶段:

机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。它以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。专家预测，机电一体化技术将向以下几个方向发展：

一、光机电一体化方向

一般机电一体化系统是由传感系统、能源（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。

二、柔性化方向

未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在这系统中，各子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具有“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

三、智能化方向

今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。

四、仿生物系统化方向

今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上处于“静态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统（大脑）停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统（大脑）工作时，生物就很有活力。就目前情况看，机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势，但还有一段很漫长的道路要走。

五、微型化方向

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当这一成果用于实际产品时，就没有必要再区分机械部分和控制器部分了。那时，机械和电子完全可以“融合”机体，执行结构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型化是机电一体化的重要发展方向。

【参考文献】

1. 戴勇．高职机电一体化技术专业课程开发[M]．北京：机械工业出版社，2004．

2. 顾京．现代机床设备[M]．北京：化学工业出版社，2001．

二、机床的发展历史

十五世纪的机床雏形，由于制造钟表和武器的需要，出现了钟表匠用的螺纹车床和齿轮加工机床，以及水力驱动的炮筒镗床。

1501年左右，意大利人列奥纳多·达芬奇曾绘制过车床、镗床、螺纹加工机床和内圆磨床的构想草图，其中已有曲柄、飞轮、顶尖和轴承等新机构。

中国明朝出版的《天工开物》中也载有磨床的结构，用脚踏的方法使铁盘旋转，加上沙子和水来剖切玉石。

工业革命导致了各种机床的产生和改进。

十八世纪的工业革命推动了机床的发展。

1774年，英国人威尔金森（全名约翰·威尔金森）发明了较精密的炮筒镗床。

次年，他用这台炮筒镗床镗出的汽缸，满足了瓦特蒸汽机的要求。

为了镗制更大的汽缸，他又于1775年制造了一台水轮驱动的汽缸镗床，促进了蒸汽机的发展。

从此，机床开始用蒸汽机通过曲轴驱动。

1797年，英国人莫兹利创制成的车床由丝杠传动刀架，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大变革。

莫兹利也因此被称为“英国机床工业之父”。

19世纪，由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动，各种类型的机床相继出现。

1817年，英国人罗伯茨创制龙门刨床；1818年美国人惠特尼（全名伊莱·惠特尼）制成卧式铣床；1876年，美国制成万能外圆磨床；1835和1897年又先后发明滚齿机和插齿机。

工业技术发展的中心，从十九世纪起就悄悄从英国移向美国。

在把英国的技术声望夺过去的人中，惠特尼堪称佼佼者。

惠特尼聪颖过人，具有远见卓识，他率先研究出了作为大规模生产的可更换部件的系统。

至今还很活跃的惠特尼工程公司，早在19世纪四十年代就研制成功了一种转塔式六角车床。

这种车床是随着工件制做的复杂化和精细化而问世的，在这种车床中，装有一个绞盘，各种需要的刀具都安装在绞盘上，这样，通过旋转固定工具的转塔，就可以把工具转到所需的位置上。

随着电动机的发明，机床开始先采用电动机集中驱动，后又广泛使用单独电动机驱动。

二十世纪初，为了加工精度更高的工件、夹具和螺纹加工工具，相继创制出坐标镗床和螺纹磨床。

同时为了适应汽车和轴承等工业大量生产的需要，又研制出各种自动机床、仿形机床、组合机床和自动生产线。

1900年进入精密化时期。

19世纪末到20世纪初，单一的车床已逐渐演化出了铣床、刨床、磨床、钻床等等，这些主要机床已经基本定型，这样就为20世纪前期的精密机床和生产机械化和半自动化创造了条件。

在20世纪的前20年内，人们主要是围绕铣床、磨床和流水装配线展开的。

由于汽车、飞机及其发动机生产的要求，在大批加工形状复杂、高精度及高光洁度的零件时，迫切需要精密的、自动的铣床和磨床。

由于多螺旋线刀刃铣刀的问世，基本上解决了单刃铣刀所产生的振动和光洁度不高而使铣床得不到发展的困难，使铣床成为加工复杂零件的重要设备。

被世人誉为“汽车之父”的福特提出：汽车应该是“轻巧的、结实的、可靠的和便宜的”。

为了实现这一目标，必须研制高效率的磨床，为此，美国人诺顿于1900年用金刚砂和刚玉石制成直径大而宽的砂轮，以及刚度大而牢固的重型磨床。

磨床的发展，使机械制造技术进入了精密化的新阶段。

1920年进入半自动化时期。

在1920年以后的30年中，机械制造技术进入了半自动化时期，液压和电气元件在机床和其他机械上逐渐得到了应用。

1938年，液压系统和电磁控制不但促进了新型铣床的发明，而且在龙门刨床等机床上也推广使用。

30年代以后，行程开关——电磁阀系统几乎用到各种机床的自动控制上了。

1950年进入自动化时期。

第二次世界大战以后，由于数控和群控机床和自动线的出现，机床的发展开始进入了自动化时期。

数控机床是在电子计算机发明之后，运用数字控制原理，将加工程序、要求和更换刀具的操作数码和文字码作为信息进行存贮，并按其发出的指令控制机床，按既定的要求进行加工的新式机床。

世界第一台数控机床（铣床）诞生（1951年）。

数控机床的方案，是美国的帕森斯（全名约翰·帕森斯）在研制检查飞机螺旋桨叶剖面轮廓的板叶加工机时向美国空军提出的。

在麻省理工学院的参加和协助下，终于在1949年取得了成功。

1951年，他们正式制成了第一台电子管数控机床样机，成功地解决了多品种小批量的复杂零件加工的自动化问题。

以后，一方面数控原理从铣床扩展到铣镗床、钻床和车床，另一方面，则从电子管向晶体管、集成电路方向过渡。

1958年，美国研制成能自动更换刀具，以进行多工序加工的加工中心。

世界第一条数控生产线诞生于1968年。

英国的毛林斯机械公司研制成了第一条数控机床组成的自动线。

不久，美国通用电气公司提出了“工厂自动化的先决条件是零件加工过程的数控和生产过程的程控”。

于是，到1970年代中期，出现了自动化车间，自动化工厂也已开始建造。

1970年至1974年，由于小型计算机广泛应用于机床控制，出现了三次技术突破。

第一次是直接数字控制器，使一台小型电子计算机同时控制多台机床，出现了“群控”；第二次是计算机辅助设计，用一支光笔进行设计和修改设计及计算程序；第三次是按加工的实际情况及意外变化反馈并自动改变加工用量和切削速度，出现了自适控制系统的机床。

经过100多年的风风雨雨，机床的家族已日渐成熟，真正成了机械领域的“工作母机”。

PLC技术下的机床电气控制自动化系统具备多种特点

（一）软件设计

1.电源模块设计

PLC技术下的机床电气控制自动化系统中的硬件模块因自身属性差异，对电源要求也具有一定差异。比如，PLC模块对电源波动具有严格要求，需要额外配置隔离变压器与可靠的不间断电源、滤波器，其中不间断电源在系统断开电路、输入电压波动过大时承担备用电源输出、稳压责任，避免意外断电引发控制系统数据毁损；而隔离变压器可以为不间断电源提供220V交流电，通过开启或关闭电源，接通或断开不间断电源输出端与负载；滤波器负责规避谐波对PLC模块的干扰。再如，部分控制电路功率较小，需要由隔离变压器提供稳定可靠的24V电压。而大负载驱动电机所需驱动功率较大，需要选择功率为1000VA的隔离变压器，并在其输出端串联交流接触器的一对常闭触点，以便在驱动器发生运行故障时停止电力资源供应，规避过载、过热事故。

2.电气控制模块设计

PLC技术下的机床电气控制自动化系统主电路负责为各个功能模块输送适宜的电力能源，因电气控制自动化系统执行阶段需大量继电器参与工作状态执行，需要根据控制原理图进行电气元件的连接。即在电源开关与其他硬件模块正常供应电力能源的基础上，开启PLC控制模块，自行检测机床电气控制自动化系统是否存在驱动电源断电报警、总电源断电报警信号。在确定电源正常后，将一个独立的控制继电器分配给辅助设备，以便加工作业时相关辅助设备有序启动。在开启检测无误后，根据PLC输出端无输出电机驱动信号的特点，需设置一个准备按钮，串联通电延时继电器、驱动保护电路，避免驱动器接通电源时PLC错误动作。

（二）软件系统设计

1.驱动参数设置

微处理器是伺服驱动器功能实现的基础，设计者可以依据定制化思维，进行软件模块参数设置，以便满足机床电气控制自动化系统多场景运行需要。从基本规格来看，驱动主回路输出电源及控制回路输入电源均为三相200V50Hz，控制方式为正弦波控制，控制模式为位置控制，编码器反馈为5线制增量式编码器，输入控制信号为伺服使能，输出为伺服报警。在位置控制模式下，输入为驱动禁止输入、脉冲指令输入禁止，输出为定位结束输出，脉冲输入时最大指令脉冲频率为2Mpps，可用指令跟踪控制、实时速度观测器、振动抑制控制。

2.PLC编程参数设置

在PLC机型确定之后，可以结合机床控制要求，为每一个输入输出分配地址。在PLC输入输出地址分配的基础上，可以利用专门的软件对PLC程序进行编辑。在编辑前，需要确定热继电器处于接通状态，且启动按钮没有被按下。进而以主轴运作为前提，设置主轴控制程序。即经I0.3接通主轴正转，并设置能耗制动时间继电器耗时为3s，进而经I0.4关停主轴，结束能耗制动。

３．软件模块划分

软件模块划分是提高PLC技术下的机床电气控制自动化系统软件设计效率的主要手段，可以从机床加工准备、机床加工操作两个方面着手，进行模块划分。在机床加工准备方面，机床电气控制自动化系统辅助模块为初始化模块、参数设置模块、调整模块、对刀模块。其中初始化模块负责将电气控制自动化系统恢复最初状态；参数设置模块负责输入关键参数，如定时中断操作等；调整模块负责根据机床原点调整主轴位置；对刀模块负责根据加工零点经触摸屏输入加工初始间隙核算加工原点位置，对快进状态下主轴缓冲减速点位置核算提供依据。在机床加工操作方面，机床电气控制自动化系统辅助模块为准备模块、手动/自动加工模块、定时加工模块。其中准备模块负责经触摸屏上触摸键启动设备；手动/自动加工模块负责经触摸屏设定加工深度、速度、时间参数实现自动运行；定时加工模块负责在预定时间加工工件。

除基本模块外，还需要额外增设故障自诊断功能模块、自动保护功能模块与意外断电保护功能模块、自动控制功能模块。其中故障自诊断功能模块主要是自动诊断、处理机床加工故障，确保机床加工过程顺利进行；自动保护功能模块负责自动保护电源过流，规避阴极与阳极短路危害系统；意外断电保护功能模块主要是在意外断电情况下保护整个系统，并记忆工件位置，为通电后加工作业正常开展提供依据；自动控制功能模块负责实时监控加工温度、速度，在温度或速度低于设定极限值时自动调节。在模块划分后，设计者可以依据模块化设计理念，将模块组合为完整的拓扑模型。将机床电气控制自动化系统模块按照一定规则整合，可以形成对机床加工电气自动化控制具有指导作用的拓扑结构。

（三）PLC技术下的机床电气控制自动化系统功能调试

1、硬件调试

在基于PLC技术的机床电气控制自动化系统设计完毕后，设计者应对机床电气控制自动化系统硬件接线进行检查。在硬件接线检查时，需要设计者判定变压器、执行件、负载电气连接完整情况。进入利用万用表检查各电气触点，以便及时发现节点连接错误、接触不良问题。在确定电气节点连接正确且无接触不良问题后，借助按钮通断与万用表操作，对每一条线路通断情况进行检查，确保每一条线路通断情况与设计要求一致。在确定控制回路、PLC接口电路接线与设计要求一致后，利用万用表再次检查线路连接情况。确定线路连接准确无误后，接通PLC电源，对每一个模块运行情况进行检查。并根据检查结果进行模块调试。

2、软件调试

因基于PLC技术的机床电气控制自动化运行环境限制，软件调试选择脱机调试方式，寻找软件算法错误、逻辑错误，避免正常工作状态（或特殊状态）下系统逻辑算法错误。为验证机床电气控制自动化程序完备性，需根据PLC程序功能表现，将待调试PLC程序模块划分为基于逻辑控制的程序段、基于数据处理的程序段。前者主要是在PLC基本单元组成无误的前提下，根据每一个输入点状态指示灯、每一个输出点状态指示灯，利用按钮模拟输入信号，变更模块状态，判定输出模块与设计控制要求一致性。在确定两者一致后，借助PLC的编程软件，经强制开关功能变更触点状态，为PLC程序调试提供支持。

基于数据处理的程序段调试高度复杂，无法通过PLC现有编程调试功能实现，而是通过多次输入特殊值进行验证。特殊值输入现有经触摸屏界面进行画面编辑以及变量定义，进而将定义变量传送至PLC，完成PLC存储器内置数值的变更。在触摸屏程序调试时，需要借助专门的触摸屏程序制作软件ViewjetCmore，在离线模拟运行功能下，经个人计算机执行监视画面程序。在监视画面程序上选择工具条的simulateproject按钮获得模拟运行确认对话框，在对话框内选择触摸屏型号。确定触摸屏型号后，经开始按钮模拟运行界面，完成模拟调试。在模拟调试结束后，连接触摸屏、PLC，在线模拟触摸屏与PLC联机运行情况。根据设计方案，在线修改已编制触摸屏程序，并经人机界面读写PLC内部数据区进行局部模块完善，确保触摸屏界面与PLC正常通讯，为PLC技术下的机床电气控制自动化系统完成对控制对象的监控提供帮助。

结语需要注意的是，在软件模拟监控界面内，将CPU切换至运行状态，此时机床电气控制自动化系统进入待命状态，根据指示运行主轴或者开启切削液等操作，根据操作时系统状态表现进行输入区、输出区、内部存储区、共享数据块以及模拟输入量连续变化的调试，确保系统正常运转状态下相应指示灯、中间继电器可靠发挥作用。

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