先進(jìn)制造技術(shù)3.1機(jī)械制造工藝的內(nèi)涵與發(fā)展3.2精密和超精密加工概述3.3高速加工技術(shù)3.4MEMS與微納制造技術(shù)目錄增材制造技術(shù)3.53.6生物制造技術(shù)第3章先進(jìn)制造工藝技術(shù)機(jī)械制造工藝的內(nèi)涵與發(fā)展3.1.1機(jī)械制造工藝的內(nèi)涵3.13.1.2先進(jìn)制造工藝技術(shù)的提出與產(chǎn)生3.1.3先進(jìn)制造工藝技術(shù)特點(diǎn)3.1.4先進(jìn)制造工藝技術(shù)的發(fā)展3.1.1機(jī)械制造工藝的內(nèi)涵70%常見(jiàn)的機(jī)械制造工藝流程如圖3.1所示，包括原材料及能源供應(yīng)、毛坯制備、機(jī)械加工、材料改性處理、裝配檢測(cè)等環(huán)節(jié)。毛坯準(zhǔn)備:包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓成形等工藝過(guò)程。機(jī)械加工成形:包括車(chē)削、鉆削、銑削、刨削、鏜削、磨削等不同的切削加工工藝。表面改性處理:包括熱處理、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、涂裝等工藝過(guò)程。材料去除成形:

材料去除成形是利用分離的方法，將一部分材料有序地從基體材料中分離出去的成形工藝方法，例如傳統(tǒng)的車(chē)、銑、刨、磨切削加工，以及現(xiàn)代的電火花加工、激光切割、打孔等特種加工工藝方法。去除成型最先實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，目前仍是主要的制造形式。材料受迫成形:

材料受迫成形是利用材料的可成形性（塑性），在特定邊界和外力約束條件下的成形方法，例如鑄造、鍛壓和粉末冶金、高分子材料注射成形等均屬這類(lèi)成形工藝。材料堆積成形:

又稱(chēng)增材制造，是應(yīng)用連接及合并等工藝手段，將材料有序地合并堆積起來(lái)的一種成形工藝方法，如快速原型制造、焊接、黏合等。材料生成成形:

材料生成成形是利用材料的活性進(jìn)行成形的方法。自然系統(tǒng)中生物個(gè)體發(fā)育均屬生成成形。3.1.2先進(jìn)制造工藝技術(shù)的提出與產(chǎn)生先進(jìn)制造工藝是在傳統(tǒng)制造工藝基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)和提高過(guò)程中形成的。先進(jìn)制造技術(shù)的概念于20世紀(jì)末，由美國(guó)聯(lián)邦科學(xué)協(xié)會(huì)、工程與技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì)（FCCSET）主持實(shí)施的先進(jìn)制造技術(shù)（AdvancedManufacturingTechnology，AMT）計(jì)劃時(shí)提出，之后，歐洲、日本以及亞洲新興工業(yè)化國(guó)家相繼響應(yīng)。制造業(yè)不斷吸收機(jī)械工程技術(shù)、電子信息技術(shù)、自動(dòng)化控制理論技術(shù)、材料科學(xué)、能源技術(shù)、生命科學(xué)及現(xiàn)代管理科學(xué)等方面的成果，將其綜合應(yīng)用于制造業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理、銷(xiāo)售、使用、服務(wù)以及對(duì)報(bào)廢產(chǎn)品的回收處理的制造全過(guò)程，逐漸形成完備的現(xiàn)代制造工藝體系，為航空、航天、微電子、光電子、激光、分子生物學(xué)和核能等尖端技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。先進(jìn)制造工藝技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的集中體現(xiàn)，特別是對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)必須擁有獨(dú)立完整的現(xiàn)代化工業(yè)體系的大國(guó)，先進(jìn)制造工藝技術(shù)水平的發(fā)展程度決定了制造業(yè)的現(xiàn)代化水平，是關(guān)系國(guó)防建設(shè)和國(guó)家發(fā)展的關(guān)鍵力量和核心技術(shù)。3.1.3先進(jìn)制造工藝技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)質(zhì)以先進(jìn)制造工藝加工的產(chǎn)品質(zhì)量高、性能好、尺寸精確、表面光潔、組織致密、無(wú)缺陷雜質(zhì)、使用性能好、使用壽命和可靠性高。高效與傳統(tǒng)制造工藝相比，先進(jìn)制造工藝可極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。低耗先進(jìn)制造工藝可大大節(jié)省原材料和能源的消耗，提高了對(duì)日益枯竭的自然資源的利用率。潔凈應(yīng)用先進(jìn)制造工藝可做到零排放或少排放，生產(chǎn)過(guò)程不污染環(huán)境，符合日益增長(zhǎng)的環(huán)境保護(hù)要求。靈活能快速地對(duì)市場(chǎng)和生產(chǎn)過(guò)程的變化以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)容的更改作岀反應(yīng)，可進(jìn)行多品種的柔性生產(chǎn)，適應(yīng)多變的產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)需求。3.1.4先進(jìn)制造工藝技術(shù)的發(fā)展先進(jìn)制造工藝的進(jìn)步與發(fā)展具體表現(xiàn)為：機(jī)械加工向超精密、超高速方向發(fā)展。成形精度向近無(wú)余量方向發(fā)展。新材料及新能源推動(dòng)制造工藝進(jìn)步，提高了加工效率和質(zhì)量。采用模擬技術(shù)，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)。采用清潔能源及原材料、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。加工與設(shè)計(jì)之間的界限逐漸淡化，并趨向集成及一體化。工藝技術(shù)與信息技術(shù)、管理技術(shù)緊密結(jié)合，生產(chǎn)模式不斷發(fā)展。精密和超精密加工技術(shù)3.2.1精密和超精密加工概述3.23.2.2超精密切削加工和金剛石道具3.2.3超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向3.2.4超精密磨削加工3.2.5超精密加工的應(yīng)用3.2.6超精密加工應(yīng)用案例-隱形眼鏡的模具超精密加工3.2.1精密和超精密加工概述1超精密加工的內(nèi)涵在當(dāng)今技術(shù)條件下，普通加工、精密加工、超精密加工的加工精度可作如下的劃分：

(1)普通加工加工精度在1μm，加工表面粗糙度在Ra值為0.1μm以上的加工方法稱(chēng)為普通加工。(2)精密加工加工精度在0.1~1μm，加工表面粗糙度Ra在0.01~0.1μm之間的加工方法稱(chēng)為精密加工，如金剛車(chē)、精鏜、精磨、研磨、珩磨等加工。(3)超精密加工加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度Ra值小于0.01μm的加工方法稱(chēng)為超精密加工。從加工精度的具體數(shù)值來(lái)分析，精密加工又可分為微米加工、亞微米加工、納米加工等。2.超精密加工所涉及的技術(shù)范圍

(1)超精密加工機(jī)理：超精密加工是從被加工表面去除一層微量的表面層，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特種加工等。

(2)超精密加工刀具、磨具及其制備技術(shù)：包括金剛石刀具的制備與刃磨、超硬砂輪的修整等，這是超精密加工的重要關(guān)鍵技術(shù)。(3)超精密加工機(jī)床設(shè)備：超精密加工對(duì)機(jī)床設(shè)備有高精度、高剛度、高抗振性、高穩(wěn)定性和高自動(dòng)化的要求，且應(yīng)具有微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。(4)精密測(cè)量及誤差補(bǔ)償技術(shù)：超精密加工必須有相應(yīng)級(jí)別的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量裝置，具有在線(xiàn)測(cè)量和誤差補(bǔ)償功能。

(5)超穩(wěn)定的工作環(huán)境：超精密加工必須在超穩(wěn)定的工作環(huán)境下進(jìn)行，加工環(huán)境極微小的變化都有可能影響加工精度。因而，超精密加工必須具備各種物理效應(yīng)恒定的工作環(huán)境，如恒溫、凈化、防振和隔振等。3．國(guó)內(nèi)外超精密加工技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀目前國(guó)際上生產(chǎn)超精密機(jī)床的廠(chǎng)家主要有：美國(guó)摩爾公司、普瑞泰克公司，德國(guó)奧普特公司等。大量生產(chǎn)的中小型超精密零件大多是感光鼓、磁盤(pán)、光盤(pán)、多面鏡以及平面球面或非球面的光學(xué)和激光透鏡、反射鏡等。材料多為銅、鋁及其合金、費(fèi)電解鍍鎳層、進(jìn)而擴(kuò)展至塑料及硬脆材料。3.2.2超精密切削加工和金剛石刀具超精密切削加工主要是用高精度的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行的加工，也稱(chēng)“單點(diǎn)金剛石切削”；超精密切削加工主要用于加工軟金屬材料，主要加工對(duì)象為精度要求很高的鏡面零件；超精密切削技術(shù)采用微量切削就可以獲得光滑而加工變質(zhì)層較少的表面，其最小切削厚度取決于金剛石刀具的刃口半徑。切削刃口半徑越小，則最小切削厚度越小。1．超精密切削對(duì)刀具的要求為實(shí)現(xiàn)超精密切削，刀具應(yīng)具有如下的性能：（1）極高的硬度、耐用度和彈性模量，以保證刀具有很長(zhǎng)的壽命。（2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑ρ值極小，能實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度。（3）切削刃無(wú)缺陷，避免切削時(shí)刃形復(fù)印在加工表面，而不能得到超光滑的鏡面。（4）與工件材料的抗黏結(jié)性能好、化學(xué)親和性小、摩擦因數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。2．金剛石刀具材料種類(lèi)及性能對(duì)比金剛石刀具材料主要有單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)、聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)、化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層金剛石等。3.金剛石刀具性能特征其性能特征歸納如下：（1）具有極高的硬度，硬度達(dá)到6000?10000HV，而TiC僅為3200HV,WC為2400HV。（2）能磨出極其鋒銳的刃口，且切削刃沒(méi)有缺口、崩刃等現(xiàn)象。普通切削刀具的刃口圓弧半徑只能磨到5~30μm，而天然單晶金剛石刃口圓弧半徑可小到數(shù)納米，是其他任何材料無(wú)法達(dá)到的。（3）熱化學(xué)性能優(yōu)越，導(dǎo)熱性能好，與有色金屬間的摩擦因數(shù)低、親和力小。（4）耐磨性好，切削刃強(qiáng)度高。金剛石摩擦因數(shù)小，與鋁的摩擦因數(shù)僅為0.06~0.13,如切削條件正常，刀具磨損極慢，刀具壽命極高。

3.2.3超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向

精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展直接影響到一個(gè)國(guó)家尖端技術(shù)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國(guó)對(duì)此都極為重視，投入很大精力研究開(kāi)發(fā)，同時(shí)實(shí)行技術(shù)保密，并控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。實(shí)現(xiàn)精密超精密加工急需突破的關(guān)鍵技術(shù)有：超精密加工設(shè)備和工藝裝備、超精密加工方法和機(jī)理、被加工材料、超精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)以及超精密加工工作環(huán)境建造技術(shù)等。1．超精密加工機(jī)床設(shè)備和工藝裝備超精密加工機(jī)床以及相應(yīng)的刀具、夾具等工藝裝備是實(shí)現(xiàn)超精密加工的首要基礎(chǔ)條件。超精密加工機(jī)床應(yīng)具有高精度、高剛度、高加工穩(wěn)定性和高度自動(dòng)化的要求，超精密加工機(jī)床的精度質(zhì)量主要取決于機(jī)床的主軸部件、床身導(dǎo)軌以及驅(qū)動(dòng)部件等關(guān)鍵部件。精密主軸部件是超精密加工機(jī)床的圓度基準(zhǔn)，也是保證機(jī)床加工精度的核心。超精密導(dǎo)軌是超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵部件，閉式液體靜壓導(dǎo)軌具有高抗振阻尼、高承載力優(yōu)勢(shì)，直線(xiàn)度可達(dá)0.1μm，國(guó)外主要超精密機(jī)床采用液體靜壓導(dǎo)軌。高精度微量進(jìn)給裝置是超精密加工機(jī)床的又一個(gè)關(guān)鍵部件，對(duì)實(shí)現(xiàn)超薄切削、高精度尺寸加工和實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)誤差補(bǔ)償有著十分重要的作用。床身是機(jī)床的基礎(chǔ)部件，應(yīng)具有抗振衰減能力強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好的要求。2．超精密加工方法和加工機(jī)理

在傳統(tǒng)加工方法的技術(shù)和工藝體系下，通過(guò)對(duì)設(shè)備和工藝的完善，制造精度僅能得到有限的提升，研究采用新技術(shù)和新機(jī)理的非傳統(tǒng)加工方法才是實(shí)現(xiàn)精密、超精密加工的關(guān)鍵所在。3．被加工材料為了實(shí)現(xiàn)精密、超精密加工，對(duì)被加工材料有非常嚴(yán)格的要求，只有符合要求的被加工材料才能通過(guò)精密和超精密加工達(dá)到預(yù)期精度。因此，研究可以實(shí)現(xiàn)精密、超精密加工的材料以及相關(guān)的材料處理技術(shù)也是精密和超精密加工得以應(yīng)用須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。4．超精密測(cè)量技術(shù)超精密加工的順利開(kāi)展必須具備相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)，形成加工和檢測(cè)一體化。目前超精密加工的檢測(cè)方法有三種方式：離線(xiàn)檢測(cè)、在位檢測(cè)和在線(xiàn)檢測(cè)。5．超精密加工工作環(huán)境

加工環(huán)境條件的極微小變化都可能影響加工精度，使超精密加工達(dá)不到預(yù)期目的，超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下進(jìn)行。為了適應(yīng)精密和超精密加工要求，達(dá)到微米甚至納米級(jí)加工精度，必須對(duì)超精密加工的工作環(huán)境加以嚴(yán)格控制，包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境以及電磁環(huán)境等。（1）環(huán)境溫度變化的影響在超精密加工中，環(huán)境溫度變化是加工誤差的主要來(lái)源。加工過(guò)程中溫度的變化會(huì)造成機(jī)床設(shè)備和工件的熱變形，使機(jī)床加工精度下降，不能獲得理想的加工精度。（2）環(huán)境濕度變化的影響在要求納米級(jí)加工的超精密環(huán)境中，環(huán)境濕度稍有變化對(duì)加工精度都會(huì)造成極大的影響。環(huán)境濕度和溫度有密切的關(guān)系，對(duì)濕度和溫度均要進(jìn)行嚴(yán)格控制。（3）外界和自身振動(dòng)的影響

在超精密加工過(guò)程中，振動(dòng)的干擾會(huì)引起切削刀具與被加工零件間的相對(duì)振動(dòng)位移，直接影響工件的加工質(zhì)量和表面精度。同時(shí)會(huì)降低金剛石刀具的使用壽命。必須采取有效措施以消除振動(dòng)干擾，主要從防振和隔振兩方面實(shí)現(xiàn)。（4）凈化的空氣環(huán)境

凈化的空氣環(huán)境是超精密加工的基本保障。

對(duì)于普通精度的加工，這些塵埃和微粒不會(huì)有什么不良影響；

對(duì)于精密和超精密加工將會(huì)直接導(dǎo)致加工精度的下降，因?yàn)榭諝庵袎m埃和微粒的尺寸大小與加工精度要求相比，已經(jīng)成為不可忽視的數(shù)值。為了保證精密和超精密加工產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對(duì)周?chē)諝猸h(huán)境進(jìn)行凈化處理，減少空氣中塵埃含量，提高空氣的潔凈度。6.超精密加工未來(lái)發(fā)展方向?qū)τ谀壳皣?guó)際上超精密加工機(jī)床未來(lái)研究的重點(diǎn)技術(shù)，主要有以下幾個(gè)方面：（1）超精密加工創(chuàng)新工藝技術(shù)及其相關(guān)機(jī)床裝備研究。（2）超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法研究（3）超精密關(guān)鍵部件的制造、裝配（4）超精密加工機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)與制造（5）超精密機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)的建立3.2.4超精密磨削加工內(nèi)涵1.超精密磨削加工的內(nèi)涵一般指加工精度達(dá)到或高于0.1μm、表面粗糙度小于Ra0.025μm的一種亞微米級(jí)加工方法，并正在向納米級(jí)發(fā)展。2.超精密磨削加工方法超精密磨削加工有砂輪磨削、砂帶磨削以及研磨、精密研磨、精密砂帶研拋等磨削加工方法。3.超精密磨床超精密磨床是超精密磨削的關(guān)鍵。超精密磨削是在超精密磨床上加工完成的，其加工精度主要取決于磨床，遵循“母性原則”的加工規(guī)律，不可能加工出比磨床精度更高的工件。超精密磨床的特點(diǎn)超精密磨床應(yīng)具有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、微量進(jìn)給裝置和計(jì)算機(jī)數(shù)控，以此滿(mǎn)足高精密加工要求。高精度目前國(guó)內(nèi)外各種超精密磨床的磨削精度和表面粗超度可達(dá)到如下指標(biāo)：尺寸精度:±0.25~±0.5μm；圓度:0.25~0.1μm；圓柱度:25000:0.25~50000:1；表面粗糙度:Ra0.006~0.01μm。高剛度其剛度值一般應(yīng)在200N/μm以上。高穩(wěn)定性為了保證超精密磨質(zhì)量，超精密磨床的傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸、導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)以及溫度控制和工作環(huán)境均應(yīng)有高穩(wěn)定性。微量進(jìn)給裝置由于超精密磨床要進(jìn)行微量切除，因此在橫向進(jìn)給（切深）方向都配有微量進(jìn)給裝置，使砂輪能獲得行程為2~50μm，位移精度0.02~0.2μm，分辨力達(dá)0.01~01μm的位移。實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給原理的裝置有精密絲杠、杠桿、彈性支承、電熱伸縮、磁致伸縮、電致伸縮、壓電陶瓷等，多為閉環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密磨削在生產(chǎn)上要求穩(wěn)定進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此，現(xiàn)代超精密磨床多為計(jì)算機(jī)數(shù)控磨床，它不僅能大大提高工效，減少了人工操作的影響，使磨床質(zhì)量穩(wěn)定，一致性好。(2)超精密磨床結(jié)構(gòu)超精密磨床在結(jié)構(gòu)上的發(fā)展趨勢(shì)如下:主軸系統(tǒng)主軸支壓向動(dòng)靜壓和靜壓發(fā)展，由液體靜壓向空氣靜壓發(fā)展。空氣靜壓軸承精度高，發(fā)熱小，穩(wěn)定，工作環(huán)境易清潔。但要注意提高承載能力和剛度。導(dǎo)軌多用空氣靜壓導(dǎo)軌，有的也采用精密研磨配制的鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌。石材部件床身、工作臺(tái)等大件逐漸采用穩(wěn)定性好的天然或人造花崗巖制造。熱穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)整個(gè)機(jī)床采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)以及淋浴結(jié)構(gòu)等熱穩(wěn)定性措施。4.超精密磨削工藝

有關(guān)超精密磨削的砂輪選擇、砂輪修整、砂輪動(dòng)平衡、磨削液選擇等問(wèn)題可參考有關(guān)精密磨削和超硬磨料砂輪磨削資料。通常超精密磨削用量如下所列：砂輪線(xiàn)速度:1860m/min；工件線(xiàn)速度:4~10m/min；工作臺(tái)縱向進(jìn)給速度:50~100mm/min；磨削深度:0.5~1um；磨削橫向進(jìn)給次數(shù):2~4次；無(wú)火花磨削次數(shù):3~5次；磨削余量:2~5μm超精密磨削用量與所用機(jī)床，被加工材料，砂輪的磨粒和結(jié)合劑材料、結(jié)構(gòu)、修整、平衡，工件欲達(dá)精度和表面粗糙度等有關(guān)，比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)而決定。超精密磨削質(zhì)量與操作工人的技藝關(guān)系十分密切，應(yīng)由高技術(shù)水平的工人精心細(xì)致科學(xué)地操作機(jī)床，才能達(dá)到預(yù)期效果。5.影響超精密磨削加工的主要因素1）.超精密磨削是一種極薄切削，屬于超微量切除加工。2）.超精密磨削需要一個(gè)高穩(wěn)定性的工藝系統(tǒng)，對(duì)力、熱、振動(dòng)、材料組織、工作環(huán)境的溫度和凈化等都有穩(wěn)定性的要求，并且要有較強(qiáng)的抗擊來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的各種干擾的能力。3）.影響超精密磨削加工的主要因素包括：被加工材料、超精密磨削機(jī)理、超精密磨床、人的技藝、工作環(huán)境、砂輪的修整、工件的夾緊定位、檢測(cè)及誤差補(bǔ)償技術(shù)等。3.2.5超精密加工的應(yīng)用超精密加工技術(shù)已在航空、航天、半導(dǎo)體、能源、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的高尖端技術(shù)產(chǎn)品制造中發(fā)揮重要作用。超精密加工技術(shù)推動(dòng)了飛機(jī)、導(dǎo)彈等慣性器件迅速發(fā)展，超精密加工技術(shù)使導(dǎo)彈關(guān)鍵元器件的精度和質(zhì)量產(chǎn)生了飛躍式進(jìn)步，大大提高了導(dǎo)彈的命中率。超精密加工技術(shù)在民用光學(xué)行業(yè)等高尖端技術(shù)產(chǎn)品的精密零件加工領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。如：相機(jī)、復(fù)印機(jī)、投影儀、隱形眼鏡、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了芯片、存儲(chǔ)器等的發(fā)展，隨著存儲(chǔ)密度越來(lái)越大，對(duì)磁盤(pán)的表面粗糙度、相應(yīng)的讀寫(xiě)設(shè)備的懸浮高度及磁頭的上下跳動(dòng)量的要求大大提高，目前國(guó)外已經(jīng)可以把磁頭、磁盤(pán)的相對(duì)間隙控制在最高lnm左右。超精密加工技術(shù)，無(wú)論在軍事工業(yè)、民用工業(yè)和醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域，都占有重要作用，是其中的尖端技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵加工手段。3.2.6超精密加工應(yīng)用案例-隱形眼鏡的模具超精密加工

隱形眼鏡是一種戴在眼球角膜上，用以矯正視力或保護(hù)眼睛的鏡片.不僅從外觀和方便性方面給佩戴者帶來(lái)了很大的改善，同時(shí)也在控制各類(lèi)視力缺陷方面發(fā)揮了特殊的功效。

目前絕大多數(shù)的隱形眼鏡都是通過(guò)模壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)，模壓成型法加工效率高、成本低以及佩戴舒適度佳等優(yōu)點(diǎn)。金屬模具(模具)的超精密加工與檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)鏡片精密生產(chǎn)制造的技術(shù)關(guān)鍵和瓶頸環(huán)節(jié)，也是保證隱形眼鏡最終質(zhì)量的基礎(chǔ)條件，在整個(gè)工藝鏈中至關(guān)重要。高速加工技術(shù)3.3.1高速加工的內(nèi)涵3.33.3.2高速切削加工涉及的技術(shù)領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)3.3.3高速磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)3.3.4高速加工技術(shù)的應(yīng)用概述及應(yīng)用實(shí)例3.3.1高速加工的內(nèi)涵

高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化和高柔性的制造設(shè)備，以提高切削速度來(lái)達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的先進(jìn)加工技術(shù)。

顯著標(biāo)志是使被加工塑性金屬材料在切除過(guò)程中的剪切滑移速度達(dá)到或超過(guò)某一閾值，開(kāi)始趨向最佳切除條件，使得切除被加工材料所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具和磨具磨損、加工質(zhì)量和加工效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標(biāo)。

相比于常規(guī)切削加工，高速加工速度幾乎高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)，切削機(jī)理亦不同，具有如下切削特征：（1）生產(chǎn)率大幅提高（2）更好的表面質(zhì)量

（3）切削力明顯降低

（4）熱變形?。?）可加工各種難加工材料，簡(jiǎn)化了工藝流程（6）大幅降低了生產(chǎn)成本

3.3.2高速切削加工涉及的技術(shù)領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)

高速切削加工所涉及的技術(shù)內(nèi)容較多，關(guān)鍵技術(shù)包括高速切削刀具系統(tǒng)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)、高速切削加工工藝、高速加工測(cè)試系統(tǒng)等。1．高速切削刀具系統(tǒng)1）高速切削刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一；2）可靠的刀具材料是保障高速切削得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)；3）對(duì)刀具材料的基本要求主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：較高的硬度和耐磨性；較高的強(qiáng)度和韌性；耐熱性；較好的工藝性能和經(jīng)濟(jì)性；目前適合于高速切削的刀具材料主要有涂層硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石（PCD）刀具等。2．高速主軸系統(tǒng)

高速主軸系統(tǒng)是高速切削技術(shù)最關(guān)鍵的技術(shù)之一。高速切削機(jī)床主軸通常在高于l0000r/min的條件下高速運(yùn)轉(zhuǎn)；

高速超高速切削被廣泛應(yīng)用于高合金鋼、鈦合金、鎳基合金、纖維強(qiáng)化復(fù)合材料；

高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，因此要求主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、避免振動(dòng)和噪聲，具有足夠的剛性和回轉(zhuǎn)精度；3．高速進(jìn)給系統(tǒng)

高速加工進(jìn)給系統(tǒng)是高速加工機(jī)床的重要組成部分，目前，高速機(jī)床對(duì)進(jìn)給速度的要求為60m/min以上，特殊情況可達(dá)120m/min,甚至更高。（1）采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。（2）數(shù)字化和智能化的進(jìn)給伺服系統(tǒng)具有更高精度和轉(zhuǎn)速。（3）高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來(lái)減輕工作臺(tái)重量。（4）采用小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠或粗螺距多頭滾珠絲杠，以此提高快速移動(dòng)速度和定位精度。4.高性能CNC控制系統(tǒng)

數(shù)控高速切削加工要求CNC控制系統(tǒng)具有快速數(shù)據(jù)處理能力和高的控制精度，以保證在高速切削4?5軸坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面型面的高速加工性能。

5.高速加工在線(xiàn)檢測(cè)

對(duì)刀具及高速加工機(jī)床系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、加工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行。包括刀具狀態(tài)和機(jī)床狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷及操作人員的安全監(jiān)測(cè)等多方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可大大延長(zhǎng)刀具壽命，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、保證設(shè)備及人員安全性。3.3.4高速加工技術(shù)的應(yīng)用概述及應(yīng)用實(shí)例1．高速加工技術(shù)的應(yīng)用概述基于高速加工的優(yōu)良特征使得高速加工在航空航天業(yè)、汽車(chē)制造工業(yè)、模具制造業(yè)、光學(xué)和精密儀器加工、快速成形以及家用設(shè)施生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。圖3-14為采用德國(guó)進(jìn)口DMU40monoBLOCK的五軸加工中心加工的汽車(chē)輪轂零件，主軸最高轉(zhuǎn)速24，000rpm。2.高速加工應(yīng)用實(shí)例-路由器底盒的高速加工加工對(duì)象為路由器底盒注射模型腔，外觀呈柵格孔狀以滿(mǎn)足產(chǎn)品散熱功能，在模具上表現(xiàn)為柵格槽狀，槽密集且細(xì)淺，槽寬度1mm，長(zhǎng)15mm，深度1.5mm，長(zhǎng)度方向兩端為圓弧形，模具材料為SKD11,模具一模多腔，公差范圍均為±0.01mm,表面粗糙度值Ra=0.1μm。此模具一模多腔，模腔比較大，取其中窄槽的部分特征用兩種方法加工比對(duì)，加工選的特征圖及刀路圖如圖3.15所示。使用GF米克朗HSM500高速加工中心,應(yīng)用高速銑削方式可直接對(duì)模具進(jìn)行加工，粗加工及底部的精加工釆用挖槽的方式，精加工釆用外形銑削的方式，粗精加工均采用螺旋下86刀的方式。根據(jù)產(chǎn)品要求，加工的凹槽比較細(xì)，只有1mm,選用直徑?0.8mm的硬質(zhì)合金銑刀，如圖3.16所示。其加工材料硬度可達(dá)62HRC，鋼料為SKD11，粗加硬度38HRC，熱處理后精加工硬度58HRC，采取高轉(zhuǎn)速小切深的原則以獲得良好的加工性能，高速銑削加工參數(shù)如表3.15所示。3.3.3高速磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)高速磨削的主要特點(diǎn)是提高磨削效率和磨削精度，其主要關(guān)鍵技術(shù)包括幾個(gè)方面：1．高速主軸高速磨削對(duì)砂輪主軸的要求與高速銑削基本類(lèi)似，其不同之處在于砂輪直徑—般大于銑刀直徑，以及砂輪組織結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，任何微小的不平衡量均會(huì)引起較大的離心力，進(jìn)而加劇磨削的振動(dòng)。2.高速磨床高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，還應(yīng)具有高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗震性和熱穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)特征。3.高速磨削砂輪4.冷卻潤(rùn)滑液在磨削過(guò)程中，冷卻潤(rùn)滑液的利用可提高磨削的材料切除率、延長(zhǎng)砂輪的使用壽命，降低工件表面粗糙度值。5．磨削狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)是保證超高速磨削加工質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素。在超高速磨削加工中，砂輪與工件和修整輪的對(duì)刀精度直接影響尺寸精度和修整質(zhì)量，因此對(duì)砂輪破碎及磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)非常重要。MEMS與微納制造技術(shù)3.4.1MEMS特征與研究領(lǐng)域3.43.4.2MEMS的設(shè)計(jì)、加工與封裝3.4.3微納制造工藝與關(guān)鍵技術(shù)3.4.4微納制造工程實(shí)例3.4.1MEMS特征與研究領(lǐng)域MEMS全稱(chēng)MicroElectromechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng)。主要由傳感器、動(dòng)作器和微能源三大部分組成。MEMS主要特點(diǎn)如下：1.體積小、精度高、重量輕2.性能穩(wěn)定，可靠性高3.能耗低、靈敏度和工作效率高4.多功能和智能化5.適用于大批量生產(chǎn)，制造成本低3.4.2MEMS的設(shè)計(jì)、加工與封裝1.設(shè)計(jì)方法

(1)非輔助設(shè)計(jì)方法非輔助設(shè)計(jì)方法是指不采用專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)、加工和測(cè)試的一種方法。(2)輔助設(shè)計(jì)方法輔助設(shè)計(jì)方法是指利用專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工具輔助進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)。a.自底向上(bottom-up)的方法自底向上的設(shè)計(jì)也稱(chēng)為正向設(shè)計(jì)，是指在設(shè)計(jì)掩模版圖與工藝流程的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到器件的三維幾何模型，然后進(jìn)行功能和性能驗(yàn)證。b.自頂向下(top-down)的方法功能和性能自頂向下的設(shè)計(jì)也稱(chēng)為逆向設(shè)計(jì)、反向設(shè)計(jì)，是一種在設(shè)計(jì)順序上有別于自底向上設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法。2.加工方法微細(xì)加工起源于半導(dǎo)體制造工藝，目前，微細(xì)加工常用的有以下幾種加工方法。(1)超微機(jī)械加工

超微機(jī)械加工是指用精密金屬切削和電火花、線(xiàn)切割等加工方法，制作毫米級(jí)尺寸以下的微機(jī)械零件，是一種三維實(shí)體加工技術(shù)，多為單件加工和單件裝配，費(fèi)用較高。微細(xì)切削加工適合所有金屬、塑料及工程陶瓷材料，主要切削方式有車(chē)削、銑削﹑鉆削等。(2)光刻加工半導(dǎo)體加工技術(shù)的核心是光刻，又稱(chēng)光刻蝕加工或刻蝕加工，簡(jiǎn)稱(chēng)刻蝕光刻加工過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段為原版制作，生成工作原板或工作掩膜，為光刻時(shí)的模板；第二階段為光刻，光刻的基本過(guò)程如下。(3)LIGA技術(shù)

LIGA是德文的平版印刷術(shù)(Lithographie)、電鑄成形(Galvanoformung)和注塑(Abformung)的縮寫(xiě)。LIGA技術(shù)是一種基于X射線(xiàn)光刻技術(shù)的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加工技術(shù)，主要包括X光深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制三個(gè)工藝步驟。

LIGA技術(shù)為MEMS技術(shù)提供了一種新的加工手段。利用LIGA技術(shù)可以制造出由各種金屬﹑塑料和陶瓷零件組成的三維微機(jī)電系統(tǒng)，而用它制造的器件結(jié)構(gòu)具有深寬比大。結(jié)構(gòu)精細(xì)﹑側(cè)壁陡峭、表面光滑等特點(diǎn)，這些都是其他微加工工藝很難達(dá)到的。3.MEMS封裝技術(shù)

(1)MEMS封裝策略

(2)MEMS對(duì)封裝的主要要求a.自由空間（氣體、真空或流體)自由空間封裝是指空氣或空氣腔封裝。b.低沾污對(duì)于許多MEMS來(lái)說(shuō)，低沾污尤為關(guān)鍵。c.減少應(yīng)力采用腔體形式的封裝是有好處的，因?yàn)檫@種形式可以消除頂部和四周都存在的應(yīng)力。d.溫度限制某些類(lèi)型的MEMS器件具有對(duì)溫度的限制要求e.封裝內(nèi)環(huán)境控制非氣密封裝內(nèi)部的氣體只能在短時(shí)間內(nèi)得到控制，最終將與外部環(huán)境達(dá)成平衡。f.外部通道的選擇電子封裝的目的之一是隔離所有可能來(lái)自外部環(huán)境的影響，而MEMS并非都需要完全隔離。g.機(jī)械沖擊的限制h.粘連粘連，或稱(chēng)靜摩擦，指的是相對(duì)光滑的表面相互接觸時(shí)粘連或鎖定在一起。i.器件自身作為封裝一些MEMS結(jié)構(gòu)可以工作在外部環(huán)境中，不需要保護(hù)。j.封裝成本封裝工藝會(huì)對(duì)最終成本產(chǎn)生影響。3.4.3微納制造工藝與關(guān)鍵技術(shù)1.納米材料的種類(lèi)

(1)納米微粒(2)納米固體(3)納米組裝體系

2.納米材料的基本效應(yīng)

(1)小尺寸效應(yīng)(2)量子效應(yīng)

(3)宏觀量子隧道效應(yīng)(4)表面效應(yīng)3.納米級(jí)加工精度作為一種加工方法，通常包括納米級(jí)尺寸精度﹑納米級(jí)幾何形狀精度和納米級(jí)表面質(zhì)量。(1)納米級(jí)尺寸精度(2)納米級(jí)幾何形狀精度

(3)納米級(jí)表面質(zhì)量

4.納米級(jí)加工的物理實(shí)質(zhì)納米級(jí)加工中試件表面的一個(gè)個(gè)原子或分子成為直接的加工對(duì)象，因此，納米級(jí)加工的物理實(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除。由于原子間的距離為0.1~0.3nm，實(shí)際上納米級(jí)加工已達(dá)到了加工精度的極限。5.基于掃描探針顯微鏡(SPM)的納米加工技術(shù)納米加工技術(shù)的發(fā)展有兩大途徑：一方面是將傳統(tǒng)的超精加工技術(shù)，如機(jī)械加工(單點(diǎn)金剛石和CBN刀具切削、磨削、拋光)、電化學(xué)加工(ECM)，電火花加工(EDM)，離子和等離子體蝕刻，分子束外延(MBE)，物理和化學(xué)氣相沉積，激光束加工，LIGA技術(shù)等向其極限精度逼近，使其具有納米的加工能力。3.4.4微納制造工程實(shí)例1.微型飛行器微型飛行器（microairvehicle，MAV)也稱(chēng)為微型飛機(jī)。它與傳統(tǒng)意義上的飛機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別，實(shí)際上是一種自由度可飛行的微型電子機(jī)械系統(tǒng)。2.微納衛(wèi)星微納衛(wèi)星一般是微衛(wèi)星與納衛(wèi)星的統(tǒng)稱(chēng)，即通常把整星質(zhì)量在1～100kg范圍的衛(wèi)星稱(chēng)為微納衛(wèi)星。增材制造技術(shù)3.5.1增材制造技術(shù)概述3.53.5.2增材制造技術(shù)分類(lèi)3.5.3增材制造的主要工藝方法3.5.4三維打印技術(shù)3.5.54D打印技術(shù)3.5.65D打印技術(shù)3.5.7增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與局限性3.5.8增材制造技術(shù)應(yīng)用實(shí)例3.5.1增材制造技術(shù)概述增材制造技術(shù)內(nèi)涵

增材制造（additivemanufacturing，AM）也稱(chēng)為三維打印技術(shù)，是近30年發(fā)展起來(lái)的新型制造技術(shù)，通過(guò)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法，采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來(lái)制造實(shí)體零件或機(jī)構(gòu)體。2.增材制造技術(shù)的基本原理3D打印的原理是依據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型，將復(fù)雜的三維實(shí)體模型“切”成設(shè)定厚度的一系列片層，從而變?yōu)楹?jiǎn)單的二維圖形，逐層加工，層疊增長(zhǎng)。工藝過(guò)程具體如下：

(1)三維實(shí)體模型的建立應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)對(duì)象構(gòu)建為三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型。目前常用的軟件有SolidWorks、Pro/E、UG、POWERSHAPE等。(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的生成將所建立的CAD三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為能夠被增材制造系統(tǒng)所接受的數(shù)據(jù)格式文件，如STL、IGES等。(3)分層切片分層處理將CAD三維實(shí)體模型沿給定的方向切成一個(gè)個(gè)二維薄片層，薄片厚度可根據(jù)增材制造系統(tǒng)的制造精度在0.01~0.5mm之間選取，薄片厚度越小，精度越高。(4)逐層堆積成形根據(jù)切片輪廓和厚要求，采用粉材、絲材、片材等完成每一切片成形，通過(guò)一片片堆積，最終完成三維實(shí)體的成形制造。(5)成形實(shí)體的后處理去除一些不必要的支撐結(jié)構(gòu)或粉末材料，根據(jù)要求尚需進(jìn)行固化、修補(bǔ)、打磨、表面強(qiáng)化以及涂覆等后處理工序。3.5.2增材制造技術(shù)分類(lèi)可根據(jù)增材制造的材料類(lèi)型、材料種類(lèi)、制造熱源不同，有不同的分類(lèi)方法。3.5.3增材制造的主要工藝方法光固化成型法(SLA)（1）光固化成型工藝原理光固化成型工藝是采用立體光固化成型（StereoLithographyApparatus,SLA）原理的一種工藝，是最早出現(xiàn)的、技術(shù)最成熟和應(yīng)用最廣泛的快速原型技術(shù)，由美國(guó)3Dsystems公司于20世紀(jì)80年代后期推出。（2）SLA使用的材料SLA技術(shù)常用材料為光敏樹(shù)脂為原料，這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)(λ=325nm)和強(qiáng)度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng),分子量急劇增大,材料也從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。（3）SLA技術(shù)特點(diǎn)SLA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：成熟穩(wěn)定，已有30多年技術(shù)積累；加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短。SLA技術(shù)的缺陷：SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過(guò)高；2、分層實(shí)體制造法(LOM)（1）成形原理分層實(shí)體制造工藝（LaminatedObjectManufacturing,LOM）（2）成形材料LOM常用材料有紙、金屬箔、塑料薄膜、陶瓷膜、復(fù)合材料等。（3）LOM工藝的特點(diǎn)LOM工藝的優(yōu)點(diǎn)：LOM工藝僅切割外輪廓，內(nèi)部無(wú)需加工，成形速率高；LOM工藝的缺點(diǎn)：材料浪費(fèi)嚴(yán)重且材料種類(lèi)少；表面質(zhì)量差，制件性能不高；不能制造中空結(jié)構(gòu)件，成形后廢料難以剝離（難以構(gòu)建精細(xì)零件）；層厚不可調(diào)節(jié)。3、選擇性激光燒結(jié)法(SLS)（1）工藝原理選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering,SLS)工藝原理是采用紅外激光作為熱源來(lái)燒結(jié)粉末材料，并以逐層堆積方式成形三維零件（結(jié)構(gòu)）的一種快速成形技術(shù)。（2）成形材料與其它增材制造技術(shù)相比，SLS最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說(shuō)，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。(3)SLS工藝的特點(diǎn)SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：材料選擇廣泛；打印過(guò)程無(wú)須支撐結(jié)構(gòu)；SLS工藝的缺點(diǎn)：粉末燒結(jié)的表面粗糙，需后續(xù)處理；4、熔融沉積成型法(FDM)熔融沉積成型法(FusedDepositionModeling,FDM)是將絲狀材料，例如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲加熱為熔融流體后從噴嘴擠出，按照預(yù)定軌跡和速率將熔融流體堆積成型，從而凝固成型為工件。(1)FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：原理相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需激光器等貴重元器件；(2)FDM技術(shù)的不足：噴頭采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，打印速度慢；5．金屬零件成型工藝方法

激光近凈成型（LENS）不同于SLS工藝，不采用鋪粉燒結(jié)，而是釆用與激光束同軸的噴粉送料方法，將金屬粉末送入激光束產(chǎn)生的熔池中熔化，通過(guò)數(shù)控工作臺(tái)的移動(dòng)逐點(diǎn)逐線(xiàn)進(jìn)行激光熔覆，以獲得一個(gè)熔覆截面層，通過(guò)逐層熔覆最終得到一個(gè)三維的金屬零件。這種在惰性氣體保護(hù)之下，通過(guò)激光束熔化噴嘴輸送的金屬液流，逐層熔覆堆積得到的金屬制件，其組織致密，具有明顯的快速熔凝特征，力學(xué)性能很高，達(dá)到甚至超過(guò)鍛件性能。3.5.4三維打印技術(shù)1．三維打印的工藝方法

三維打印技術(shù)（Three-dimensionalPrinting,3DP）類(lèi)似噴墨打印機(jī)，其核心部分為打印系統(tǒng)，由若干細(xì)小噴嘴組成。2．三維打印材料

在3D打印中所使105用的材料概括為四大類(lèi)：金屬材料、有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、生物材料。（1）金屬材料（2）有機(jī)高分子材料

（3）無(wú)機(jī)非金屬材料（4）生物材料3.5.54D打印技術(shù)1．4D打印的提出與內(nèi)涵（1）4D打印概念的提出智能構(gòu)件的形狀、性能和功能能夠在外界特定環(huán)境的刺激下隨時(shí)間或空間發(fā)生預(yù)定的可控變化，智能構(gòu)件即為具備這種“智能”特性的構(gòu)件。增材制造技術(shù)是由新材料技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)等多學(xué)科交叉融合發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，它基于構(gòu)件的CAD模型，通過(guò)逐層成形并疊加的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形。（2）4D打印的內(nèi)涵4D打印不僅是應(yīng)用智能材料，還可以是非智能材料，還包括智能結(jié)構(gòu)，即在構(gòu)件的特定位置預(yù)置應(yīng)力或者其它信號(hào)；4D打印構(gòu)件的形狀、性能和功能不僅是隨著時(shí)間維度發(fā)生變化，還包括隨空間維度發(fā)生變化，并且這些變化是可控的。2．4D打印材料目前，4D打印材料按照物理化學(xué)屬性可分為高分子及其復(fù)合材料、金屬及其復(fù)合材料、陶瓷及其復(fù)合材料。3．4D打印應(yīng)用展望

在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用4D打印技術(shù)不僅可解決航空航天領(lǐng)域部分構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)自由度低、制造難的問(wèn)題，而且其“形狀、性能和功能可控變化”的特征在智能變體飛行器、柔性變形驅(qū)動(dòng)器、新型熱防護(hù)技術(shù)、航天功能變形件等智能構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造中將展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用汽車(chē)憑借智能材料，可以“記住”自身原來(lái)的形狀，甚至可以在汽車(chē)發(fā)生事故后實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”的功能，還可以改變汽車(chē)的外觀和顏色。

在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用生物支架經(jīng)常用在外科手術(shù)中。3.5.65D打印技術(shù)

4D打印在3D打印基礎(chǔ)上增加了一個(gè)時(shí)間維度，我國(guó)盧秉恒院士提出了5D打印概念，認(rèn)為除了材料結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間而變化外，更加重要的是功能的改變與再生，增加了功能這一維度。這一觀點(diǎn)將使傳統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和固定性能的制造向著動(dòng)態(tài)和功能可變的制造發(fā)展，突破傳統(tǒng)的制造理念向著結(jié)構(gòu)智能和功能創(chuàng)生方向發(fā)展。

5D打印的特征是在三維空間制造的基礎(chǔ)上，除了增加時(shí)間維度外，增加了更為重要的功能再生維度。

5D打印將使得人類(lèi)從木材、金屬、硅材料等向生命體材料發(fā)展，其制造不再是不可變的結(jié)構(gòu)，而是具有功能再生的器件。在這個(gè)過(guò)程中需要建立功能引導(dǎo)變革性設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，通過(guò)學(xué)科交叉融合來(lái)推動(dòng)制造技術(shù)的發(fā)展。3.5.7增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與局限性增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復(fù)合材料、生物材料甚至是生命材料；成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長(zhǎng)光源、電弧以及以上能量源的組合增材制造已經(jīng)從開(kāi)始的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造；2.增材制造技術(shù)的局限性

增材制造技術(shù)面向航空航天、軌道交通、新能源、新材料、醫(yī)療儀器等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)展示了重大價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，是先進(jìn)制造的重要發(fā)展方向，是智能制造不可分割的重要組成部分。材料范圍的局限。目前可用于增材制造的材料不超過(guò)100種，而在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的工程材料可能已經(jīng)超過(guò)了10000種，且增材制造材料的物理性能尚有待于提高。產(chǎn)品質(zhì)量的局限性。包括成型精度的局限和產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定性等。3.5.8增材制造技術(shù)應(yīng)用實(shí)例增材制造植入體增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)模具加工工藝的限制，近年來(lái)，醫(yī)學(xué)上對(duì)骨骼修復(fù)和移植的個(gè)性化需求顯著增加，促使增材制造技術(shù)在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域占據(jù)重要地位。隨著醫(yī)療水平的提升，對(duì)個(gè)性化仿生人造骨的需求顯著增多，可通過(guò)增材制造技術(shù)制備的人造骨幾乎涵蓋了人體的各個(gè)部位，包括頜面修復(fù)及整形、融合器、人工椎體及人工關(guān)節(jié)（髖臼杯、脛骨平臺(tái)、墊塊）等。圖3.41為增材制造在生物醫(yī)療仿生人造骨領(lǐng)域的主要應(yīng)用部位，所用的植入體材料包括金屬、陶瓷及高分子（聚醚醚酮）等諸多材料體系。2.惠普推出批量化生產(chǎn)金屬3D打印技術(shù)-HPMetalJet惠普公司在2018年國(guó)際制造技術(shù)展(IMTS)上發(fā)布了專(zhuān)為大批量生產(chǎn)工業(yè)級(jí)金屬零件而研發(fā)的世界領(lǐng)先的3D打印技術(shù)-HPMetalJet。該技術(shù)是首個(gè)切實(shí)可行的工業(yè)級(jí)生產(chǎn)金屬零110件的3D技術(shù)，相較于其他3D打印技術(shù)，HPMetalJet可將工作效率提升高達(dá)50倍，惠普今天還推出了MetalJet生產(chǎn)服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，支持全球客戶(hù)快速迭代新型3D零件設(shè)計(jì)、可實(shí)現(xiàn)終端零件批量化生產(chǎn)。圖3.42為惠普HPMetalJet工廠(chǎng)。生物制造技術(shù)3.6.1生物制造技術(shù)概述3.63.6.2生物制造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容3.6.3基于增材制造技術(shù)的生物制造3.6.4國(guó)內(nèi)外生物制造產(chǎn)業(yè)與科技的發(fā)展現(xiàn)狀3.6.5生物制造應(yīng)用實(shí)例-5D打印的生物功能組織制造3.6.1生物制造技術(shù)概述

生物制造是制造技術(shù)與生命科學(xué)技術(shù)交叉融合產(chǎn)生的新興學(xué)科方向，這一學(xué)科方向的發(fā)展將為巨大的人體組織與器官市場(chǎng)提供新技術(shù)，同時(shí)也給制造技術(shù)變革帶來(lái)新機(jī)遇。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)只包含無(wú)生命的物理、化學(xué)過(guò)程，而生物制造技術(shù)是利用生物體的生長(zhǎng)和繁殖規(guī)律，或利用生物材料或生物體本身的特點(diǎn)進(jìn)行加工，即有生命的生物過(guò)程。3.6.2生物制造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容生物制造通常包括以下兩方面內(nèi)容。

1．仿生制造（1）仿生制造技術(shù)內(nèi)涵仿生制造(BionicManufacturing)是模仿生物的組織、結(jié)構(gòu)、功能和性能，利用機(jī)械制造、材料加工、生物制造等手段實(shí)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)、仿生表面、仿生器具、仿真裝備、生物組織及器官的制造，以及借助于生物形體和生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行加工成形的過(guò)程。（2）生物組織及器官制造（3）仿生機(jī)械

(a)功能特性仿生(b)運(yùn)動(dòng)特征仿生

(c)組織結(jié)構(gòu)仿生(d)信息控制仿生）。2．生物加工成形制造

生物成形制造采用生物方法，利用生物的某些特性，通過(guò)腐蝕加工、約束控制和限制生長(zhǎng)等技術(shù)方法，達(dá)到器官、零件成形的目的。生物成形制造包括生物去除成形、生物生長(zhǎng)成形及生物約束成形三個(gè)方面。生物去除成形典型的生物去除成形方法為生物刻蝕加工，該方法采用生物菌對(duì)材料進(jìn)行加工，利用微生物在其生長(zhǎng)過(guò)程中需要消耗某些金屬元素實(shí)現(xiàn)其新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖的特點(diǎn)，通過(guò)生物氧化還原反應(yīng)對(duì)金屬工件進(jìn)行去除加工，它是近年來(lái)發(fā)展的一種生物電化學(xué)和機(jī)械微細(xì)加工的交叉領(lǐng)域。

(2)生物生長(zhǎng)成形生物生長(zhǎng)成形是通過(guò)控制基因的表達(dá)，利用基因工程的主要手段和技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物生長(zhǎng)，將生長(zhǎng)因子與生物支架材料結(jié)合，生長(zhǎng)出所需的零件。(3)生物約束成形生物約束成形是通過(guò)復(fù)制或金屬化某些不同亞結(jié)構(gòu)與幾何外形的菌體，再經(jīng)排序或一系列微操作，從而實(shí)現(xiàn)生物約束成形。3.6.3基于增材制造技術(shù)的生物制造

增材制造技術(shù)逐層堆積成形的特點(diǎn)決定了其與生物仿生制造具有高度的契合性。增材制造可以同時(shí)控制材料局部的化學(xué)組分和精細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更高、功能性更強(qiáng)的生物仿生材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，已成為生物仿生制造領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)-通過(guò)增材制造技術(shù)探索生命體的制造。它幫助人類(lèi)與疾病和衰老抗?fàn)?，為提升人的生存質(zhì)量提供新技術(shù)。人體復(fù)雜器官制造是未來(lái)社會(huì)迫切需要發(fā)展的方向。3.6.4國(guó)內(nèi)外生物制造產(chǎn)業(yè)與科技的發(fā)展現(xiàn)狀

全球發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)先后將生物制造產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)范圍，目前已有超過(guò)20個(gè)國(guó)家制定了關(guān)于生物制造的國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃；

如美國(guó)歐盟、日本等。世界經(jīng)合組織(OECD)預(yù)測(cè)2030年，生物制造在生物經(jīng)濟(jì)中的貢獻(xiàn)率將達(dá)到39%超過(guò)生物農(nóng)業(yè)(36%)和生物醫(yī)藥(25%)，且將有25%有機(jī)化學(xué)品和20%的化石燃料由生物基化產(chǎn)品取代，基于可再生資源的生物經(jīng)濟(jì)形態(tài)終將形成。

中國(guó)生物制造產(chǎn)業(yè)有良好的發(fā)展環(huán)境與政策支持基礎(chǔ)，“十二五”以來(lái)，中國(guó)將生物制造產(chǎn)業(yè)列為重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，設(shè)立了現(xiàn)代生物制造科技專(zhuān)項(xiàng)，通過(guò)“973”、“863”計(jì)劃和科技支撐計(jì)劃等渠道，大力支持生物制造科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，取得了一批代表性創(chuàng)新成果，并獲得了一批國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)。3.6.5生物制造應(yīng)用實(shí)例-5D打印的生物功能組織制造類(lèi)腦組織制造

2.生物機(jī)械共生體制造

第4章先進(jìn)制造自動(dòng)化技術(shù)4.1數(shù)控技術(shù)4.2自動(dòng)裝配技術(shù)4.3

工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用4.4

其他機(jī)器人及應(yīng)用4.5

柔性制造系統(tǒng)4.6

現(xiàn)代物流與智能物流1.數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的不同階段特點(diǎn)第1階段研究開(kāi)發(fā)期(1952-1970）第2階段推廣應(yīng)用期(1970-1980)第3階段系統(tǒng)化(1980-1990)第4階段集成化(1990-2000)第5階段網(wǎng)絡(luò)化(2000-2015)第6階段智能化(2015-)典型應(yīng)用數(shù)控車(chē)床、銑床加工中心、電加工機(jī)床和成形機(jī)床柔性制造單元;柔性制造系統(tǒng)符合加工機(jī)床5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床數(shù)字化工廠(chǎng)智能、可重構(gòu)制造系統(tǒng)系統(tǒng)組成電子管、晶體管小規(guī)模集成電路專(zhuān)用CPU芯片多CPU處理器模塊化多處理器開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)工業(yè)危機(jī)賽博物理系統(tǒng)CPS工藝方法簡(jiǎn)單加工工藝多種工藝方法完整的加工過(guò)程復(fù)合多任務(wù)加工高速、高效加工;微納加工混合高效綠色數(shù)控功能NC數(shù)字邏輯控制2~3軸控制全數(shù)字控制刀具自動(dòng)交換多軸聯(lián)動(dòng)控制;人機(jī)界面友好多過(guò)程、多任務(wù)復(fù)合化、集成化樣條插補(bǔ)曲面優(yōu)化加工過(guò)程管理虛擬、云化自適應(yīng)及智能化驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服液壓馬達(dá)直流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)總線(xiàn)及直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速高精度全數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化高動(dòng)態(tài)特性;自適應(yīng)自診斷2.數(shù)控系統(tǒng)組成1)機(jī)床本體2)數(shù)控系統(tǒng)3)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)1）開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)2）數(shù)控系統(tǒng)的新需求與發(fā)展趨勢(shì)3）伺服系統(tǒng)4）數(shù)控編程技術(shù)云化數(shù)控系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

開(kāi)放式、智能化數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)納米平滑加工技術(shù)

七軸五聯(lián)動(dòng)復(fù)合機(jī)床加工大型螺旋槳數(shù)控系統(tǒng)的新需求與發(fā)展趨勢(shì)1）向高速、高精度、高可靠性方向發(fā)展2）向多軸聯(lián)動(dòng)、復(fù)合化方向發(fā)展3）智能化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

五軸聯(lián)動(dòng)精雕機(jī)加工齒輪德瑪吉(DMG)CELOSAPP圖解界面和觸屏操作智能機(jī)床數(shù)控機(jī)床智能化的主要需求機(jī)床智能化關(guān)鍵技術(shù)伺服系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器基本原理CAD/CAM集成系統(tǒng)數(shù)控編程CAD/CAM集成系統(tǒng)數(shù)控編程步驟4.1數(shù)控技術(shù)4.1.1計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)4.1.2應(yīng)用實(shí)例4.1.1計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)是指可通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)行重新組合、修改、添加或刪減，快速構(gòu)建不同品種和檔次以滿(mǎn)足不同需求的數(shù)控系統(tǒng)。1.主要技術(shù)特征1.能在多平臺(tái)運(yùn)行2.可以根據(jù)不同需求定制系統(tǒng)3.可以與其他系統(tǒng)互操作4.滿(mǎn)足高速，高精度，高可靠性的要求5.滿(mǎn)足多軸聯(lián)動(dòng)，復(fù)合化的要求6.滿(mǎn)足操作智能化、加工智能化、維護(hù)智能化、管理智能化的要求4.1.2應(yīng)用實(shí)例（1）歐盟“TwinControl”孿生控制項(xiàng)目

孿生控制“TwinControl”是歐盟地平線(xiàn)“Horizon2020”框架計(jì)劃中項(xiàng)目，“TwinControl”模型集成了進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、數(shù)控等模型以及能耗模型；

能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)機(jī)床加工及其部件工作狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)；

通過(guò)與對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)行修正與更新。同時(shí)將使用數(shù)據(jù)傳給機(jī)床用戶(hù)和機(jī)床制造商，使加工過(guò)程透明以及進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)。歐盟

“TwinControl”孿生控制項(xiàng)目（2）華中數(shù)控的智能數(shù)控系統(tǒng)INC

INC能對(duì)指令數(shù)據(jù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)以及通過(guò)傳感器對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，因而具有了基本的狀態(tài)感知能力。INC創(chuàng)立了“雙碼聯(lián)控”控制技術(shù)，開(kāi)辟了數(shù)控機(jī)床智能化新的技術(shù)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工的優(yōu)質(zhì)、高效、安全和綠色。華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)4.2自動(dòng)裝配技術(shù)4.2.1自動(dòng)裝配組成與關(guān)鍵技術(shù)4.2.2虛擬裝配4.2.3自動(dòng)裝配物料運(yùn)儲(chǔ)與檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化4.2.4自動(dòng)裝配系統(tǒng)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)4.2.5自動(dòng)裝配技術(shù)應(yīng)用舉例4.2.1自動(dòng)裝配組成與關(guān)鍵技術(shù)1.自動(dòng)裝配的設(shè)計(jì)(1)干涉碰撞檢測(cè)(2)裝配序列規(guī)劃(3)裝配性評(píng)價(jià)(4)裝配過(guò)程仿真2.裝配系統(tǒng)分類(lèi)(1)裝配工位(2)裝配間(3)裝配中心(4)裝配系統(tǒng)3.自動(dòng)裝配基礎(chǔ)(1)常用的連接方式及要求(2)產(chǎn)品的自動(dòng)裝配工藝性(3)裝配流程的確定4.裝配機(jī)器人1.自動(dòng)裝配的設(shè)計(jì)

自動(dòng)裝配的設(shè)計(jì)（DFA-Designforassembly）是一種針對(duì)裝配環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌兼顧的設(shè)計(jì)思想和方法，就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中利用各種技術(shù)手段如分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等充分考慮產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)及其相關(guān)的各種因素的影響，在滿(mǎn)足產(chǎn)品性能與功能的條件下改進(jìn)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品是可以裝配的，并盡可能降低裝配成本和產(chǎn)品總成本。DFA的體系結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)分類(lèi)具體組成及特點(diǎn)裝配工位裝配工位是裝配設(shè)備的最小單位。自動(dòng)化的裝配工位一般用來(lái)作為一個(gè)大的系列裝配的一個(gè)環(huán)節(jié)。其產(chǎn)生率很高，但是當(dāng)產(chǎn)品變化時(shí)它的柔性較小，所以柔性裝配工位以裝配機(jī)器人為主體。裝配間裝配間是一個(gè)獨(dú)立的柔性自動(dòng)化裝配工位。裝配間適合中批量生產(chǎn)的裝配工件，其中心是一臺(tái)裝配機(jī)器人。裝配中心裝配間和外部的備料庫(kù)、輔助設(shè)備以及裝配工具統(tǒng)稱(chēng)為裝配中心。其作為一個(gè)獨(dú)立的、自動(dòng)化的高架倉(cāng)庫(kù)。儲(chǔ)倉(cāng)的物流和信息流由計(jì)算機(jī)管理裝配系統(tǒng)配系統(tǒng)是各種裝配設(shè)備聯(lián)接在一起的總稱(chēng)，一套裝配系統(tǒng)包括物流和信息流。在這種系統(tǒng)中應(yīng)注意在手工工位和自動(dòng)化工位之間應(yīng)該留有較大的中間緩沖儲(chǔ)備倉(cāng)4.2.1自動(dòng)裝配組成與關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)裝配基礎(chǔ)常用的連接方式連接方式有：折邊、鑲嵌或插入、溶入等。按照連接方法的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的程度由高到低，可分壓入、凸緣連接、溶入、焊接、鉚釘、螺紋連接、翻邊或咬接、折邊、鑲嵌或插入、填充、開(kāi)槽、鉚接、鉸接、釘夾、粘接產(chǎn)品的自動(dòng)裝配工藝性單個(gè)零件、部件和產(chǎn)品適合自動(dòng)化裝配的形狀為層疊式和鳥(niǎo)巢式的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)可以區(qū)分為分立式與集成式。集成式可以實(shí)現(xiàn)元件最少，維修也方便層疊式的裝配是零件進(jìn)行堆積；鳥(niǎo)巢式的裝配是以一個(gè)零件為基礎(chǔ)，其余的零件都安裝在此零件之上。裝配流程的確定對(duì)復(fù)雜的產(chǎn)品經(jīng)常必須首先裝配子部件，即裝配過(guò)程是多階段進(jìn)行的。按照時(shí)間和地點(diǎn)關(guān)系，裝配過(guò)程可以劃分為串聯(lián)裝配、時(shí)間上平行的裝配、在時(shí)間上和地點(diǎn)上都相互獨(dú)立的裝配、在時(shí)間上獨(dú)立，地點(diǎn)相互聯(lián)系的裝配。1.典型的聯(lián)接動(dòng)作2.產(chǎn)品的自動(dòng)裝配工藝性適合自動(dòng)化裝配的形狀

適合裝配的零件形狀對(duì)于經(jīng)濟(jì)的裝配自動(dòng)化是一個(gè)基本的前提；

對(duì)于適合自動(dòng)化裝配的形狀，就單個(gè)零件、部件和產(chǎn)品來(lái)說(shuō)層疊式和鳥(niǎo)巢式的結(jié)構(gòu)對(duì)于自動(dòng)化裝配是有利的；

結(jié)構(gòu)方面的另一個(gè)區(qū)別是分立式還是集成式。集成方式可以實(shí)現(xiàn)元件最少，維修也方便。3.裝配流程的確定

裝配的優(yōu)先權(quán)4.2.2虛擬裝配1虛擬裝配定義虛擬裝配是從產(chǎn)品裝配的視角出發(fā)，綜合利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，建立一個(gè)具有較強(qiáng)真實(shí)感的虛擬環(huán)境用來(lái)進(jìn)行交互式地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配操作和規(guī)劃、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的裝配性能，并制定合理的裝配方案。4.

裝配機(jī)器人典型的裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)

裝配機(jī)器人由手臂、手（手爪）、控制器、示教盒、傳感器等組成；

裝配機(jī)器人手爪及自動(dòng)夾緊裝置，可分為機(jī)械夾緊、磁性?shī)A緊、真空夾緊、刺穿式手爪、粘結(jié)式手爪、萬(wàn)能手爪等4.2.2虛擬裝配1.虛擬裝配定義(1)完成虛擬裝配工藝規(guī)劃(2)實(shí)現(xiàn)面向裝配的設(shè)計(jì)2.虛擬裝配技術(shù)體系結(jié)構(gòu)(1)以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心(2)以工藝規(guī)劃為中心(3)以虛擬原型為中心3.虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境

開(kāi)發(fā)了虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境（VirtualAssembly

DesignEnvironment，VADE）

VADE通過(guò)建立一個(gè)用于裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索產(chǎn)品裝配過(guò)程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可能性，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期便可并行考慮產(chǎn)品裝/拆相關(guān)環(huán)節(jié)，避免相應(yīng)的設(shè)計(jì)缺陷。VADE應(yīng)用結(jié)構(gòu)虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)序號(hào)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)1虛擬環(huán)境中的模型建模及數(shù)據(jù)交換用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開(kāi)發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)，需要將CAD零部件模型及其相關(guān)信息轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入到虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)交互操作2裝配/拆卸規(guī)劃技術(shù)工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)在虛擬裝配環(huán)境中交互地對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行試裝/拆卸，規(guī)劃零部件裝配/拆卸順序，記錄并檢查裝配/拆卸路徑，驗(yàn)證工裝夾具的工作空間并確定裝配/拆卸操作方法，驗(yàn)證裝配、拆卸方案，最終得到合理的裝配方案3裝配規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)借助優(yōu)化算法搜索裝配順序，通過(guò)確量化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配規(guī)劃的優(yōu)化。虛擬裝配序列規(guī)劃是裝配工藝的基礎(chǔ)4基于約束的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航與精確定位提供裝配導(dǎo)航和精確定位功能，及虛擬裝配系統(tǒng)能夠識(shí)別和理解操作者的裝配意圖，對(duì)零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)精確定位5交互操作中碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)包括靜態(tài)碰撞檢測(cè)、偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)和動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)3個(gè)方面6可變形體裝配諸如線(xiàn)纜、管路等可變形體在裝配過(guò)程中會(huì)伴隨著變形，不同于剛性實(shí)體，因此，可變形體的裝配需要復(fù)雜的解算方法7虛擬裝配中的人機(jī)交互與分析通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段就對(duì)產(chǎn)品裝配過(guò)程中涉及的人機(jī)因素（如裝配所需時(shí)間、裝配操作的舒適程度、安全性）進(jìn)行分析2虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

空客的AR、VR和MR技術(shù)應(yīng)用

--可以快速審查空間；

--更具移動(dòng)性；

--更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；

國(guó)產(chǎn)客機(jī)CR919的虛擬環(huán)境體驗(yàn)空客的AR、VR和MR技術(shù)應(yīng)用

利用CAD數(shù)據(jù)，工程師可以在零件實(shí)際制造之前使用VR查看、交互和調(diào)整3D數(shù)字模型；

在數(shù)字化車(chē)間中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以投射數(shù)據(jù)、信息和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，幫助施工和檢查過(guò)程；

通過(guò)微軟的HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，使電氣團(tuán)隊(duì)可以看到疊加在實(shí)際飛機(jī)上的虛擬線(xiàn)束電纜的不同部分4.2.3自動(dòng)裝配物料運(yùn)輸與檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化1.自動(dòng)供料系統(tǒng)(1)物流搬運(yùn)裝備的選擇(2)料倉(cāng)式上料裝置(3)料斗式上料裝置(4)上下料機(jī)械手(5)工件傳送裝置的設(shè)計(jì)2.自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)(1)巷道堆垛機(jī)(2)運(yùn)輸系統(tǒng)(3)AGV系統(tǒng)(4)管理和控制系統(tǒng)3物料自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)獲取4.現(xiàn)代制造系統(tǒng)的檢測(cè)監(jiān)控自動(dòng)裝配物流系統(tǒng)組成

具體功能

物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)是自動(dòng)化制造系統(tǒng)的重要組成部分，其起到運(yùn)輸毛坯、半成品、成品及工夾具等物料的作用自動(dòng)供料系統(tǒng)供料系統(tǒng)包括上料裝置、輸料裝置、擒縱機(jī)構(gòu)等，對(duì)裝配零件進(jìn)行定向整理與規(guī)則運(yùn)動(dòng)。供料系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)裝配系統(tǒng)有很大影響。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)一般是指采用高層貨架來(lái)儲(chǔ)存單元貨物，用相應(yīng)的物料搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行貨物入庫(kù)和出庫(kù)作業(yè)的倉(cāng)庫(kù)，由庫(kù)房、貨架、堆垛起重機(jī)、輸送機(jī)、托盤(pán)、揀選場(chǎng)、條形碼閱讀器、自動(dòng)控制與信息傳輸裝置、計(jì)算機(jī)設(shè)備等組成4.2.3自動(dòng)裝配物料運(yùn)輸與檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化料倉(cāng)式上料裝置1)

料倉(cāng)：料倉(cāng)作用是儲(chǔ)存毛坯，小取決于毛坯的尺寸及工作循環(huán)的長(zhǎng)短。按照毛坯在料倉(cāng)中的送進(jìn)方法，將料倉(cāng)分為兩類(lèi)，即靠毛坯的自重送進(jìn)和強(qiáng)制送進(jìn)。2)

隔料器：把待加工的毛坯從料倉(cāng)中的許多毛坯中隔離出來(lái)，使其自動(dòng)進(jìn)入上料器；或由料器直接將其送到加工位置。由上料器兼作隔料器、桿式隔料器、鼓輪式隔料器組成。3)

上料器：把毛坯從料倉(cāng)送到機(jī)床加工位置料倉(cāng)兼作上料器、槽式上料器、圓盤(pán)式上料器、由機(jī)床的部件和專(zhuān)門(mén)的接收器來(lái)充當(dāng)上料器。4）上料桿和卸料桿：將毛坯件推入加工位置，可采用擋塊來(lái)限制毛坯送進(jìn)的位置或依靠上料桿的行程使毛坯頂?shù)剿蟮奈恢?。料斗式上料裝置

裝置由裝料機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)組成。其中，裝料機(jī)構(gòu)由料斗、攪動(dòng)器、定向器、剔除器、分路器、送料槽、減速器等組成；儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)由隔料器、上料器等組成。振動(dòng)料斗料斗式上料裝置按激振方式可分為電磁式、壓電式、氣動(dòng)式及機(jī)械式；輸料槽是把上料裝置提供的定向零件，并兼有緩沖作用，送到固定取出點(diǎn)的輸送裝置；送料槽要求工件能順利流暢穩(wěn)速移動(dòng)，不能發(fā)生阻塞或滯留現(xiàn)象，要認(rèn)真考慮其傾斜度和彎曲的大小。不同截形滾道上下料機(jī)械手

機(jī)械手是按照程序要求實(shí)現(xiàn)抓取和搬運(yùn)工作，或完成某些勞動(dòng)作業(yè)的機(jī)械自動(dòng)化裝置。

按其安放位置分為：內(nèi)裝式、附裝式和單置萬(wàn)能式，按其是否移動(dòng)分為：固定式和行走式。工件傳送裝置的設(shè)計(jì)

機(jī)床間的工件傳遞和運(yùn)送裝置主要有：托盤(pán)、隨行夾具、各種傳送裝置、有軌小車(chē)和無(wú)軌小車(chē)等；

托盤(pán)交換器是機(jī)床和傳送裝備之間的橋梁和接口。不僅起到連接作用，還可以暫時(shí)存儲(chǔ)工件，起到防止物流系統(tǒng)阻塞的緩沖作用；托盤(pán)交換器傳送裝備

傳送裝備不僅起到將各物流站、加工單元、裝配單元銜接起來(lái)的作用，而且具有物料的暫存和緩沖功能；

常見(jiàn)的傳送裝備有滾道式、鏈?zhǔn)?、懸掛式等；滾道式、鏈?zhǔn)?、懸掛式傳送機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)-AGV

一種由微機(jī)控制的，按照一定的程序或軌道自動(dòng)完成運(yùn)輸任務(wù)的運(yùn)輸工具,是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、柔性好、實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制、安全可靠、準(zhǔn)時(shí)性好的特點(diǎn)、維護(hù)方便；

自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)(AGV)AGV組成AGV的控制一般采用三級(jí)控制方式：中央控制計(jì)算機(jī)、地面控制器和車(chē)上處理器。

AGV由車(chē)體、蓄電池、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向裝置、車(chē)上控制器、通信裝置、安全系統(tǒng)、移載裝置等組成；

AGV導(dǎo)引方式序號(hào)導(dǎo)引方式原理1電磁導(dǎo)引(electronic-magneticguided)1)通以3～10KHZ的低壓、低頻電流，該交流電信號(hào)沿電線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)；2)AGV上裝設(shè)的信號(hào)檢測(cè)器可以檢測(cè)到磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，并通過(guò)檢測(cè)回路以電壓的形式表示出來(lái)；2光學(xué)導(dǎo)引(OpticalGuided)1)利用地面顏色與色帶顏色的反差（在明亮的地面上用黑色色帶，在黑暗的地面上用白色色帶）；2)當(dāng)AGV偏離導(dǎo)引路徑時(shí)，傳感器檢測(cè)到的亮度不同，經(jīng)過(guò)運(yùn)算回路計(jì)算出相應(yīng)的偏差值，然后由控制回路對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)修正，使其回到導(dǎo)引路徑上來(lái)；3自由路徑導(dǎo)引常用的自由路徑導(dǎo)引方法有行駛路徑軌跡推算導(dǎo)向法、慣性導(dǎo)航法、環(huán)境映射導(dǎo)引法和激光導(dǎo)航法等；2自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主題一級(jí)技術(shù)分支二級(jí)技術(shù)分支三級(jí)技術(shù)分支立體倉(cāng)庫(kù)高層貨架固定式單元貨格式

貫通式

柜式

直線(xiàn)移動(dòng)式

旋轉(zhuǎn)移動(dòng)式

巷道式堆垛機(jī)單立柱

雙立柱

出入庫(kù)系統(tǒng)天車(chē)

叉車(chē)

軌道穿梭車(chē)（RGV）

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）

拆碼垛機(jī)器人

自動(dòng)控制系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)

周邊設(shè)備自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

自動(dòng)分揀設(shè)備

存儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)又稱(chēng)立庫(kù)、高層貨架倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)AS/RS(AutomaticStorage＆ＲetrievalSystem)；

它是一種不需要人工處理，采用高層立體貨架(托盤(pán)系統(tǒng))儲(chǔ)存物資、電子計(jì)算機(jī)控制管理倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部各項(xiàng)作業(yè)、自動(dòng)控制堆垛機(jī)運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行存取作用的倉(cāng)庫(kù)。；

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)組成(1)巷道堆垛機(jī)

(2)運(yùn)輸系統(tǒng)(3)AGV系統(tǒng)(4)管理和控制系統(tǒng)

巷道堆垛機(jī)管理和控制系統(tǒng)

庫(kù)存系統(tǒng)管理系統(tǒng)，即稱(chēng)中央計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，是自動(dòng)化立體庫(kù)系統(tǒng)的核心；

管理控制系統(tǒng)的配置因倉(cāng)庫(kù)而異,目前國(guó)內(nèi)外倉(cāng)庫(kù)的管理控制系統(tǒng)大致可分為以下兩大類(lèi)，三級(jí)管理是指上位管理級(jí)、中位監(jiān)控級(jí)和下位操縱級(jí)；

三級(jí)管理及控制結(jié)構(gòu)二級(jí)管理及控制結(jié)構(gòu)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)功能序號(hào)實(shí)現(xiàn)功能內(nèi)容1出庫(kù)作業(yè)功能1)響應(yīng)各終端的入出庫(kù)申請(qǐng)；2)根據(jù)入出庫(kù)原則和現(xiàn)有庫(kù)存情況，決定存取庫(kù)的最佳貨位；3)獲取并檢測(cè)各出入庫(kù)貨物的相關(guān)信息；2數(shù)據(jù)管理功能1)查詢(xún)現(xiàn)存貨物的所有信息特定時(shí)間段內(nèi)，入出庫(kù)貨物信息查詢(xún)；2)倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)有空貨位查詢(xún)；3)編制、打印各種報(bào)表和單據(jù);4)出入庫(kù)作業(yè)完成后更新相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄；3信息交換功能1)各終端與服務(wù)器之間的通信；2)管理機(jī)與服務(wù)器之間的通信；3)管理機(jī)與下位各PLC之間的通信；4)管理機(jī)與監(jiān)控終端的通信；5)管理機(jī)與監(jiān)控的實(shí)時(shí)通信；4庫(kù)存分析功能1)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和某種新產(chǎn)品所需，分析、判斷現(xiàn)有各種材料和半成品的庫(kù)存是否滿(mǎn)足需求；2)對(duì)庫(kù)存各類(lèi)貨物的余缺做出相應(yīng)的報(bào)警提示；3)通過(guò)對(duì)在庫(kù)貨物記錄信息分析，可以對(duì)倉(cāng)庫(kù)的貨物周轉(zhuǎn)和資金占用等情況做出定量報(bào)告；5監(jiān)控系統(tǒng)功能1)對(duì)作業(yè)信息及運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和管理；2)控調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)命令，對(duì)作業(yè)的先后順序進(jìn)行優(yōu)化組合排隊(duì)；3)對(duì)機(jī)械設(shè)備的位置、動(dòng)作、狀態(tài)、貨物承載及運(yùn)行故障等信息進(jìn)行顯示，以便操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行監(jiān)視和控制；3物料自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)獲取(1)數(shù)據(jù)編碼，建立編碼系統(tǒng)(2)機(jī)器閱讀或掃描(3)譯碼(1)光學(xué)；(2)磁，類(lèi)似磁帶；(3)電磁，射頻識(shí)別技術(shù)；(4)智能卡；(5)觸摸技術(shù)；(6)生物技術(shù)

物料管理的基本技術(shù)是對(duì)物料進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和跟蹤。自動(dòng)識(shí)別是指在沒(méi)有人工干預(yù)下對(duì)物料流動(dòng)過(guò)程中某一活動(dòng)關(guān)鍵特性的確定。

自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)獲取的方法可以概括為以下6種：生物設(shè)別設(shè)備4.現(xiàn)代制造系統(tǒng)的檢測(cè)監(jiān)控(1)運(yùn)行與控制檢測(cè)監(jiān)控(2)加工設(shè)備和刀具的狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)控(3)工件加工質(zhì)量檢測(cè)(4)物料流檢測(cè)監(jiān)控(5)環(huán)境參數(shù)及安全監(jiān)控4.2.4自動(dòng)裝配系統(tǒng)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)1自動(dòng)裝配中的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)零件圖像的采集，經(jīng)過(guò)軟件算法的處理將工件所在的位置傳遞給機(jī)器人；引導(dǎo)機(jī)器人到指定的位置，完成指定的任務(wù)工作。由于視覺(jué)系統(tǒng)精度高，分辨速度快，用于和機(jī)器人配套使用，大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。

視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)組成

--成像系統(tǒng)：CCD攝像機(jī)

--圖像采集模塊：圖像采集卡

--圖像處理模塊：包括圖像處理和圖像分析軟件；

視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)組成

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的硬件組成：CCD攝像頭、圖像采集卡、主計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制器機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的軟件(1)圖像處理(2)圖像分析(3)坐標(biāo)標(biāo)定自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)的視覺(jué)系統(tǒng)組成CCD攝像頭圖像采集卡主計(jì)算機(jī)圖像分析

圖像處理坐標(biāo)標(biāo)定

下位機(jī)（機(jī)器人控制器）機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)

技術(shù)名稱(chēng)具體內(nèi)容

圖像采集利用攝像頭進(jìn)行圖像捕捉，普遍使用CCD傳感器進(jìn)行圖像捕抓，其靈敏度高、讀取噪聲低，因此在圖像傳感器占據(jù)一定的市場(chǎng)。

圖像分析與處理圖像分析一般利用數(shù)學(xué)模型對(duì)圖像的色彩、透明度、色差進(jìn)行分析，進(jìn)而提取出有用的圖像信息。主要包括圖像信息識(shí)別與讀取、圖像的存儲(chǔ)、圖像數(shù)據(jù)變換、圖像分割、模型匹配以及解釋。自動(dòng)裝配系統(tǒng)中的視覺(jué)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)自動(dòng)裝配系統(tǒng)中的視覺(jué)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)主要包括圖像預(yù)處理，圖像分割，物體定位，機(jī)器人坐標(biāo)標(biāo)定機(jī)器人坐標(biāo)標(biāo)定

找到圖像像素坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系，為機(jī)器人視覺(jué)定位抓取提供依據(jù)；

常用的標(biāo)定方法有直接線(xiàn)性法和張友正法。4.2.5自動(dòng)裝配技術(shù)應(yīng)用舉例ONCE機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)

--適用于鐵、鈦合金和復(fù)合非金屬材料等多種工件的加工--裝配的位置精度可達(dá)±0.05毫米

機(jī)器人裝配技術(shù)作為新一代的服務(wù)和生產(chǎn)方式，已被認(rèn)定是對(duì)人類(lèi)發(fā)展具有較大影響的前沿技術(shù)之一，其不僅可應(yīng)用在工業(yè)制造、生物工程、醫(yī)療、教育等國(guó)民領(lǐng)域，同時(shí)海洋工程、航空航天等國(guó)防領(lǐng)域也得到相關(guān)應(yīng)用。

伴隨著機(jī)器視覺(jué)、傳感器技術(shù)及人工智能技術(shù)和機(jī)器人裝配線(xiàn)