1、模塊三 先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用,1,4,2,5,3,數(shù)控加工技術(shù),快速成形技術(shù),超精密與納米加工技術(shù),工業(yè)機(jī)器人,柔性制造技術(shù),隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等與制造技術(shù)的深度結(jié)合，制造工業(yè)的面貌發(fā)生了深刻的變化，形成了先進(jìn)（現(xiàn)代）制造體系。先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵及范圍很廣，本章扼要介紹先進(jìn)制造工程技術(shù)中的數(shù)控加工技術(shù)、快速成形技術(shù)、超精密與納米加工技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造技術(shù)的概念和應(yīng)用場合。,模塊三 先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用,11.1 數(shù)控加工技術(shù),11.1.1 數(shù)字控制與數(shù)控機(jī)床的概念 數(shù)字控制 (Numerical Control )是用數(shù)字化信號(hào)對機(jī)械設(shè)備

2、的運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡稱數(shù)控（NC）。 數(shù)控機(jī)床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。 進(jìn)一步說，數(shù)控機(jī)床是一種以數(shù)字量作為指令信息形式，通過電子計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ秒娮佑?jì)算裝置，對這種信息進(jìn)行處理而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)床。 11.1.2 數(shù)控機(jī)床的基本組成及工作原理,圖11-1 數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程,11.1 數(shù)控加工技術(shù),數(shù)控機(jī)床的基本組成見圖11-2所示。,圖11-2 數(shù)控機(jī)床的基本組成,數(shù)控機(jī)床的種類很多，從不同角度對其進(jìn)行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法：,11.1 數(shù)控加工技術(shù),11.1.3 數(shù)控機(jī)床的分類,按工藝用途分類 切削加

3、工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、FMC等。 成型加工類：數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控沖裁機(jī)等。 特種加工類：數(shù)控線切割機(jī)、電火花加工機(jī)、激光加工機(jī)等。 其它類型：數(shù)控裝配機(jī)、數(shù)控測量機(jī)、機(jī)器人等。,按運(yùn)動(dòng)軌跡分類,點(diǎn)位控制系統(tǒng) ：如圖11-3a所示,點(diǎn)位直線控制控制系統(tǒng)：如圖11-3b所示,輪廓控制系統(tǒng)：如圖11-3c所示,11.1 數(shù)控加工技術(shù),11.1 數(shù)控加工技術(shù),開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng),按控制方式分類,半閉環(huán)控制系統(tǒng),全閉環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 沒有位置測量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維

4、修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。,圖11-4 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖,11.1 數(shù)控加工技術(shù),11.1 數(shù)控加工技術(shù),全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。,圖11-5 閉環(huán)系統(tǒng)控制原理圖,11.1 數(shù)控加工技術(shù),半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。,圖11-6 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖,11.1 數(shù)控加工技術(shù),11.1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 1.數(shù)控機(jī)床的加工特

5、點(diǎn),加工精度高 對加工對象的適應(yīng)性高 生產(chǎn)效率高 有利于生產(chǎn)管理 自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低 良好的經(jīng)濟(jì)效益 有利于現(xiàn)代化管理,11.1 數(shù)控加工技術(shù),11.1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 2.數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍,多品種小批量生產(chǎn)的零件 形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件 生產(chǎn)效率高 精度要求比較高的零件 需要頻繁改型的零件 價(jià)格昂貴，不允許報(bào)廢的零件 需要生產(chǎn)周期短的零件,11.2 快速成形技術(shù),11.2.1 快速成形技術(shù)的概念 快速成形技術(shù)（RP, Rapid Prototyping）是運(yùn)用堆積成形法，由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)總稱。 RP技術(shù)的成形原理不同于常規(guī)制造的去

6、除法（切削加工、電火花加工等）和變形法（鑄造、鍛造等），而是利用光、電、熱等手段，通過固化、燒結(jié)、粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)等方式，有選擇地固化（或粘結(jié)）液體材料，實(shí)現(xiàn)材料的遷移和堆積，形成所需要的原型零件。,快速成形技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。它采用軟件離散材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形，如圖11-4所示。 11.2.3 快速成形技術(shù)的工藝方法 RP技術(shù)的具體工藝有很多種，根據(jù)采用的材料和對材料的處理方式不同，選擇其中3種方法的工藝原理進(jìn)行介紹。 1.選擇性液體固化 又稱光固化法，該方法的典型實(shí)現(xiàn)工藝有立體光刻（S

7、L,StereoLithography），其工藝原理如圖11-5所示。 光固化法是目前應(yīng)用最廣的快速成形制造方法。其主要特點(diǎn)是：制造精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率接近100%；能制造形狀復(fù)雜及特別精細(xì)的零件；能使用成形材料較脆、材料固化伴隨一定收縮率的材料制造所需零件。,11.2.2 快速成形技術(shù)的工作原理,11.2 快速成形技術(shù),2.選擇性層片粘結(jié) 選擇性層片粘結(jié)又稱分層實(shí)體制造、疊層制造法（LOM,Laminated Object Manufaturing），其工藝原理如圖11-6所示。 疊層法的主要特點(diǎn)是：不需要制作支撐；激光只作輪廓掃描，而不需填充掃描，成形率高；運(yùn)行成本低；成形過程

8、中無相變且殘余應(yīng)力小，適合于加工較大尺寸零件；但材料利用率較低，表面質(zhì)量差。 3.選擇性粉末熔結(jié)/粘結(jié) 選擇性粉末熔結(jié)/粘結(jié)又稱燒結(jié)法（SLS，Selective Laser Sintering ），其工藝原理如圖11-7所示。 激光選區(qū)燒結(jié)法的主要特點(diǎn)是：不需要制作支撐；成形零件的機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；粉末較松散，燒結(jié)后精度不高，Z軸精度難以控制。,11.2 快速成形技術(shù),11.2.4 快速成形技術(shù)的特點(diǎn)和用途 1.主要特點(diǎn) 1）高度柔性； 2）技術(shù)的高度集成； 3）設(shè)計(jì)制造一體化； 4）快速性； 5）自由成形制造(Free Form Fabrication，F(xiàn)FF)； 6）材料的廣泛性。 2

9、.用途 1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)評估與功能測驗(yàn)； 2）快速模具制造； 3）醫(yī)學(xué)上的仿生制造； 4）藝術(shù)品的制造； 5）直接制造金屬型。,11.2 快速成形技術(shù),11.3.1 超精密加工技術(shù) 超精密加工是指被加工零件的尺寸精度為0.10.01m，加工表面粗糙度達(dá)Ra0.030.0051m數(shù)量級(jí)的加工技術(shù)。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也在不斷變化。 一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m； 精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m； 超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m； 納米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m 。 超精密加工的主要方法有：

10、1）金剛石刀具超精密切削； 2）精密和鏡面磨削； 3）精密研磨和拋光；,11.3 超精密與納米加工技術(shù),1.金剛石刀具超精密切削； 金剛石刀具擁有很高的高溫強(qiáng)度和硬度，而且材質(zhì)細(xì)密，經(jīng)過精細(xì)研磨，切削刃可磨得極為鋒利，表面粗糙度值很小，因此可進(jìn)行鏡面切削。 金剛石刀具超精密切削主要用于加工銅、鋁等有色金屬，如高密度硬磁盤的鋁合金基片、激光器的反射鏡、復(fù)印機(jī)的硒鼓、光學(xué)平面鏡，凹凸鏡、拋物面鏡等。 2.精密和鏡面磨削 磨削時(shí)尺寸精度和幾何精度主要靠精密磨床保證，可達(dá)亞微米級(jí)精度（指精度為110-2m）。在某些超精密磨床上可磨出十納米精度的工件。在精密磨床上使用細(xì)粒度磨粒砂輪可磨削出Ra=0.10

11、.05m的表面。使用金屬結(jié)合劑砂輪的在線電解修整砂輪的鏡面磨削技術(shù)可得到Ra0.010.002m的鏡面。,11.3 超精密與納米加工技術(shù),3.精密研磨和拋光； 精密研磨和拋光技術(shù)意指：使用超細(xì)粒度的自由磨料，在研具的作用和帶動(dòng)下加工表面，產(chǎn)生壓痕和微裂紋，依次去除表面的微細(xì)突出處，加工出Ra0.010.02m的鏡面。 超精密加工是以精密元件為加工對象。超精密加工必須具有穩(wěn)定的加工環(huán)境，即必須在恒溫、超凈、防振等條件下進(jìn)行。另外，精密測量是超精密加工的必要手段，否則無法判斷加工精度。,11.3 超精密與納米加工技術(shù),11.3.2 納米加工技術(shù) 納米（Nanometer）,是一個(gè)長度單位，簡寫為n

12、m。 1nm=10-3m=10-9m。納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期誕生并在蓬勃發(fā)展的一種高新科學(xué)技術(shù)。納米不僅是一個(gè)空間尺度上的概念，而且是一種新的思維方式，即生產(chǎn)過程越來越細(xì)，以至于在納米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的產(chǎn)品。 1.納米技術(shù)的含義 納米技術(shù)是指納米級(jí)（0.1100nm）的材料、設(shè)計(jì)、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。它將加工和測量精度從微米級(jí)提高到納米級(jí)。 2.納米技術(shù)的主要內(nèi)容 納米技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，從基礎(chǔ)研究角度來看，納米技術(shù)包括：納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料和納米機(jī)械學(xué)等新學(xué)科。,11.3 超精密與納米加工技術(shù),11.3 超精密

13、與納米加工技術(shù),3.納米級(jí)加工 納米級(jí)加工是指：加工精度高于10-3m，表面粗糙度Ra小于0.005m，達(dá)到納米級(jí)精度。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。 納米級(jí)加工方法包括：機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工、復(fù)合加工、掃描隧道顯微加工等。 納米級(jí)機(jī)械加工方法包括：單晶金剛石刀具的超精密磨削；金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪的超精密磨削及鏡面磨削；衍磨和砂帶拋光等固定磨料工具的加工；衍磨、拋光等自由磨料的加工等。,11.4 工業(yè)機(jī)器人,11.4.1 工藝機(jī)器人的基本概念 1.工業(yè)機(jī)器人的定義 工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot,簡稱Robot ）是一種可重復(fù)編程的、自動(dòng)

14、控制的、多自由度的、機(jī)體獨(dú)立的自動(dòng)操作機(jī)械。 2.工業(yè)機(jī)器人的組成 （1）執(zhí)行系統(tǒng) （2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3）控制系統(tǒng) （4）檢測系統(tǒng) （5）智能系統(tǒng),11.4 工業(yè)機(jī)器人,3.工藝機(jī)器人的分類 按系統(tǒng)功能分類： 專用機(jī)器人、通用機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、智能機(jī)器人 按結(jié)構(gòu)形式分類： 直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人。 按驅(qū)動(dòng)方式分類：氣壓傳動(dòng)機(jī)器人、液壓傳動(dòng)機(jī)器人、電力傳動(dòng)機(jī)器人。 按承擔(dān)工作任務(wù)性質(zhì)可分為：搬運(yùn)機(jī)器人和作業(yè)機(jī)器人。 雖然工業(yè)機(jī)器人品種繁多，但從設(shè)計(jì)與使用角度出發(fā)，工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)性能參數(shù)包括：運(yùn)動(dòng)自由度、工作空間、工作負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)速度、位置精度。,11.

15、4 工業(yè)機(jī)器人,11.4.2 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用 工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用主要是對人體有危險(xiǎn)或危害的操作環(huán)境。 今天，在現(xiàn)代制造業(yè)中，利用機(jī)器人能擴(kuò)大機(jī)械制造系統(tǒng)的功能和范圍，以及提高自動(dòng)化程度，是實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化的基本設(shè)備。 用于生產(chǎn)中 的工業(yè)機(jī)器人有：鑄造機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。此外，高壓作業(yè)線、服裝剪裁、管道作業(yè)、擦玻璃的機(jī)器人也發(fā)揮著巨大的作用。,11.5 柔性制造技術(shù),傳統(tǒng)的專用機(jī)床和“剛性”自動(dòng)生產(chǎn)線雖然有很高的生產(chǎn)效率，但其加工的零件形狀和尺寸單一，難以改變，這對于大批大量生產(chǎn)是合適的。為滿足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短的要求，20世紀(jì)70年代以來

16、，隨著微電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，一種以機(jī)械加工為主的柔性制造技術(shù)得到迅速發(fā)展，主要有柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。 11.5.1 柔性制造單元 FMC（Flexible Manufacturing Cell）是在加工中心的基礎(chǔ)上，增加了貯存工件的自動(dòng)料庫、輸送系統(tǒng)所構(gòu)成的自動(dòng)加工系統(tǒng)。如圖11-8所示為配有托盤交換系統(tǒng)的FMC。 FMC適于多品種、小批量工件的生產(chǎn)。FMC具有規(guī)模小、成本低，便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。但FMC的信息系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，加工柔性不高，只能完成品種有限的零件加工。,11.5 柔性制造技術(shù),11.5.2 柔性制造系統(tǒng) 1.FMS（Flexi

17、ble Manufacturing System）的定義和組成 FMS是在FMC的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的一種高效率、高精度、高柔性的加工系統(tǒng)。對柔性制造系統(tǒng)直觀的定義：“柔性制造系統(tǒng)至少是由兩臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備、一套物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所組成的制造系統(tǒng)。 從上述定義可以看出，F(xiàn)MS主要由以下三部組成： （1）加工系統(tǒng) （2）物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng) （3）信息系統(tǒng) 除上述三個(gè)主要組成部分外，F(xiàn)MS還包括冷卻系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、刀具監(jiān)控和管理等附屬系統(tǒng)。,11.5 柔性制造技術(shù),2.FMS的優(yōu)點(diǎn)和效益 （1）能接受各種不同零件加工 （2）生產(chǎn)周期短、成本低 （3）使加工質(zhì)量得到保證 （4）對企業(yè)的競爭力和資金

18、周轉(zhuǎn)十分有利 11.5.3 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 1.CIMS (Comouter Integrated Manufacturing System)的基本概念 CIMS是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)的各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來，并適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效率、高柔性的制造系統(tǒng)。,11.5 柔性制造技術(shù),CIMS必須有包括以下兩個(gè)特征： （1）在功能上，CIMS包含了一個(gè)工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)。 （2）CIMS涉及的自動(dòng)化是有機(jī)的集成。 2.CIMS 的構(gòu)成 （1）經(jīng)營管理信息系統(tǒng) （2）工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng) （3）制造自動(dòng)化系統(tǒng) （4）質(zhì)量保證系統(tǒng) （5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) （6）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)