机械制造技术第九-十章

本次课内容 第十章 先进制造技术与生产模式 一、超精密加工与微细加工 二、高速切削 三、计算机集成制造系统 四、其他先进生产模式 第九章 数控加工技术 一、数控技术概述 二、数控机床的组成及工作原理 三、数控机床的加工及其工艺规划 四、数控加工编程 一、数控技术简述 1. 数控技术的涵义 第九章 数控加工技术 数字控制 伺服电机 /步进电机 把数字信息（包括字母、数字和符号）输入数控装置来控制执行机构完成预定的动作。 应用数控技术对加工过程进行控制的机床，它按照程序自动实现零件加工。 接受脉冲信号指令控制转角和转速，数控机床进给运动由伺服或步进电机驱动，再通过滚珠螺母丝杠将旋转运动变成直线进给运动。 进给运动的自由度数称为 轴数 ， 数控系统同时控制的轴数称为 联动轴数 。 数字机床 联动轴数 一、数控技术简述 2. 数控机床的分类 第九章 数控加工技术 按工艺用途 普通数控机床 加工中心 数控卧式车床 数控立式铣床 数 控 立 式 铣 削 加 工 中 心 一、数控技术简述 2. 数控机床的分类 第九章 数控加工技术 按伺服系统的控制方式 开环控制 闭环控制 半闭环控制 数控装置发出的信号流程是单向的，机床 没有检测与反馈装置 。其精度主要取决于 步进电机 和机械传动机构的性能和精度，适用于一般要求的中小型数控机床。 数控装置 步进电机 机床工作台 指 令 输 入 图 9 开环控制系统示意图 一、数控技术简述 2. 数控机床的分类 第九章 数控加工技术 按伺服系统的控制方式 开环控制 闭环控制 半闭环控制 在开环控制数控机床上增加了检测反馈装置，在加工中直接对机床工作台的实际位置进行检测，并反馈给数控系统进行修正。主要使用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、磨床以及较大型的数控机床等。 比 较器 伺 服 电 机 指 令 输 入 图 9 闭环控制系统 示意 图 机床工作台 放大器 反馈信号 - + 数 控 装 置 + 伺服系统 一、数控技术简述 2. 数控机床的分类 第九章 数控加工技术 按伺服系统的控制方式 开环控制 闭环控制 半闭环控制 通过检测伺服电机或丝杠的旋转角度来间接地检测出工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。该系统可消除伺服驱动机构的误差，但不能消除机械传动所带来的误差，如丝杠的螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等。可满足普通数控机床的要求。 比 较器 图 9 半闭环控制系统示意图 机床工作台 放大器 反馈信号 - + 伺 服 电 机 数 控 装 置 伺 服系统 输入信号 一、数控技术简述 2. 数控机床的分类 第九章 数控加工技术 按数控系统的功能水平 高级型 普及型 经济型 按联动轴数 类型 动轴数 分辨率 进给速度 驱动电机 通讯接口 显示功能 高级型 32位 5以上 24m/字交流伺服 维动态 普及型 16位 5以下 1m 24m/直流伺服 面图形 经济型 8位 3以下 10m (68) m/进 符显示 两轴联动 两轴半联动 三轴联动 多轴联动 一、数控技术简述 3. 数控加工的特点 第九章 数控加工技术 适应性强 加工精度高，质量稳定 生产效率高，经济效益良好 可完成复杂曲面的加工 有利于实现计算机辅助制造（ 易于建立计算机通信网络 二、数控机床的组成及工作原理 1. 数控机床的组成 第九章 数控加工技术 操作面板 输入输出 设备 计算机 数控 装置 （ 轴伺服单元 主轴驱动装置 进给伺服单元 进给驱动装置 测量装置 键盘 机床本体 主运动机构 进给传动机构 辅助控制机构 机床 I/图 9数控机床的组成示意图 二、数控机床的组成及工作原理 2. 数控机床的工作原理 第九章 数控加工技术 插补算法 程序只规定刀具运动的起点、终点和运动方式 (直线、圆弧、函数 )，刀具运动轨迹由插补算法控制。 插补算法：脉冲增量插补和数据采样插补 A(x0,P(xi,当前加工点 终点 图 9逐点比较法直线插补 图 9数控机床的工作原理 加工图样 编程手册 工艺规划 编制 数控 加工 程序 数 控 装 置 输 入 装 置 伺服系统 机 床 冲 信 号 二、数控机床的组成及工作原理 2. 数控机床的工作原理 第九章 数控加工技术 对刀 机床原点： 主轴旋转中心线上的一点，由机床制造厂给定。实习中使用的 所示。 参考点： 机床上的一个基准点，由机床制造厂通过行程开关来确定的，是机床回零时刀具退到的一个固定不变的极限点。 机床回零： 机床回零后，刀具回参考点，确定了刀具在机床坐标系中的位置。为刀具按照坐标参数进行加工作好了准备。 +Z +X 机床原点 图 1 参考点 （ X, Z） 二、数控机床的组成及工作原理 2. 数控机床的工作原理 第九章 数控加工技术 对刀 工件原点： 可任意选择，但一般选在零件的加工工艺基准点上。图 2 选工件右端面与机床主轴轴线的交点为工件原点。 对刀与工件坐标系的建立： 工件切削加工之前，用外圆车刀以 试切工件右端一小段外圆，测量并记下外圆的直径 将 Z=0及 X=建立了如图 2所示的工件坐标系。 对刀的实质： 测量工件原点与机床原点之间的偏移距离，并设置工件原点在机床参考系中的坐标。 Z +X 图 2 工件原点 二、数控机床的组成及工作原理 2. 数控机床的工作原理 第九章 数控加工技术 刀具补偿 程序控制换刀后刀具定位的指令为刀补。执行该指令后数控装置能调整刀架位置使不同长度或形状的刀尖能对准加工部位。 工件轮廓 刀具 刀具中心轨迹 r 图 9刀具半径补偿示意图 1 2 O X Z B (A (C 图 9数控车床刀具长度补偿示意图 三、数控机床的加工及其工艺规划 1. 数控车床 第九章 数控加工技术 加工特点与适用范围 表面形状复杂的回转体零件 带特殊螺纹的回转体零件 精度要求高的回转体零件 粗糙度值小的回转体零件 加工工艺的制定 零件图工艺分析 工序及装夹方式的确定 加工顺序的确定 进给路线的确定 刀具的选择 夹具的选择 先粗后精 先近后远 内外交叉 三、数控机床的加工及其工艺规划 2. 数控铣床 第九章 数控加工技术 加工特点与适用范围 平面类零件 变斜角类零件 曲面类零件 程序编制的特点 选择合适的数控铣床 合理使用各种插补功能 合理使用各种刀补功能 加工特点与适用范围 平面 +孔系零件 结构形状复杂的曲面类零件 外形不规则的异形类零件 3. 数控加工中心 要求较高的中小批量零件 四、数控加工编程 1. 数控编程步骤 第九章 数控加工技术 分析零件图样 工 艺处理 数学处理 编写程序单 输入数控系统 程序检验 数 控 机 床 修改 图 9控编程过程 2. 数控编程方法 手工编程 3. 刀具轨迹的检验与仿真 1、蜡模 /塑模 /木模试切 2、刀具轨迹仿真 3、三维动态切削仿真 4、虚拟加工仿真 一、超精密加工与微细加工 第十章 先进制造技术与生产模式 1）金刚石刀具 晶面的选择： 天然单晶金刚石具有各向异性 刃口半径 ： 能稳定切削的最小有效切削厚度称为 最小切削厚度 。 最小切削厚度取决于金刚石刀具的刃口半径 。 切削部分的几何形状 刀尖 采用圆弧或直线过渡，对加工表面起修光作用，有利于获得好的加工表面质量 。 较小的前角和后角。 1. 超精密加工 超精密切削 普通加工 精密加工 超精密加工 精度 低于 1m 1 高于 低于 于 a 一、超精密加工与微细加工 第十章 先进制造技术与生产模式 1. 超精密加工 超精密切削 2） 切削参数的选择 切削速度： 对 背吃刀量： 刃口半径足够小时，背吃刀量对 进给量： 进给量的变化对 3) 应用 适用材料： 有色金属及其合金以及光学玻璃、大理石和碳 素纤维板等非金属零件表面的镜面加工。 适用零件： 陀螺仪，光学镜头，计算机磁盘，录像机的磁 头，复印机的硒鼓等。 一、超精密加工与微细加工 第十章 先进制造技术与生产模式 1. 超精密加工 超精密磨削 金刚石刀具适合于加工有色金属及其合金，而对 钢铁类、非金属硬材料等 的超精密加工，多采用超精密磨料加工。 游离磨料超精密加工 时，磨料处于游离状态。加工过程中，工具与被加工表面之间存在一定大小的间隙，间隙中充满一定粒度和浓度的磨料，依靠磨料与工件之间的相对运动来实现加工要求。 工具 工件 工具 工件 研磨 工件 工具 抛光 一、超精密加工与微细加工 第十章 先进制造技术与生产模式 2. 微细加工 微细加工基本概念 微细加工和超微细加工是指微小尺寸的加工，它和一般尺寸的加工有三方面不同。 精度的表示方法不同： 由尺寸的绝对值来表示； 微观机理不同： 切屑极小，切削在晶粒内进行； 加工特征不同： 原子、分子的分离或结合 微细加工举例 光刻是指使用光束或电子束、离子束以及 致抗蚀剂 形成规定图形的微细加工方法。 对光敏感的高分子胶体 覆盖 窗口刻度为 后曝光 显影液溶解掉非曝光部分 使用溶剂等 m 将没有光致抗蚀剂覆盖的氧化膜去除 二、高速切削 第十章 先进制造技术与生产模式 主轴转速： 8000 切削线速度： (5007000)m/为 (510 )普通切削速度 1. 高速切削的概念和内涵 高速切削的概念 切削速度 切削温度 t0 v1 B C 高速切削的内涵 技术指标： 如上 经济指标： 在保质前提下，工时减少 70%，费用减少 50% 2. 高速切削的优点 高加工效率 高加工精度 高加工表面质量 低加工能耗，节省制造资源 二、高速切削 第十章 先进制造技术与生产模式 高速主轴系统： 交流伺服电机直接驱动的“电主轴” + 轴承 高速伺服系统： 直线电机伺服系统 /滚珠丝杠驱动装置 高速 高精度插补 /前馈控制 /前瞻控制等 3. 高速切削的技术装备 高速切削机床 高速切削刀具 刀具材料： 瓷、金属陶瓷、涂层刀具等 刀具安装系统： 高装夹刚度 /重复定位精度 4. 高速切削的应用领域 汽车工业，大批量零件的加工 航空航天工业，低刚度零件加工 模具制造业，复杂曲面的加工 三、计算机集成制造系统 (第十章 先进制造技术与生产模式 1. 1973年，哈灵顿博士提出 企业的功能集成： 企业生产的各个环节需要统一考虑 企业的信息化： 制造过程是信息采集、传递和处理的过程 人 /机构： 企业的各类人员和机构 技术： 计算机技术、信息技术、自动化技术、制造技术等 经营管理： 企业的经营管理 经营管理与技术的集成： 各类技术支持经营目标的实现 人 /机构与技术的集成： 各类技术支持各类人员，提高效率 人 /机构与经营管理的集成： 人员 /机构支持经营管理 三要素的集成： 统一管理，实现三要素的集成 2. 第十章 先进制造技术与生产模式 四、其他先进制造模式 第十章 先进制造技术与生产模式 1. 敏捷制造 敏捷制造的概念和内涵 敏捷制造的含义是： 以柔性生产技术和动态组织结构为特点，以高素质协同良好的工作人员为核心，实行企业间网络集成，形成快速响应市场的社会化制造体系。 制 造 业 竞 争 焦 点 1950降低劳动力成本 1970提高效率与质量 1980交货期、质量、价格和服务 2000新产品 企业在市场 /用户、企业能力及合作伙伴三方面体现敏捷性： 市场 /用户方面的体现： 用户是谁？需要什么？是否值得？ 企业能力方面的体现： 应变能力、先进制造技术、企业信 息网、信息技术等 合作伙伴方面的体现： 灵活多变的动态组织结构，以订单 快速决定合作伙伴 四、其他先进制造模式 第十章 先进制造技术与生产模式 1. 敏捷制造 敏捷制造企业的特征 1、全新的企业合作关系 虚拟企业（ 功能虚拟化 组织虚拟化 地域虚拟化 2、为订单而设计、制造和组合的生产方式 3、高度柔性化、模块化、可伸缩的生产制造系统 4、有知识、有技术的人是企业成败的关键因素 5、基于任务的组织和管理 6、大范围的通讯基础结构 四、其他先进制造模式 第十章 先进制造技术与生产模式 2. 虚拟制造 拟制造技术 助建模和仿真技术，在产品设计时，就可以把产品的制造过程、工艺设计、作业计划、生产调度、库存管理、成本核算、零部件采购和产品性能等在计算机屏幕上显示出来，以便全面确定产品设计和生产过程的合理性。 虚拟制造技术的优势 1、产品原型为数字化产品，在计算机上进行产品设计、制造、测试， 无需对实物样机进行反复修改，开发周期短、质量好、成本低。 2、可以使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员或非专业人员在 同一台产品模型上同时工作，使产品开发快捷，对市场的响应迅速。 3、便于企业更加优化地进行产品设计、制造或投资决策。 四、其他先进制造模式 第十章 先进制造技术与生产模式 2. 虚拟制造 在 21世纪的应用前景 产品开发 大型项目的投资评估 产品营销 技术培训 虚拟制造系统 拟制造系统是在虚拟制造思想指导下的一种基于计算机技术集成的、虚拟的制造系统，它是现实制造系统在虚拟环境下的映射。它包括虚拟信息系统和虚拟物理系统两部分。 虚拟制造系统不消耗现实资源与能量，所生产出来的产品是可视的虚拟产品，它具有真实产品所必须具有的特征。 我国 产品虚拟设计技术 产品虚拟制造技术 虚拟制造系统 包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持等。 虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配等。 包括加工过程仿真、模具制造仿真等 。 四、其他先进制造模式 第十章 先进制造技术与生产