先进制造技术136

先进制造技术概论(AMT),课程编号：5601090学分：2学生班级：材料0505-0507班课程性质：专业大类课、限选课基本要求：巩固制造技术基础知识；了解先进制造技术的最新研究成果；掌握1-2项先进制造技术/方法；开阔视野；培养创新意识/能力。开课时间：07-08年度第2学期每周4学时/（每次2学时）授课方式：课堂教学/一次参观周二材213室/周五II馆212室考核形式：课堂考试（开卷）或文献查阅与综述（中、外文）3页；大作业7页。主讲教师：王续跃Tel:86929050Email:wbzzd主要参考书：王润孝主编先进制造技术导论焦振学编著先进制造技术赵汝嘉主编先进制造系统导论查阅中英文（外文）文献/网上信息8-10篇，外文不少于3篇。,课程简介单项技术制造自动化技术先进制造模式,单项技术,精密与超精密加工技术超高速加工技术高能束流加工与复合加工技术MEMS技术RPM技术生物制造技术,制造自动化技术,GTCAD/CAPP/CAMNC/CNCFMSCIMS,先进制造模式,智能制造敏捷制造并行工程虚拟制造绿色制造精益制造,讨论1先进？机械？材料制备、成型、切削、加工、制造、生产？,MechanicalEngineeringdealswithanythingwhichmoves.AdvancedTechnologymeansanytechniqueormethodthatrelateleadingedgeorhighquality.,讨论2零件？产品？质量？,第一章概述(BI)基本概念：生产方式，品种与批量，规模/系列，质量，成本，时间，服务，制造技术/先进制造技术产品特点：品种多样化-需求的个性化、多样化，时尚化；制造者：抢先占领市场，制造装备系统/竞争。生产方式：单件/小批；大批大量；“中等”批量。制造技术发展特点：常规制造工艺的优化；加工方法不断创新；学科间的界限逐渐淡化；设计由经验走向定量分析；工艺技术与信息、管理结合。可持续发展：人与自然的关系/技术与资源利用,第一节生产系统与机械制造系统机械制造系统任务：高效率和低消耗地制造出高质量的产品生产系统组成：以机床和机械加工等生产技术为中心的“物质流”以生产管理和信息等管理技术为中心的“信息流”为工艺装备提供动力的“能量流”任何一个工厂：都是一个有输入和输出、信息流和物质流的生产系统。典型生产系统：决策级；经营管理级；设计制造级。设计制造级：包括开发和设计；生产工艺和调度；制造三个子系统技术装备形式：制造业机械制造/先进机械制造机械加工/先进机械加工-先进机械制造技术典型代表：CIMS-局部自动化A整体自动化A；-制造过程自动化A-设计过程自动化A-生产过程自动化A和经营管理过程自动化A用系统工程的原理和方法组织生产使工厂的生产和管理科学化。,机械制造系统组成：机床，工具和制造过程（工艺、检验、管理）。1）机床：为零件成形提供工具与工件之间的相对位置和相对运动，加工出满足图纸技术要求包扩形状、尺寸、几何精度和表面质量的零件。2）工具：指切削刀具和必要的夹具、模具，测量工具和辅助工具等。3）制造过程：包括输入材料或毛坯的加工、中间的热处理、探伤检验等转换过程/生产流程和管理等。4）多级机械制造系统：单台CNC机床构成基本的制造系统，多台CNC机床由一台通用计算机集中控制，形成直接数控DNC制造系统。生产系统的三个级（决策级；经营管理级；设计制造级）通过集成技术实现计算机控制的一体化管理，形成高效益、高智能计算机集成制造系统CIMS。,第二节先进制造技术的概念，特点与分类先进制造技术:是制造业不断吸收机械、电子、信息(包括控制论,人工智能等)、能源及现代系统管理等方面成果，将其综合应用于产品设计，制造，检测，管理，销售，使用，服务以及回收的制造全过程，以实现优质，高效，低耗，清洁，灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。传统制造技术特点：设计独立性强；生产连续稳定；以产品为对象组织生产；准备、生产、装配周期长；生产结构刚性强。先进制造技术特点：先进性；广泛性；实用性；系统性；集成性；动态性；环保性,先进制造技术分类:1.现代设计技术：(1)计算机辅助设计技术：包括：有限于元法，优化设计，CAD，反求工程，模糊智能CAD，工程数据库。(2)优良性能设计技术：可靠性设计，安全性设计，动态设计，疲劳设计，减摩与耐磨设计，环境设计，维护设计，测试性设计，人机工程设计。(3)竞争创建设计技术:包括：快速响应设计，智能设计，仿真与虚拟设计，工业设计，价值工程设计，模块化设计。(4)全寿命周期设计技术，并行设计，面向制造设计，全寿命周期设计。(5)可持续发展产品设计:主要有绿色设计.(6)设计实验技术:包括：产品可靠性试验，产品环保性试验与控制，仿真试验与虚拟试验。,2.现代加工工艺：(1)精密洁净铸造成型工艺，（2）精密高效塑性成型工艺，（3）优质高效焊接及切割技术，（4）优质低耗洁净热处理技术，（5）高效高精机械加工工艺，（6）现代特种加工工艺，（7）新型材料成型与加工工艺，（8）优质清洁表面工程新技术，（9）快速模具制造新技术，（10）拟实制造成型加工技术。,3自动化技术：（1）数控技术，（2）工业机器人，（3）柔性制造系统FMS:包括：FMS加工系统，FMS物流系统，FMS调度与控制系统，FMS的故障诊断。（4）计算机集成制造系统CIMS，（5）传感技术，（6）自动检测及信号识别技术，（7）过程设备工况监测与控制。4系统管理技术：（1）全面质量管理，（2）成组技术，（3）即时生产，（4）物流管理，（5）企业资源规划5先进制造模式：（1）先进制造生产模式，包括：精益生产（LP），CIMS，敏捷制造（AM），网络化制造系统，智能制造。（2）集成管理技术，包括：并行工程，现代信息管理系统，质量保障体系，生产率工程，制造资源快速集成。（3）生产组织方法，包括：虚拟公司理论与组织，企业组织与变革，以人为本的团队建设，企业重组工程。,第三节先进制造技术发展趋势面临/适应挑战（1）新技术革命的挑战（2）信息时代的挑战（3）有限资源与日益增长的环保压力的挑战（4）制造全球化和贸易自由化的挑战（5）消费观念变革的挑战发展趋势：柔性化、智能化、集成化、全球化、绿色制造,第四节先进制造技术自动化制造技术(1)成组技术(GT)-特点:集中处理,规范化,信息的重复使用(2)数控技术（NC)：用数字量及字符发布指令，实现自动控制的技术。数字化越来越广泛。（3）CAD功能：建立几何模型，工程分析，动态模拟，自动绘图。（4）CAPP承接CAD数据，处理转换成CAM加工信息。（5）CAM类型：直接应用：物流/生产/质量控制间接应用：支持CAPP/工装设计/作业计划等（6）仿真技术(ST)-步骤：定义被建模系统，建立系统模型，收集数据，验证模型，运行模型，维护模型。（7）FMS适合于多品种，中小批量的生产方式。方向：FMS组成工厂和车间；与CAD/CAM联结形成综合生产系统；FMC模块化和商品化；配套装备(8)CAQC-重点考虑：质量控制计划/功能/方法，可以100%检测。（9）CIM及新一代CIMS适应市场机制的新概念与先进技术的融合。,第五节先进制造技术的技术前沿（1）可重组制造技术：研究阶段内容：基础理论；建模于仿真；新的系统；控制与通信（2）无浪费工艺：无切削加工/废弃物可利用，低消耗工艺/室温代替高温环境（3）新的材料工艺：指超物理性能的新材料，微型化产品，原子级/纳米制造，属于基因链接，生物工艺。（4）生物制造技术：包括：用设计酶、细胞组织和生物催化剂的元件制造，还包括用自组织系统和生物原料生产特殊材料的遗传工程。（5）企业建模和仿真：依靠通信与信息技术；建模工具。（6）信息技术：把信息转化为知识，进而决策的技术。（7）增强型人-机界面：例如：语音输入。（8）新型劳动力培训：适应新技术环境，学习型模式（9）智能协作系统软件：满足专业不同/语言不同/文化不同的交流，实现联机和协作。以及不同背景企业间协作。,第六节发达国家制造业的发展战略美国：68%财富来源于制造业/面临的问题立法、政策和资金投入、教育、目标日本：精益生产；注重满足客户需求；培训西欧/德国：欧共体；创新中国：政策、专项基金、联合攻关,第二章高能束加工与复合加工技术第一节概述1.1背景材料、成本、效率1.2特点与发展个性、竞争、全球1.3材料难加工（硬度、韧性、脆性）,第二节激光加工技术2.1激光的产生与特点产生的条件、三要素、波长、能量/功率，特点2.2激光加工基本原理与特点吸收与反射、能量密度、温度控制，特点2.3激光加工设备组成、运行控制2.4激光加工技术的应用打孔、切割、焊接、改性、清洗、快速成型、直写等,课堂练习1本课程包含的主要内容（3个模块，6、5、6章节）2设想手机的新功能与对应技术方案,第三节电子束加工技术3.1电子束加工原理和特点产生的条件、能量/功率，特点3.2电子束加工装置3.3电子束加工应用打孔/型孔、切割、焊接、光刻、刻蚀、改性等第四节离子束加工技术4.1离子束加工原理、分类和特点4.2离子束加工装置4.3离子束加工应用打孔、切割、焊接、刻蚀、镀膜、改性、注入等,第五节复合加工技术5.1机械复合加工(机械与其它方法复合，超声、化学、热）5.2电化学复合加工(电化学与其它方法复合，超声、EDM）5.3电火花复合加工(电火花与其它方法复合，超声、EDM、磨削）5.4超声复合加工（超声与其它方法复合；应用：清洗、检测、硬脆材料拷贝成型）5.5磨料水射流加工（AWJ）5.6化学机械抛光（CMP）,第三章精密与超精密加工技术概述成形方式分类：去除成形；受迫成形；堆积成形；生成成形。先进制造工艺技术的发展现状：1）加工精度不断提高从第一台蒸汽机1mm，20世纪中的0.001mm级，近年来达到10-8mm,逐步进入原子级的加工。2）加工速度不断提高主轴转速：8000-10000rpm;快速进给40-60m/min3）材料科学促进工艺变革4）重大装备促进制作造技术发展5）优质清洁表面工程不断发展6）精密成型技术进展较大,精密加工0.1-1umRa0.1um微米级超精密加工0.01-0.1umRa0.05um亚微米级纳米级加工0.01-0.001Ra0.001um纳米级原子级加工超精密加工的范畴需求：飞机、潜艇、导弹中的制导仪表的精密陀螺；激光核聚变用的反射镜；大型天文望远镜的透镜；大规模集成电路的各种基片；计算机磁盘基底和复印机磁鼓；高精度的光学元器件；各种硬盘及记忆体的衬底；相关模具等。超精密加工刀具天然单晶金刚石（刃磨质量：晶面选择，最小刃口半径）替代品CBN和金刚石（砂轮质量：磨料品级、粒度均匀、耐磨性、分布均匀、修整）,超精密加工设备1）主轴及其驱动装置圆度基准回转精度：0.01-0.1um刚性高温度恒定控制等采用空气静压轴承，皮带卸载驱动、磁性联轴节驱动主轴系统2）导轨及进给驱动装置直线性基准直线精度：0.02-0.2um/100mm刚性平稳无间隙移动灵敏采用空气静压导轨、液体静压导轨，0.025um/100mm3）微量进给装置尺寸精度分辨率/基准弹性变形微量进给装置、热变性微量进给装置、电致伸缩微量进给装置、磁致伸缩微量进给装置、流体膜变形微量进给装置,超精密加工的工作环境恒温、超净、防振恒温20+-0.06C超净生产256K芯片1立方尺大于0.1的尘埃小于10个。生产4M芯片1立方尺大于0.01的尘埃小于10个。防振防振沟、隔振地基、隔振设备,超精密加工精度的在线监测和计量检测激光干涉仪、扫描隧道显微镜、原子力显微镜误差预防原则设备精度/成本误差补偿原则实时建模、动态分析/理论、技术涉及的技术：微量去除/刀具的刃磨/测量与补偿/工作环境/操作者技能/设备部件性能，包括：精度/刚度/稳定性/抗振性/控制性。超精密加工技术的关键技术：纳米加工-原子级去除；大型化方向；微型化方向；多功能、光机电、测控等一体化；复合工艺；作业环境,超精密切削加工：刀具主要用金刚石，切削对象为有色金属及其和金，光学玻璃，复合材料等，最典型零件是镜面零件。要求刀具刃口半径越小越好：日本大阪大学与美国的LLL实验室合作研究：超精密切削极限，用锋利刀具和性能最佳的机床，实现切削厚度为纳米级的稳定连续切削。国内金刚石刀具刃口半径0.2-0.5x10-4mm,最高水平0.1x10-4mm.超精密磨削和磨料加工：包括:砂轮/砂带/ELID/研磨与抛光/磁流体抛光/复合抛光/精密特种加工（三束等）/硅片磨、抛、检测/创造性加工（三平板等）,第四章超高速加工技术,4.1概述超高速加工的内涵和范围4.2超高速加工的机制(SalomonCurve)4.3超高速加工技术的现状与发展趋势超高速切削/超高速磨削4.4超高速加工技术的优越性(效率、F、精度与质量、稳定性、节省工序、技术经济效益)超高速切削/超高速磨削4.5超高速加工技术的应用（航天、汽车、模具、难加工材料、超精密微细加工）超高速切削/超高速磨削,不同加工工艺的切削速度范围,加工工艺速度范围/m/min车削700-7000铣削300-6000钻削200-1100拉削30-75铰削20-500锯削50-500磨削5000-10000,不同加工工艺的切削速度范围,加工材料速度范围/m/min铝合金2000-7500铜合金900-5000钢600-3000铸铁800-3000耐热合金500钛合金150-1000纤维增强塑料2000-9000,超高速加工技术与普通切削相比其切削原理发生变化：切削温度与切削力随切削速度的增大，由升高变为下降；脆性材料的切削变为塑性去除过程；同时效率大大提高。德国的格林自动化公司1983第一台高效深切快进磨床：功率60KW;转速：10000rpm;CBN砂轮300mm;线速度：150m/s;以磨代铣日本、美国后来居上。东北大学：线速度:400m/s国内实际应用：80m/s,研究水平150m/s,目标：250m/s关键技术：高速切削机理；大功率超高速主轴单元；高加减速直线进给电机；超硬耐磨刀具材料及结构；切削处理和冷却系统；安全装置和高性能CNC系统与测试技术。应用领域：大批量生产/汽车工业；刚度不足零件/薄壁件；复杂曲面/模具、工具制造；难加工材料；超精密微细切削加工/FUNAC公司研制的超精密铣床：主轴转速达55000rpm;生产率和精度超过光刻技术水平，实现自由曲面的微细加工。,4.6超高速切削的相关技术超高速切削的刀具技术（CBN、金刚石、PCD、陶瓷/结构、角度）超高速切削机床（主轴、进给直线电机、夹具、支撑、并联结构）超高速切削机床的数控技术超高速切削的安全性超高速切削的切削液及供液系统高速切削的工件材料,4.7超高速磨削的相关技术超高速磨削的砂轮（砂轮质量：结构、磨料品级、粒度均匀、耐磨性、分布均匀、修整）超高速主轴和超高速轴承（材料与结构、平衡/精度）超高速磨削的砂轮平衡技术与防护装置超高速磨削的磨削液选择与使用,4.8超高速加工测试技术刀具状态检测CNC机床的位置检测工件状态检测机床工况监测,第五章微机械及其微细加工技术,5.1概述MEMS/NEMS(Microelectromechanicalsystem)按外廓尺寸：1-10mm,1um-1mm,1nm-1um名称：MEMS;Micro-machine；Micro-system0.005mm镊子夹起一个红血球；几厘米大小微型车床加工0.0015mm微轴；0.05mm的齿轮、齿轮泵；电子探针：原子力及原子去除；MEMS特点：体积小；性能稳定；能耗低/灵敏；多功能/智能化；适于批量生产MEMS优势：活动空间，操作对象，工作环境；高度智能化，功能多样化。,5.2微机械的研发内容理论基础：与尺寸有关的惯性力，电磁力，等作用相对减小；而粘性力，弹性力，表面张力，静电力等作用增大；同时，表面积与体积之比增大，热传导、化学反应加速和表面建摩擦力显著增大。技术基础：微机械设计，微机械材料，微细加工，微装备与封装，集成技术，微测量，微能源，微系统控制。应用研究：精密仪器，医疗卫生，生物工程，航空航天机载设备领域等；微静电/微电机问世，推动微致动器，微传感器，微控制器相继问世（表6.1-p164）。国内与日本合作的微型机器人：位移范围0.05mm,精度0.0001mm,5.3微细加工技术（表6.2）薄膜制备技术/168光刻技术/169，掩模制作工艺（图6-3），曝光技术（表6.3），刻蚀技术（图6-4/6.5；表6.34）。牺牲层技术/分离层技术外延技术/生长的外延层保持与衬底相同的晶向，制得微型3维结构。高能束刻蚀技术/离子束刻蚀（直接刻蚀，物化反应刻蚀），激光刻蚀（多数为激光化学反应刻蚀）典型微机械的微细加工技术（体微细加工图6-7，表面微细加工图6-8LIGA技术图6-9/10/11）微机械装配与集成（堆装技术表6-5，封装技术/丁汉）,微细加工技术：光刻技术/LIGA;IC;RPM;微型机械测试技术：STM-AFM-SPM-LST分子/原子/纳米示例：典型微机械产品：硅压力传感器，微加速度传感器，螺旋状制动压力传感器和加速度传感器，智能传感器，卫星冷却器，微型干涉仪，硅材油墨喷嘴，分离同位素微喷嘴，微型泵，微型阀，微型开关（密度12400个/cm2），微齿轮、微弹簧、微曲柄等，直径60um微电机（表6-1）,示例2不同形式的微细加工方法（表6-2）分离加工；接合加工；变形加工；材料改性,5.4典型微机电系统装置集成机构（图6-12）硅微加速度计（图6-13/14。表6-6）微型机械材料：硅体物质（单晶，多晶，氧化硅/碳化硅），石英，金刚石，压电陶瓷，记忆合金，稀贵金属等。,Intel的CEO保罗欧德宁说，“中国是英特尔全球增长最快的主要市场，我们相信在这一市场的加大投入将使我们能够更好地服务客户，与中国共同成长”2月前国内报道，发改委的公告显示，该项目总投资的25亿美元全部由Intel公司自筹解决，建成后工厂将具有月产12英寸、90纳米集成电路芯片5.2万片的生产能力,主要产品为CPU芯片组。到2010年落成之时，大连晶圆厂将成为Intel全球八个300毫米晶圆工厂网络中的一员，其余七家座落在美国、爱尔兰和以色列。,第六章快速原型制造技术RP/RPM基本原理:(软件-CAD)离散/（材料-细微）叠加的原理制造零件。几种典型RPM：SLA;LOM;SLS;FDM等应用：制造任意复杂内部结构的零件；微型零件/目前样件；,区别：去除/增材特点：任意形状、数字化、快捷发展趋势：生物制造、直接成型零件、复杂零件等,第七章制造自动化技术制造自动化技术概述定义、内涵及技术地位发展历程及现状,发展趋势关键技术现代数控加工技术发展历程CNC机床系统组成和结构特点,生产CNC系统的厂家及典型产品数控加工技术的发展趋势CAD/CAPP/CAMCAD计算机辅助设计CAD/CAPP/CAM的组成CAD/CAPP/CAM中的连接CAD/CAPP/CAM的应用情况和发展前景,7.1概述CAD被认为是当代最杰出的工程技术成就之一；CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志。发展概况50年代，由描述刀具轨迹-直接描述被加工工件的尺寸和形状，产生了CAD的最初的概念；美国的CALCOMP/GERBER公司分别研制滚筒式、平板式绘图仪为CAD的发展提供了基本条件。60年代，MIT的青年博士Sutherland首先发表了“SKETCHPAD人机对话系统”论文，提出了计算机图形学、交互技术等新思想，初步设计实现了操作光笔和键盘完成屏幕菜单拾取、光标定位、图面动态修改及荧光屏显示图形。引起关注/美国GE、IBM；英国、日本、意大利等国的汽车公司开始应用，逐步扩展到其他行业。,70年代，大规模集成电路的应用使小型机性能大幅度提高，CAD系统由16位小型机、数字化仪、显示装置、绘图机等硬件和相应的软件组成。80年代，32位机、超级微型机的出现、齐全的计算机外围设备的系列化为CAD技术进一步发展提供了条件，CAPP、CAM、CAQ得到快速发展。90年代，从单一模式、单一功能、单一领域发展转变成综合设计、制造、管理等多信息、支持并行工程的集成化CAD系统技术。发展趋势CAD系统的集成化CAD系统的标准化CAD系统的智能化CAD系统几何建模的特征化CAD系统的界面友好化与开发工具化,CAD发展中的关键技术1）软件工程技术2）集成产品模型研究3）分布式环境技术4）集成环境中统一工程数据库管理系统技术5）人工智能技术6）面向对象技术7）多媒体技术CAD的基本概念不仅是具体的设计流程和方法的简单映像，而且是反映当代先进的设计方法和进程，发挥计算机优势的计算机辅助设计系统。1)设计过程分析任务规划/方案设计/结构设计/试制加工/试验使用,2)CAD工作过程输入设计要求-/描述、构造设计模型/-方案设计-结构设计|/数据库、图形库、程序库/-输出结果/修改-输出设计结果/技术文件3)CAD的效益(1）提高效率、缩短设计周期(2）进行精确计算分析、降低成本，提高设计质量(3）有利于发挥设计人员的创造性(4）有利于产品标准化、系列化和通用化(5）有利于CAM的发展,CAD系统的硬件和软件CAD系统包括硬件和软件两部分。硬件由计算机和外围设备组成。软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。CAD系统|硬件系统软件系统|计算机外围设备系统软件支持软件应用软件CAD硬件系统类型：独立式CAD系统/分布式CAD系统,1）独立式CAD系统类型主机系统：由中央处理机CPU配有多个图形终端和字符终端的系统。成套系统：是针对用户要求的全套、无需再开发的CAD系统。工程工作站系统：具有计算、图形交互处理的微机系统。个人计算机系统：逐渐与工作站缩小差距。二维图形向三维图形发展。2）分布式CAD系统应用计算机技术和通信技术，将分布于各处的多台计算机以网络的形式连接起来构成分布式CAD系统。特点：计算机之间的通信由制造商的网络软件完成，每台计算机有各自独立的操作系统，启动和失效是独立的；可以资源共享、易于扩展，提高CAD系统的技术性能等。CAD硬件系统的选择原则1）系统功能：配置/容量、运算速度、运算精度；性能/图形显示、处理能力，接口通信联络能力等。2）开放性与可移植性：国际标准、交互操作与移植界面等,3）系统升级扩展能力：向下兼容，向上扩展等。4）可靠性、维护性与服务质量：相应指标。CAD软件系统类型1)系统软件：包括，管理和操作程序；维护程序；用户维护程序。-连接硬件和操作用户2)支撑软件：包括，绘图软件；几何建模软件；有限元分析软件；优化方法软件；数据库系统软件；系统运动学和动力学仿真软件。-连接系统和使用用户。3)应用软件：包括，数据库、图形库和程序库。-与使用用户联合开发。CAD应用软件类型检索型-系列化产品；自动型-建模产品；交互型-开发比较式设计；智能型-利用人工智能、专家系统进行推理、判断式设计,CAD软件开发基础软件工程的基本概念软件危机：一是软件开发落后于硬件的发展；二是大量软件无法维护。软件工程：为解决上世纪60年代出现的“软件危机”形成一门新兴学科。解决的办法：借鉴从事工程项目的原理、概念、技术来开发和维护软件；把管理和技术结合起来-软件工程，即软件开发和维护的工程科学。软件工程重要目的：提高软件的可维护性，减少软件维护的代价。1）软件的生存周期：从开发、使用和不断修订，到最后被淘汰的过程。6各阶段：可行性论证与计划阶段/需求分析阶段/设计阶段/实现阶段/测试阶段/运行与维护阶段。-据统计：软件维护阶段成本超过整个周期成本的50%。2）软件文档：（文档编制表4-1）按软件生存周期方法，对每个阶段采用科学的管理手段与技术方法，形成开发全周期的和每阶段的软件文档，保证软件质量。,设计资料的程序化处理1）数值程序化:参数/手册/模型等关系，用合理编制的程序存入计算机。数组形式存入数据/数学公式计算数据-模块式调用。2）数表程序化：函数关系数表等，编制的程序存入计算机，进行检索和调用。3）线图程序化：经验公式等关系，编制的程序存入计算机。数据结构与数据库的基本原理数据：包括，字符/数据项/组合项/记录/文建/数据库-数据的层次。数据结构：研究与管理不仅是数据本身，重要的是数据之间的关系。数据结构理论研究数据元素之间的抽象化关系，较少涉及元素具体内容。包括，数据的逻辑结构和物理结构。数据的逻辑结构：描述数据之间的逻辑关系。非构造型数据结构（线性结构）/数组构造型数据结构（非线性结构）/树状结构、网状结构,数据的物理结构：指在计算机内的存储方式，从物理存储的角度描述数据之间的关系。1）顺序存储结构：依次存放2）链地址法存储结构：指针指令存放文件：是记录的的集合。文件的组织方法：顺序文件/索引文件/直接存取文件随机文件文件的操作：查找和排序数据库：CAD过程对数据进行加工和处理的过程。静态和动态数据数据文件管理-存取/操作方法（数据与程序相互独立和联系）数据库的特点1）数据模型描述数据同时，描述数据之间的联系-数据结构。2）数据共享性3）数据相对独立性本身有操作功能。4）数据的安全性和完整性,数据库系统的构成有硬件；软件；专职管理人员和数据库组成。数据库管理系统的的功能负责定义、管理、建立、维护、通信及设备控制等。数据库的数据模型表示实体与实体之间联系的模型-数据模型。三种：层次模型-一对多/网状模型-多对多/关系模型-多对多（常用）计算机绘图计算机绘图：包括，产生和复制各类图形（二维、三维、零件图、部件装配图、传动系统图等）以及对图形进行存储、调用、编辑、修改和绘图。计算机绘图图形软件的类型和功能类型：基本绘图软件指令-绘点、线等基本图图形支撑软件-例如微机上的AUTOCAD专用图形软件-在绘图软件基础上，有针对性地开发专门用途软件。,计算机绘图功能：1）定义窗口-用户作用区与屏幕显示区、二者的坐标变换等。2）图形描述-画基本要素包括多边形、椭圆、曲线等，进行几何计算（求交点、切点等）确定相应位置参量。3）图形编辑与变换-变比例、平移、旋转等；编辑修改。4）图形控制-初始化、显示和输出控制的等。5）图形文件处理-文件管理6）交互处理功能-人机对话/界面友好绘图程序的基本编制方法1）调用基本绘图指令法（轴的画法）2）调用图形元素拼合图形法（轴的拼法）3）装备专用图形库二维图形变换的基本原理,图形变换1）窗、视变换窗口功能：定义窗口、视区复制窗口内容（定义/选中坐标点）视区功能：复制窗口内容窗、视变换：坐标变换。二维图形的几何变换基本原理：对图形的一系列点进行坐标变换；点的表示/矩阵变换/点变换变换类型：比例变换/对称变换/旋转变换/平移变换复合变换：集中变换的组合三维几何建模类型：线框建模/表面建模/实体建模-相应体素的描述-点表、边表、面表,实体建模生成方法：体素法-基本素体及其叠加造型-组合类平面轮廓扫描法造型-回转类/伸展类整体扫描法造型-刀具轨迹模拟表示方法：1）边界表示法-体由面定义，面由边定义，边由点定义，点由三维坐标定义-数据结构为网状结构。2）构造实体几何法-基本体素及其集合运算构成-数据结构为树状结构。3）混合模式-在CAD中使用较多。特征建模上述模型没有考虑生产过程的要求，后续的CAPP/CAM难以提取工程信息-除公称尺寸外，还需要形位公差、表面粗糙度和材料性能等信息。,特征建模：面向整个设计过程、生产过程，包括所有生产信息，表达这些信息之间的关系。设计者以某种功能意义形状如：孔、键、槽、齿等为基本元素进行组合、分割/拼接，建造所需实体模型。特征的实现：特征的定义；特征的识别。CAD系统中特征造型模块的功能：1）预定义特征，建立特征库；2）实现基于特征的零件设计；3）为特征附加注释，并为用户行列举参考特征；4）支持用户自定义特征及管理，操作特征库；5）特征的消隐、移动；6）零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。,特征建模：面向整个设计过程、生产过程，包括所有生产信息，表达这些信息之间的关系。设计者以某种功能意义形状如：孔、键、槽、齿等为基本元素进行组合、分割/拼接，建造所需实体模型。特征的实现：特征的定义；特征的识别。CAD系统中特征造型模块的功能：1）预定义特征，建立特征库；2）实现基于特征的零件设计；3）为特征附加注释，并为用户行列举参考特征；4）支持用户自定义特征及管理，操作特征库；5）特征的消隐、移动；6）零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。,举例：齿轮：模数，齿数设计：载荷，失效CAD结果：零件图工艺设计：CAPP加工CAM指令至数控机床,7.2CAPP计算机辅助工艺规程设计7.2.1概述CAPP是产品设计与制造之间的纽带、操作者的依据。CAPP的任务-依据图纸要求编制加工该零件的各个工序，即选择合理的方法、设备、加工参数，使毛坯转变成图纸规定的零件最终形状和精度，生产出合格产品。内容包括：1）选择加工方法、设备、刀具和夹具；2）安排合理的加工顺序；3）选择毛坯、确定加工余量，计算工序尺寸及公差；4）选择切削用量；5）计算工时定额和加工成本；6）把上述内容编制成含有工序图的工艺规程文件。传统方法是由有经验的设计者手工完成。计算机技术的发展-出现了计算机辅助工艺规程设计-CAPP。,CAPP的功能：1）检索标准工艺文件；2）选择加工方法；3）安排合理的加工路线；4）选择设备、刀具和夹具；5）选择切削用量；6）选择毛坯、确定加工余量，计算工序尺寸及公差；7）计算工时定额和加工费用；8）编制工序图；9）生成刀具运动轨迹。此外，NC编程，加工过程模拟等。CAPP系统的工作原理：派生法/创成法派生法/比照：根据成组技术原理，检索已有标准工艺规程，结合现有零件要求进行编辑、修改，得到适合该零件的工艺规程。,创成法/创新：在系统中建立大量加工知识和工艺数据，在此基础上建立一系列的决策逻辑。使用时，输入零件的几何信息、工艺信息，系统自动选择加工方法、加工顺序、刀具、设备等，自动生成工艺设计文件。目前处于半创成式的CAPP，人工智能将提高CAPP的自动化水平。7.2.2派生法CAPP系统工作原理：经验法通过零件信息的代码化、经验和工艺知识的代码化，编码后，按相似性原理分组，制定标准工艺规程。研制过程：1）零件编码；2）零件分组；3）设计零件组的主样件；4）设计典型工艺；5）建立工步代码文件；6）建立工艺数据文件；7）设计功能子程序；8）CAPP系统总程序设计,7.2.3创成法CAPP系统工作原理：依靠决策逻辑，按加工要素和逻辑规则，代替人工的判断，实现模拟人工设计的目的。包括，自动进行CAPP的各过程。研制内容：1）零件信息描述-成组编码法/型面描述法/体素描述法/特征描述法/CAD系统数据库中提取。2）创成法CAPP系统的工艺决策逻辑-建立工艺依据/工艺决策形式（决策表-外圆类、孔类、平面类的等；决策树-面-类型-成形法）。3）创成法CAPP中的逆向编程原理-正向：从毛坯-成品按加工顺序编制；逆向：从最终的零件要求分析，分解出前一工序的余量等，恢复到毛坯原状。后者容易满足加工要求。4）工序设计-工序内容的确定；工序尺寸和公差的计算；工序图的生成与绘制。5）工艺文件输出-包括，产品名称、批量、图号、机床、刀具、工序名称、工序内容及切削参数、工序图等。输出与CAM连接；研究工艺过程优化/加工过程动态仿真/成本计算,7.2.4人工智能在CAPP中的应用专家系统的基本概念：以知识为基础的智能程序系统，在专业领域内，把人类专家的经验和知识，表示成计算机能接受的和处理的符号形式，采用专家的推理方法和控制策略，解决该领域内只有专家才能解决的问题。专家系统的特点：1）启发性-给出一种提示或经验估计；2）透明性-解释推理过程；3）灵活性-自学习的功能；4）处理不确定知识的能力-无法用固定的算法求解/靠经验处理。专家系统的组成：1）知识库-事实知识、过程知识、控制知识；2）推理机-搜索程序中的与之相关匹配的法则；,3）知识获取-有自动修改功能/学习的功能；4）人机接口。专家系统CAPP1）专家系统CAPP与一般CAPP系统的区别2）专家系统CAPP的设计过程-零件信息描述/工艺知识库的建立/推理机7.2.5CAPP中的关键技术及发展趋势CAPP的体系结构研究1）适应不同种类零件的通用化设计；2）从产品设计方面获取输入数据；3）动态连接CAD和CAM-设计、编程、加工过程模拟并行与动态化；4）工艺设计模式的多样化-满足自动选择工艺设计的方式。,面向对象技术的应用传统设计中，程序与数据是分离的，可能产生错误的通信；针对性地提出研究面向对象的技术：它集数据抽象机制、模块化程序设计和集成性为一体的技术。对象是构成系统的元素，即是信息存储的单元，又是信息处理的单位。面向对象技术对零件特征、机床、工艺过程进一步抽象化-反映零件几何信息和工艺信息的数据抽象化，也反映工艺方法、加工设备、工艺参数等工艺知识的抽象化-以适应不同环境的要求。正在研究的热点课题：CAPP中的并行工程/分布式结构/数据交换/接口技术及标准化等。,CAM计算机辅助制造概况CAM的含义：利用计算机完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动。应用CAM的直接应用：物流运行控制/生产控制/质量控制；CAM的间接应用：CAPP/NC程序编制/辅助工装设计/辅助作业计划编制发展状况1952年第一台数控机床；1955年在通用计算机上，实现了NC程序编制的自动化；1958年研制成功了自动换刀的镗铣加工中心；1962年第一台工业机器人；1966年一台通用计算机集中控制多台NC机床DNC.1970年第一个FMS；80年代在CAD、CAPP、CAM等基础上致力于CIMS的研究和开发。计算机辅助NC程序编制,切削成型控制的简单比较：普通机床由人工控制；普通自动机床引入凸轮、靠模等装置辅助控制刀具运动；NC加工过程由程序控制。CNC机床的自动编程举例：由二次曲线组成的平板零件-采用直线插补，计算交点、节点和刀具中心轨迹。计算机辅助NC程序编制发展概况：由百种，代表性APT-自动编成工具.1955年推出APT；1958年APT-II型曲线；1961年APT-III3-5坐标立体曲面；70sAPT-IV自由曲面；1985年ISO公布（ISO4342-1985）以APT为基础。（JB3112-82）APT的基本组成1）基本符号-字母、数字、标点符号、算术运算符号（键盘）等；2）词汇-元素词汇（point,line,plane）;形位关系词汇（parlel,perpto,tanto）;函数类词汇（sin,cos,exp,sqrt);加工工艺词汇（bore,cham,rough,feed,toler）;刀具词汇（turntl,miltl,dritl）;刀具运动词汇（gofwd,tllft）,3）语句：几何定义语句、刀具运动语句、工艺数据语句-由词汇、数值和标识符号按语法规则组成.几何定义语句：表示地点、线、面（17种几何元素）及其位置关系的语句。刀具运动语句：用来模拟加工过程刀具运动轨迹。定义三个控制面，即零件面、导向面、检查面。语句功能：描述保持零件面、导向面、到检查面的位置关系，直到检查面-终止限定面。语句例子6-22/6-12工艺数据语句-表示切学用量的语句、初始语句-确定刀具与工件起始位置/状态的语句、终止语句-按规程顺序依次关闭操作动作的语句。数控程序系统：评价内容：工艺处理能力/图形处理能力（例如图6-15）工作过程：输入翻译阶段，轨迹计算阶段，后置处理阶段。发展：专用系统、交互式系统、语音NC系统、NC编成与CAD集成6-17.,NC程序动态模拟系统对数控程序的检验-提出了虚拟制造技术。对模拟系统的要求-程序的动态检查/模拟加工全过程,7.3数控技术（NC）概述数控技术数字控制技术：是自动控制技术之一；指用数字量及字符发出指令和实现自动控制的技术。采用数控技术的控制系统称为数控系统；装备数控系统的机床称为数控机床。1948年美国Parsons提出设想：按照微小增量的步距移动得到所需要的轨迹。指令代码输入纸带/穿孔卡。1952年改造一台铣床，同时控制三轴。基本原理：直线和圆弧的插补。即根据给定的数学函数，（线性的、圆弧的，或高次方函数）在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，确定一些中间点的的方法，称为插补。直线插补/圆弧插补-控制/拟合:刀具与机床的相对运动轨迹,数控机床的特点：1）提高加工精度和同一批零件的尺寸重复精度，即质量稳定性。a.数控系统/装置具有补偿功能。b.在数控机床上，精度不受复杂形状影响。c.减少安装次数，减少安装误差。d.减少人为操作的误差。2）加工复杂形状的零件3）提高生产率（自动化减少机动时间、辅助时间、测量时间、准备时间等）4）柔性好（调整程序/灵活方便）5）减轻劳动强度6）有助于质量控制7）经济性好8）有利于向高级制造系统发展,CNC机床的组成和分类组成：（1）主机-数控机床的主体：车床、铣床、加工中心等（2）CNC装置：系统软件：管理软件：程序的输入输出/显示/诊断控制软件：译码/刀具补偿/速度控制/插补运算/位置控制数控功能：多轴控制/插补功能/准备功能G/进给功能F1200/主轴功能S800/刀具功能T/辅助功能M（100种）/补偿功能R/图形显示功能（3）驱动装置：步进电机/伺服电机（4）输入输出设备（5）可编程控制器PLC-逻辑运算实现开关量的控制（6）辅助装置传统机床/车床、铣床的传动是机械传动/有级、定比、简单等,分类：（1）按运动轨迹分点位控制数控机床/直线控制数控机床/轮廓控制数控机床（2）按驱动装置的控制方式分开环控制/半闭环控制/闭环控制（3）按加工用途分金属切削类数控机床/金属成形类数控机床/特种加工数控机床（4）按功能水平分分辨率和进给量0.01mm/8-15m/mim为低档0.001mm/15-24m/min为中档0.0001mm/15-100m/min为高档驱动进给类型开环和步进电机为低档半闭环和闭环/交流或直流电机为中高档,联动轴数2-3轴为低档；3-4为中档；5以上为高档通信功能低档一般无通信功能；中档一般有DNC-直接控制数控接口高档一般有MAP-制造自动化协议通信接口；网络通信功能显示功能低档一般数码显示或CRT字符显示中档一般有齐全的CRT显示包括字符、图形、对话和自诊断高档一般有三维图形显示CPU/PLC低档一般8或16位CPU/无PLC中档一般32位CPU/有PLC高档一般64位CPU/有强功能PLC,插补原理插补是整个CNC系统控制软件的核心1。脉冲增量插补和数字增量插补脉冲增量插补-每个脉冲使运动轴前进或后退一个基本长度单位，称为脉冲当量。其插补计算比较简单，用加/减法便可实现，但速度较慢。用于步进电机控制。数字增量插补-分两步插补，第一步粗插补（等长度线段），第二步精插补（数据点的密化）。特点是进给速度高，用于伺服电机驱动的半闭环或闭化控制。数字积分法（DDA）-属于脉冲增量插补，它比逐点比较法速度快，脉冲分配均匀，适合于多轴联动。,时间分割法-把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，根据给出的加工进给速度，计算出插补周期内的进给量，进行出插补计算和各联动坐标轴的的位移增量值，然后再计算粗插补周期内的坐标轴的位移增量、变换成坐标方向的均匀运动，即精插补。数控加工程序的编制数控编成的内容和步骤分析零件图纸-确定加工工艺过程/计算走刀轨迹得出刀位数据/编写零件加工程序/制作程序载体（控制介质）/校对及试切数控技术标准包括：1.数控机床的坐标系和运动方向的规定；2.编码与输入；3.零件的加工程序,手工编程举例N1G91G00G17G41X+70.0Y+90.0D03M03S700M08；N2G02Y+100.0F150R50.0；N3G01X+150.0；N4Y-100.0；N5X-150.0；N6G40G00X-70.0Y-90.0M05M09；N7M02其中：G指令-准备/功能指令常见：G00点位控制，确定坐标系，G91相对坐标系G01直线插补，G02顺时针圆弧插补，G41刀具左偏，G40刀具半径补偿注销指令，G17选择坐标XY平面M指令-辅助功能指令常见：M01启动程序，M02程序结束，M03主轴顺时针旋转，M05主轴停转，M08打开工作液，M09关闭工作液D03刀具号-半径,自动编程上述过程主要由计算机完成。必要的准备工作，根据零件图纸的要求编写简短的零件加工源程序，输入计算机后自动进行处理，计算刀具中心运动轨迹，编出加工程序，通过程序输入或直接连通通信接口。自动编程种类计算机语言输入/图形输入/语音输入等随机/在线或脱机编程数控技术与PLCPLC定义：是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用。它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入、输出，控制各种机械和生产过程。-国际电工委员会IEC,PLC的特点：1）可靠性好2）编程简单3）通用性强4）容易实现“机-电-仪”一体化5）直接代负载能力强PLC的分类小、中、大、超大型-I/O点数、存储容量和功能依次增大。小型的用于单机；大型的用于FMS等内装型和独立式两种-前者是CNC本身的一种功能、从属于CNC系统；统一设计、结构紧凑。后者突出特点:便于设备功能更新升级。PLC的工作原理：单板机/微机工作原理硬件设备、模块、芯片、管角功能软件汇编语言-逻辑代数为基础。,7.4柔性制造系统（FMS）概述FMS的组成FMS中的数据流FMS的应用情况和发展前景,第一节概述柔性：指加工对象、工艺过程、工序内容、生产节拍和加工设备的自动调整性。柔性制造系统是由计算机控制系统和物流系统连接起来并具有一系列自动化加工设备和辅助设备，加工对象、工艺过程、工序内容和生产节拍等自动调整的高度自动化制造系统。包括以下内容：1）管理和控制系统-单元级控制器、工作站级控制器、设备级控制器2）物流系统-装卸工作站、自动化仓库、无人运输小车、托盘交换站等3）刀具流系统-刀库系统、刀具预调仪、刀具存取工作站、清洗装置、数据库管理系统和换刀机器人等。4）加工单元-配置主要是加工中心、车削中心及其它数控机床等。5）监控监测系统-包括工件监控和检测系统、刀具监控和加工过程监控、设备运行状态监控。,柔性自动化制造系统，内容如下：1）系统管理和控制技术-单元控制/设备数字及逻辑控制2）系统建模与仿真技术-一是功能和信息建模，二是全过程仿真3）系统监测和检测技术-包括物流、设备、刀具、质量等的监测、检测4）刀具及其系统管理技术-编码识别技术和管理技术5）柔性自动化制造技术的支持技术-制造技术/计算机软、硬件技术/伺