先进制造技术概述203

第一章绪论,1.1制造业与制造技术制造业是现代社会经济的支柱产业，包括机械装备制造、电子产品制造、非金属制品制造、服装、食品、玩具等等。制造业是将有关的制造资源（原材料、设备、工具、能源、资金、人才、技术以及信息）转化为有价值的、可供人们利用和消费的产品与服务的行业。制造业的水平反映了一个国家的经济实力、科技和生活水平。工业化国家6080的社会财富靠制造业制造，制造业占国际贸易总额75。所以制造业的水平代表一个国家的综合实力。制造的定义：制造企业中所涉及产品设计、物料选择、生产计划、生产质量保证、经营管理、市场营销和服务等一系列相关活动的总称。制造技术：与制造业相关的一系列技术的总和。先进制造技术是在传统制造技术的基础上发展起来的。分界线大体可划在20世纪50年代。主要标志：电子计算机、数控机床、工业机器人的出现。,1.2制造技术的发展过程,19世纪：手工制造,20世纪初：批量生产,20世纪30年代：刚性自动化,20世纪6080年代：CAD/CAM/CAE、FMS、JIT,20世纪80年代：集成制造、并行工程,20世纪90年代：敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造,1.3先进制造技术1.3.1先进制造技术的主要领域（5大领域）1.系统总体技术柔性制造（FMS）、计算机集成制造（CIMS）、敏捷制造(AM）、智能制造（IM）。2.设计制造一体化技术CAD/CAM/CAE、数控技术（NC）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）。3.制造工艺与装备材料生产工艺与装备、热加工工艺与装备、高速切削工艺与装备、精密/超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工工艺与装备。,4.管理技术计算机辅助生产管理、物料需求计划、制造资源规划、企业资源规划、供应链管理、质量管理、准时生产（JIT）、精益生产（LP）、企业业务流程再造等。5.支撑技术标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、通讯技术、人工智能、多媒体、虚拟现实、人机工程学、环境科学。,1.3.2先进制造技术分类先进制造技术涉及范围广、技术领域复杂，为了便于掌握其基本体系和主要内容，从制造技术的功能的角度，分成5大类：1.现代设计技术现代设计技术是先进制造技术的基础。随着微电子技术、信息技术、材料科学、机械制造、优化理论、人机工程等学科的发展，现代设计技术的深度、广度大大拓展，出现了优化设计、有限元分析、CAD、CAPP、CAA（计算机辅助装配）、计算机辅助夹具设计、反求工程、产品生命全周期设计、基于网络的异地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计。,2.现代加工技术先进切削加工技术、成形加工技术、表面工程技术、特种加工技术和快速原型制造技术。3.自动化技术数控加工技术、工业机器人技术、FMS、CIMS。4.制造管理技术成组技术（grouptechnologyGT）、全面质量管理（totalqualitymanagementTQM）、物料需求规划(materialrequirementplanningMRP)、即时生产（JIT）、企业资源规划（ERP）等管理方法。5.先进制造技术CIMS、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）、绿色制造（GM），是制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术和管理科学的各学科交叉。正朝着柔性化、集成化、网络化、虚拟化和清洁化的方向发展。,第二章现代设计技术,大连理工大学现代制造研究所赵福令教授,2.1概述,2.1.1现代设计技术的概念是根据产品功能要求及市场竞争要素（质量、成本、服务、环保）的要求，综合现代科学技术，通过设计人员科学、规范和创造性的工作产生载有相应文字、数据、图形等信息的技术条件，制定用于产品制造的设计方案。现代设计技术使产品设计开发建立在科学技术基础之上。随着微电子信息、材料、系统科学的发展，现代设计技术日新月异，新的设计理念不断涌现、新设计方法不断诞生。,特点：1.从单一目标规划向多目标规划转变目标2.从传统的手工设计向计算机辅助设计过渡手段3.从传统的顺序设计并行设计组织方式4.从单纯的产品设计全生命周期设计环节5.异地设计地域6.可持续发展的绿色设计功能,现代设计技术十分重要。产品设计成本占产品成本的1520，但决定了产品成本的70到80。设计水平是衡量一个国家创新能力和竞争力的主要因素。,2.1.2现代设计方法1.优化设计方法用数学方法和系统工程方法对产品结构和性能进行分析、决策，以获取最优解的方法。近年来优化设计与可靠性设计、模糊设计等方法相结合形成了新的优化设计方法。,2.有限元分析方法将零件看成是由有限个元素组成，通过对每一个元素求解（位移、应力）来获取零件整体的解。广泛用于零件和结构的分析和计算中。,3.计算机辅助设计运用计算机强大的数据计算及信息处理功能来完成设计工作，应用最广泛。4.面向产品全生命周期的设计将并行工程思想用于产品设计中，在设计阶段便综合考虑产品的整个生命周期中的设计、加工、装配、测试、维修、销售及报废回收环节的影响因素，全面评价产品设计，达到开发周期短、成本低、质量高的目的。,5.网络化异地设计随着网络和通讯技术的发展，实现远程、异地的设计开发资源的共享与整合，极大地拓展了设计工作的时空维度。6.反求工程以先进产品的实物或软件（程序、图样、文件资料）作为研究对象，综合运用现代工程设计的相关理论与方法，进行解剖、分析和研究，进而开发出同类产品。7.绿色设计将产品和环境作为一个系统，充分考虑产品及其制造系统与环境相容性，做到对环境影响最小。,2.2计算机辅助设计（CAD）,2.2.1概述1.CAD的发展过程1950年MIT研制出Whir/Wind可以显示简单的图形。1958年美国Calcomp公司研制滚筒式绘图仪，Gerber公司平板绘图仪。1962年MIT的Sutherland提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构，为CAD技术发展打下了理论基础。1970年美国Applicon公司推出完整的CAD系统。上世纪80年代CAD/CAM技术用于工程设计，图形接口、图形功能日趋标准化，出现了由CAD/CAM/CAE构成的CIMS，提高了设计自动化。,2.CAD的功能工程与产品设计借助于计算机辅助技术，工程技术人员可以方便的完成某一工程或产品的方案选型、评估、详细设计、优化等工作，实现从零件图到装配图、总装图、平面布置图、管道布置图的自动绘制。,仿真模拟高性能的CAD系统可以真实地模拟产品的实际运动和变化过程，如机构的运动、零件的加工、柔性制造系统的运行，汽车、飞机的行驶过程等。帮助设计人员正确地进行方案论证、产品选型、性能评估等。,事务管理实现设计文档的计算机管理，有利于产品设计的成组化、标准化和系列化，减少了设计人员的重复工作量。,2.2.2通常CAD的工作1.信息管理提供丰富的设计需要的信息。可以为设计人员提供有关客户的需求和改进意见、组织生产特定结构零件的成本核算、外购件的成本、原材料信息、生产装备、生产状况等，有利于更好的设计零件和产品。,2.智能CAD计算机辅助设计技术与人工智能相结合，用于产品概念设计，帮助设计人员进行决策、分析和推理，更高效地进行方案设计。,3.计算机图形显示与几何造型利用CAD系统丰富多样的交互方法与造型工具，通过人机对话进行方案的构思与总体设计。在计算机系统中建立产品的几何模型，在显示器上展示产品的形状。,4.分析计算对模型进行分析计算，包括工程计算、力学动态性能分析及物理特性分析，确定产品的几何、力学、物理等参数，评价设计的优劣，并迅速修改和完善，达到最佳效果。,5.自动绘图自动绘制工程图纸（效率高、质量好）。6.工程数据管理管理产品设计过程中产生和使用的各种数据、文字和图形，保持其良好的数据独立性、一致性和完整性，并提供标准化的数据转换接口。,2.2.3概念设计CAD概念设计是产品设计过程中最具创造性的工作，根据市场和用户的需求，完成设计方案的制定、分析和选择，需要设计人员凭借丰富的专业知识和经验进行构思、推理和判断。采用专家系统来进行。在概念设计阶段，专家系统主要协助设计人员进行评价、选择和决策，自动生成设计方案。下图是专家系统CAD求解设计方案的一般过程。,此过程是一个“设计评价再设计”过程。由于设计的需求是多方面的、模糊的，有时是矛盾的可行性方案。一般有一定的范围，需要评价和选择，有时需要人工判断。,开始,确定设计要求,指定设计方案,分析设计方案,评价设计方案,决策,结束,修改设计要求,再设计,N,Y,2.2.4详细设计CAD1.二维设计在机械制造中通常用一组工程图来表达产品的形状和尺寸，每个视图都是物体在某一平面上的投影，反映产品几何形状的一个侧面。因此需要二维设计，产生产品二维的几何轮廓。,2.三维设计二维视图需要人们通过思维才能推测出视图与物体真实形象之间的关系，很不直观，因此需根据二维信息构造三维形体。,2.2.5CAD技术的发展随着CAD自身和相关技术的发展，CAD技术正朝着集成化、网络化、智能化和可视化的方向发展。1.CAD系统的集成化CAD技术是CIMS的核心技术，而CIMS的概念是把设计、制造、生产和管理连成一体，不仅在设计和制造过程中用计算机辅助技术，而且在库存管理、生产计划、财务管理、销售等方面也使用计算机完成，通过计算机通信，控制实现信息共享和交换，使各部门协调一致，成为一个整体。,2.CAD系统的网络化基于网络技术的CAD系统技术迅速发展，开放式、分布式计算机环境可以实现远程资源共享。网络化CAD系统可以全面统一考虑各个工作站的具体配置，从而用最低的成本获得最好的效果。例如，可以只在个别工作站上配备某些昂贵的软硬件，其它工作站可以通过网络调用，不需要每个工作站上都具备齐全的资源。,3.CAD系统的可视化可视化技术将科学计算过程中以及计算结束后的数据和计算结果，借助计算机图形学和图像处理技术，以图形图像的形式表达出来，并进行交互处理。利用可视化技术可以处理大量复杂的数据，控制和干涉计算分析过程和设计过程。它与多媒体技术结合，能便捷、高效地处理信息。,4.CAD系统的智能化传统的CAD系统缺乏综合和选择能力，用户使用时，需要具备较高的专业知识和丰富的经验，为此人们研制了人工智能专家系统。利用专家系统辅助设计，可以使知识信息处理与一般数值信息结合起来，利用专家知识来求解专门的问题，机器的智能可以通过知识的积累、存储、联想、类比、分析、计算、论证、比较、优化等信息处理过程，求得问题的解答。智能CAD系统还不成熟。,2.3计算机辅助工艺规程（CAPP）,通过计算机辅助技术，工艺人员采用系统化、标准化的方法确定零件或产品从毛坯到成品的制造方法的技术叫计算机辅助工艺规程设计（computeraidedprocessplanningCAPP）。CAPP的一般过程是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。,1.CAPP系统的主要功能（1）接收或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息和测量信息；（2）检索标准工艺文件；（3）选择加工方法；（4）安排加工路线；（5）选择机床、刀具及夹具；（6）选择切削用量；（7）计算切削参数、加工时间和加工费用；（8）进行工艺流程的优化及多工序、单工序切削用量的优化；（9）确定工序尺寸和公差，选择毛坯；绘制工序；（10）产生刀具运动轨迹，自动进行数控加工编程；（11）模拟加工过程、显示刀具运动轨迹。,2.CAPP系统的类型变异式方法变异式方法的工作原理建立成组技术（GT）基础上，利用零件的相似性，建立具有相似的工艺规程的一组零件的标准工艺，采用以成组技术（GT）为基础的编码系统，标准工艺规程存储在计算机内，一个新零件的工艺规程是通过GT码检索系统中已有的相似零件的标准工艺规程加以筛选、编辑而成。,变异方法工作原理图,输入零件GT编码及辅助信息,零件族搜索和识别,检索、编辑标准工艺路线,检索、编辑标准加工路线,输出工艺规程,工艺过程结果信息的存储,零件族矩阵文件,工艺路线文件,加工工序文件,其它应用程序,创成式方法依靠自身的决策逻辑以及相关的产品数据进行加工工艺规划，通过向计算机输入描述零件信息，计算机系统依据其知识决策规则自动进行工艺过程规划。,创成式方法工作原理图,输入零件形状及其它信息,零件特征分析分解,工艺设计、分析和逻辑决策,工艺设计结果的信息存储,输出工艺规程,数据库,其它应用程序,人工智能应用人工智能技术形成的CAPP专家系统。CAPP专家系统由知识库、推理机和用户输入3部分构成。它根据输入的零件信息去访问知识库，并通过推理机中的控制策略从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后去执行这条规则，并按照每一次执行规则得到的结论按先后次序记录下来，直到零件加工到终结状态，从而形成工艺规程。专家系统方法代表发展趋势，但需完善。,专家系统方法工作原理图,用户,系统用户界面,解释与推理系统,推理机推理控制,专家,知识采集系统,知识库规则事实,2.4全生命周期设计,1全生命周期设计全生命周期设计技术是现代设计技术的重要内容。产品设计不仅进行产品的功能和结构设计，而且对产品的全生命周期，包括产品的规划、设计、制造、销售、使用、维修直至报废、回收处理的全过程，进行系统的设计。这意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产品全生命周期设计的综合优化。,2全生命周期设计的特点集成性：全生命周期设计依赖于各环节、各部分的设计人员分工协作。开放性：全生命周期设计涉及的人和领域复杂，因此设计方案建立在开放的基础上。前瞻性：为了保证制造的产品一次成功，在设计过程中，不仅考虑产品的功能、造型的复杂性，而且要考虑产品的可靠性。,分布式环境：由于工作地点的分散性，每个设计人员都有自己的终端，所以为了保证设计工作的快速协作完成，必须有完善网络环境和分布式知识库来保证设计人员彼此之间的信息传递和资源共享。标准数据管理：为保证数据的一致性和共享性，在产品数据交换标准（Standardfortheexchangeofproductmodeldata，STEP）的支持下实现集成的并行的开发工作。,2.并行设计并行设计的提出传统的产品开发过程是：,市场调研,产品计划,产品设计,试制样机,修改设计,工艺准备,正式投产,缺点：设计阶段不能及早发现制造过程中和后续环节的问题，一旦出现问题，需要重新修改设计，后续阶段和与设计相关的环节也要随之改变。这种模式周期长，导致产品成本增加。随着产品种类和质量的提高，要求产品研发周期短，因而提出了并行设计。,并行设计并行设计是集成的并行的产品设计方法，强调在产品开发的初期阶段就全面考虑产品生命周期的各个阶段对产品设计的综合影响，从而实现产品全生命周期的优化设计。在并行设计中，产品开发的各项活动尽可能在时间上平行进行。要实现这一目标，必须依靠先进的组织形式和管理方法。在组织上，并行设计需要建立由各阶段专家组成的多功能设计小组，并采用全过程协调技术。并行设计通过及时改进产品设计方案，可使早期生产中工程变动次数减少50以上，产品开发周期缩短4060，成本降低3040。,2.5绿色设计,1绿色设计的主要内容（1）材料选择：不仅考虑产品的使用和性能，而且考虑其对环境的影响。选用无毒、无污染和易回收、可重用、易降解材料。（2）产品可拆卸性设计：设计的结构易于拆卸，因而维护方便，在产品报废以后可重用部分能有效地回收和重复使用，达到节约资源和能源的目的。（3）产品可回收性设计：设计初期充分考虑零件材料回收的可能性。回收价值大小，回收处理方法和相关问题，实现材料资源和能源利用的最大化和对环境污染最小。,（4）绿色产品的成本分析：绿色产品的成本分析和传统产品成本分析不同，由于产品设计初期考虑了产品的回收、再利用和环保问题，因而降低了环保费用。（5）绿色产品设计数据库：数据库主要内容包括产品生命周期中与环境、经济等有关的数据，还包含产品制造、装配、销售、使用过程中所生产的附加物数量及对环境的影响值，以及对环境评估准则所需的各种判断准则。,2绿色设计的关键技术面向材料的设计技术传统设计：选择材料时较少考虑对环境的影响，包括材料本身对环境的影响。材料加工过程对环境的影响，材料报废对环境环境的影响。绿色设计：在产品的整个生命周期，以材料对环境的影响为控制目标，在实现产品功能要求同时，使材料对环境污染最小，能源消耗最少。,（1）面向材料设计技术的主要内容产品计划阶段：采用产品的技术性、经济性和环保性三维指标进行产品设计的可行性分析，确定与环境协调的方案。方案设计阶段：对产品各种可行性方案评定时，除了考虑产品性能和经济性之外，还要评定材料的环境。结构设计阶段：结构具有应用的功能，良好的工艺性，同时满足易于拆卸和回收。详细设计阶段：对产品所用的材料及其拆卸、回收性能和可重复利用性能进行统计建库。,（2）对材料选择的要求对材料提出更高的要求：不仅满足产品的基本性能要求，还应有利于环保。减少产品所用材料种类选用废弃后能自然分解并为自然吸收选用不加涂镀的原材料，便于回收选用再生材料，便于循环利用,（3）面向材料的设计技术发展趋势建立系统的面向材料设计技术的基础理论和方法搜索、整理面向材料设计所需的数据资料，进而指导设计建立绿色材料的评价体系，评价模型和评价标准建立适合绿色设计的材料管理方法和数据库开发基于绿色设计的材料选择专家系统,面向能源的设计技术采用对环境影响最小和资源消耗最少的能源供给方式支持产品的整个生命周期。（1）基本要求：在设计理念上采用合适的能源供给方式在满足功能的前提下，尽量减小能量消耗充分预见各环节的能量消耗形式，寻求合理、高效、经济的回收和再利用方法使产品加工过程能量消耗最少,（2）发展趋势对可用的新能源建立与设计相结合的技术规范和标准。建立面向能源设计的数据库、模型库和运行环境标准。寻求合理的设计参数，控制材料应用和环境影响方面的变化，从而达到设计的绿色化。,面向拆卸的设计技术（designfordisassembly，DFD）在设计过程中，将可拆卸性作为设计目标之一，使产品的结构不仅便于制造，而且便于装配、拆卸、维修和回收。其基本准则：,（1）拆卸工作量少包括零件合并原则，减少零件所用种类，材料相容性原则和有害材料集成原则。（2）结构可拆卸采用易于拆卸和未破坏的联结方法，紧固件少原则，简化拆卸运动原则，装配及拆卸可达性原则。（3）拆卸易操作（4）易于分离包括一次表面原则，便于识别零部件标准化，模块化原则。（5）产品结构的可预估性。避免将易老化、易腐蚀的材料与需要拆卸、回收的材料零件组合，防止要拆卸回收的零件被腐蚀。,面向回收的设计技术（designforrecovering&recycling，DFRR）（1）重用（2）再加工（3）高级回收：重新处理以后被用于更高价值的产品中（4）次级回收：回收零件用于低价值产品中（5）三级回收：化合分解，生产新材料（6）四级回收：燃烧回收，用作燃料发电（7）处理（disposal）（填埋）,第三章现代加工技术,大连理工大学现代制造研究所赵福令教授,1.现代加工技术,(1）.定义及内容各种加工方法和制造工艺的总称。包括先进切削加工技术、成形加工技术、变形加工技术、联接加工技术、材料性能调整技术和特种加工技术。,切削加工内容,切削加工技术：（包括车、铣、刨、钻、磨、拉等）效率高、成本低是精加工和最后成形的重要手段。成形加工：铸造、粉末冶金、塑料成型。变形加工：锻造、钣金、轧制、挤压、拉拔联接加工：机械联接（螺钉，螺栓）、焊接、粘接和装配材料性能调整：热处理和其它表面处理技术特种加工：化学、电化学、电火花、超声、激光、RP等,（2）现代加工技术的特点：加工精度高：尺寸精度、形状精度和表面粗糙度均达到纳米级加工效率高：超高速切削、磨削技术使效率大大提高加工材料范围广：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等加工设备先进：采用CAD/CAM技术、柔性好、可加工复杂形状切削加工低能耗：切削力为原来的1/3，能耗低。,2.超高速加工技术,（1）定义指采用超硬材料刀具、磨具和高速运动的设备加工零件的现代加工技术。通过极大的提高切削、磨削速度，提高加工质量、加工精度和降低成本。,超高速加工的切削速度为普通的切削的10倍。钢为600m/min，铸铁900m/min5000m/min，铝合金2000m/min7500m/min，钛合金150m/min1000m/min，纤维增强材料2000m/min9000m/min各种加工工序的切削速度的范围：车削：700m/min7000m/min，铣削300m/min6000m/min，磨削150m/s以上，钻削200m/min1100m/min主轴转速日本FANVC5500r/min，意大利FIDIA7500r/min定位精度达到0.5um0.05um快进速度4060m/min国内水平，主轴转速10000r/min，快进速度30m/min,（2）超高速加工的应用领域大批量生产如汽车刚度较小的元件如薄壁（厚度1mm）零件（航空航天）复杂曲面磨具超精密加工超硬材料，超塑材料,（3）使用刀具PCD、CBN、SiN（氮化硅）、涂层刀具、TiN、TiAlN（氮化铝钛）,（4）超高速加工单元制造技术、超高速主轴单元制造技术超高速主轴单元是超高速加工机床的关键部件。包括主轴动力源、主轴轴承和机架四个部分。涉及的研究内容有：主轴材料、结构、轴承、超高速主轴系统动态特性及热态特性。柔性主轴及其轴承的弹性支撑技术，润滑与冷却。,电主轴部件电主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。并配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置，形成一个独立的单元，可以直接装配到各种加工中心和超高速磨床上，实现无中间环节的直接传动。电动机一般为感应式集成主轴电机。目前开发出一种使用铌的永磁电机，其效率高，功率大，扭矩大，易于对使用中产生的温升在线控制，冷却简单，体积小，结构紧凑，所以有可能取代感应式集成主轴电动机。,滚珠轴承高速主轴（转速达90000r/min）高速切削机床上的主轴多数为滚珠轴承电动主轴，压力角为15或25的角接触滚珠轴承，精度为C级或B级。润滑方式为油脂润滑、油雾润滑、喷油润滑。主轴精度取决于轴承。目前，市场上高速主轴的回转精度可达0.5um。,液体静压轴承高速主轴（转速达30000r/min）与滚珠轴承相比，径向刚度较低，轴向刚度高，宜于轴向切削力较大的场合。此外，液体静压轴承的油膜阻尼大，动态刚度高，适合于铣削的断续切削过程。特点：运动精度高，回转误差小于0.2um，因而可以提高刀具使用寿命、加工精度和降低表面粗糙度。,空气静压轴承高速主轴进一步提高主轴转速和回转精度。转速达100000r/min，回转精度50nm，可采用金刚石刀具进行镜面铣削，加工工件形状精度和表面粗糙度要求高的场合。缺点：承载能力低，维护费用高,磁悬浮高速主轴磁浮主轴的转子由两个径向和两个轴向轴承支撑，转子与支撑间隙一般在0.1mm左右。磁浮主轴可采用较大轴径，因而刚性较大，承载能力强。回转精度可达0.2um。（回转精度取决于主轴内的位移传感器的精度和灵敏度及控制电路的控制精度）优点：精度高，转速高，刚性好缺点：机械结构复杂，需要一套传感器和控制电路，所以价格高，必须有很好的冷却系统。,超高速加工进给单元制造技术关键技术超高速加工进给单元是超高速加工机床的重要组成部分。包括：伺服驱动技术、滚动元件技术、检测单元技术和诸如：防尘、防噪声、冷却润滑、安全等周边技术。要求能达到高速和瞬间加速及瞬时准停性。关键技术：高速位置环芯片的研制，高速精密交流伺服系统及电机的研究，直线伺服电机的研制，加减速控制技术，超高速进给系统的优化设计、虚拟设计，高精度滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研制，高精度导轨，新型导轨摩擦副的研究等。,超高速进给单元的技术指标滑台驱动系统：进给速度达60m/min直线电机驱动：进给速度达200m/min由于直线电机与滑台连在一起，无间隙，惯性小，刚度大而无磨损。通过控制电路可以实现高速和高精度驱动。,直线电机的特点（a）高速响应（系统中取消了一些惯性大的机械传动件）（b）定位精度高（取消了由于丝杠等机构间隙和误差）（c）传动刚度高（由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时系统的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后）（d）速度快、加减速过程短：直线电机最早用于磁悬浮列车（时速500km/h）可获得高的加速度，一般可达2g10g。一般滚珠丝杠最大加速度只有0.1g0.5g。（e）行程长度不受限制（f）噪声低（取消了丝杠等传动）（g）效率高（无中间传动环节）,超高速加工刀具和磨具PCD、CBN、Si3N4、涂层刀具、TiN、TiAlN等,3.超精密加工技术,（1）概述超精密加工指尺寸精度0.1um0.01um，Ra：0.025um0.01um，包括：金刚石刀具超精密车削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工、超精密测量。目前，正在朝纳米级工艺水平发展。,加工对象：激光聚焦腔、高密度磁盘、磁鼓、雷达、陀螺、IC相关技术加工技术：方法和机理材料技术：工具材料和工件材料加工设备：精度、刚度、稳定性、自动化测量及误差补偿技术：环境：温度10.02甚至0.0005湿度5560，洁净度1000级100级100指每立方英尺空气中大于0.5um的尘埃100个,（2）超精密切削加工超精密铣床关键部件：高精度主轴、低摩擦高平稳性滑台。主轴采用气体静压支撑，滑台采用气体静压系统支撑超精密金刚石车床主轴采用气体静压轴承，轴向和径向运动误差50nm，滑台采用高刚性、高阻尼和高稳定性的液体静压支撑。,（3）超精密磨削和磨料加工超精密砂轮磨削技术：加工精度0.1um，表面粗糙度Ra0.025um砂轮，CBN磨料，砂轮线速度60m/s以上，工件进给速度5m/min以上超精密砂带磨削技术：切削速度35m/min，表面粗糙度Ra0.043um双端面精密磨削技术：为平面磨削，工件既公转又自传，磨料粒度30008000，用于磁盘基片等零件的超精密加工。,电泳磨削技术电泳：带电粒子在电场中向与自身带电相反的电极运动的现象。机理：在加工过程中，磨粒在电场力的作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一层细磨粒吸附层，利用该吸附层对工件进行磨削加工，同时新的磨粒又不断补充，使磨粒微刃保持锋利。如果磨粒表面凹凸不平，凹陷处电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而保证沉积层平整。,超精密研磨与抛光技术（a）超精密研磨技术精度0.1um，Ra0.02um用于：块规、球面空气轴承、半导体硅片、光学镜头。（b）电解研磨（电化学机械）,（4）超精密特种加工激光、电子束、离子束（三束）、微细EDM，用于IC芯片刻线，0.1um线芯。,电化学加工技术a.原理阳极溶解原理NaClNaClH2OH+OH阳极可能发生的电化学反应若阳极为Fe，在外电源的作用下放出3个（或2个）电子，形成三价或二价的铁离子Fe-2eFe2E=-0.59VFe-3eFe3E=-0.323V4OH4eO2E=0.867V2Cl2eCl2E=1.334V,根据电极反应的基本原理，电极电位最负的物质首先在阳极反应。因此，在阳极首先Fe2溶解，最大可能出现Fe3。Fe2与OH化合形成氧化亚铁（绿色絮状物）Fe22OHFe(OH)2Fe(OH)2被空气中的O2氧化成氢氧化铁黄褐色沉淀物4Fe(OH)22H2OO24Fe(OH)3阴极上可能发生的反应2H2eH2E=-0.42VNaeNaE=-2.69V据电极反应原理，在阴极上电极电位最高的物质先反应，因此，在阴极上全析出氢气。,电化学加工原理图,b.电化学加工设备示意图1直流电源924V2工具阴极3工具阳极4电解液泵5电解液,c.应用枪炮的来复线,飞机发动机叶片,d.电化学抛光原理：阳极溶解,用途：表面光整加工电极与工件距离几十到几百毫米，电流密度小，表面微观不平引起电场畸变，凸凹处电力线密度大场强大首先溶解，达到表面平整的目的。关键：电解液的配方，电参数，温度。,e.电化学机械光整加工原理：阳极溶解机械切削使用钝性电解液NaNO3阳极溶解后会在工件上形成钝化膜，阻止进一步溶解砂条用机械力刮掉钝化膜，露出新鲜金属，促使进一步阳极溶解。,电化学机械抛光轧辊,f.ELID磨削砂轮在线修整工艺,超声波加工a.原理利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮工作液加工硬脆材料超声波1.6KHz左右，纵波。组成：（1）电源：提供高变电压的能量（2）换能器：将交变电压变换成机械振动（3）变幅杆：将换能器输出的振动放大到振幅，振幅0.050.1mm（4）工具：钛合金（5）磨粒悬浮工作液（6）工件：硬脆材料，玻璃陶瓷等,超声波机床,b.关键技术：变幅杆,c.用途不导电的硬脆材料加工，微细加工超声波焊接，食品，医药，塑料制品超声波复合加工：超声波车削、磨削、挤压，超声波电火花,激光加工a.激光的产生：处于基态E1的钕离子吸收氙灯的很高范围的光谱而被激发到E4能级，在E4能级的寿命很短。通过无辐射跃迁到E3能级，E3能级寿命较长达到3x104s，形成了E3和E2能级的粒子数反转，当E3能级粒子回到E2能级时发出波长为1.06um的红外激光。此红外线照射工作物质又是更多的E3能级的粒子跃迁到E2。,b.应用打孔切割焊接热处理,电子束加工a.电子枪系统获得电子束包括发射阴极，控制栅极和加速阳极b真空系统维持1.33x1021.33x104Pac.控制系统和电源控制系统包括：束流聚焦控制提高电子束的能量（电磁透镜）束流位置改变电子束方向（磁偏转）束流强度工作台移动,d.应用打孔，加工玻璃、陶瓷、宝石喷丝头异形孔（直径0.030.07mm）,光刻弯孔,离子束加工灼热的灯丝发射电子，在阳极的作用下向下运动。同时受到电磁线圈的作用，变成螺旋运动。氩气从上口注入电离室，在电子的作用下被电离成等离子体。阴极和引出板各有数百个0.3mm的小孔，上下对齐，在引出电板的作用下形成数百条准直离子束打到工件上。,应用刻蚀粒子注入加工,4快速成型制造技术（RP）,（1）概述RP技术是制造技术领域的革命性进展，可以与数控技术相比，RP综合运用了计算机技术、CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术，可以自动、直接、快速精确低将设计思想物化为具有一定功能的原型或零件。,原理：采用离散/堆积成形原理过程：由3DCAD软件设计零件的3D实体模型，然后根据工艺要求，将3D实体模型按一定的厚度分层，将3D模型转化为2D信息，再将分层后的分层信息进行处理，产生数控代码；数控系统以平面加工的方式，有序地连续加工出每个薄层，并将它们连接起来。,RP原理图,设计方案,3DCAD,3D模型,模型处理,快速成型机,三维实体,3D扫描,产品原型,（2）RP工艺光刻工艺SLA（stereolithographyapparatus）,分层实体制造工艺LOM（laminatedobjectmanufacturing）：,熔融沉积工艺FDM（fuseddepositionmodeling）,选择性激光烧结工艺SLS（selectlasersintering）与SLA相似，区别在于SLA材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS使用粉末材料。,3D打印粘结工艺3DP（threedimensionalprinting）,5.电火花加工技术,第四章制造自动化技术,制造自动化技术,4.1概述4.2数控加工技术4.3工业机器人4.4柔性制造系统4.5计算机集成制造系统CIMS,主要内容:,4.1概述,制造自动化技术是先进制造技术中重要的组成部分。制造自动化的任务是研究对制造过程的规划、管理、组织、控制与协调优化等环节的自动化，以实现制造过程的高效优质低耗和洁净的目标。,4.1概述,主要内容:制造自动化的内涵制造自动化技术的发展趋势,4.1.1制造自动化的内涵,形式:通过制造系统,代替人的体力劳动代替或辅助人的脑力劳动实现人、机器及整个系统的协调、管理、控制和优化,4.1.1制造自动化的内涵,T(time):通过自动化技术，提高市场响应能力缩短产品生产周期Q(quality):通过自动化技术，提高产品质量C(cost):通过自动化技术，降低成本S(service):通过自动化技术，做好客户服务，减轻体力、脑力劳动,功能:可通过T、Q、C、S、E等功能目标描述,功能目标包括:,4.1.1制造自动化的内涵,产品研发自动化:CAD/CAPP/CAM一体化技术、并行工程、虚拟现实等生产过程自动化:数控加工技术、工业机器人、FMS、CIMS,范围:,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,敏捷化网络化虚拟化,智能化全球化绿色化,主要包括一下几个方面:,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,指产品的整个制造周期具备敏捷性和主动的综合应变能力。,敏捷化:,柔性:机械柔性、工艺柔性、运行柔性、扩展(柔性)功能、劳动柔性。(主要靠数控技术)重构能力:产品模块化实现快速重组重构增强对新产品开发的快速响应能力集成制造工艺,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,制造环境内部的网络化、实现制造过程的集成(车间)制造环境与制造企业的网络化实现企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成(企业)企业之间的网络化实现企业之间的资源共享、组合与优化利用；通过网络实现异地制造,网络化:,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,虚拟化:基于数字化技术,主要包括:虚拟现实、虚拟产品开发虚拟制造、虚拟企业,制造虚拟化以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、虚拟现实技术和多媒体技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。它将现实制造环境及其制造过程通过建立系统模型映射到计算机及其相关技术所支撑的虚拟制造全过程，并对产品制造及制造系统的行为进行预测和评价。虚拟制造是实现敏捷制造的重要关键技术。,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,智能化:,智能化是制造系统在柔性化和集成化基础上的发展和延伸，宗旨在于通过人与智能机器的合作去扩大、延伸和部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，实现制造过程的优化。,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,全球化:,市场国际化形成全球产品销售网络产品开发、设计的国际合作及产品制造跨国化制造企业在世界范围内重组与集成(如企业动态联盟)资源的跨地区、跨国家的协调、共享、优化和利用逐渐形成全球制造的体系结构,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,绿色化:在整个过程中最有效地利用资源和最低限度地生产废物,包括:绿色资源、绿色生产过程、绿色产品,绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个过程生命周期内，对环境的影响最小，资源利用率最好。绿色制造是全球可持续发展战略对制造业地具体要求和体现。,4.2数控加工技术,数控加工技术是指高效、优质地实现产品特别是复杂形状零件加工的有关理论、方法与实现技术。它是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基础与关键技术。特点是:,具有复杂形状的加工能力高质量高效率高柔性,4.2数控加工技术,数控加工技术主要内容:,数控技术数控机床,4.2.1数控技术,数控技术是制造自动化和柔性化的一项重要基础技术，广泛用于各类数控机床。目前的数控技术采用开放式结构，建立在统一标准的系统平台上，具有模块化、可重新配置的特点，可运行在各种不同的系统平台上，可根据用户的特殊需要进行配置。,4.2.2.1数控机床的分类,数控机床、数控铣床、数控钻床、数控磨床等，加工中心数控冲床、弯管机等控电火花加工机床、数控线切割、激光、水刀等,按工艺分:,4.2.2.1数控机床的分类,点位控制系统:只控制刀具相对于工件空位点的坐标，对轨迹无要求，仅要求空位准确，例如:数控钻、镗、冲、激光。直线控制系统:除空位要求之外，还要求进给运动沿平行于坐标方向直线移动进行切削加工，或控制两个坐标轴以同样速度同时运动，沿45斜线进行加工，例如:数控车、铣、镗、加工中心等轮廓控制系统:能同时控制两个或两个以上坐标轴联动，使刀具和工件按任意直线、平面曲线或空间曲面轮廓运动，加工任意形状地复杂零件。,按运动形式分:,4.2.2.1数控机床的分类,按伺服控制系统分:,A开环控制系统B闭环或半闭环控制系统,4.2.2.1数控机床的分类,A开环控制系统的原理图:,数控系统,控制电路,步进电机,工作台,传动系统,输入信号,4.2.2.1数控机床的分类,A开环控制系统的特点:无反馈。数控系统根据要求的进给速度和位置输出一定的指令，经过驱动电路放大，经传动系统驱动工作台运动。,缺点:精度低、响应速度慢、功率小。优点:结构简单、运动稳定、成本低、使用维护方便，用于经济性数控机床上。,4.2.2.1数控机床的分类,B闭环控制和半闭环控制系统原理图:,数控系统,控制电路,步进电机,工作台,速度检测元件,位置检测元件,输入信号,信号路径半闭环反馈闭环反馈,4.2.2.1数控机床的分类,B闭环控制和半闭环控制:具有位置和速度检测元件，数控系统将位移指令与位置检测元件检测的实际位置进行实时比较，其差值与给定指令速度按一定关系转换得到伺服驱动的速度指令。同时，速度检测元件测得的实际速度的反馈信号与速度指令比较，并对电机的转速进行实时校正。利用这种位置和速度控制的双回路控制，可以获得比开环控制系统精度高、响应更快、驱动功率更大的特性。,4.2.2.1数控机床的分类,闭环:直接测量移动部件输出的被控量作为反馈量。例如:光栅尺测量直线位移。半闭环:采用间接测量被控量作为反馈量。例如:测量电机或丝杠的角位移。,B闭环和半闭环控制系统的区别:,由于角位移和直线位移之间有一个机械传动环节，因而半闭环比闭环控制精度低，但是位移检测元件结构简单，安装方便，稳定性好，价格低，易调整，因而广泛被应用。,4.2.2.2数控机床的组成,数控机床的主要组成部分:,数控机床主体:包括:床身、主轴及进给机构。根据数控机床技术的要求机床主体较传统机床由很大变化。控制系统(CNC):数控机床的核心,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统原理图,位置控制单元,位置控制单元,PLC,附加装置,机床主轴,通信接口,其他外设接口,CPU,ROM/RAM,键盘/显示器接口,键盘,显示器,伺服电机,bus,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,CPU由运算器和控制器组成，实现数据的算术运算、逻辑运算和指令的操作控制，控制数控机床坐标轴的运动。BUS由数据总线、地址总线、和控制总线组成，实现计算机各部分之间信号的传递。,A微处理器及总线:(CPU)和(BUS)是CNC的核心,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,B输入装置:把加工程序输入计算机,直接输入存储器:通过对有关参数的设定，直接读入加工程序。手工输入:使用机床的键盘输入加工程序。,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,只读存储器(ROM):存放系统程序随机存储器(RAM):存放运算中间结果，加工零件程序、数据和参数,C存储器:用于存放CNC的数据参数和程序,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,D位置控制单元:比较指令给定值与位置测量元件测得的实际值，将结果送入控制单元，对进给机构的运动进行控制。,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,E可编程控制器(PLC):代替传统机床的强电控制线路，控制机床的切削液供给、停止、刀具的自动交换、工作台的自动交换等,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,F通信接口:便于与编程机及上级计算机连接，实现通信功能。,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,G伺服系统:接受CNC的指令，并按指令要求，拖动机床的移动部件完成零件加工。包括:伺服控制电路、功放电路、检测电路和伺服电机。,4.2.2.2数控机床的组成,控制系统各部分介绍,H附加装置:自动换刀装置、自动交换工作台装置及切屑处理装置。,4.3工业机器人,工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。,4.3.1工业机器人的定义,定义:工业机器人是一种拟人功能的机械电子装置。,工业机器人有很多定义，国内专家建议如下:,4.3.2工业机器人的分类,按功能分:,专用机器人:以固定程序在固定地点工作的机器人。功能少、工作对象单一、结构简单、价格便宜，适用于大批量生产系统中。通用机器人:具有独立的控制系统，动作灵活。通过改变程序可以完成各种作业。工作范围大，定位精度高、通用型强。结构复杂，适用于柔性制造系统中。,4.3.2工业机器人的分类,按驱动方式分:,气动电动液压传动复合传动,4.3.2工业机器人的分类,按控制方式分:,固定程序控制:采用固定程序的继电器，固定逻辑控制器组成控制系统，按预先设定的顺序、条件和位置，逐次完成相应的动作可编程控制:利用可编程方式改变机器人的动作顺序和位置，具有程序选择环节来调用系统相应的程序。适用于复杂的工作场合。,4.3.3工业机器人的应用,工业机器人作为机械制造系统的一个组成部分，可与其它装备协调工作。工业机器人可以与数控机床组成一个柔性加工系统(FMS),机器人,数控车,加工中心,数控铣,数控钻,4.4柔性制造系统(FMS),柔性制造系统的定义柔性制造系统的组成柔性制造系统的工作原理,柔性制造系统主要包括如下内容:,4.4.1柔性制造系统(FMS)的定义,柔性制造系统(FMS):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，对加工对象、工艺过程、工序内容和生产节拍等可以自动调整的自动化制造系统。,4.4.2柔性制造系统(FMS)的组成,柔性制造系统主要组成部分:,柔性制造系统(FMS),数控加工系统,物流系统,控制系统,过程监视,过程控制,输送,搬运,存储,4.4.2柔性制造系统(FMS)的组成,柔性制造系统主要组成部分:,加工系统:由若干台数控机床组成，能按照计算机控制系统的指令自动加工各种工件，并能自动更换刀具和工件。,4.4.2柔性制造系统(FMS)的组成,柔性制造系统主要组成部分:,物流系统:包括工件装卸工作站、自动化仓库、无人运输小车等，负责毛坯的入线,半成品、成品的存储、输送和搬运。,4.4.2柔性制造系