先进制造技术技术(第七组)先进制造技术应用

1、先进制造技术应用交通SJ1326班 第7组先进制造造技术应应用14253数控加工工技术快速成形形技术超精密与与纳米加加工技术术工业机器器人柔性制造造技术随着现代代科学技技术的进进步，特特别是微微电子技技术、计计算机技技术、信信息技术术等与制制造技术术的深度度结合，制造工工业的面面貌发生生了深刻刻的变化化，形成成了先进进（现代代）制造造体系。先进制制造技术术的内涵涵及范围围很广，本章扼扼要介绍绍先进制制造工程程技术中中的数控控加工技技术、快快速成形形技术、超精密密与纳米米加工技技术、工工业机器器人、柔柔性制造造技术的的概念和和应用场场合。先进制造造技术应应用数控加工工技术1.1数数字控控制与数数

2、控机床床的概念念数字控制制 (NumericalControl)是用数字化信信号对机械设设备的运运动及其其加工过过程进行行控制的的一种方方法，简简称数控控（NC）。数控机床床就是采用用了数控控技术的的机床，或者说说是装备备了数控控系统的的机床。进一步说说，数控控机床是是一种以以数字量作为指令令信息形形式，通通过电子子计算机机或专用用电子计计算装置置，对这这种信息息进行处处理而实实现自动动控制的的机床。1.2数数控机机床的基基本组成成及工作作原理工艺分析数控加工程序数控加工图样数控装置数控设备图1数数控机床床加工零零件的工工作过程程数控加工工技术数控机床床的基本本组成见见图2所所示。加工程序输入

3、输出装置数控系统辅助控制装置伺服驱动装置检测反馈装置机床本体图2数数控机床床的基本本组成数控机床床的种类类很多，从不同同角度对对其进行行考查，就有不不同的分分类方法法，通常常有以下下几种不不同的分分类方法法：数控加工工技术1.3数数控机机床的分分类按工艺用用途分类类切削加工工类：数控镗铣铣床、数控车床床、数控磨磨床、加工中心心、数控齿轮轮加工机机床、FMC等等。成型加工工类：数控折弯弯机、数控冲裁裁机等。特种加工工类：数控线切切割机、电火花花加工机机、激光加工工机等。其它类型型：数控装配机、数控测测量机、机器人等。按运动轨轨迹分类类点位控制制系统：如图3a所示点位直线线控制控控制系统统：如图3

4、b所示轮廓控制制系统：如图3c所示数控加工工技术图3b 点位位直线控控制加工工示意图图图3a 点位位控制加加工示意意图图3c轮轮廓控控制加工工示意图图数控加工工技术开环控制制系统闭环控制制系统按控制方方式分类类半闭环控控制系统统全闭环控控制系统统开环数控控系统没有位置置测量装装置，信信号流是是单向的的（数控控装置进给系系统），故系统统稳定性性好。这这类系统统具有结结构简单单、工作作稳定、调试方方便、维维修简单单、价格格低廉等等优点，在精度度和速度度要求不不高、驱驱动力矩矩不大的的场合得得到广泛泛应用。一般用用于经济济型数控控机床。电机机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉

5、冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大图4开开环控制制系统原原理图数控加工工技术数控加工工技术全闭环数数控系统统全闭环数数控系统统的位置置采样点点如图的的虚线所所示，直直接对运运动部件件的实际际位置进进行检测测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈图5闭闭环系统统控制原原理图数控加工工技术半闭环数数控系统统半闭环数数控系统统的位置置采样点点如图所所示，是是从驱动动装置(常用伺伺服电机机)或丝丝杠引出出，采样样旋转角角度进行行检测，不是直直接检测测运动部部件的实实际位置置。位置控制调节器速度控制调节与驱动位

6、置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际速度反馈检测与反馈单元实际位置反馈实际速度反馈图6半半闭环控控制系统统原理图图数控加工工技术1.4数数控控机床的的特点及及应用范范围1.数控控机床的的加工特特点加工精度度高对加工对对象的适适应性高高生产效率率高有利于生生产管理理自动化程程度高，劳动强强度低良好的经经济效益益有利于现现代化管管理数控加工工技术1.4数数控控机床的的特点及及应用范范围2.数控控机床的的应用范范围多品种小小批量生生产的零零件形状结构构比较复复杂的零零件生产效率率高精度要求求比较高高的零件件需要频繁繁改型的的零件价格昂贵贵，不允允许报废废的零件件需要生产产周期

7、短短的零件件快速成形形技术2.1快速成形形技术的的概念快速成形形技术（RP, Rapid Prototyping）是运运用堆积积成形法法，由CAD模模型直接接驱动的的快速制制造任意意复杂形形状三维维实体的的技术总总称。RP技术术的成形形原理不同于常常规制造造的去除除法（切切削加工工、电火火花加工工等）和和变形法法（铸造造、锻造造等），而是利利用光、电、热热等手段段，通过过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作作用或化化学等方方式，有有选择地地固化（或粘结结）液体体材料，实现材材料的迁迁移和堆堆积，形形成所需需要的原原型零件件。快速成形形技术是综合利利用CAD技术术、数控控技术、激光加加工技术术和材料料

8、技术实实现从零零件设计计到三维维实体原原型制造造一体化化的系统统技术。它采用软件件离散材料料堆积的的原理实实现零件件的成形形，如图4所示。2.3快快速成成形技术术的工艺艺方法RP技术术的具体体工艺有有很多种种，根据据采用的的材料和和对材料料的处理理方式不不同，选选择其中中3种方方法的工工艺原理理进行介介绍。1.选择择性液体体固化又称光固固化法，该方法法的典型型实现工工艺有立立体光刻刻（SL,StereoLithography），其其工艺原原理如图5所示。光固化法法是目前前应用最最广的快快速成形形制造方方法。其其主要特特点是：制造精精度高、表面质质量好、原材料料利用率率接近100%；能制制造形状

9、状复杂及及特别精精细的零零件；能能使用成成形材料料较脆、材料固固化伴随随一定收收缩率的的材料制制造所需需零件。2.2快快速成成形技术术的工作作原理快速成形形技术零件三维维曲面或或实体模模型CAD数控代码码二维层片片三维实体体图4快快速成形形基本过过程返回文档档激光器零件光敏树脂脂液面升降台图5光光固化法法工艺原原理图Z返回文档档2.选择择性层片片粘结选择性层层片粘结结又称分层层实体制制造、叠叠层制造造法（LOM,Laminated ObjectManufaturing），其工工艺原理理如图6所示。叠层法的的主要特特点是：不需需要制作作支撑；激光只只作轮廓廓扫描，而不需需填充扫扫描，成成形率高高

10、；运行行成本低低；成形形过程中中无相变变且残余余应力小小，适合合于加工工较大尺尺寸零件件；但材材料利用用率较低低，表面面质量差差。3.选择择性粉末末熔结/粘结选择性粉粉末熔结结/粘结结又称烧烧结法（SLS，SelectiveLaserSintering），其工工艺原理理如图7所示。激光选区区烧结法法的主要要特点是：不需需要制作作支撑；成形零零件的机机械性能能好，强强度高；粉末较较松散，烧结后后精度不不高，Z轴精度度难以控控制。快速成形形技术加工平面面升降台收料轴CO2激光器热压辊控制计算算机料带供料轴图6叠叠层法工工艺原理理图返回文档档图7激激光选选区烧结结法工艺艺原理图图扫描镜激光束平整滚筒

11、筒激光器粉末返回文档档2.4快快速成成形技术术的特点点和用途途1.主要要特点1）高度度柔性；2）技术术的高度度集成；3）设计计制造一一体化；4）快速速性；5）自由由成形制制造(Free FormFabrication，FFF)；6）材料料的广泛泛性。2.用途途1）产品品设计评评估与功功能测验验；2）快速速模具制制造；3）医学学上的仿仿生制造造；4）艺术术品的制制造；5）直接接制造金金属型。快速成形形技术3.1超精密加加工技术术超精密加加工是指指被加工工零件的的尺寸精度为0.10.01m，加工工表面粗粗糙度达达Ra0.030.0051m数量级级的加工工技术。随着加加工技术术的发展展，超精精密加工

12、工的技术术指标也也在不断断变化。一般加工工：精度10m左左右，Ra0.30.8m；精密加工工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m；超精密加加工：精度0.10.01m左左右，Ra0.030.05m；纳米加工工：精度高于于0.001m，Ra小于0.005m 。超精密加加工的主主要方法法有：1）金刚刚石刀具具超精密密切削；2）精密密和镜面面磨削；3）精密密研磨和和抛光；超精密与与纳米加加工技术术1.金刚刚石刀具具超精密密切削；金刚石刀刀具拥有有很高的高高温强度度和硬度度，而且且材质细细密，经经过精细细研磨，切削刃刃可磨得得极为锋锋利，表表面粗糙糙度值很很小，因因此可进进行镜面面切削。金刚石刀

13、刀具超精精密切削削主要用用于加工铜、铝等有有色金属属，如高高密度硬硬磁盘的的铝合金金基片、激光器器的反射射镜、复复印机的的硒鼓、光学平平面镜，凹凸镜镜、抛物物面镜等等。2.精密密和镜面面磨削磨削时尺尺寸精度度和几何何精度主主要靠精精密磨床床保证，可达亚亚微米级级精度（指精度度为110-2m）。在某某些超精精密磨床床上可磨磨出十纳纳米精度度的工件件。在精精密磨床床上使用用细粒度度磨粒砂砂轮可磨磨削出Ra=0.10.05m的表面面。使用用金属结结合剂砂砂轮的在在线电解解修整砂砂轮的镜镜面磨削削技术可可得到Ra0.010.002m的镜镜面。超精密与与纳米加加工技术术3.精密密研磨和和抛光；精密研磨磨

14、和抛光光技术意指：使使用超细细粒度的的自由磨磨料，在在研具的的作用和和带动下下加工表表面，产产生压痕痕和微裂裂纹，依依次去除除表面的的微细突突出处，加工出出Ra0.010.02m的的镜面。超精密加加工是以以精密元元件为加加工对象象。超精精密加工工必须具具有稳定定的加工工环境，即必须须在恒温温、超净净、防振振等条件件下进行行。另外外，精密密测量是是超精密密加工的的必要手手段，否否则无法法判断加加工精度度。超精密与与纳米加加工技术术3.2纳纳米米加工技技术纳米（Nanometer）,是一一个长度度单位，简写为为nm。1nm=10-3m=10-9m。纳米技术术是20世世纪80年代末末期诞生生并在蓬蓬

15、勃发展展的一种种高新科科学技术术。纳米米不仅是是一个空空间尺度度上的概概念，而而且是一一种新的的思维方方式，即即生产过过程越来来越细，以至于于在纳米米尺度上上直接由由原子、分子的的排布制制造的具具有特定定功能的的产品。1.纳米米技术的的含义纳米技术术是指纳纳米级（0.1100nm）的材材料、设设计、制制造、测测量、控控制和产产品的技技术。它它将加工工和测量量精度从从微米级级提高到到纳米级级。2.纳米米技术的的主要内内容纳米技术术是一门门多学科科交叉的的高新技技术，从从基础研研究角度度来看，纳米技技术包括括：纳米米生物学学、纳米米电子学学、纳米米化学、纳米材材料和纳纳米机械械学等新新学科。超精密

16、与与纳米加加工技术术 超精密与与纳米加加工技术术3.纳米米级加工工纳米级加加工是指指：加工精度度高于10-3m，表表面粗糙糙度Ra小于0.005m，达到纳米米级精度度。包括括纳米级级尺寸精精度、纳纳米级几几何形状状精度和和纳米级级表面质质量。纳米级加加工方法法包括：机械加工工、化学学腐蚀、能量束束加工、复合加加工、扫扫描隧道道显微加加工等。纳米级机机械加工工方法包包括：单晶金刚刚石刀具具的超精精密磨削削；金刚刚石砂轮轮和立方方氮化硼硼砂轮的的超精密密磨削及及镜面磨磨削；衍衍磨和砂砂带抛光光等固定定磨料工工具的加加工；衍衍磨、抛抛光等自自由磨料料的加工工等。 工业机器器人4.1工艺机器器人的基基

17、本概念念1.工业业机器人人的定义义工业机器器人（Industrial Robot,简称称Robot）是一种种可重复复编程的的、自动动控制的的、多自自由度的的、机体体独立的的自动操操作机械械。 2.工业业机器人人的组成成（1）执执行系统统（2）驱驱动系统统（3）控控制系统统（4）检检测系统统（5）智智能系统统3.工艺艺机器人人的分类类按系统功功能分类类：专用机器器人、通通用机器器人、示示教再现现机器人人、智能能机器人人按结构形形式分类类：直角坐标标机器人人、圆柱柱坐标机机器人、球坐标标机器人人、关节节机器人人。按驱动方方式分类类：气压传动动机器人人、液压压传动机机器人、电力传传动机器器人。按承担

18、工工作任务务性质可可分为：搬运机器器人和作作业机器器人。虽然工业业机器人人品种繁繁多，但但从设计计与使用用角度出出发，工工业机器器人的主主要技术术性能参参数包括括：运动自由由度、工工作空间间、工作作负荷、运动速速度、位位置精度度。工业机器器人4.2工工业机机器人的的应用工业机器器人的最最初应用用主要是是对人体体有危险险或危害害的操作作环境。今天，在在现代制制造业中中，利用用机器人人能扩大大机械制制造系统统的功能能和范围围，以及及提高自自动化程程度，是是实现柔柔性自动动化的基基本设备备。用于生产产中的的工业机机器人有有：铸造造机器人人、焊接接机器人人、喷漆漆机器人人、装配配机器人人、搬运运机器人

19、人等。此此外，高高压作业业线、服服装剪裁裁、管道道作业、擦玻璃璃的机器器人也发发挥着巨巨大的作作用。柔性制造造技术传统的专专用机床床和“刚性性”自动动生产线线虽然有有很高的的生产效效率，但但其加工工的零件件形状和和尺寸单单一，难难以改变变，这对对于大批批大量生生产是合合适的。为满足足多品种种、小批批量、产产品更新新换代周周期短的的要求，20世世纪70年代以以来，随随着微电电子技术术，特别别是计算算机技术术、传感感技术的的发展，一种以以机械加加工为主主的柔性性制造技技术得到到迅速发发展，主主要有柔柔性制造造单元、柔性制制造系统统、计算算机集成成制造系系统。5.1柔柔性制制造单元元FMC（FlexibleManufacturingCell）是在在加工中中心的基基础上，增加了了贮存工工件的自自动料库库、输送送系统所所构成的的自动加加工系统统。如图8所示为配配有托盘盘交换系系统的FMC。FMC适适于多品种、小批量量工件的的生产。FMC具有规规模小、成本低低，便于于扩展等等优点。但FMC的信信息系统统自动化化程度较较低，加加工柔性性不高，只能完完成品种种有限的的零件加加工。图8带带有托盘盘交换系系统的FMC柔性制造造技术5.2柔柔性制制造系统统1.FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定义义和组成成FMS是是在FMC的基基础上扩扩展而成成的一种种高效率率、高精