机械制造技术第9章 先进制造技术

第10章先进制造技术本章要点:先进制造技术的内涵特种加工技术制造业信息化现代制造系统技术教学重点：了解特种加工技术的原理与应用了解数字化设计与制造技术的应用成果了解现代制造系统技术的发展方向第9章先进制造技术先进制造技术主要包括以下几个方面：

1）由信息技术、检测技术、精密运动控制技术与制造技术相结合形成的精密微细特种加工技术；

2）由信息技术、计算机技术和制造技术相结合形成的数字化设计制造技术；

3）由自动化技术、信息技术、计算机技术等与制造技术相结合形成的现代制造系统技术等。

第9章先进制造技术9.1特种加工技术特征加工是指对不属于传统的切削加工及成形加工以外的一些新型加工方法的总称。特种加工工艺是直接利用各种能量，如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等形式，施加在工件上，实现材料的去除、改性、变形等。主要包括电火花加工、电火花线切割加工、点解成形加工、复合电解磨削、超声加工、激光加工等加工方法。

9.1特种加工技术表9-1常用特种加工方法的性能指标和应用范围

9.1特种加工技术表9-1常用特种加工方法的性能指标和应用范围—续

9.1.1电火花加工电火花加工（ElectricalDischargeMachining，简称EDM），又称放电加工、电蚀加工、电脉冲加工，是在加工过程中，工具电极和工件之间不断产生脉冲火花放电，利用瞬时火花放电所产生的局部高温蚀除金属材料。因为放电过程中可见到火花出现，故称为电火花加工。1．电火花加工的基本原理电火花加工的原理是利用工件电极与工具电极之间脉冲性火花放电所产生的瞬时局部高温蚀除多余的金属，完成零件成形。电火花加工过程是电力、磁力、热力和流体动力等综合作用的过程。电火花加工的原理如图9-1所示。

9.1特种加工技术9.1特种加工技术图9-1电火花加工原理图

电火花腐蚀金属的四个微观过程：1）极间介质的电离、击穿、形成放电通道；

2）介质热分解、电极材料溶化、汽化热膨胀；

3）电极材料的抛出；

4）极间介质的消电离这四个连续的阶段。

9.1特种加工技术实现电火花加工的基本条件如下：1）工具和工件之间要有一定的间隙。这个间隙通常为几微米到几百微米，并能维持这一距离。2）脉冲放电必须有足够大的能量密度。即放电通道要有很大的电流密度，一般为105~106A/cm2。3）放电应是短时间的脉冲放电。脉冲放电的持续时间为10-7~10-3s，放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部位，使金属表面局部熔化、烧伤。4）脉冲放电需要在不同地点多次重复进行。避免发生局部烧伤。5）电火花加工必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。9.1特种加工技术2．电火花加工方法分类按照工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工可分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化和刻字加工六大类。前五类属于电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属于表面加工方法，用于改善或改变零件表面物理性质。其中，电火花穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。表9-2简要介绍了各类加工方法的主要特点和用途。

9.1特种加工技术9.1特种加工技术表9-2电火花加工工艺方法的主要特点和用途

9.1特种加工技术表9-2电火花加工工艺方法的主要特点和用途—续

3．电火花成形加工设备及加工基本条件常见的电火花加工机床组成包括：机床本体、电源箱、工作液循环过滤系统等几个部分。（1）机床本体机床本体由床身、立柱、主轴头、工作台等部件组成。（2）脉冲电源把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流。对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程稳当性和工具电极损耗等技术经济指标有很大影响。（3）工作液循环过滤系统9.1特种加工技术4．电火花加工的特点（1）适用于任何难切削材料的加工（2）可加工特殊或复杂形状的表面和零件（3）生产率低（4）易于实现自动控制（5）工件表面存在电蚀硬层（6）存在电极损耗与传统加工相比，电火花加工具有很多优点，因此，已广泛应用于机械、宇航、电子、精密机械、仪器仪表等行业，用于解决难加工材料、复杂形状零件以及微细加工问题。目前，加工范围已从几微米的小轴、孔、窄缝扩大到几米的超大模具的加工。

9.1特种加工技术9.1.2电火花线切割加工1．电火花线切割加工原理加工的原理也是直接利用电能、热能蚀除金属。它是采用细的电极丝（钼丝或铜丝）对工件进行切割成形。图9-2为电火花线切割工艺及装置示意图。它是利用移动的细钼丝作电极进行切割的，传动轮7使钼丝作正反向交替运动，加工能量由脉冲电源3提供。在电极丝和工件之间浇注工作液，工作台在水平面的两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给运动，从而合成各种曲线轨迹，将工件切割成形。

9.1特种加工技术9.1特种加工技术图9-2电火花线切割工艺

2．线切割加工的特点（1）效率高、自动化程度高、材料利用率高加工以切缝的形式按轮廓加工，蚀除量少，不仅生产率高，材料利用率也高。（2）不必考虑电极丝的损耗（3）能加工出精密细小、形状复杂的零件（4）一般采用水质工作液，安全可靠，避免发生火灾电火花线切割的缺点是不能加工盲孔及纵向阶梯表面。9.1特种加工技术3．数控线切割机床9.1特种加工技术图9-3快走丝线切割机床的组成

9.1特种加工技术图9-4慢走丝线切割机床的组成

（2）脉冲电源脉冲电源是数控线切割机床最重要的组成部分之一，是决定线切割加工工艺指标的关键装置。数控线切割加工的切割速度，被加工表面的表面粗糙度、尺寸和形状精度及线电极的损耗等，都将受到脉冲电源性能的影响。9.1特种加工技术图9-5脉冲电源的组成

（3）工作液循环系统工作液循环系统的作用是保证连续、充分地向加工区供给清洁的工作液，及时从加工区排出电蚀产物，并对电极丝和工件进行冷却，以保持脉冲放电过程稳定而连续地进行。工作液的循环与过滤装置一般由工作液泵、油箱、过滤器、管道和流量控制阀等组成。

9.1特种加工技术9.1特种加工技术图9-6工作液循环系统

9.2.1制造业信息化的内涵1．制造业信息化的定义中国电子信息产业发展研究院的专家认为，制造业信息化是制造业利用计算机、通信和网络为核心的现代信息技术，进行有效整合，提高制造业运行和资源利用、特别是信息资源深入广泛利用的效率，进而提高制造业的核心竞争力的过程。制造业信息化的形态特征，表现在制造业作业、管理、经营三个层面，实现设计自动化、生产自动化、办公自动化、决策辅助自动化和电子商务等制造业运行的全面自动化。

9.2制造业信息化中国工程院院士、清华大学教授吴澄：工业或制造业的信息化就是要围绕市场竞争，从产品的各个环节做起，设计、制造、管理、营销、资源的优化利用都要有信息化。所以应该包括设计过程的信息化、管理的信息化、车间的信息化、加工生产线的信息化和自、动化、制造业内部的信息集成和制造业之间的信息集成，即基于网络的供需链或电子商务。

9.2制造业信息化制造业通过管理信息化带来的效益可以归纳为五点：①降低成本的重要举措：以联想为例，2000年联想公司通过信息化建设使库存周转天数、应收账周转天数、积压损失率由72天、28天和2％隆至22天、14天和0.19％，每年节约资金约10亿元；②增强市场应变能力的必要条件；③解决数据真实准确的可靠工具；④堵塞采购、销售环节管理漏洞的有效手段；⑤实现组织机构扁平化的技术保障。9.2制造业信息化2．制造业信息化的组成（1）设计数字化设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化，缩短了产品的开发周期，加快了新产品进入市场的时间。常用的平面设计软件是AutoCAD，二维设计逐渐被三维设计所取代。如日本丰田公司的模具设计已全部采用三维实体设计。（2）制造装备数字化制造装备数字化以各种数控设备为代表，研究的重点应为新型数控系统的研究、高速运动控制平台研究与开发、高速、高精、智能化驱动部件和控制技术、数控机床精度强化工程、数控设备群智能管理、控制技术及系统。

9.2制造业信息化（3）生产过程数字化1）生产计划管理数字化。如物料需求计划MRP（MaterialRequirePlanning）、制造资源计划（ManufacturingResourcePlanning）系统（记为MRPII）。2）工艺管理数字化。即所谓的计算机辅助编制工艺规程CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）。3）制造资源管理数字化。即MRPII和ERP的部分功能。4）生产现场管理数字化。即制造执行系统MES（ManufacturingExcecutionSystem）。9.2制造业信息化（4）管理数字化管理数字化技术实现制造业内外部管理的数字化和最优化，能够提高制造业管理水平。（5）制造业数字化制造业数字化技术实现了全球化环境下制造业内外部资源的集成和最佳利用，促进制造业的业务过程、组织结构与产品结构的调整，能够提高产品和工艺质量、降低成本和加快上市时间，提升我国制造业、区域和行业的竞争能力。9.2制造业信息化9.2.2CAD/CAPP/CAM1．计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,简称CAD）（1）CAD技术的产生和发展1）第一次CAD技术革命——贵族化的曲面造型系统。2）第二次CAD技术革命——生不逢时的实体造型技术。3）第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术。4）第四次CAD技术革命——更上一层楼的变量化技术。（2）CAD系统的分类与应用二维CAD系统：将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本……”等几何元素的集合，系统记录了这些图素的几何特征。三维CAD系统：核心是产品的三维模型。模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息，更能反映实际产品的构造或加工制造过程。9.2制造业信息化2．计算机辅助工艺计划（CompterAidedProcessPlanning,简称CAPP）（1）CAPP的发展工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门艺术。它是生产准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。随着机械制造生产技术的发展及多品种小批量生产的要求，特别是CAD/CAM系统向集成化、智能化方向发展，传统的工艺设计的方法，已远远不能满足要求，计算机辅助工艺过程设计(CAPP)也就应运而生。（2）CAPP系统分类1）基于自动化思想的修订/创成式CAPP系统。2）基于计算机化思想的实用化CAPP系统。①基于Word/Excel/AutoCAD及其他图形系统的工艺卡片填写系统。②基于结构化数据的CAPP系统。9.2制造业信息化（3）当前CAPP应用中存在的不足与问题1）应用范围偏窄。CAPP的应用集中在机械加工工艺的设计，CAPP在企业的应用缺乏应有的广度。2）应用水平偏浅。目前绝大部分企业CAPP的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面。3）与三维CAD的集成技术有待突破。4）CAPP系统与其他应用系统的集成。5）CAPP与产品数据管理（ProductDateManagement，简称PDM）中的管理功能的冲突。9.2制造业信息化（4）CAPP的发展趋势1）面向产品全生命周期的CAPP系统。CAPP的数据是产品数据的重要组成部分，CAPP与PDM/PLM的集成是关键。基于PDM/PLM支持产品全生命周期的CAPP系统将是重要的发展方向。2）基于知识的CAPP系统。3）基于三维CAD的CAPP系统。4）基于平台技术、可重构式的CAPP系统。开放性是衡量CAPP的一个重要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，CAPP必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的CAPP系统将是重要的发展方向。

9.2制造业信息化3．计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing,简称CAM）在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程，简称CAM。CAM的侠义概念指的是从产品设计到加工制造的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的修订、资源需求计划的制订等，这是最初CAM系统的侠义概念。到今天，CAM的侠义概念甚至进一步缩小为NC编程的同义词，CAM被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。CAM的广义概念包括的内容则广泛得多，除了上述CAM侠义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（价格、装配、检验、存储、输送）的监视、控制和管理。9.2制造业信息化（1）CAM的发展概况1952年成功研制数控机床，不同零件的加工只需更换NC程序即可实现，有效地解决了工序自动化的柔性问题。1955年在通用计算机上成功应用APT语言的自动编程系统，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，能在一次装夹终中完成多个工序的集中加工，进一步提高了NC机床的生产效率。1962年在NC机床技术的基础上研制成功了第一台工业机器人，实现了物料搬运的柔性自动化。1966年出现了用一台大型计算机集中控制多台NC机床的直接控制系统（DirectNumericalControl，简称DNC），从而降低了机床NC装置的制造成本，提高了工作的可靠性。9.2制造业信息化（2）CAM的应用领域1）机械产品的零件加工（切削、冲压、铸造、焊接、测量等）、部件组装、整机装配、验收、包装入库、自动仓库控制和管理。2）电子产品的元件器件老炼、测试、筛选。包括元件器件自动插入印制电路板，波峰焊接，装置板、机箱布线的自动绕接，部件、整件和整机的自动测试等工作都可以由CAM系统控制完成。3）各种机电产品的成品检验、质量控制。能完成人工方法不能完成的复杂产品（如飞机发动机、超大规模集成电路、电子计算机等）的大量测试工作。

9.2制造业信息化9.2.3虚拟制造（VirtualManufacturing，简称VM）1．虚拟制造的概念和功能（1）虚拟制造的概念虚拟制造是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。它具有建模和仿真环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。（2）虚拟制造的分类1）以设计为中心的VM。2）以生产为中心的VM。3）以控制为中心的VM。9.2制造业信息化2．虚拟制造的核心技术（1）建模技术虚拟制造系统VMS（VirtualManufacturingSystem)是现实制造系统RMS（RealManufacturingSystem)在虚拟环境下的映射，VMS的建模应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。1）生产模型。2）产品模型。3）工艺模型。9.2制造业信息化（2）仿真技术仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。（3）虚拟现实技术VRT（VirtualRealityTechnology）虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）提供沉浸感觉的技术。9.2制造业信息化3．VM在制造业的应用（1）虚拟企业为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司，称为虚拟公司，或者叫作动态联盟。虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造；计算机网络技术。9.2制造业信息化（2）虚拟产品设计在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品的设计。例如美国波音公司投资40亿美元研制波音777喷气式客机，从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益。

9.2制造业信息化（3）虚拟产品制造应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化制造过程，提高加工效率。

（4）虚拟生产过程产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生产周期，降低成本意义重大。9.2制造业信息化9.3.1柔性制造系统柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem,FMS）是由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整。适用于多品种、中小批量生产。1．柔性制造系统的结构原理1）加工设备。包括立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心、数控铣床、数控车床等。2）装配设备。例如，由装配站和机器人组成的装配单元。3）检测设备。有清洗机、三坐标测量仪、测量用机器人等。

9.3现代制造系统技术4）输送装置。有输送带、堆垛机、有轨运输车（RailGuidedVehicle,RGV）、自动导向运输车（AutomatedGuidedVehicle,AGV）等。5）交换装置。如托盘交换器（AutomatedPalletChanger,APC）、上料机器人等。6）装卸站。毛坯安装到托盘上，工件从托盘上取下来，这一过程通常由人在装卸站完成。7）保管装置。如托盘缓冲站（平面仓库）、立体自动仓库等。8）信息管理及控制装置。它由计算机网络系统和FMS管理与控制软件组成。是管理FMS的信息，控制FMS各设备协调一致工作的网络系统。

9.3现代制造系统技术图9-7FMS的结构

9.3现代制造系统技术2.柔性制造系统的分类与应用

1）柔性制造单元（FMC）。柔性制造单元由主机、工具交换装置（AutomatedToolChanger,ATC）、托盘交换装置（AutomatedPalletChanger,APC）三部分组成。①一类由加工中心配上自动托盘交换系统：这类柔性制造单元以托盘交换系统为特征，一般具备五个以上的托盘，组成环形或直线形的托盘库。②另一类是数控机床（或数控机床和加工中心）配以工业机器人：这类柔性制造单元的最一般形式是由两台数控机床配上机器人（或机械手），加上工件传输系统组成。

9.3现代制造系统技术2）柔性生产线（FTL）。柔性生产线（FTL）也可称为柔性自动线或可变自动线。机床多采用专用的高效机床，如数控组合机床、多轴头机床、换箱机床、转塔机床、专用数控机床等。工件一般装在托盘上输送。对于外形规整，由良好的定位、输送、夹紧条件的工件，也可以直接输送。柔性生产线的中央控制装置可选用带微处理机的顺序控制器和微型计算机。柔性生产线是在传统组合机床及其自动线基础上，主要通过对各类工艺功能的组合机床进行数控化而形成的。它与传统刚性生产线的区别在于，它能同时或依次加工少量不同的工件。柔性生产线常用来作为大批量生产的制造系统，加工对象主要是箱体类工件。

9.3现代制造系统技术3）柔性制造系统（FMS）。柔性制造系统由加工系统、物料储运系统、控制系统和软件系统组成。①柔性制造系统的加工系统：柔性制造系统的加工系统能以设定顺序自动加工各种工件，并能自动地更换刀具和工件。通常由若干台对工件进行加工的CNC机床和所使用的刀具构成。②柔性制造系统的物料储存输送系统。物料储存输送设备的分类可参见图9-8。③柔性制造系统的计算机控制系统。其主要任务是：组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监控，向柔性制造系统的加工系统、物流系统（储存系统、输送系统及操作系统）提供全部控制信息并进行过程监视，反馈各种在线检测数据，以便修正控制信息，保证安全运行。9.3现代制造系统技术图9-8物料储运设备的分类

9.3现代制造系统技术9.3.2现代集成制造系统1．计算机集成制造系统（computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS）（1）计算机集成制造系统的定义和特征CIM是信息时代组织、管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。按照这一哲理和技术构成的具体实现便是计算机集成制造系统。（2）计算机集成制造系统的组成计算机集成制造系统涉及一个制造企业的设计、制造和经营管理三个方面，在分布式数据库、计算机网络和指导集成运行的系统技术等所形成的支撑环境下将三者集成起来。图9-9给出了计算机集成制造系统的组成。9.3现代制造系统技术图9-9计算机集成制造系统组成

9.3现代制造系统技术2．现代集成制造（1）现代集成制造的基本概念现代集成制造系统是一种基于现代集成制造理念构成的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统，可以称之为具有现代化和信息时代特征的一种新型生产制造模式。这里的“制造”是“广义制造”的概念，它包括了产品全生命周期各类活动——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、生产、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）及产品最后报废、环境处理等的集合。其中，价值流是指以产品的T、Q、C、S、E等价值指标所体现的企业业务过程流，如成本流等。

9.3现代制造系统技术9.3现代制造系统技术表9-3现代集成制造的技术体系（2）现代集成制造系统的组成现代集成制造系统则是计算机集成制造系统的扩展。包括：1）先进的生产组织和管理模式。如企业经营过程重组、敏捷制造、大批量定制生产等。这些生产组织和管理模式本身并不是物理系统，但没有它们便不是一个现代集成制造系统。2）在企业基础信息化及其信息集成的基础上的拓展。现代集成制造系统要进一步实施以下技术，如并行工程、虚拟制造、网络化制造、敏捷制造、供应链管理、电子商务等。由此可见，企业的优化运行是现代集成制造的重点内容。

9.3现代制造系统技术图9-10现代集成制造系统组成

9.3现代制造系统技术（3）现代集成制造系统的特点计算机集成制造系统的核心是信息集成，而现代集成制造系统则是建立在价值链基础上的大系统，它以信息集成为基础，以企业优化为目标。

9.3现代制造系统技术图9-11计算机集成制造系统向现代集成制造系统的转变

3．现代集成制造系统的应用范围现代集成制造系统源于制造业，也首先在制造业应用并发展起来。目前，现代集成制造系统的生产管理一体化、信息化的系统设计思想已经应用到流程工业、加工业等众多工业领域。

9.3现代制造系统技术9.3.3智能制造系统1.智能与智能制造系统的概念（1）智能、智能机器和智能系统Albus1991年给智能的定义是：系统在不确定环境下做出适当动作的能力。而“适当动作”是指增大成功概率的行为。“成功”指达到支持系统总目标的行为的子目标。智能机器定义为：在具有一定不确定性的环境条件下，能够自治地或与操作者交互地实现拟人任务的机器。智能系统是一台或多台智能机器，在智能控制驱动下，能具有一定自治能力地完成某种特定任务的系统。

9.3现代制造系统技术（2）智能控制和智能控制系统K.S.Fu在1971年提出智能控制是人工智能与自动控制系统两个学科互相渗透和交接的领域。1977年，Saridis把上述两大学科的交接扩充为三多学科领域的交接，即人工智能、自动控制系统和运筹学。智能控制：驱动智能机器自动达到其目的的机器。9.3现代制造系统技术2.智能控制和智能控制系统的基本方法（1）智能控制系统的基本结构和内涵1977年，Saridis把智能控制扩充为人工智能、自动控制系统和运筹学三大学科领域的交集。图9-12是由Saridi