先进制造技术知识及应用

模块三先进制造技术知识及应用14253数控加工技术快速成形技术超精密与纳米加工技术工业机器人柔性制造技术随着现代科学技术的进步，特别是微电子技术、计算机技术、信息技术等与制造技术的深度结合，制造工业的面貌发生了深刻的变化，形成了先进（现代）制造体系。先进制造技术的内涵及范围很广，本章扼要介绍先进制造工程技术中的数控加工技术、快速成形技术、超精密与纳米加工技术、工业机器人、柔性制造技术的概念和应用场合。模块三先进制造技术知识及应用11.1数控加工技术11.1.1数字控制与数控机床的概念数字控制(NumericalControl)是用数字化信号对机械设备的运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控（NC）。数控机床就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。进一步说，数控机床是一种以数字量作为指令信息形式，通过电子计算机或专用电子计算装置，对这种信息进行处理而实现自动控制的机床。11.1.2数控机床的基本组成及工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11-1数控机床加工零件的工作过程11.1数控加工技术数控机床的基本组成见图11-2所示。加工程序输入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11-2数控机床的基本组成数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：11.1数控加工技术11.1.3数控机床的分类按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控冲裁机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。按运动轨迹分类点位控制系统：如图11-3a所示点位直线控制控制系统：如图11-3b所示轮廓控制系统：如图11-3c所示11.1数控加工技术11.1数控加工技术开环控制系统闭环控制系统按控制方式分类半闭环控制系统全闭环控制系统开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。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脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大图11-4开环控制系统原理图11.1数控加工技术11.1数控加工技术全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。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11-5闭环系统控制原理图11.1数控加工技术半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际速度反馈检测与反馈单元实际位置反馈实际速度反馈图11-6半闭环控制系统原理图11.1数数控加加工技技术数数控机机床的的特点点及应应用范范围1.数数控机机床的的加工工特点点加工精精度高高对加工工对象象的适适应性性高生产效效率高高有利于于生产产管理理自动化化程度度高，，劳动动强度度低良好的的经济济效益益有利于于现代代化管管理11.1数数控加加工技技术数数控机机床的的特点点及应应用范范围2.数数控机机床的的应用用范围围多品种种小批批量生生产的的零件件形状结结构比比较复复杂的的零件件生产效效率高高精度要要求比比较高高的零零件需要频频繁改改型的的零件件价格昂昂贵，，不允允许报报废的的零件件需要生生产周周期短短的零零件11.2快快速成成形技技术11.2.1快速成成形技技术的的概念念快速成成形技技术（RP,RapidPrototyping））是运运用堆堆积成成形法法，由由CAD模模型直直接驱驱动的的快速速制造造任意意复杂杂形状状三维维实体体的技技术总总称。。RP技技术的的成形形原理理不同于于常规规制造造的去去除法法（切切削加加工、、电火火花加加工等等）和和变形形法（（铸造造、锻锻造等等），，而是是利用用光、、电、、热等等手段段，通通过固固化、、烧结结、粘粘结、、熔结结、聚聚合作作用或或化学学等方方式，，有选选择地地固化化（或或粘结结）液液体材材料，，实现现材料料的迁迁移和和堆积积，形形成所所需要要的原原型零零件。。快速成形技技术是综合利用用CAD技技术、数控控技术、激激光加工技技术和材料料技术实现现从零件设设计到三维维实体原型型制造一体体化的系统统技术。它它采用软件离离散——材料堆堆积的原理理实现零件件的成形，，如图11-4所示。11.2.3快速速成形技术术的工艺方方法RP技术的的具体工艺艺有很多种种，根据采采用的材料料和对材料料的处理方方式不同，，选择其中中3种方法法的工艺原原理进行介介绍。1.选择性性液体固化化又称光固化化法，该方方法的典型型实现工艺艺有立体光光刻（SL,StereoLithography），，其工艺原原理如图11-5所示。光固化法是是目前应用用最广的快快速成形制制造方法。。其主要特特点是：制制造精度高高、表面质质量好、原原材料利用用率接近100%；；能制造形形状复杂及及特别精细细的零件；；能使用成成形材料较较脆、材料料固化伴随随一定收缩缩率的材料料制造所需需零件。11.2.2快速速成形技术术的工作原原理11.2快快速成成形技术2.选择性性层片粘结结选择性层片片粘结又称分层实实体制造、、叠层制造造法（LOM,LaminatedObjectManufaturing）），其工艺艺原理如图11-6所示。叠层法的主主要特点是：不需要要制作支撑撑；激光只只作轮廓扫扫描，而不不需填充扫扫描，成形形率高；运运行成本低低；成形过过程中无相相变且残余余应力小，，适合于加加工较大尺尺寸零件；；但材料利利用率较低低，表面质质量差。3.选择性性粉末熔结结/粘结选择性粉末末熔结/粘粘结又称烧烧结法（SLS，SelectiveLaserSintering），其工艺艺原理如图11-7所示。激光选区烧烧结法的主主要特点是：不需要要制作支撑撑；成形零零件的机械械性能好，，强度高；；粉末较松松散，烧结结后精度不不高，Z轴轴精度难以以控制。11.2快快速成成形技术11.2.4快速速成形技术术的特点和和用途1.主要特特点1）高度柔柔性；2）技术的的高度集成成；3）设计制制造一体化化；4）快速性性；5）自由成成形制造(FreeFormFabrication，FFF)；6）材料的的广泛性。。2.用途1）产品设设计评估与与功能测验验；2）快速模模具制造；；3）医学上上的仿生制制造；4）艺术品品的制造；；5）直接制制造金属型型。11.2快快速成成形技术11.3.1超精密加工工技术超精密加工工是指被加加工零件的的尺寸精度为0.1～0.01µm，加工表表面粗糙度度达Ra0.03～～0.0051µm数量级的的加工技术术。随着加加工技术的的发展，超超精密加工工的技术指指标也在不不断变化。。一般加工：：精度10μμm左右，，Ra0.3～～0.8μμm；精密加工：：精度10——0.1μμm左右，，Ra0.3——0.03μm；超精密加工工：精度0.1—0.01μm左左右，Ra0.03—0.05μm；；纳米加工：：精度高于0.001μm，Ra小于0.005μμm。超精密加工工的主要方方法有：1）金刚石石刀具超精精密切削；；2）精密和和镜面磨削削；3）精密密研磨和和抛光；；11.3超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1~10-2μm）。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=0.1～～0.05μm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Ra0.01～～0.002μμm的镜镜面。11.3超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Ra0.01～0.02μm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。11.3超超精密与与纳米加加工技术术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=10-3μm=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（（0.1~100nm）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。。11.3超超精密与与纳米加加工技术术11.3超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10-3μm，表表面粗糙糙度Ra小于0.005μm，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。11.4工工业机器器人11.4.1工艺机器器人的基基本概念念1.工业业机器人人的定义义工业机器器人（IndustrialRobot,简称称Robot）是一种可重重复编程的、、自动控制的的、多自由度度的、机体独独立的自动操操作机械。2.工业机器器人的组成（1）执行系系统（2）驱动系系统（3）控制系系统（4）检测系系统（5）智能系系统11.4工工业机器人人3.工艺机器器人的分类按系统功能分分类：专用机器人、、通用机器人人、示教再现现机器人、智智能机器人按结构形式分分类：直角坐标机器器人、圆柱坐坐标机器人、、球坐标机器器人、关节机机器人。按驱动方式分分类：气压传动机器器人、液压传传动机器人、、电力传动机机器人。按承担工作任任务性质可分分为：搬运机器人和和作业机器人人。虽然工业机器器人品种繁多多，但从设计计与使用角度度出发，工业业机器人的主主要技术性能能参数包括：：运动自由度、、工作空间、、工作负荷、、运动速度、、位置精度。。11.4工工业机器人人11.4.2工业机器器人的应用工业机器人的的最初应用主主要是对人体体有危险或危危害的操作环环境。今天，在现代代制造业中，，利用机器人人能扩大机械械制造系统的的功能和范围围，以及提高高自动化程度度，是实现柔柔性自动化的的基本设备。。用于生产中的的工业机器器人有：铸造造机器人、焊焊接机器人、、喷漆机器人人、装配机器器人、搬运机机器人等。此此外，高压作作业线、服装装剪裁、管道道作业、擦玻玻璃的机器人人也发挥着巨巨大的作用。。11.5柔柔性制造技技术传统的专用机机床和“刚性”自自动生产线虽虽然有很高的的生产效率，，但其加工的的零件形状和和尺寸单一，，难以改变，，这对于大批批大量生产是是合适的。为为满足多品种种、小批量、、产品更新换换代周期短的的要求，20世纪70年年代以来，随随着微电子技技术，特别是是计算机技术术、传感技术术的发展，一一种以机械加加工为主的柔柔性制造技术术得到迅速发发展，主要有有柔性制造单单元、柔性制制造系统、计计算机集成制制造系统。11.5.1柔性制造造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工工中心的基础础上，增加了了贮存工件的的自动料库、、输送系统所所构成的自动动加工系统。。如图11-8所示为配有托托盘交换系统统的FMC。。FMC适于多品种、小批批量工件的生生产。FMC具有规模小小、成本低，，便于扩展等等优点。但FMC的信息息系统自动化化程度较低，，加工柔性不不高，只能完完成品种有限限的零件加工工。11.5柔柔性制造技技术11.5.2柔性制造造系统1.FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定定义和组成FMS是在FMC的基础础上扩展而成成的一种高效效率、高精度度、高柔性的的加工系统。。对柔性制造系系统直观的定定义：“柔性制造造系统至少是是由两台数控控加工设备、、一套物料储储运系统和一一套计算机控控制系统所组组成的制造系系统。从上述定义可可以看出，FMS主要由由以下三部组组成：（1）加工系系统（2）物料储储运系统（3）信息系系统除上述三个主主要组成部分分外，FMS还包括冷却却系统、排屑屑系统、刀具具监控和管理理等附属系统统。11.5柔柔性制造技技术2.FMS的优点点和效益（1）能