《工程训练》课件-12第十二章特种加工

第十二章特种加工、工业机器人及

塑料成形第一节特种加工一、电火花加工1.电火花加工加工原理电火花加工(ElectricalDischargeMachining，简称EDM)又称电腐蚀加工。电火花加工其实就是一个电蚀过程，该过程的四个阶段是绝缘液体介质电离→火花放电通道形成→金属熔化或汽化→金属微粒脱离工件表面。电火花加工工作原理如图12-1（a）所示。每次火花放电后，工件表面就形成一个微小的凹坑。此过程连续不断，周而复始，随着工具电极不断向工件送进，结果在工件表面重叠起无数个电蚀出的小凹坑(如图12-1（b）)，从而将工具电极的轮廓形状精确地“复印”在工件电极上，获得所需尺寸和形状的表面。2.工艺特点及应用电火花加工是特种加工中应用最为广泛的，主要特点是加工适应性强，任何硬、脆、软的材料和高耐热材料，只要导电都能加工，电火花加工的主要应用在以下几个方面。①电火花穿孔加工适用于型孔(圆孔、方孔、多边孔、异形孔)、深孔、斜孔、弯孔以及小孔和微孔加工。②电火花型腔加工主要用于锻造模、挤压模、压铸模等模具型腔的加工，其加工尺寸范围大(小至汽车齿轮、大至汽车曲轴用的锻造模)。电火花型腔加工还包括型面加工和电火花表面雕刻等。③电火花镗削、电火花磨削、电火花表面强化等。图12-2电火花加工应用实例二、线切割加工1.线切割加工的原理电火花线切割加工是在电火花成形加工基础上发展起来的。其成形原理是利用细金属丝(多用φ0.02mm～φ0.03mm的钼丝)作工具电极，电极由数控装置控制按预定轨迹进行脉冲放电切割加工，故又称线切割。左图原理图。电火花线切割机床的分类快走丝电火花线切割机床2.线切割加工的特点及应用电火花线切割加工的特点：（1）轮廓加工所需加工的余量少，有效地节约贵重的材料。（2）采用乳化液或去离水的工作液，不必担心发生火灾，可以昼夜无人连续加工。（3）无论被加工工件的硬度如何，导体或半导体的材料都能实现加工。（4）可无视电极丝损耗，加工精度高。（5）依靠微型计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凹凸两种模具时，间隙可任意调节。（6）任何复杂开头的零件，只要能编制加工程序就可以进行加工，因而很适合小批零件和试制品的生产加工，加工周期短，应用灵活。电火花线切割机床的分类慢走丝电火花线切割机床三、电解加工1.电解加工原理电解加工(ElectrochemicalMachining，简称ECM)是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学腐蚀原理，将工件加工成形的，所以又称电化学加工。电解加工(ECM)（如图12-4（a）），即工件阳极失去电子而工具阴极得到电子，使工件阳极表面金属迅速溶解。随着工具阴极连续缓慢向工件阳极送进，工件则不断地按工具轮廓形状溶解(如图12-4（b）)，电解腐蚀物被高速流动的电解液冲走，最终工具的形状就“复印”在工件上。图12-4电解加工2.工艺特点及应用电解加工对工件材料的适应性强，不受强度、硬度、韧性的限制，可以加工淬火钢、硬质合金、不锈钢和耐热合金等高强度、高硬度和高韧性的导电材料；加工过程中无机械力，加工表面不会产生应力、应变，也没有飞边毛刺，故表面质量好。电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用较广的一种新工艺。其主要应用表现在几个方面。①电解穿孔加工，它可以方便地加工深孔、弯孔、狭孔和各种型孔(如图12-5（a))

②电解型腔加工，生产中大多数模具的型腔形状复杂、工作条件恶劣、损耗严重，所以常用硬度、强度高的材料制成，此时若采用电火花加工，虽加工精度容易控制，但生产率较低。近年来，对于加工精度要求不太高的矿山机械、汽车、拖拉机所需锻模的型腔常采用电解加工（如图12-5（c）。③电解成形加工的典型实例有汽轮机叶片、传动轴与叶片一体（如图12-5（e）的叶轮等。④电解加工还常用于切割、套料（如图12-l4（b）、（d））以及深孔的扩孔和抛光等。四、超声加工1.超声加工原理超声加工(UltrasonicMachining，简称USM)有时也称超声波加工。超声波是指频率超过16000Hz的振动波(入耳能感受到的声波的频率为16Hz～16000Hz)。超声波加工是将工件置于有磨料的悬浮液中，利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种成形方法，加工原理如图12-6所示。图12-6超声波加工示意图2.工艺特点及应用超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其适宜加工用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料，如宝石、玛瑙、金刚石、玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料；(如图12-7所示)。此外，超声加工还常用于焊接和清洗中。图五、激光加工1.激光加工原理激光是激光器发射出的光束。激光也是一种光，除了具有一般光(如太阳光、灯光)的共性(如反射、折射等)还具有自身的特性。激光加工是用激光为热源，对材料进行热加工。激光的主要特性之一是可以通过聚焦产生巨大的功率密度(105W／cm2～1013W／cm2)，焦点处温度高达1万度以上。激光加工(LaserBeamMachining，简称LBM)正是利用了该特性，将高能激光束照射在工件的被加工处(图12-8)来完成加工的。其加工过程如下图所示：图图12-8激光加工原理示意图图2.工艺特点及应用自20世纪60年代初，世界上发明了第一台红宝石激光器以来，激光加工逐渐成为机械加工中最有竞争力的重要加工方法之一。激光加工在制造业中的应用主要有以下几种。①激光打孔，利用激光几乎可以在任何材料上打微型小孔，最典型的应用实例是金刚石拉丝模孔、钟表上宝石轴承孔、化学纤维喷丝头的小喷孔、火箭及柴油发动机的喷油嘴孔等的加工。激光打孔加工效率很高，在直径为Ф100mm的喷丝板上，用数控激光加工只要2h～3h就能打出1万多个直径为Ф0.06mm的小孔。在金刚石拉丝模上用机械方法打孔所需24h完成的工作，用激光打孔只需2s，提高工效43200倍。适用于自动化和流水作业线生产。图②激光切割，激光是一种高质量、高速度切割的有效工具。激光切割加工原理与激光打孔相同，是一种热切割方法，其切缝窄(0.1mm～0.5mm)，热影响区小。③激光表面强化处理，这是一项新的表面处理技术，通过对金属制品表面的强化，可以显著地提高材料的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品质量和附加值，成倍延长产品寿命和降低生产成本，取得巨大的经济效益。。④激光焊接，它是利用激光束“轰击”焊件所产生的热量进行焊接的一种熔焊方法。焊接所需加热时间(即激光照射时间)极短，约为1／100秒左右。焊接过程迅速，热影响区小，焊缝质量高。第二节工业机器人工业机器人诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。一、机器人的定义及分类1984年末著名科学家钱学森指出：“所谓机器人，就是指那些有特定功能的自动机，它是机电一体化的，具有人工智能因素的80年代高技术，是新技术革命的重要内容之一。”这是最有权威和精辟归纳的定义，也为20年来的实践所证实其远见卓识。根据机器人的不同用途，可分为工业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人等多种类型。机械制造自动化生产线上常用的机器人主要是工业机器人，如焊接机器人、装配机器人、搬运机器人等。汽车装配机器人

空间机器人

水下扫雷机器人

侦察机器人

保安机器人

娱乐机器人

导游机器人

二、工业机器人1.工业机器人的定义

全世界对“机器人”这个术语有各种各样的定义。由美国工业机器人学会提供的定义是：工业机器人是一种可以重复编程的多功能机械手，主要用来搬运材料、传送工件和操作工具；也可以说它是一种可以通过改变动作和程序来完成各种工作的特殊装置。ISO曾于1987年对工业机器人给出定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”，日本工业标准(JIS)采用此定义。ISO的定义也与美国工业机器人学会(RIA)的定义相近。其实工业机器人也是一类机器人的总称。依具体应用的不同以其主要用途命名。例如到现在为止应用最多的焊接机器人，包括点焊和电弧焊机器人，装配机器人，喷漆机器人，搬运、上下料、码垛机器人等等。2.工业机器人的组成图12-9工业机器人基本组成框图目前使用的工业机器人多用于代替人上肢的部分功能，按给定程序、轨迹和要求，实现自动抓取、搬运和操作。工业机器人由两大部分组成：一部分是机器人的执行机构，也称为机器人操作机，它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制器，它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。图12-9是工业机器人的基本组成框图。图12-10是一个工业机器人作业系统的示意图，这个系统主要的组成部分有。(1)执行系统。①手部。②腕部。③臂部。④立柱用来支撑并带动臂部作回转、升降和俯仰运动，扩大臂部的活动范围，是机器人的基本支撑件。⑤行走机构的作用是可以扩大机器人的活动空间，实现整机运动。（a）系统外形（b）结构示意图控制系统机器人操作机周边设备行走系统机座机身手臂臂部腕部驱动系统图12-10工业机器人作业系统（2）驱动系统。它是用来为操作机及各部件提供动力和运动的装置。（3)控制系统。它是用来控制驱动系统，使执行系统按照预定的要求进行工作。(4)检测机构。它是利用各种检测器、传感器对执行机构的位置、速度、方向、作用力及温度等进行监视和检测，并反馈给控制系统以判断运动是否符合要求。(5)周边设备。这里泛指工业机器人执行任务所能到达的工作环境，协助机器人完成工作任务，或者对机器人正常工作产生影响的各种设备。控制系统是机器人的关键和核心部分，它类似于人的大脑，控制着机器人的全部功能。机器人的控制系统需要完成以下四件事情：（1)告诉机器人要做什么。（2)机器人接受命令，形成作业过程的控制策略。（3)完成作业任务。（4)保证正确完成作业，并通报作业已经完成。3.工业机器人的控制原理图12-11机器人控制的基本原理图

4.工业机器人的分类以下六种方法中任意一种均可作为工业机器人分类的标准：(1)手臂的几何形状，(2)驱动方式，(3)控制系统，(4)运动轨迹，(5)用途，(6)智能化程度。表12-1是控制系统对工业机器人进行分类。图12-12是机器人手臂动作形态分类的。（a）圆柱坐标型（b）球坐标型（c）直角坐标型普通型仿人型（d）关节型机器人连杆型上臂肘图12-12机器人分类示意图

5.工业机器人语言及编程人们心目中理想的机器人应该能像人一样自主地进行运动，但机器人是机器，而不是人。工业机器人和计算机一样，只能做预先告之的工作，即人是通过程序来告诉机器人该做什么和怎么做，这和计算机编制程序的概念是一致的。

早期的机器人编程是人通过手把手地示教方式进行的，示教时用多通道记录仪记录下机器人各个关节的运动(角度、速度、力矩)信号，然后将信号输给机器人让它重复(即再现)与各个关节运动相同的运动。这个过程很像用摄像机摄像后再重放的过程。这种方式在机器人术语中叫做示教再现(teachingplay-back)。后来，一种用来描述机器人运动的形式语言出现了，这就是机器人语言(robotlanguage)。

6.工业机器人的应用美国从20世纪50年代后期就大力开发工业机器人。机器人广泛使用的主要原因是：将操作人员从肮脏、危险和单调的工作中解放出来，且使用安全；提高劳动生产率，节省材料和能源，从而降低成本；提高产品的一致性和可靠性，促进产业的自动化，使之获得良好的经济效益和环保效果。焊接系统机器人图12-13典型弧焊机器人

图12-14电动喷涂机器人第三节塑料成形

1.注射成型注射成型是使热塑性或热固性模塑料先在加热料筒中均匀塑化，而后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法（如图12-15所示）。其工艺过程是粉状或粒状的塑料原料经料斗流入料筒，并在其内加热至熔融状态。前面