制造自動化技術(shù)

1、1本章要點制造自動化技術(shù)的發(fā)展精密加工與超精密加工非傳統(tǒng)加工方法先進制造技術(shù)23 表1-1 三種自動化形式比較比較項目剛性自動化柔性自動化綜合自動化實現(xiàn)目標(biāo) 減輕工人勞動強度，節(jié)省勞動力，保證加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本 減輕工人勞動強度，節(jié)省勞動力，保證加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品制造周期 除左外，提高設(shè)計工作與管理工作效率和質(zhì)量，提高對市場的響應(yīng)能力控制對象物流物流物流，信息流特點 通過機、電、液氣等硬件控制方式實現(xiàn)，因而是剛性的，變動困難 以硬件為基礎(chǔ)，以軟件為支持，改變程序即可實現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)變，因而是柔性的 不僅針對具體操作和工人的體力勞動，而且涉及腦力勞動以及設(shè)計、經(jīng)營管理等各方面典型系

2、統(tǒng)與裝備 自動機床、組合機床，機械手，自動生產(chǎn)線 NC機床，加工中心，工業(yè)機器人，DNC，F(xiàn)MC，F(xiàn)MS CAD/CAM系統(tǒng)，MRP，CIMS應(yīng)用范圍大批大量生產(chǎn)多品種、中小批量生產(chǎn)各種生產(chǎn)類型關(guān)鍵技術(shù) 繼電器程序控制技術(shù)，經(jīng)典控制論 數(shù)控技術(shù)，計算機控制，GT，現(xiàn)代控制論 系統(tǒng)工程，信息技術(shù)，計算機技術(shù)，管理技術(shù)4 圖7-1 汽車后橋齒輪箱加工自動線剛性自動化20年代5 柔性自動化50年代圖7-2 焊接機器人綜合自動化70年代圖7-3 綜合自動化6123LCTTBQTBTT （7-1）式中 TTLC 生產(chǎn)某種產(chǎn)品所需總時間； B 批數(shù)； Q 批量； T1 單件工時； T2 每批產(chǎn)品所需生產(chǎn)準(zhǔn)

3、備時間（包括原材料訂 貨時間，制定生產(chǎn)計劃時間，工藝裝備調(diào)整 時間 ）； T3 每種產(chǎn)品所需設(shè)計及生產(chǎn)準(zhǔn)備時間（產(chǎn)品設(shè) 計，工藝設(shè)計，工藝裝備設(shè)計與制造）。7321LCTTTTQBQ（7-2）式中 TLC 生產(chǎn)每件產(chǎn)品所需平均時間 式（1-2）即為 Groover 產(chǎn)品壽命周期模型 TLC 是一個綜合指標(biāo)，減小 TLC 常被作為生產(chǎn)活動追求的目標(biāo)式（1-1）兩邊除以 BQ ，得到：剛性自動化：著眼降低 T1柔性自動化：著眼降低 T1 和T2（部分）綜合自動化：同時減小 T1、T2 、T3，特別是 T2 和 T3 ，因而在多品種、中小批量生產(chǎn)中具有重要意義8本節(jié)僅討論中小批量生產(chǎn)中廣泛使用的柔性

4、制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing SystemFMS） q 柔性制造系統(tǒng)的組成 圖7-4 FMS的組成自動倉庫工廠計算機中央計算機物流控制計算機運輸小車加工單元1加工單元2加工單元n信 息 傳 輸 網(wǎng) 絡(luò)工夾具站9q 加工單元CNC（MC）機床工作臺架（暫存工件）機器人或托盤交換裝置檢測、監(jiān)控裝置設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測（圖7-5） 傳感器群信號采集預(yù)處理特征提取狀態(tài)識別診斷決策預(yù)維修決策監(jiān)控檢測報告正常狀態(tài)模式預(yù)診斷知識庫預(yù)維修知識庫學(xué)習(xí)訓(xùn)練匹配狀態(tài)異常報警預(yù)知故障報警輸出圖7-5 設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測框圖10鉆頭破損檢測器內(nèi)存有以往采集的鉆頭破損的信號或鉆頭破損模擬信

5、號，與檢測信號進行比較。當(dāng)鉆頭破損被確認(rèn)后，發(fā)出換刀信號。加工過程監(jiān)控與檢測重點是刀具磨損、破損監(jiān)控與檢測。圖7-6為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置示意圖。加工過程中，一旦鉆頭破損，聲發(fā)射傳感器檢測到鉆頭破損信號，將其送至鉆頭破損檢測器進行處理。鉆頭破損檢測器圖7-6 聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號11q 物料傳輸系統(tǒng)又稱立體倉庫或自動化倉庫系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高層料架 、堆垛機、控制計算機和物料識別裝置等組成。具有自動化程度高、料位空間尺寸和額定存放重量大、料位總數(shù)可根據(jù)實際需

6、求擴展、占地面積小等優(yōu)點。 自動倉庫（圖7-7）圖7-7 自動倉庫運輸小車出入庫裝卸站堆垛機料架12 傳輸裝置 滾式鏈?zhǔn)剑▊魉蛶в捎谌嵝圆?，目前較少使用）帶式有軌無軌（AGV）固定路線隨機路線電磁式（圖7-8）光電式（圖7-9）傳送帶運輸小車機器人固定式機器人行走式機器人13轉(zhuǎn)向舵比較放大電路信號拾取線圈引導(dǎo)電纜圖7-8 電磁引導(dǎo)原理在地面上埋設(shè)引導(dǎo)電纜，并通以510kHz的低壓電流。小車上裝有對稱的一組信號拾取線圈。當(dāng)小車偏向右方時，右方的感應(yīng)信號減弱，左方的增強，控制器根據(jù)這些信號的強弱，控制小車的舵輪。電磁導(dǎo)向方式原理（圖7-8）14沿小車預(yù)定路徑在地面上粘貼易反光的反光帶（鋁帶或尼龍帶

7、），小車上裝有發(fā)光器和受光器。發(fā)出的光經(jīng)反光帶反射后由受光器接受，并將該光信號轉(zhuǎn)換成電信號控制小車的舵輪。 光學(xué)引導(dǎo)方式原理（圖7-9）信號孔感光元件光道光源反光帶圖7-9 光學(xué)引導(dǎo)原理15切屑處理系統(tǒng)斷屑 加工部位封閉排屑 機床、工夾具設(shè)計要便于排屑 冷卻液沖，或壓縮空氣吹切屑輸送（通常采用地下輸送管道）切屑再處理（打包）16工廠計算機：制定、修改、更新生產(chǎn)（作業(yè)）計劃； 對中央計算機和物流計算機進行控制。單元控制器：監(jiān)視與控制機床加工、檢測、上下料 物流計算機：根據(jù)工廠計算機制定的作業(yè)計劃對自動倉 庫、堆垛機、緩沖站、運輸小車等進行監(jiān) 視與控制。中央計算機：根據(jù)工廠計算機制定的作業(yè)計劃對各

8、加工 單元進行監(jiān)視與控制。信息傳輸網(wǎng)絡(luò)：在控制計算機與單元控制器之間進行信 息傳遞。q 計算機控制系統(tǒng)17 JCS-FMS-1控制級結(jié)構(gòu)中央管理計算機FM-11AD2+物流控制計算機局域網(wǎng)絡(luò)LAN文件庫自動編程機單元控制機CNC車床CNC磨床單元控制機立式MC臥式MC單元控制機CNC車床管理級單元級設(shè)備級18q FMS特點除毛坯準(zhǔn)備與毛坯安裝外全部自動化可在不停機的條件下實現(xiàn)加工工件的自動轉(zhuǎn)換24小時運行，只一班有人生產(chǎn)零件的品種由4至100種不等（2030種居多）生產(chǎn)零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工對象為相似零件（個別例外）可加工多種零件沒有固定的生產(chǎn)節(jié)拍故障可

9、容（一臺機床出現(xiàn)故障，其它機床可進行擬補）可自動實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的計劃、調(diào)度19q FMS應(yīng)用品種圖7-11 零件品種、批量與自動化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS數(shù)控機床通用機床剛性線生產(chǎn)柔性產(chǎn)量20圖7-12 飛機零件加工FMS（ Cincinnati ）1裝卸站 2運輸小車 3MC 4切屑處理站 5清洗站 6檢測站 7手工檢測站 8計算機室 9 小車維修站 10 包裝站q FMS實例（1）21沖床圖7-13 沖壓FMSq FMS實例（2）22q 自動檢測內(nèi)容 q 自動檢測系統(tǒng)q 自動檢測傳感技術(shù)q “十分之一” 與“三分之一”原則23

10、PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMANPROCAUTINSPMAN反饋信號PROCAUTINSPMANSORTAUT分類指令q 離線與在線檢測24q 坐標(biāo)測量機a） b） c） d）圖7-15 坐標(biāo)測量機的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式25 操作控制 編程方法 26 可完成測量項目 表7-2 坐標(biāo)測量機可完成的測量項目可完成的測量項目測量原理尺寸孔徑與孔中心線坐標(biāo)圓柱體軸心線與直徑球心坐標(biāo)與球面半徑平面度兩平面夾角兩平面的平行度兩條線的交點與交角由兩個給定面坐標(biāo)的差值確定尺寸測量孔上3點，計算確定孔徑與孔中心線坐標(biāo)測量圓柱面上3點，計算確定軸心線與直徑測量球面上4點，計算確定球心坐標(biāo)與球面

11、半徑用3點接觸法測定，與理想平面比較確定平面度按平面上3個觸點最小值規(guī)定平面，再計算夾角根據(jù)兩平面交角確定平行度先確定兩線夾角，再測定交點27 實物照片 2829精密加工 在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到較高程度的加工工藝。 超精密加工 在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到最高程度的加工工藝。瓦特改進蒸汽機 鏜孔精度 1mm 20 世紀(jì) 40 年代 最高精度 1m 20 世紀(jì) 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亞微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（納米加工）微細加工 微小尺寸的精密加工 超微細加工 微小尺寸的超精密加工30 零件 加 工 精 度 表面

12、粗糙度 激光光學(xué)零件 形狀誤差 0.1m Ra 0.010.05m 多面鏡 平面度誤差 0.04m Ra 0.02m 磁頭 平面度誤差 0.04m Ra 0.02m 磁盤 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷達導(dǎo)波管 平面度垂直度誤差 0.1m Ra 0.02m 衛(wèi)星儀表軸承 圓柱度誤差 0.01m Ra 0.002m 天體望遠鏡 形狀誤差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 幾種典型精密零件的加工精度 幾種典型精密零件的加工精度（表7-3）精密加工與超精密加工的發(fā)展（圖7-17）31圖7-17 精密加工與超精密加工的發(fā)展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加

13、工超高精密磨床超精密研磨機離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動測微儀光學(xué)比較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份32精密與超精密加工技術(shù)是一個國家制造業(yè)水平重要標(biāo)志例：美國哈勃望遠鏡形狀精度0.01m；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1m，日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達2nm精密加工與超精密加工技術(shù)是先進制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵例：美國陀螺儀球圓度0.1m，粗糙

14、度Ra0.01m，導(dǎo)彈命中精度控制在50m范圍內(nèi)；英國飛機發(fā)電機轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60m降至12m，發(fā)電機壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4m減小1m，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍精密加工與超精密加工技術(shù)是新技術(shù)的生長點精密與超精密加工技術(shù)涉及多種基礎(chǔ)學(xué)科和多種新興技術(shù)，其發(fā)展無疑會帶動和促進這些相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展q 精密與超精密加工地位33結(jié)合加工 分類 加工機理 加工方法示例去除加工電物理加工 電火花加工（電火花成形，電火花線切割）電化學(xué)加工 電解加工、蝕刻、化學(xué)機械拋光力學(xué)加工 切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工熱蒸發(fā)（擴散、溶解） 電子束加工、激光加工附著加工注入加

15、工化學(xué) 化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積電化學(xué) 電鍍、電鑄熱熔化 真空蒸鍍、熔化鍍化學(xué) 氧化、氮化、活性化學(xué)反映電化學(xué) 陽極氧化熱熔化 摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長力物理 離子注入、離子束外延連續(xù)加工熱物理 激光焊接、快速成形化學(xué) 化學(xué)粘接變形加工熱流動 精密鍛造、電子束流動加工、激光流動加工粘滯流動 精密鑄造、壓鑄、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密與超精密加工分類34?！斑M化”加工原則背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒內(nèi)進行，與傳統(tǒng)切削機理完全不同。微量切削機理特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)用越來越多傳統(tǒng)切削與磨削方法存在加工精度極限，超越極限需采用新的方法。q 精密與超精密加工特點35要達到加工要求，需綜合

16、考慮工件材料、加工方法、加工設(shè)備與工具、測試手段、工作環(huán)境等諸多因素，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，難度較大。形成綜合制造工藝廣泛采用計算機控制、適應(yīng)控制、再線檢測與誤差補償技術(shù)，以減小人的因素影響，保證加工質(zhì)量。與自動化技術(shù)聯(lián)系緊密精密與超精密加工設(shè)備造價高，難成系列。常常針對某一特定產(chǎn)品設(shè)計（如加工直徑3m射電天文望遠鏡的超精密車床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工設(shè)備）。與高新技術(shù)產(chǎn)品緊密結(jié)合加工與檢測一體化精密檢測是精密與超精密加工的必要條件，并常常成為精密與超精密加工的關(guān)鍵。36波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等應(yīng)用機理、特點37加工設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)圖7

17、-18 Moore金剛石車床回轉(zhuǎn)工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機空氣墊刀具夾持器38車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺（Z軸）上?？山鉀Q兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。 圖7-19 T形布局的金剛石車床X軸滑臺主軸刀架光路護罩基座z軸滑臺周緣護板T形布局（圖7-19）39金剛石車床主要性能指標(biāo)（表7-5）數(shù)控系統(tǒng)分辯率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度 /mm最高轉(zhuǎn)速

18、 r/mm最大進給速度mm /min重復(fù)精度(2) / m主軸徑向圓跳動 / m滑臺運動的直線度 / m主軸前靜壓軸承（100mm）的剛度 /（N/m）主軸后靜壓軸承（80mm）的剛度 /（N/m）縱橫滑臺的靜壓支承剛度 /（N/m）表7-5 金剛石車床主要性能指標(biāo)主軸軸向圓跳動 / m橫滑臺對主軸的垂直度 / m40金剛石刀具a）4 次對稱軸和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次對稱軸和（110）晶面c）3 次對稱軸和（111）晶面圖7-20 八面體的晶軸和鏡晶面41金剛石晶體的（111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好。（100）與（110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；

19、（111）面網(wǎng)的面間距一寬一窄（圖7-21）圖7-21 （111）面網(wǎng)C原子分布和解理劈開面劈開面在距離大的（111）面之間，只需擊破一個共價鍵就可以劈開，而在距離小的（111）面之間，則需擊破三個共價鍵才能劈開。在兩個相鄰的加強（111）面之間劈開，可得到很平的劈開面，稱之為“解理”。42單晶金剛石456.46.412AA66A-A35RR=1.6 4.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000圖7-22 金剛石刀具角度43金剛石車床加工4.5mm陶瓷球圖7-23 金剛石車床及其加工照片44砂輪材料：金剛石，立方氮化硼（CBN）特點：砂輪修整：45進給圖7

20、-24 ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結(jié)合劑）冷卻液冷卻液電刷ELID（Electrolytic In-Process Dressing）46塑性（延性）磨削 47接觸輪硬磁盤裝在主軸真空吸盤上圖7-25 砂帶磨削示意圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進給f-徑向振動精密與超精密砂帶磨削4849幾種常見砂帶磨削方式（圖7-27）圖7-27 幾種砂帶磨削形式a）砂帶無心外圓磨削（導(dǎo)輪式） 工件導(dǎo)輪接觸輪 主動輪砂帶工件 接觸輪主動輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）c）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）工件接觸輪主動輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削（回轉(zhuǎn)式）工件支承板主動輪砂帶工作臺e）砂帶平

21、面磨削（支承板式）f）砂帶平面磨削（支承輪式）支承輪工件砂帶接觸輪50砂帶磨削特點1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（ Ra 值可達 0.02m）。 3）強力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。 4）制作簡單，價格低廉，使用方便。5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶圖7-28 靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（圖7-28），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。51工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉(磨粒)圖7-29 彈性發(fā)射加工原理拋光輪與工件表面形成小間隙，中間置拋光液，靠

22、拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料的“彈性發(fā)射”進行加工。游離磨料加工52拋光工具圖7-30 液體動力拋光小間隙工件工具運動方向拋光液磨粒拋光工具活性拋光液圖7-31 機械化學(xué)拋光小間隙工件工具運動方向加壓53q 激光測量54受射透鏡平行光管透鏡邊緣傳感閘門電路計數(shù)器顯示圖震蕩器伺服系統(tǒng)掃描鏡工件測定區(qū)光檢測器激光發(fā)生器采用平行光管透鏡將激光準(zhǔn)確地調(diào)整到多角形旋轉(zhuǎn)掃描鏡上聚焦。通過激光掃描被測工件兩端，根據(jù)掃描鏡旋轉(zhuǎn)角、掃描鏡旋轉(zhuǎn)速度，透鏡焦距等數(shù)據(jù)計算出被測工件的尺寸。 圖7-32 激光掃描尺寸計量系統(tǒng)激光高速掃描尺寸計量系統(tǒng)（圖7-32）55雙頻激光測量（圖7-33）固定反射棱鏡圖7-33 雙頻激光測

23、量系統(tǒng)原理圖干涉測量儀f2 +f2f1氦氖激光器軸向強磁場NS1/4波片分光鏡透鏡組f1 f2f1 f2移動反射棱鏡f2f2 +f2偏振分光鏡f1f1ff +f2由于移動反射棱鏡隨被測件移動，頻率f2變成 f2f2 。兩路反射回來的光經(jīng)偏振分光鏡匯合一起，再經(jīng)反射鏡和干涉測量儀獲得拍頻信號，其頻率為：f1（ f2 f2 ）= f + f2 經(jīng)分光鏡，折射一小部分，經(jīng)干涉測量儀獲得拍頻f（= f1 f2）的參考信號。大部分激光到偏振分光鏡：垂直線偏振光f1被反射，再經(jīng)固定反射棱鏡反射回來；水平線偏振光 f2全部透射，再經(jīng)移動反射棱鏡反射回來。該信號與參考信號比較， 獲得f2 的具有長度單位當(dāng)量的

24、電信號。由于使用頻率差f 進行測量，使其不受環(huán)境變化影響，可獲得高的測量精度和測量穩(wěn)定性。氦氖激光器發(fā)出的激光，在軸向強磁場作用下，產(chǎn)生頻率 f1和f2旋向相反的圓偏振光，經(jīng)1/4波片形成頻率f1的垂直線偏振光和頻率f2的水平線偏振光。經(jīng)透鏡組成平行光束。56圖7-34 雙頻激光測量系統(tǒng)57要求：1 0.01 實現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）要求：相對濕度35%45%，波動10% 1% 實現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) 要求：10000100級（100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5m塵埃個數(shù)不超過100） 實現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入潔凈空氣要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動

25、干擾 實現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器 q 精密與超精密加工環(huán)境5859熱流動加工（火焰，高頻，熱射線，激光）壓鑄，擠壓，噴射，澆注微離子流動加工熱表面流動粘滯性流動摩擦流動變形加工(流動加工)化學(xué)鍍，氣相鍍（電鍍，電鑄）氧化，氮化（陽極氧化）（真空）蒸鍍，晶體增長，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳，（侵鍍，熔化鍍）濺射沉積，離子沉積（離子鍍）離子濺射注入加工化學(xué)(電化學(xué))附著化學(xué)(電化學(xué))結(jié)合熱附著擴散(熔化)結(jié)合物理結(jié)合注入結(jié)合加工(附著加工)車削，銑削，鉆削，磨削蝕刻，化學(xué)拋光，機械化學(xué)拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴散去除加工，熔化去除加工離子束濺射去除加

26、工，等離子體加工機械去除化學(xué)分解電解蒸發(fā)擴散與熔化濺射分離加工(去除加工)加工方法加工機理表7-6 微細與超微細加工機理與加工方法60主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面。刀具：多用單晶金剛石 車 刀 、 銑 刀 （ 圖 7 -35）。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑（可小到5m）靠刀尖相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。圖7-35 單晶金剛石銑刀刀頭形狀61微細機械加工設(shè)備FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工機床（圖7-36） 62BX導(dǎo)軌B軸回轉(zhuǎn)工作臺空氣渦輪主軸刀具C軸回轉(zhuǎn)工作臺工件Z導(dǎo)軌空氣油減振器C C圖7-36 FAN

27、UC 微型超精密加工機床63直接線性驅(qū)動（直線電機驅(qū)動）64圖7-37 電磁驅(qū)動裝置（直線電機）工作原理逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件加勵磁電壓，伸長逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2加勵磁，夾緊電磁鐵1去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件去掉勵磁電壓，恢復(fù)原長，電磁鐵1移動 逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵加勵磁，夾緊65圖7-38 直線電機驅(qū)動定位平臺(YOKOGAWA公司） 66表7-7 直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較 性 能 伺服電機滾珠絲杠 直線驅(qū)動 定位精度(m/300mm) 510 0.51

28、.0 重復(fù)定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 壽命(h) 600010000 5000067電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以510mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸（圖7-39）。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運動，還可加工出各種形狀的桿件（圖7-40 ）。線放電磨削法（WEDG）圖7-40 WEDG 可加工的各種截形桿圖7-39 WEDG工作原理工件金屬絲導(dǎo)絲器68離子束4. 刻蝕（形成溝槽）5. 沉積（形成電路）6. 剝膜（去除光致抗蝕劑）3. 顯影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或掃描）掩膜電子束圖7-41

29、電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）1. 涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片69要求：定位精度 0.1m，重復(fù)定位精度 0.01m導(dǎo)軌：硬質(zhì)合金滾動體導(dǎo)軌，或液（氣）靜壓導(dǎo)軌工作臺：粗動 伺服電機 + 滾珠絲杠 微動 壓電晶體電致伸縮機構(gòu)圖7-42 電致伸縮微動工作臺XY0Py1Py2Px微動工作臺工作臺微動的形成：X運動： Py1 Py2 Px長度變化Y運動： Py1 Py2 Py1長度變化Z轉(zhuǎn)動： Py1 Py2 加工設(shè)備（電子束光刻大規(guī)模集成電路）70利用氬（Ar）離子或其它帶有 10keV 數(shù)量級動能的惰性氣體離子，在電場中加速，以極高速度“轟擊”工

30、件表面，進行“濺射”加工。圖7-43 離子碰撞過程模型被排斥Ar離子回彈濺射原子位移原子格點間停留離子一次濺射原子Ar離子二次濺射原子Ar離子格點置換離子位移原子工件表面工件真空71將被加速的離子聚焦成細束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。離子束濺射去除加工四種工作方式惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動裝置工件三坐標(biāo)工作臺圖7-44 離子束去除加工裝置加工裝置見圖2-26。三坐標(biāo)工作臺可實現(xiàn)三坐標(biāo)直線運動，擺動裝置可實現(xiàn)繞水平軸的擺動和繞垂直軸的轉(zhuǎn)動。72離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形（需要5坐標(biāo)運

31、動），金剛石刀具和沖頭的刃磨（圖7-45），大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。圖7-45 離子束加工金剛石制品離子束離子束r = 0.01m預(yù)加工終加工a) 金剛石壓頭r = 0.01m離子束離子束預(yù)加工終加工b) 金剛石刀具離子束濺射去除加工可加工金屬和非金屬材料。73離子束濺射鍍膜加工用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”（圖7-46）離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空圖7-46 離子束濺射鍍膜加工離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。由于濺射出來的原子和分子有相當(dāng)大的動能，故鍍膜

32、附著力極強（與蒸鍍、電鍍相比）。74用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質(zhì)?？捎糜诎雽?dǎo)體摻雜（在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。離子束濺射注入加工離子束曝光用在大規(guī)模集成電路制作中，與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。75通常指納米級（0.1nm100nm）的材料、設(shè)計、制造、測量和控制技術(shù)。納米技術(shù)涉及機械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。在達到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效

33、應(yīng)、波動特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容76q 掃描隧道顯微測量（STM）A77STM圖7- 48 STM工作過程演示圖7- 47 STM實物照片 78通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣 石墨三維圖像 圖7- 49 用STM移動分子組成的IBM字樣圖7- 50 用STM觀察石墨原子排列7924212220 kbaeUdkhej式中 h 普郎克常數(shù)； e 電子電量； ka，k0 系數(shù)。12d試件STM探針Ub圖7-51 STM隧道結(jié)80兩種測量模式（2）恒電流測量模式（圖7-52b）：探針在試件表面掃描，使用反饋電路驅(qū)動探針，使探針與試

34、件表面之間距離（隧道間隙）不變。此時探針移動直接描繪了試件表面形貌。此種測量模式隧道電流對隧道間隙的敏感性轉(zhuǎn)移到反饋電路驅(qū)動電壓與位移之間的關(guān)系上，避免了非線性，提高了測量精度和測量范圍。b）試件輸出運動軌跡驅(qū)動電路掃描器檢測電路控制器圖7-52 STM工作原理掃描器檢測電路a）輸出試件運動軌跡（1）等高測量模式（圖7-52a）：探針以不變高度在試件表面掃描，隧道電流隨試件表面起伏而變化，從而得到試件表面形貌信息。81關(guān)鍵技術(shù)：（1）STM探針金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10nm左右。圖7-53 STM針尖82（2）隧道電流反饋控制（圖7-54）計算機差分比較

35、積分放大比例放大高壓放大A/DXYZ控制信號設(shè)定電壓前置放大對數(shù)放大（線性化）探針壓電陶瓷試件圖7-54 隧道電流反饋控制系統(tǒng)原理框圖D/A83（3）納米級掃描運動壓電陶瓷掃描管（圖7-55）（4）信號采集與數(shù)據(jù)處理由軟件完成。XZ陶瓷管金屬膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）圖7-55 壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)陶瓷管內(nèi)壁接地，X軸兩外壁電極電壓相反時，陶瓷管一側(cè)伸長，另一側(cè)縮短，形成 X 方 向 掃 描 ( 圖 7 -55b ) 。若兩外壁電極電壓相同，則陶瓷管伸長或縮短，形成Z方向位移。壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)見圖7-55 a ，其工作原理見圖7-55b。84原子力顯微鏡（AFM）

36、A接觸式非接觸式85AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面，原子排斥力將探針微微抬起。達到力平衡。 AFM探針掃描時，因微力簧片壓力基本不變，探針隨被測表面起伏。 STM驅(qū)動AFM掃描驅(qū)動AFM探針STM探針試件微力簧片圖7-56 AFM結(jié)構(gòu)簡圖在簧片上方安裝STM探針， STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流，若控制電流不變，則STM探針與AFM探針（微力簧片）同步位移，于是可測出試件表面微觀形貌。86圖7-57 AFM實物照片掃描探針磁盤圖像87 1）以同步加速器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體； 2）用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具，生成鑄

37、型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。X射線曝光腐蝕溶解抗蝕劑電鑄鑄型注射成形零件圖7-58 LIGA制作零件過程 LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個主要工序（圖7-58）：88圖7-59 LIGA工作現(xiàn)場89 50 m 圖7-60 X射線刻蝕的三維實體LIGA特點LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用909192q 非傳統(tǒng)加工方法特點93機械過程q 非傳統(tǒng)加工方法分類按加工機理和采用的能源劃分）熱學(xué)過程電化學(xué)過程化學(xué)過程94復(fù)合過程工件（陶瓷滾柱）磁性材料磁極振動運動圖7-61 磁力拋光示意圖NS95q 發(fā)展趨勢圖7-62 EI 收錄文章數(shù)比較70年代80年代9

38、0年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 電火花加工 超聲加工 電化學(xué)加工圖7-62反映了學(xué)術(shù)界和工程界對幾種非傳統(tǒng)加工方法的關(guān)注程度。96q 工作原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫，工件材料被熔化和氣化。同時，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產(chǎn)生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去（圖7-63）。 4個階段： 1）介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道； 2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹； 3）拋出蝕除物； 4）間隙介質(zhì)消電離（恢復(fù)絕緣狀態(tài)）。 圖7-63 電火花加

39、工原理圖進給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液Real97圖7-64 電火花加工機床98q 工作要素99q 電火花加工類型圖7-65 電火花線切割原理圖XY儲絲筒導(dǎo)輪電極絲工件RealRealReal100電火花線切割機床圖7-66 電火花線切割加工加工過程顯示101q 電火花加工特點q 電火花加工應(yīng)用102工作原理：工件接陽極，工具（銅或不銹鋼）接陰極，兩極間加直流電壓624V，極間保持0.11mm間隙。在間隙處通以 660m/S高速流動電解液，形成極間導(dǎo)電通路，工件表面材料不斷溶解，溶解物及時被電解液沖走。工具陰極不斷進給，保持極間間隙。 圖7-67 電解加工原理圖電解液直流電

40、源泵工件陽極陰極進給工具陰極103q 電解加工特點q 電解加工應(yīng)用104 導(dǎo)電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽極膜q 電解磨削（圖7-68）105圖7-69 電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺工作原理（圖7-69）106q 特點及應(yīng)用107q 工作原理（圖7-70）電源Real108混合氣體：氦約80%，氮約15%， CO2 約5%通過高壓直流放電進行激勵波長10.6m，為不可見光能量效率5% 15%反射凹鏡反射平鏡電極放電管CO2氣體冷卻水進口冷卻水出口激光高壓直流電源圖7-71 CO2激光器示意圖q 激光器109q 激光加工特點110q 激光加

41、工應(yīng)用圖7-72 焦點位置對孔形狀影響Real111RealReal112圖7-74 激光焊接車身圖7-73 激光切割113q 工作原理（圖7-75） 變幅桿超聲波發(fā)生器圖7-75 超聲波加工原理圖振動方向工具換能器工作液噴嘴工件Real114圖7-76 超聲波加工機床圖7-77 超聲波加工樣件115q 超聲波加工特點及應(yīng)用116q 工作原理：q 加工裝置（圖7-78）q 噴嘴材料及工作條件（表7-11） 項目 材料 孔徑/mm 至工件距離/mm 噴射角度/ 參數(shù)金剛石，藍寶石，淬火鋼0.0750.42.550030表7-11 噴嘴材料及工作條件圖7-78 水噴射加工裝置示意圖噴嘴閥控制器蓄能

42、器供水器過濾器泵增壓器液壓裝置排水器工件射流d利用超高壓水（或水與磨料的混合液）對 工 件 進 行 切 割（或打孔），又稱高 壓 水 切 割 ， 或“水刀”。117q 工藝參數(shù)（表7-12，表7-13） 表7-12 水噴射加工常用工藝參數(shù) 工藝參數(shù) 常用值 工藝參數(shù) 常用值 壓力/MPa 70450 噴射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工藝參數(shù)、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 噴嘴孔徑/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流體壓力/M

43、Pa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切縫寬度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 幾種材料高壓水切割參數(shù)118119AMT首先由美國于20世紀(jì)80年代末提出長期以來，美國政府只對基礎(chǔ)研究、衛(wèi)生健康、國防技術(shù)等給予經(jīng)費支持，而對產(chǎn)業(yè)技術(shù)不予支持，主張產(chǎn)業(yè)技術(shù)通過市場競爭，由企業(yè)自主發(fā)展20世紀(jì)70年代，一批美國學(xué)者不斷鼓吹美國已進入“后工業(yè)化社會”，認(rèn)為制造業(yè)是“夕陽工業(yè)”，主張經(jīng)濟重心由制造業(yè)轉(zhuǎn)向高科技產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)結(jié)果：導(dǎo)致美國在經(jīng)濟上競爭

44、力下降，貿(mào)易逆差巨增，日本家電、汽車大量涌入并占領(lǐng)了美國市場。（20世紀(jì)60年代美國汽車產(chǎn)量占世界汽車總產(chǎn)量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）120 20世紀(jì)80年代,美國政府開始認(rèn)識到問題的嚴(yán)重性白宮一份報告稱“美國經(jīng)濟衰退已威脅到國家安全”MIT 的一份報告寫到“經(jīng)濟競爭歸根結(jié)底是制造技術(shù)和制造能力的競爭”，“一個國家要生活好，必須生產(chǎn)好”，表明美國知識界與政府之間取得了共識1988年,美國政府投資進行大規(guī)?！?1世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略”研究,并于其后不久提出了“先進制造技術(shù)”發(fā)展目標(biāo)，制定并實施了“先進制造技術(shù)計劃（ATP）”和“制造技術(shù)中心計劃（MTC）”1991年，白宮科學(xué)技術(shù)政策

45、辦公室發(fā)表“美國國家關(guān)鍵技術(shù)”報告，重新確立了制造業(yè)的地位121 “制造業(yè)仍是美國的經(jīng)濟基礎(chǔ)，美國曾多年是制造業(yè)的世界領(lǐng)袖，不受挑戰(zhàn)。但近十年我們的實力每況愈下，美國公司仍擅于作出新的突破，如IBM的高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，但往往不能很好地貫徹到底，即把技術(shù)既迅速又便宜地轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品和新工藝。美國企業(yè)和政府對制造技術(shù)投資不足，與其它外國競爭者相比，美國公司在整個研究開發(fā)計劃中忽視了與工藝有關(guān)的研究開發(fā)。我們也忽視了現(xiàn)有技術(shù)和訣竅的傳播，現(xiàn)在已有的新的制造技術(shù)和方法，只有少數(shù)美國公司開始采用，大部分公司仍是慢吞吞的。這個問題在雇有800萬工人的35萬家小型制造商中最為尖銳，他們往往缺乏取得這些技術(shù)的資源和

46、能力”1993年，克林頓在硅谷發(fā)表題為“促進美國經(jīng)濟增長的技術(shù) 增強經(jīng)濟實力的新方向”的演說，對制造業(yè)給予了實質(zhì)性強有力的支持。122 123 又稱“合作伙伴計劃”，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）牽頭目標(biāo)：面向 35 萬家中小企業(yè)(他們不像大企業(yè)有自己的開發(fā)能力，且資金不足)，在技術(shù)擁有者（通常為政府的研究機構(gòu)、國家實驗室、大學(xué)）與需要這些技術(shù)的中小企業(yè)之間建立合作的橋梁，使中小企業(yè)掌握先進制造技術(shù)，或使他們具有識別、選擇適用于自己企業(yè)的先進制造技術(shù)的能力方法：一個地區(qū)設(shè)立一個中心（至 95 年已建立了 30 個中心），為中小企業(yè)展示新的制造技術(shù)和設(shè)備，并進行培訓(xùn)，幫助他們選用經(jīng)費：國

47、會撥款124 125 愛國者導(dǎo)彈愛國者導(dǎo)彈126 至今尚無明確的和一致公認(rèn)的定義，通過對其特征的分析和多年的實踐，可以認(rèn)為： AMT是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭力的制造技術(shù)的總稱。要點：127 美國聯(lián)邦政府科學(xué)、工程和技術(shù)協(xié)調(diào)委員會（FCCSET）于1994年提出AMT的分類目錄，指出 “AMT 是制造技是制造技術(shù)和現(xiàn)代高技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一個完整的技術(shù)群術(shù)和現(xiàn)代高技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一個完整的技術(shù)群”。其結(jié)構(gòu)體系見圖7-79。面

48、向制造的設(shè)計技術(shù)群（產(chǎn)品和工藝設(shè)計技術(shù)群）制造工藝技術(shù)群（加工和裝配技術(shù)群）圖7-79 AMT結(jié)構(gòu)體系128 產(chǎn)品、工藝過程和工廠設(shè)計，包括： 計算機輔助設(shè)計（CAD） 適于加工和裝配的設(shè)計（DFM，DFA） 工藝過程建模和仿真 計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP） 工作環(huán)境設(shè)計 符合環(huán)保的設(shè)計 快速原型制造技術(shù)（快速原形法） 并行工程 其它主體技術(shù)群之一：面向制造的設(shè)計技術(shù)群 129 主體技術(shù)群之二：制造工藝技術(shù)群 材料生產(chǎn)工藝 加工工藝，包括： 切削加工 材料熱處理 表面涂層與改性 復(fù)合材料工藝 鑄、鍛、壓力加工、模塑成形 電子工藝（光刻/沉積、離子注入等微細加工） 連接與裝配 測試與檢驗 環(huán)保技術(shù) 維修技術(shù) 其它130 信息技術(shù) 接口和通信 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 軟件工程 決策支持系統(tǒng) 集成框架 人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)準(zhǔn)和框架 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn) 接口框架 工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢驗標(biāo)準(zhǔn) 機床和工具技術(shù) 傳感與控制技術(shù) 其它支撐技術(shù)群 指支持設(shè)計和制造工藝兩方面取得進步的基礎(chǔ)性核心技術(shù)，包括：131