先進制造技術(shù)3311

先進制造技術(shù)東北大學(xué)先進制造與自動化研究所劉永賢

第三章先進制造工藝技術(shù)（切削部分）非傳統(tǒng)加工技術(shù)快速原型制造技術(shù)虛擬成型與加工技術(shù)3．10非傳統(tǒng)加工技術(shù)3．10.1概述3.10.1．1非傳統(tǒng)加工技術(shù)內(nèi)涵、范圍及技術(shù)地位

非傳統(tǒng)加工技術(shù)，顧名思義就是一種采用不同于傳統(tǒng)切削磨削加工工藝及裝備的加工技術(shù)來進行制造成形的加工工藝及裝備的技術(shù)，目前所包括的范圍主要是特種加工、“推積”制造技術(shù)和新機構(gòu)原理加工裝備技術(shù)。

1)特種加工是將電、磁、聲、光、熱等物理能量及化學(xué)能量或其組合乃至與機械能組合直接施加在被加工的部位上，從而使材料被去除、變形及改變性能等。特種加工具有下列特點：

(1）工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；（2）可直接利用電能、電化學(xué)能、聲能或光能等能量對材料進行加工；

(3）加工過程中的機械力不明顯，工件很少產(chǎn)生機械變形和熱變形，有助于提高工件的加工精度和表面質(zhì)量；（4）各種加工方法可以有選擇地復(fù)合成新的工藝方法，使生產(chǎn)效率成倍地增長，加工精度也相應(yīng)提高；（5）幾乎每產(chǎn)生一種新的能源，就有可能產(chǎn)生一種新的特種加工方法。

特種加工方法因具有上述特點而適用于以下場合：

(1）解決各種難切削材料的加工問題，如耐熱鋼、不銹鋼、鉆合金、淬火鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、寶石、金剛石等以及諸和硅等各種高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的金屬和非金屬的加工。（2）解決各種復(fù)雜零件表面的加工問題，如各種熱鍛模、沖裁模和冷拔模的模腔和型孔、整體渦輪、噴氣渦輪機葉片、炮管內(nèi)腔線以及噴油嘴和噴絲頭的微小異形孔的加工問題。

(3）解決各種精密的、有特殊要求的零件加工問題，如航空航天、國防工業(yè)中表面質(zhì)量和精度要求都很高的陀螺儀、伺服閥以及低剛度的細長軸、薄壁筒和彈性元件等的加工。特種加工發(fā)展至今雖有50多年的歷史，但在分類方法上并無明確規(guī)定。一般按能量形式和作用原理進行劃分：

(1）電能與熱能作用方式有：電火花成形與穿孔加工（EDM）、電火花線切割加工（WEDM）、電子束加工（EBM）和等離子體加工（PAM）。

(2）電能與化學(xué)能作用方式有：電解加工（ECM）、電鑄加工（ECM）和刷鍍加工。

（3）電化學(xué)能與機械能作用方式有：電解磨削（ECG）、電解傷磨（ECH）。

（4）聲能與機械能作用方式有：超聲波加工（USM）。

（5）光能與熱能作用方式有：激光加工（LBM）。

（6）電能與機械能作用方式有：離子束加工（IM）。

(7）液流能與機械能作用方式有：水射流切割（WJC）、磨料水噴射加工（AWJC）和擠壓傷磨（AFH）。

在特種加工范圍內(nèi)還有一些屬于降低表面粗糙度和改善表面性能的工藝，前者如電解熱拋光、化學(xué)拋光、離子束拋光等；后者如電火花表面強化、鍍覆、電子束曝光、離子束注入滲雜等。

2)“堆積”制造技術(shù)指運用合并與連接的方法，把材料有序地堆積起來形成三維實體的成形方法。在制造的全過程中可把零件視為一個空間實體，由非幾何意義的“點”或“面”疊加而成，它從CAD模型中，獲取零件點、面的離散信息，把它與成形工藝參數(shù)信息結(jié)合轉(zhuǎn)換為控制成形機工作的NC（數(shù)控）代碼，控制材料有規(guī)律地精確地堆積成零件?？焖僭椭圃旒夹g(shù)（RPM）屬于典型的“堆積”制造技術(shù)理論上，“堆積”制造技術(shù)可以制造塑料、陶瓷及各種復(fù)合材料的任意形狀的零件，材料從小到大的堆積，提高了材料利用率，精度較好，可達±0.0lmm。

3)新機構(gòu)原理加工裝備技術(shù)主要指近年出現(xiàn)的采用并聯(lián)行架結(jié)構(gòu)的虛擬軸機床（VirtualAxisMachineTool）及其相關(guān)技術(shù)，國外稱為Hexapod或Stewart機床，這種機床突破了傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)機構(gòu)方案，一般以控制六個軸的長短來實現(xiàn)刀具相對于工件的加工位姿，不但提高了工藝靈活性，而且整機重量輕，剛性好，已受到國內(nèi)外重視。隨著航空航天、核能熱電以及微電子工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品向高精度、高速度、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、大功率、小型化和高可靠性方向發(fā)展，零件的特殊結(jié)構(gòu)和新材料的應(yīng)用對制造業(yè)提出了特殊的要求，常規(guī)加工方法難以勝任，用非傳統(tǒng)加工技術(shù)就很容易解決。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，非傳統(tǒng)加工技術(shù)的內(nèi)涵日益豐富，所涉及的范圍日益擴大。特種加工技術(shù)在難加工材料加工、模具制造、復(fù)雜型面加工、零件的精細加工、微型電子機械系統(tǒng)制造及低剛度零件加工等加工領(lǐng)域中已成為重要的加工方法，形成了較完整的制造技術(shù)體系。

總之，非傳統(tǒng)加工技術(shù)作為跨世紀(jì)的先進制造技術(shù)將在21世紀(jì)人類社會進步及我國現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮重大作用。

3．10．1．2非傳統(tǒng)加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1943年，前蘇聯(lián)的拉扎連柯夫婦在研究開關(guān)觸點遭受火花放電時的腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時，從火花放電時的瞬時高溫，可使局部金屬熔化、氣化而蝕除的現(xiàn)象，頓悟到創(chuàng)造一種全新的加工方法的可能性，繼而深入進行研究，最終發(fā)明了電火花加工這種新型方法。繼電火花加工出現(xiàn)之后，人們又不停頓地進行研究和探索，相繼發(fā)展了一系列的特種加工新方法，如電解加工、超聲波加工和激光加工等，從而開創(chuàng)了特種加工的廣闊領(lǐng)域。國外，特別是日本、前蘇聯(lián)、美國、瑞士等工業(yè)化國家對非傳統(tǒng)加工技術(shù)給予了高度重視，視其為一種跨世紀(jì)技術(shù)，日本把它列為機械裝備的三大支柱之一。它們從理論研究、技術(shù)應(yīng)用到加工設(shè)備的研制已達到了很高的水平。他們的特種加工裝備以高度自動化、多功能、加工工藝指標(biāo)高、質(zhì)量好及可靠性高而暢銷全球。

下面從幾個方面介紹非傳統(tǒng)加工技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)統(tǒng)計資料表明：電火花加工精度達到微米級，微細放電加工達到亞微米級，電解加工精度達0．02mm，采用脈沖電源及其它措施后的精度達到微米級；電火花加工已是模具加工中不可替代的加工方法，它還可以加工各種特殊性能的材料和各種復(fù)雜表面及微細、微精、薄壁、低剛性等零件。各國都在對電極材料進行改進以提高電火花放電加工效率。

激光切割精度達到0．03mm，電子束、離子束加工精度達到微米級；電化學(xué)拋光表面粗糙度達到幾0．002m。

激光加工已成功用于切割、焊接、表面處理、打孔、微機械加工及彎曲成形等方面。激光加工在工業(yè)發(fā)達國家中已被大量用于電子、汽車、鋼鐵、機械、航空等工業(yè)部門，被譽為“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”。激光加工技術(shù)發(fā)展很快，需求不斷增長，據(jù)IndustrialLaserReviewl998年初發(fā)布的對世界工業(yè)激光器及激光加工系統(tǒng)銷售情況統(tǒng)計，1997年激光加工系統(tǒng)銷售額比1996年增長20％對工業(yè)激光器銷售臺數(shù)年增長率的統(tǒng)計表明，近幾年一直有20％左右的增長率。PhotonicsSpectra對各行業(yè)應(yīng)用激光加工的情況做了統(tǒng)計，電子與電器工業(yè)是最大用戶，占40％以上，從微調(diào)、劃基片、標(biāo)記、焊接到剝線，用得極廣；汽車工業(yè)和加工門市部次之，各占14％，主要是切割和焊接；包裝業(yè)用激光進行模板切割和標(biāo)記占8％；航空航天占2％等。

例如西門子公司在德國慕尼黑一個分公司的生產(chǎn)線上就有近400臺各種類型的激光加工設(shè)備，日本東芝公司的激光技術(shù)研究所專門就公司生產(chǎn)中的需求來研究開發(fā)固體激光加工設(shè)備（NdYAG激光器），在顯像管和集成電路生產(chǎn)線上的許多激光焊接機、標(biāo)記機、微調(diào)機都是該公司自行制造的。汽車工業(yè)中，通用、福特、奔馳、大眾、豐田等汽車制造商無一例外地采用了激光加工技術(shù)，汽車車身裝配中大量使用激光焊接工藝，不但可省材料，還提高了工效，增加了汽車構(gòu)件的強度，福特汽車公司用sin長的光纖將2kw的NdYAG激光傳輸?shù)窖b在IR761／125型機器人的焊頭上，用于車身裝配，把車頂和門框焊在一起，焊兩層0．5mm厚的鋼板，焊速達28m／min。

電子束加工技術(shù)，近20年發(fā)展迅速，已能進行精密微細、焊接、涂膜、熔煉、熱處理、曝光、輻照等加工。德國阿登納研究所生產(chǎn)連續(xù)式電子束帶鋼鍍膜設(shè)備，能鍍的鋼帶寬500mm、雙層鍍鋁厚度0．l～lmm，速度為200m／min，電子簾加速器用于輻照加工在國外已普及，機器的總功率可達250kw，電子束加工技術(shù)將向高功率化、高精度化、微細化、自動化方向發(fā)展。

離子束加工可以進行銑刻、濺射涂膜、離子鍍和微細加工等，特別是離子輔助鍍層（IAC）技術(shù)兼有氣相沉積和離于注入的兩者優(yōu)點，可以制備出粘接力很強、結(jié)構(gòu)致密的各種性能優(yōu)良的功能鍍層。微細離子束加工主要應(yīng)用在微型機器人的制造上。

化學(xué)特種加工是在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使用金屬腐蝕溶解而改變工件的尺寸和形狀，具有加工周期短、變換產(chǎn)品快、工藝性較好等特點，其主要用于印刷線路板制造。

在借助于水、磨料、超聲波、熱能等對工件進行精密加工的機械特種加工技術(shù)方面，國內(nèi)外已有較大發(fā)展。國外公司一直用磨料水噴射加1100mm以上厚度的防彈玻璃、層壓玻璃和聚碳酸酯，效果良好。磨料水噴射切割加工十分適合于航空材料的加工，最新開發(fā)的三維切割方法，如德國LoutsBleroit研究中心已開發(fā)一種六軸龍門式機器人，用于對組合零件進行精加工以及對鈦合金、碳纖維成形加工件進行切削加工，該機床由兩個磨料水噴射切割頭、一個傳感器和一些切削刀具組成。磨料噴射加工可以勝任精密切割，加工工件無須去毛刺，這在氧乙炔、微光束切割法中是無法實現(xiàn)的。其次水噴射加工的另一個優(yōu)點是其可以觸及其他工具不易達到的地方。磨料流動加工已成熟地應(yīng)用于液壓、氣動元件閥體的交叉孔去毛刺、倒圓和擠壓模具內(nèi)腔拋光，表面粗糙度達到Ra0.04～0.05m。多年來美國一直在進行超聲波輔助金剛石刀具加工的研究，日本也正在進行超聲波輔助磨削技術(shù)的開發(fā)。

電解加工是利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽極溶解將工件加工成形的，已成功應(yīng)用于鍛模、齒輪、花鍵、高溫合金葉片等機械零件的成型加工，采用電解液沖刷加工和成型管電解加工可以加工孔徑為0．2～5mm，孔深與孔徑之比大于20以上的孔，孔深與孔徑之比最高已達300，也可以加工異型孔的小深孔機械零件。電解磨削和電解研磨加工硬質(zhì)合金效率比機械磨削提高3～5倍，表面粗糙度達到Ra＜0.16m，對于電解加工，國外研究機構(gòu)正致力于采用非線性電解液、脈沖電流和振動進給等工藝措施攻克精度不高這一難題，電解液對機床、工件及環(huán)境都有一定的腐蝕作用也是今后電解加工技術(shù)發(fā)展中需要解決的關(guān)鍵問題。對于RPM技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀趨勢以及關(guān)鍵技術(shù)，將在3．11節(jié)中介紹。

虛擬軸機床及其相關(guān)技術(shù)于1994年在美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會（IMTS’94）上引起轟動以來，被人們稱為“21世紀(jì)的機床”，它的六桿并聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)使得機床剛性提高，加工速度是傳統(tǒng)加工中心的5～10倍。目前，美國、瑞士、俄羅斯、英國、日本等國已經(jīng)生產(chǎn)出了數(shù)臺樣品，美國Ingersol公司的HOH－600（OctahedralHexapod）最大送給速度30m／min，主軸轉(zhuǎn)速為0～20000r／min，刀庫容量為40或80把刀，機床價格高達140萬美元。由于虛擬軸機床具有優(yōu)良的動態(tài)性能、很小的運動質(zhì)量和良好的靈活性，符合制造裝備技術(shù)的以硬件的復(fù)雜性向軟件轉(zhuǎn)移的總趨勢，其已成為世界的研究熱點。我國近年來在非傳統(tǒng)加工技術(shù)方面進行了大量研究，在電火花加工、電化學(xué)加工、電化學(xué)機械加工、激光加工等方面形成了自己的特色，但在精度、功能、自動化程度、可靠性、加工穩(wěn)定性、加工工藝指標(biāo)等方面都低于國外先進水平，水平相差10至20年。我國電加工機床的加工精度為0．02mm、表面粗糙度為兒0．0025mm，最好水平為民0．0006mm。電加工機床數(shù)控系統(tǒng)的性能與國外系統(tǒng)相比，缺乏完善的工藝數(shù)據(jù)庫，可靠性不穩(wěn)定，沒有Z軸伺服裝置。國內(nèi)的激光加工設(shè)備在切割速度和精度上與國外先進水平相比有較大差距，在厚板切割和激光彎曲成形方面的研究剛起步。在虛擬軸機床技術(shù)方面，我國的一些高等院校和科研院所近年來也開展一些研究，中科院沈陽自動化所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)等單位在這一領(lǐng)域進行了理論分析和試驗研究，有的已制出樣機。3．10．1．3非傳統(tǒng)加工技術(shù)的發(fā)展趨勢及前沿關(guān)鍵技術(shù)

1．非傳統(tǒng)加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

(1）在微精、高效加工方面繼續(xù)發(fā)展。微機電系統(tǒng)要求非傳統(tǒng)加工技術(shù)將向亞微米級和納米級方向發(fā)展。（2）向自動化、柔性化和智能化方向發(fā)展。非傳統(tǒng)加工技術(shù)的控制裝置將充分利用模糊控制和智能控制技術(shù)；通過對非傳統(tǒng)加工技術(shù)機理研究建立各種加工方法的工藝數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)非傳統(tǒng)加工的CAD／CAM，發(fā)展高精度、高效率和表面質(zhì)量好的加工技術(shù)、加工中心和加工單元。（3）向新的多能量復(fù)合加工和綜合加工技術(shù)發(fā)展。為了提高非傳統(tǒng)加工技術(shù)的加工精度、加工效率和表面質(zhì)量，適應(yīng)新材料新產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域的需要，各種能量組合的復(fù)合加工技術(shù)和綜合加工技術(shù)將得到發(fā)展并在ZI世紀(jì)發(fā)揮重要作用。（4）向綠色加工技術(shù)方向發(fā)展。發(fā)展水射流加工技術(shù)以水基溶液代替有毒溶液、減少污水排放，發(fā)展RPM技術(shù)以及硬件結(jié)構(gòu)簡單而軟件復(fù)雜的虛擬軸機床技術(shù)將是非傳統(tǒng)加工技術(shù)的重要方向。

2．非傳統(tǒng)加工技術(shù)的前沿關(guān)鍵技術(shù)非傳統(tǒng)加工技術(shù)具體到其基礎(chǔ)研究、電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)、復(fù)合加工技術(shù)及虛擬軸機床技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢及其前沿關(guān)鍵技術(shù)有：

(1）非傳統(tǒng)加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究。加強特種加工技術(shù)的工藝基礎(chǔ)研究，建立特種加工工藝數(shù)據(jù)庫；特種加工過程的模糊控制技術(shù)的研究；自動化、智能化、開放式體系結(jié)構(gòu)的電加工數(shù)控系統(tǒng)研究；精密化的復(fù)合加工技術(shù)也是特種加工技術(shù)的重要基礎(chǔ)研究課題。

（2）電火花加工技術(shù)。研制可作垂直升降的伸縮式加工液槽、高剛度箱型結(jié)構(gòu)的床身及可防止熱變形的精密陶瓷工作臺：在提高精度和自動化程度的同時，向結(jié)構(gòu)小型化方向發(fā)展，開發(fā)精密、微細、多功能電火花加工機床，多軸聯(lián)動的數(shù)控電火花加工機床及電極直接驅(qū)動的小型電火化加工裝置；大力發(fā)展混粉大面積鏡面加工、電火花銑削加工和電火花微細加工如電火花線電極磨削等新工藝：進行智能自選規(guī)準(zhǔn)脈沖電源及節(jié)能式脈沖電源的研究；ATC電極庫和非燃性、環(huán)保型工作液的研究；電火花加工用專家系統(tǒng)及電火花加工技術(shù)的安全性的研究。

（3）激光加工技術(shù)。其發(fā)展趨勢，一是中高功率的CO2激光加工機將占主要地位，并向大功率（10～15kw）、智能化（CAD/CAM）和在線監(jiān)控等方面發(fā)展：二是向加工技術(shù)的復(fù)合化（一臺激光器多用）的方向發(fā)展，如日本建成一條激光復(fù)合加工柔性生產(chǎn)線，從毛坯進料一激光切割下料一激光熱加工成形～去毛刺～焊接一熱處理一檢測，全部工藝流程均采用激光加工技術(shù)；三是向大厚度、高精度、加工零件形狀更為復(fù)雜的方向發(fā)展；四是開辟新的激光加工工藝，在微細加工、光刻、薄膜沉積、大規(guī)模集成電路制作、新的物質(zhì)合成以及光化學(xué)分離等方面進行研究。重點進行激光器、高速高精度激光切割、激光焊接、厚板激光切割機理研究；開發(fā)激光三維自動聚焦系統(tǒng)和離線自動編程系統(tǒng)；開展激光彎曲成形技術(shù)的工藝過程研究和設(shè)備的研制。

（4）傳統(tǒng)加工和特種加工相結(jié)合的復(fù)合加工方法以及精密和超精密特種加工技術(shù)的研究與開發(fā)。

（5）虛擬軸機床。虛擬軸機床（并聯(lián)機床）的概念設(shè)計；利用CAD、計算機仿真、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等進行虛擬軸機床的運動計算、動力計算、控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計研究；虛擬軸機床的力覺、視覺、故障自診斷、安全運行保障研究及生產(chǎn)線總控技術(shù)的研究；虛擬軸機床應(yīng)用領(lǐng)域的可行性、合理性研究；虛擬軸機床的模塊化技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、數(shù)字式交流伺服控制系統(tǒng)及驅(qū)動技術(shù)、精確定位相關(guān)的機電技術(shù)、精確定位有關(guān)的主要零部件開發(fā)和制造技術(shù)及虛擬軸機床的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等虛擬軸機床建造技術(shù)的研究；跟蹤研制通用虛擬軸加工中心，注重開發(fā)用于工業(yè)實際的專用虛擬軸機床，加強虛擬軸機床技術(shù)商品化工作。本節(jié)將重點介紹電火花加工、高能束加工、復(fù)合加工及虛擬軸機床技術(shù)等幾種非傳統(tǒng)加工技術(shù)。3.10．2電火花加工

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)中，利用脈沖放電對導(dǎo)電材料的電蝕現(xiàn)象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法在特種加工中，電火花加工的應(yīng)用最為廣泛，尤其在模具制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有著極為重要的地位。3．10．2．l電火花加工的原理與特點電火花加工是在如圖3．46所示的加工系統(tǒng)中進行的。加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極。兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(zhì)（常用煤油或礦物油或去離子水）中。工具電極由自動送給調(diào)節(jié)裝置控制，以保證工具與工件在正常加工時維持一很小的放電間隙（0.01～0.05mm）。當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間，便將當(dāng)時條件下極間最近點的液體介質(zhì)擊穿，形成放電通道。由于通道的截面積很小，放電時間極短，致使能量高度集中（106～107W／mm2），放電區(qū)域產(chǎn)生的瞬時高溫足以使材料熔化甚至蒸發(fā)，以致形成一個小凹坑。第一次脈沖放電結(jié)束之后，經(jīng)過很短的間隔時間，第二個脈沖又在另～極間最近點擊穿放電。如此周而復(fù)始高頻率地循環(huán)下去，工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復(fù)制在工件上，形成所需要的加工表面。與此同時，總能量的一小部分也釋放到工具電極上，從而造成工具損耗。從上面的敘述中可以看出，進行電火花加工必須具備三個條件：必須采用脈沖電源，必須采用自動進給調(diào)節(jié)裝置，以保持工具電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必須在具有一定絕緣強度（103～107·m）的液體介質(zhì)中進行。

電火花加工具有如下特點：可以加工任何高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導(dǎo)電材料；加工時無明顯機械力，適用于低剛度工件和微細結(jié)構(gòu)的加工；脈沖參數(shù)可依據(jù)需要調(diào)節(jié)，可在同一臺機床上進行粗加工、半精加工和精加工；電火花加工后的表面呈現(xiàn)的凹坑，有利于貯油和降低噪聲；生產(chǎn)效率低于切削加工；放電過程有部分能量消耗在工具電極上，導(dǎo)致電極損耗，影響成形精度。3.10．2．2電火花加工的應(yīng)用與發(fā)展電火花加工主要用于模具中型孔、型腔的加工，已成為模具制造業(yè)的主導(dǎo)加工方法，推動了模具行業(yè)的技術(shù)進步。電火花加工零件的數(shù)量在3000件以下時，比模具沖壓零件在經(jīng)濟上更加合理。按工藝過程中工具與工件相對運動的特點和用途不同，電火花加工可大體分為：電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展成加工、非金屬電火花加工和電火花表面強化等。

1．電火花成形加工該方法是通過工具電極相對于工件作進給運動，將工件電極的形狀和尺寸復(fù)制在工件上，從而加工出所需要的零件。其包括電火花型腔加工和穿孔加工兩種。電火花型膠加工主要用于加工各類熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠水膜的型腔。電火花穿孔加工主要用于型孔（圓孔、方孔、多邊形孔、異形孔）、曲線孔（彎孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年來，為了解決小孔加工中電極截面小、易變形、孔的深徑比大、排屑困難等問題，在電火花穿孔加工中發(fā)展了高速小孔加工，取得良好的社會經(jīng)濟效益。

2．電火花線切割加工該方法是利用移動的細金屬絲作工具電極，按預(yù)定的軌跡進行脈沖放電切割，按線電極移動的速度大小分為高速走絲和低速走絲線切割。我國普通采用高速走絲線切割，近年來正在發(fā)展低速走絲線切割，高速走絲時，線電極是直徑為Φ0.02～0.3mm的高強度鉬絲，往復(fù)運動速度為8～10m／s。低速走絲時，多采用銅絲，線電極以小于0.2m／s的速度作單方向低速運動。線切割時，電極絲不斷移動，其損耗很小，因而加工精度較高。其平均加工精度可達0.0lmm，大大高于電火花成形加工。表面粗糙度Ra值可達1.6μm或更小。國內(nèi)外絕大多數(shù)數(shù)控電火花線切割機床都采用了不同水平的微機數(shù)控系統(tǒng)，基本上實現(xiàn)了電火花錢切割數(shù)控化。目前電火花線切割廣泛用于加工各種仲裁模（沖孔和落料用）、樣板以及各種形狀復(fù)雜型孔、型面和窄縫等。

3．電火花加工機床的新進展電火花加工機床在提高精度和自動化程度同時，也在向結(jié)構(gòu)的小型化方向發(fā)展。為提高零件加工精度，類似于加工中心的精密多功能微細電火花加工機床受到青瞇，在這種機床上，從微細電極的制作到微細零件的加工，電極只需一次裝夾，因此減小了多次裝夾電極所帶來的誤差，并且可以通過對電極的重加工來修正被損耗電極的形狀，從而提高了零件加工精度。在這種機床上，可實現(xiàn)電火花線電極磨削加工、電火花復(fù)雜形狀微細孔加工及電火花銑削加工等功能，并有望實現(xiàn)微細電火花三維形體加工。目前先進的多軸聯(lián)動電火花數(shù)控機床發(fā)展趨勢是集多種功能于一體，這些功能包括旋轉(zhuǎn)分度、自動交換電極、自動放電間隙補償、電流自適應(yīng)控制以及加工現(xiàn)準(zhǔn)的實時智能選擇等，從而實現(xiàn)從加工規(guī)準(zhǔn)的選擇到零件的加工全過程自動化，夏米爾公司、阿奇公司、三菱電機公司、沙迪克公司等國外著名的電火花機床廠商都有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)的漢川機機床廠、北京迪蒙公司也在生產(chǎn)這類產(chǎn)品。電極直接驅(qū)動的小型電火花加工系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一門新興技術(shù)，其能在電極上附加軸向小振幅快速振動，并利用多電極同時加工。日本東京大學(xué)的方谷克司和豐田工業(yè)大學(xué)的毛利尚武等人，已經(jīng)研制出蠕動式、沖擊式和利用橢圓運動驅(qū)動的三種利用壓電陶瓷的遞壓電效應(yīng)來直接驅(qū)動電極的小型電火花加工裝置，我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)分別利用蠕動式原理和沖擊式原理制造出樣機。3．10．3高能束加工高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束，對工件材料進行去除加工的特種加工方法的總稱，高能束加工通常指激光加工、電子束加工和離子束加工。3．10．3．1激光加工激光加工是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，它是利用光能經(jīng)過透鏡聚焦后達到很高的能量密度，依靠光熱效應(yīng)來加工各種材料。已廣泛用于打孔、切割、焊接、電子器件微調(diào)、表面處理以及信息存貯等許多領(lǐng)域。

1．激光加工原理及特點激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強光。其光強度高，方向性、相干性和單色性好，通過光學(xué)系統(tǒng)可將激光束聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，從而獲得極高的能量密度（108～1010W/cm2）。當(dāng)激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達10000oC以上，使材料熔化甚至汽化。隨著激光能量的不斷吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸式的高速噴射出來，在工件內(nèi)部形成方向性很強的沖擊波。激光加工就是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。圖3－47是固體激光器中激光的產(chǎn)生和工作原理圖。當(dāng)激光的工作物質(zhì)釔鋁石榴石等受到光泵（激勵脈沖氛燈）的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一定條件下可導(dǎo)致工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時一旦有少量激光粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷，造成光放大，再通過諧振腔內(nèi)的全反射鏡和部分反射鏡的反饋作用產(chǎn)生振蕩，此時由諧振腔的一端輸出激光。再通過透鏡聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，即可進行加工。固體激光器中常用的工作物質(zhì)除了鈦錫石榴石外，還有紅寶石和鈦玻璃等材料。

激光加工工具有如下特點：它屬于高能束流加工，不存在工具磨損更換問題；幾乎可以加工任何金屬與非金屬材料；屬非接觸加工，無明顯機械力，能加工易變形的薄板和橡膠等彈性工件；加工速度快，熱影響區(qū)??；易實現(xiàn)加工過程自動化；激光可通過玻璃、空氣及惰性氣體等透明介質(zhì)進行加工，如對真空管內(nèi)部進行焊接等；激光可以通過聚焦，形成微米級的光斑，輸出功率的大小又可以調(diào)節(jié)，因此可用于精密微細加工；加工時不產(chǎn)生振動噪聲，加工效率高，可實現(xiàn)高速打孔和高速切割；可以達到0.0lmm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度；表面粗糙度Ra值可達以0.4～0.1m。

2激光加工的應(yīng)用范圍及發(fā)展

激光加工的主要參數(shù)為激光的功率密度、激光的波長和輸出的脈寬、激光照射在工件上的時間以及工件對能量的吸收等。激光對材料的表面處理、焊接、切割和打孔等都與上述參數(shù)有關(guān)。

(1）激光表面處理。是近十年來激光加工領(lǐng)域中最為活躍的研究與開發(fā)方向，發(fā)展了相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列處理工藝。其中相變硬化和熔凝處理的工藝技術(shù)趨向成熟并產(chǎn)業(yè)化。合金化和熔覆工藝無論對基體材料的適應(yīng)范圍還是性能改善的幅度，都比前兩種工藝廠得多，因而發(fā)展前景廣闊。

（2）激光焊接。它是基于大功率激光所產(chǎn)生的小孔效應(yīng)基礎(chǔ)上的深熔焊接，它既是一種館深大、速度快／單位時間館會面積大的高效焊接方法，又是一種焊縫深寬比大、比能小、熱影響區(qū)小、變形小的精確焊接方法。當(dāng)激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時間約為1／100秒左右，即可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起就可以。

（3）激光切割。激光切割所需的功率密度約為105～107W/cm2

。它既可以切割金屬材料，也可以切割非金屬材料。它還能透過玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲，這是任何機械加工所難以達到的。

（4）激光打孔。激光打孔的功率密度一般為107～108W/cm2

。它主要應(yīng)用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭發(fā)動機和柴油機的噴油嘴、化學(xué)纖維的噴絲板、鐘表上的寶石軸承和聚晶金剛石拉絲模等零件上的微細孔加工。

超聲激光復(fù)合加工是一種激光打孔新工藝，它是超聲波振動和激光束的作用復(fù)合起來。采用超聲調(diào)制的激光打孔，不但能增加孔的加工深度，而且能改善孔壁質(zhì)量。3.10．3．2電子束加工

1．電子束加工原理及特點電子束加工在真空中進行，其加工原理如圖3－48所示。由電子槍射出的高速電子束經(jīng)電磁透鏡聚焦后擊工件表面，在轟擊處形成局部高溫，使材料瞬時熔化和汽化，從而達到材料去除、連接或改性的目的?？刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r間，可達到不同加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理；使材料局部熔化就可進行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進行電子束打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進行電子束光刻加工。

電子束加工有如下特點：電子束可實現(xiàn)極其微細的聚焦（可達0.1m），可實現(xiàn)亞微米和毫微米級的精密微細加工；電子束加工主要靠瞬時熱效應(yīng)，工件不受機械力作用，因而不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形；加工材料的范圍廣，對高強度、高硬度、高韌性的材料以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料均可加工；電子束的能量密度高，如果配合自動控制加工過程，加工效率非常高；每秒鐘可在0.lmm厚的鋼板上加工出3000個直徑為0.2mm的孔；電子束加工在真空中進行，污染少，加工表面不易氧化，尤其適合加工易氧化的金屬及其合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

2．電子束加工的應(yīng)用范圍電子束加工可用于打孔、切割、焊接、蝕刻和光刻等。

(1）高速打孔。電子束打孔的孔徑范圍為0．02～0003mm。噴氣發(fā)動機上的冷卻孔和機翼吸附屏的孔，孔徑微小，孔數(shù)巨大，達數(shù)百萬個，最適宜用電子束打孔。此外，還可以利用電子束在人造革、塑料上高速打孔，以增強其透氣性。

（2）加工型孔。為了使人造纖維的透氣性好，更具松軟和富有彈性，人造纖維的噴絲頭型孔往往設(shè)計成各種異型截面，這些異形截面最適合采用電子束加工。

（3）加工彎孔和曲面。借助于偏轉(zhuǎn)器磁場的變化，可以使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)方向，可加工曲面和彎孔。此外，還可以利用電子束進行焊接、切割、劉蝕、表面熱處理和光刻。由于電子束加工的成套設(shè)備價格昂貴，其應(yīng)用受到一定限制。3.10．3.3離子束加工

1．離子束加工原理及特點離子束加工的原理與電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速后，撞擊在工件表面上，引起材料變形、破壞和分離。由于離子帶正電荷，其質(zhì)

量是電子的千萬倍，因此離子束加工主要靠高速離子束的微觀機械撞擊動能，而不是像電子束加Xi主要靠熱效應(yīng)。圖3．49為離子束加工原理圖。惰性氣體氮氣由人口注入電離室。灼熱的燈絲發(fā)射電子，電子在陽極的吸引和電磁線圈的偏轉(zhuǎn)作用下，向下高速作螺旋運動。氨在高速電子的撞擊下被電離成離子。陽極和陰極備有數(shù)百個上下位置對齊、直徑為0．3mm的小孔，形成數(shù)百條較準(zhǔn)直的離子束，均勻分布在直徑為50mm的圓面積上。通過調(diào)整加速電壓，可以得到不同速度的離子束，以實現(xiàn)不同的加工。

離子束轟擊工件的材料時，其束流密度和能量可以精確控制，因此可以實現(xiàn)毫微米即納米級（0．001m）的加工，是當(dāng)代毫微米加工技術(shù)的基礎(chǔ)；離子束加工在真空中進行，污染少，特別適宜加工易氧化的金屬、合金、高純度的半導(dǎo)體材料；離子束加工的表現(xiàn)壓力小，因此加工應(yīng)力小，熱變形小，加工表面質(zhì)量非常高；離子束加工設(shè)備費用高、成本高、加工效率低，其應(yīng)用范圍受到一定限制。

2．離子束加工的應(yīng)用范圍

(1）離子刻蝕。它是由能量為0.5～5keV、直徑為十分之幾納米的氮離子轟擊工件，將工件表層的原子逐個剝離的（圖3．50a）。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度上的切削加工，所以也稱為離子銑削。這就是近代發(fā)展起來的毫微米加工工藝。

（2）離子濺射沉積。離子濺射沉積本質(zhì)上是一種鍍膜加工。它也是采用0.5～5keV氬離子轟擊靶材，并將靶材上的原子擊出，淀積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜（圖3-50b）。

（3）離子鍍膜。離子鍍膜也稱離子濺射輔助沉積，同樣屬于一種鍍膜加工。它將0.5～5keV的氛離子分成兩束，同時轟擊靶材和工件表面，以增強膜材與工件基材之間的結(jié)合力（圖3－50c）。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。

（4）離子注入。離子注入時是采用5～500keV能量的離子束，直接轟擊被加工材料。在如此大的能量驅(qū)動下，離子能夠鉆入材料表層，從而達到改變材料化學(xué)成分的目的（圖3．50d）?？梢愿鶕?jù)不同的目的選用不同的注入離子，如磷、硼碳、氮等，以實現(xiàn)材料的表面改性處理，從而改變工件表面層的機械物理性能。3．10．4復(fù)合加工

當(dāng)把兩種或兩種以上的能量形式（包括機械能）合理的組合在一起，就發(fā)展成復(fù)合加工。復(fù)合加工有很大的優(yōu)點，它能成倍地提高加工效率和進一步改善加工質(zhì)量，是特種加工發(fā)展的方向。下面擇要介紹幾種復(fù)合加工：3．10．4．1電解磨削

電解磨削是利用電解作用與機械磨削相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法（圖3.51）。圖中高速旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電砂輪接直流電源負極，工件（車刀）接直流電源正極。電解磨削時，導(dǎo)電砂輪和工件間保持一定的接觸壓力，砂輪表面外凸的磨粒使砂輪導(dǎo)電體與工件間有一定間隙。當(dāng)電解液從間隙中流過，工件出現(xiàn)陽極溶解，工件表面形成一薄層較軟的薄膜，很容易被導(dǎo)電砂輪中的磨粒磨除，工件上又露出新的金屬表面并進一步電解。在加工過程中，電解作用與磨削作用交替進行，最后達到加工要求。電解作用是主要的。電解磨削硬質(zhì)合金車刀時，加工效率比普通的金剛石砂輪磨削要高3～5倍，表面粗糙度尼值可達0．2～0012m。3．10．4.2超聲電解復(fù)合拋光超聲電解復(fù)合拋光是超聲波加工和電解加工復(fù)合而成的，它可以獲得優(yōu)于靠單一電解或單一超聲波拋光的拋光效率和表面質(zhì)量。超聲電解復(fù)合拋光的加工原理如圖3.52所示。拋光時，工件接正極，工具接直流電源負極。工件與工具間通入鈍化性電解液。高速流動的電解液不斷在工件待加工表層生成鈍化軟膜，工具則以極高的頻率進行拋磨，不斷地將工件表面凸起部位的鈍化膜去掉。被去掉鈍化膜的表面迅速產(chǎn)生陽極溶解，溶解下來的產(chǎn)物不斷被電解液帶走。而工件凹下去部位的鈍化膜，工具拋磨不到，因此不溶解。這個過程一直持續(xù)到將工件表面整平時為止。工具在超聲波振動下，不僅能迅速去除鈍化膜，而且在加工區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的“空化”作用可增強電化學(xué)反應(yīng)，進一步提高工件表面凸起部位金屬的溶解速度。3．10．4．3超聲電火花復(fù)合拋光超聲電火花復(fù)合拋光是在超聲波拋光的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這種復(fù)合拋光的加工效率比純超聲機械拋光要高出3倍以上，表面粗糙度尼值可達0.2～0.1m。特別適合于小孔、窄縫以及小型精密表面的拋光。超聲電火花拋光的工作原理如圖3.53所示。拋光時工具接脈沖電源的負極，工件接正極，在工具和工件間通乳化液作電解液。這種電解液的陽極溶解作用雖然微弱，但有利于工件的拋光。拋光過程中，超聲的“空化”作用一方面會使工件表面軟化，有利于加速金屬的剝離；另一方面使工件表面不斷出現(xiàn)新的金屬尖峰，這樣不但增加了火花放電的分散性，而且給放電加工造成了有利條件。超聲波拋磨和放電交錯而連續(xù)進行，不僅提高了拋光速度，而且提高了工件表面材料去除的均勻性。3．10．5虛擬軸機床及其相關(guān)技術(shù)市場競爭和新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的發(fā)展推動著新機構(gòu)原理加工裝備技術(shù)的研究開發(fā)在近幾年取得了相當(dāng)大的進展，這其中，最為顯眼的是近年來出現(xiàn)的虛擬軸機床(VirtualAxisMachineTool)又稱并聯(lián)機床、六條腿（Hexapod）機床或稱Stewart機床。這種機床由并聯(lián)桿系構(gòu)成，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應(yīng)自由度的運動。杯系（六桿、三桿以及二桿）機床的高剛度、低運動質(zhì)量、高動態(tài)性能和構(gòu)造簡單、制造方便的優(yōu)越性和可能的廣泛應(yīng)用前景，已為國內(nèi)外所重視。并聯(lián)桿系機床的發(fā)展也符合當(dāng)前制造裝備技術(shù)的總趨勢：將硬件（包括機械部件）的復(fù)雜性向軟件（包含計算機系統(tǒng)和應(yīng)用軟件）轉(zhuǎn)移，從而得到構(gòu)造簡單而智能和知識含量更高的機電產(chǎn)品。3．10．5．1虛擬軸機床發(fā)展簡史虛擬軸機床的發(fā)展歷史最早可追溯到19世紀(jì)末，1890～1894年，Clerk.J.Maxwell和Mannheim進行了空間機構(gòu)理論研究。1956年，在Maxwell和Mannheim有關(guān)工作的基礎(chǔ)上，F(xiàn)．G．Altmann設(shè)計了一種一個自由度的空間并聯(lián)機構(gòu)，用于在房間之間通過一種特定導(dǎo)軌移動物品。

1956年，VE.Gogh設(shè)計了一種用于輪胎檢測的六自由度并聯(lián)機構(gòu)。該機構(gòu)首次模擬“六足蟲”結(jié)構(gòu)，其運動平臺通過六根長度可伸縮的連桿連到一個固定框架上，即靜平臺。但是，Gogh沒有看到這種機構(gòu)在機床方面的應(yīng)用潛力。

1965年，D.Steart采用六自由度的并聯(lián)機構(gòu)開發(fā)了飛行模擬器，1966年發(fā)表論文“AplatformWithSixDegreesofFreedom”奠定了他在空間并聯(lián)機構(gòu)中的鼻祖地位，相應(yīng)的平臺機構(gòu)也命名為stewart平臺。

1978年

Hun提出將Stewart機構(gòu)應(yīng)用到工業(yè)機器人，形成一種六自由度的新型并聯(lián)機構(gòu)機器人。1979年D.T.Pham和H.Mccallion將Stewart平臺應(yīng)用于機器人取得成功，Stewart機構(gòu)已成功應(yīng)用于大功率裝配機器人、步行機器人、機器人手腕等。1989年DELTA結(jié)構(gòu)誕生，其是三自由度的并聯(lián)機構(gòu)，其動平臺總是平行于靜平臺。1990年，HEXA結(jié)構(gòu)誕生，這是可實現(xiàn)三維空間任意位姿定位的六自由度空間并聯(lián)機構(gòu)。1993年，美國德州自動化與機器人研究院研制出可完成銑、磨、鉆、鏜、拋光和高能束等多種加工的多功能并聯(lián)加工機械手。

1994年，IMTS94（1994年美國芝加哥國際機床博鑒會）上，美國Giddings＆Lewis公司和Ingcrsoll銑床公司、瑞士Geodetics公司展出Stewwt數(shù)控機床樣品，舉世矚目；世界各國的研究機構(gòu)和企業(yè)開始大量投入Stewart機床的研究與開發(fā)，隨后。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和理論研究成果大量涌現(xiàn)；1994年9月在美國成立了Hexel公司，專業(yè)從事各種類型的Stewart機床及其功能部件研究、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售；隨后，在政府和企業(yè)的支持下，美國成立了五個國家級基地（MIT、NIST、ORNL、SNLMM、SNL／CA）”專業(yè)從事Stewart機床研究開發(fā)。1995年5月EMO米蘭展覽會上，意大利Comau公司、日本日立精機展出了Stewart機器人。

1996年，由美國Sandia國家實驗室和國家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點。1996年SGI公司開發(fā)出UNIX平臺Stewart機床設(shè)計造型三維CAD軟件包。1996年10月23～25日，日本豐田工機公司在豐田技術(shù)展覽會展出了日本第～臺Stewart機床，用于鑄、鍛模具等零件的高速加工。

1997年EMO97（1997年德國漢諾威國際機床博覽會）上展出了10多種Stewart機床產(chǎn)品樣機，并首次進行金屬工件銑削，Stewart機床商品化已指日可待。EMO97在概念上將傳統(tǒng)機床和新興的Stewart平臺機床從結(jié)構(gòu)上劃分成串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，是人類對機床結(jié)構(gòu)認識概念上的突破。Stewart機床專用功能部件，如球鉸、虎克鉸、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、控制器等的專業(yè)化研究開發(fā)迅速崛起。CIMT97（第五屆中國國際機床展覽會）上，俄羅斯Lapik公司展出了TM-750型Stewart數(shù)控機床。我國已將并聯(lián)機床的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關(guān)計劃和863高技術(shù)發(fā)展計劃，清華大學(xué)與天津大學(xué)于1998年合作開發(fā)出我國第～臺Stewart機床原型樣機VAMTIY。在CIMT’99中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)展出的BJI并聯(lián)機床和天津大學(xué)與天津第一機床廠聯(lián)合展出的3－HSS，表示我國在開發(fā)并聯(lián)機床領(lǐng)域已取得了實質(zhì)性進展。3．10．5．2虛擬軸機床的技術(shù)進展虛擬軸機床技術(shù)上的重大新進展表現(xiàn)在以下幾個方面：

1．并聯(lián)機構(gòu)（虛擬軸機床）和串聯(lián)機構(gòu)（傳統(tǒng)機床）的比較如把傳統(tǒng)機床稱為串聯(lián)機構(gòu)。則虛擬軸機床稱為并聯(lián)機構(gòu)，這體現(xiàn)了人類對機床結(jié)構(gòu)認識概念上的突破。傳統(tǒng)機床的串聯(lián)機構(gòu)特性導(dǎo)致移動部件的質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低，而成為其致命的弱點，當(dāng)機床運動速度高和工件大時，這些弱點更為突出。虛擬軸機床的基座與主軸平臺間是由六根桿（一般是六根桿）并聯(lián)地連接的，稱之為并聯(lián)機構(gòu)。由六根桿同時相互耦合地作伸縮運動來確定平臺的運動，主軸平臺的受力由六根桿分攤承擔(dān)，每根桿受力要小得多，且只承受拉力或壓力，而不承受彎矩或扭矩。因此，剛度高、移動部件質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單以及相同零件的數(shù)量多，成為并聯(lián)機構(gòu)突出的優(yōu)點。串聯(lián)機構(gòu)（傳統(tǒng)機床）與并聯(lián)機構(gòu)（六條腿機床）基本特性的對比見表3．11

由表可見，并聯(lián)機構(gòu)尚未全面占優(yōu)。但在經(jīng)濟參數(shù)對比方面，則以并聯(lián)機構(gòu)為佳。

2.臥式布局的六條腿機床的開發(fā)

Stewart平臺原本為立式布局。在EMO97上，Ingersoll展出了HOH－600型臥式布局六條腿加工中心，這在世界上還是首例。臥式機床極大地改善了立式機床的工件可接近性和工作空間對機床所占空間之比低的缺陷，這是一個重大的突破。但是，由桿系本身重量而產(chǎn)生的彎矩增大了（立式時，此負荷可忽略）。因此一盡管HOH-600比立式VOH－1000型的規(guī)格小得多，而桿系直徑卻比后者大幾倍。該機床的基座，仍與立式一樣、采用基本由構(gòu)件組成的八面體框架（形架）。據(jù)稱剛性很好，力流封閉而機床安裝不用打基礎(chǔ)Ingersoll稱這類機床為八面體六足蟲（OctahdralHexapod）。

3．并聯(lián)與串聯(lián)機構(gòu)混合使用的六條腿機床的出現(xiàn)英國Geodetic公司展出其EvolutionG系列六條腿加工中心，有G500和G1000兩個型號。其平臺下的主軸部件呈倒錐形，前端直徑小，以免與工件發(fā)生干涉。主軸部件為可更換式，備有多種不同轉(zhuǎn)速和功率的主軸供選用，其中一種與基本結(jié)構(gòu)有異的稱為“兩軸主軸頭（2－AxisHead）”，其示意圖可見圖3.54。這個部件是地道的傳統(tǒng)機床的串聯(lián)機構(gòu)（軸與軸順序相連）。若選用該部件，就形成了并聯(lián)（六條腿）機構(gòu)與串聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)，成為混合機構(gòu)的機床。并聯(lián)與串聯(lián)機構(gòu)混合使用的六條腿機床有重大的突破意義。Stewart平臺雖具有X、Y、Z和AB、C六個自由度，但實際上其C軸轉(zhuǎn)動范圍極小，根本無實用意義，因而只能構(gòu)成五軸機床，且AB軸實際可實現(xiàn)的范圍也極小，如上15”。前述的lngersollHOH-600就是一個實例。GeodeticG系列機床選用兩軸主軸頭的串聯(lián)機構(gòu)以后，其C軸為540”，AB軸均為90”，即成為地道的六軸機床，克服了原Stewart平臺靈活度（Dexterity）差的弱點。

4.并聯(lián)機構(gòu)機床具體結(jié)構(gòu)的多樣化

(1）一不伸縮的六條腿即“六滑臺”機床。這是瑞士聯(lián)邦技術(shù)（ETHZ）的機床和制造技術(shù)研究所（IWF）新近開發(fā)出來的成果，稱之為“六滑臺”（Hexaplide），其示意圖見圖3－55。如圖所示，三條導(dǎo)軌上各有兩個腿座（滑臺）作相互平行的直線運動，藉此改變六條腿的參數(shù)。這可以極大地改善Ingersoll立式機床工件可接近性差和工件空間對機床所占空間之比低的弱點。六根桿長度相同，結(jié)構(gòu)簡單，桿內(nèi)不含滾珠絲杠和螺母，也就沒有會引起熱變形的熱源，反之，甚至可在桿內(nèi)通冷卻液以減少熱影響。三條導(dǎo)軌均在一個平面上也易于制造和調(diào)整。據(jù)稱，這種結(jié)構(gòu)對加工長工件特別有利。由于導(dǎo)軌可按需要加長，還可考慮在同一導(dǎo)軌上安排多套六條腿來組成加工生產(chǎn)線。（2）六條腿與平臺的連接方式（具體系通過球面支承）見圖3-56。

l）Ingcrsoll的六條腿與平臺的連接基本上在一個平面內(nèi)。

2）德國Mikromat公司6X型機床，取消了平臺，代之以主軸筒體。其三條腿位于筒體上部，另H條腿位于簡體下部。

6X型機床是德國Fraunhofer機床和成形技術(shù)研究所（IWU）為高速加工模具而開發(fā)的。他們認為主軸與六條腿如此連接，將使主軸有傾角時受力均勻。（3）六條腿的驅(qū)動方式。多數(shù)六條腿機床采用滾珠絲杠副，且用絲杠回轉(zhuǎn)作為驅(qū)動。這樣，每條腿的頂端掛有一臺伺服電動機，呈是伸狀。Geodeic公司卻采用滾珠螺母作為驅(qū)動，并將螺母與球立承合為一體，固定在其圓頂形平臺上，沒有懸伸，從而使驅(qū)動更為平穩(wěn)。為此，還專門設(shè)計了轉(zhuǎn)子為空心（內(nèi)置絲杠、螺母）的伺服電動機，稱之為“球驅(qū)動（SPhere

rmve）”。此外，也有采用液壓或摩擦傳動（如俄羅斯的機床）。

5．出現(xiàn)了為虛擬軸機床配套的新型功能部件（1）專用的球面支承。眾所周知，六條腿機床最為關(guān)鍵而又難制造的是上下平臺上“腿”的兩個球面交承：一是必須為球面（按多自由度的要求），二是對真球度的要求高，否則會影響平臺的定位和運動精度。德國ffeA滾動支承公司與德國斯圖加特（Stuttgart）大學(xué)合作并發(fā)了專用的預(yù)加載荷的球面支承，取名為Hexact，可連同“腿”一起供應(yīng)。（2）六軸精密定位系統(tǒng)。圖3－57是德國Physik

InstrUmente（PI）公司展出的M850型六軸精密定位系統(tǒng)（6AxisMicropositioningSystem），采用伺服電動機、滾珠絲杠傳動。其重復(fù)定位精度在X、Y軸為2m，Z軸為

lm

，AB、C軸為

2arcsec。據(jù)稱，與傳統(tǒng)（直角坐標(biāo)）六軸定位系統(tǒng)相比，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高的優(yōu)點，固有頻率高達500HZ（在垂直方向，負荷為10kg）時。它適用于精密加工的刀具控制、高精度望遠鏡鏡面平臺的精密定位、微波天線試驗臺和光學(xué)機構(gòu)等。

6.出現(xiàn)了一系列六條腿的變型機構(gòu)其中以具有三個自由度的三條腿機構(gòu)最引人注目。圖3乃8為德國斯圖加特大學(xué)機床與制造設(shè)備控制技術(shù)研究所（ISW）展出的稱為Linapod的三條腿機床的示意圖。它采用了兩條平行桿，等效于一條腿，因為只具備X．Y、Z三個自由度。這是一種模塊化的、易于重新配置的、從而是經(jīng)濟并聯(lián)運動學(xué)機床。據(jù)稱用圖示的結(jié)構(gòu)可構(gòu)造高速加工中心、生產(chǎn)線、激光和水切割機床以及機器人。它雖然不具備六條腿所持有的六個自由度，但機構(gòu)大為簡化，而在剛度、精度、高速性能上仍優(yōu)于傳統(tǒng)機床，因而有廣泛的應(yīng)用場合。此外，其控制的計算也大為簡化：六條腿機床的位置計算，在理論上有1320個解，其中只有40個解有實際意義，而三條腿機床用一個六階單變量的多項式即可求解。意大利COMAU機床公司和瑞典NEOS機器人公司分別展出了類似的三條腿機器人。COMAU型號為TriceptHPI。NEOS型名為TriceptTR600，自1993年至今已向多個國家出售了50余臺，分別用于鋁件和塑料件的銑削和磨削、鑄鐵件和鑄鋼件的磨削、木材銑削。鉆合金件鉆孔，激光焊接，裝配以及搬運等。其結(jié)構(gòu)是并聯(lián)的三條腿與串聯(lián)的三軸手腕相串聯(lián)。三條腿參數(shù)的改變是通過采用伺服電動機、滾珠絲杠驅(qū)動來實現(xiàn)的。同樣為五或六個自由度，這類機器人的荷重、剛度和精度要比傳統(tǒng)的由多關(guān)節(jié)來實現(xiàn)的機器人要強很多，而結(jié)構(gòu)卻要簡單很多，它可用于銑削，當(dāng)用于裝配時，壓配合裝配零件的最大壓力可達15000N，這幾乎是傳統(tǒng)的多關(guān)節(jié)機器難以做到的。還有將兩個三條腿平臺疊加起來（即串聯(lián)）而得到六個自由度機構(gòu)的報導(dǎo)?？梢灶A(yù)計，在虛擬軸機床技術(shù)方面，今后將有更多的開發(fā)和應(yīng)用成果出現(xiàn)，虛擬軸機床將日益成熟和走向更大范圍的應(yīng)用，在某些領(lǐng)域成為傳統(tǒng)機床的補充甚至取代傳統(tǒng)機床。3．11快速原型制造技術(shù)3．11．1快速原型制造技術(shù)內(nèi)涵、范圍及技術(shù)地位快速原型／零件制造（RapidPrototype/martManufacturing，簡稱RPM）技術(shù)就是20世紀(jì)后期起源于美國，并很快發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)，RPM技術(shù)是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。3．11．1．1RPM技術(shù)內(nèi)涵和范圍

RPM技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、機械工程、電子技術(shù)及激光技術(shù)的技術(shù)集成以實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。RPM技術(shù)采用（軟件）離散／（材料）堆積的原理而制造零件通過離散獲得堆積的順序、路徑、限制和方式，通過堆積材料“疊加”起來形成三線實體。離散／堆積的工作過程由CAD模型開始，先將CAD模型離散化，沿某一方向（常取Z向）切成許多層面，即分層（屬信息處理過程），然后在分層信息控制下順序加工各片層并層層結(jié)合，堆積出三維零件，該零件作為CAD模型的物理體現(xiàn)與之對應(yīng)，此為物理堆積過程。RPM技術(shù)中，物理堆積過程具體是通過采用粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段，逐層可選擇地固化樹脂、切割薄片、燒結(jié)粉末、材料熔覆或材料噴灑等方式來實現(xiàn)的，從而快速堆積制作出所要求形狀的零件（或模型）。各種RPM技術(shù)的過程流都包括CAD模型建立、前處理（如生成STL文件格式，特模型分層切片）、快速原型過程（原型制作）和后處理（如去除支架、清理表面、固化處理）等四個步驟。

RPM技術(shù)的內(nèi)涵即其成形機理和工藝控制與傳統(tǒng)成形（如去除成形和受迫成形)方式有很大差別，主要表現(xiàn)在：RPM不是使用一般意義上的模具或刀具，而是利用光、熱、電等物理手段（其中激光是經(jīng)常應(yīng)用的）實現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積：原型是通過堆積不斷增大，其力學(xué)性能不但取決于成形材料本身，而且與成形中所施加的能量大小及施加方式有密切關(guān)系；在成形工藝控制方面，需要對多個坐標(biāo)進行精確的動態(tài)控制。能量在成形物理過程中是一個極為關(guān)鍵因素，在以往的去除成形（切削磨削加工）和受迫成形（鑄造鍛壓）中，能量是被動地供給的，一般無須對加工能量進行精確的預(yù)測與控制，而在離散／堆積類型的RPM中，單元體（分層體）制造中能量是主動地供給的，需要準(zhǔn)確地預(yù)測與控制，對成形中的能量形式、強度、分布、供給方式以及變化等進行有效的控制，從而經(jīng)由單元體的制造而完成成形。隨著RPM技術(shù)的發(fā)展和人們對該項技術(shù)認識的深入，其內(nèi)涵也在逐步擴大。早期的快速成形技術(shù)僅指離散／堆積成形的實體自由成形制造（SFF即SolidFreeformFabrication），成形過程就是材料的添加過程，SFF技術(shù)已成為SL、LOM、SLS、FDM、DSCP等30多種技術(shù)的總稱。SFF所有的技術(shù)方法都有一個共同的幾何物理基礎(chǔ)，即分層制造原理的成形學(xué)原理。任何一種SFF技術(shù)都包含了相同的基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理工作，制造也不受零件形狀復(fù)雜程度的限制。雖然SFF技術(shù)干變?nèi)f化，任何一種工藝方法總要將每一個具體的物理層面建造起來，都需要完成：X－Y掃描及精確地運動控制；無方向精確的運動控制；每層的輪廓掃描和面內(nèi)填充掃描；各種物理量的測控；掃描速度與軌跡與某種功率的匹配（如激光功率、材料輸送功率）。

目前快速成形技術(shù)包括一切由CAD直接驅(qū)動的成形過程，主要技術(shù)特征即是成形的快捷性，對于材料的轉(zhuǎn)移形成可以是自由添加、去除、添加和去除相結(jié)合等形式。在快速成形的發(fā)展過程中，其稱謂經(jīng)歷了一個混亂期，如自由成形制造、材料添加制造、分層實體制造等，目前在對這一過程充分認識的基礎(chǔ)上，可依據(jù)其成形特征稱為“分層制造”（LnyeredManufacturing）更為恰當(dāng)。3．11．1．2幾種典型的RPM技術(shù)目前，國外幾種典型和較成熟的商品化RPM技術(shù)簡介如下：

1．立體印刷（SLA——Stereolitngraphy

apparaus）

又稱立體光刻、光造型（見圖3-59）。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂（如Ciba－Geijy公司的XB5149），它在一定劑量的紫外激光照射下就會在一定區(qū)域內(nèi)固化。成形開始時，工作平臺在液面下，聚焦后的激光光點在液面上按計算機的指令逐點掃描，在同一層內(nèi)則逐點固化。當(dāng)一層掃描完成后被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液態(tài)樹脂。然后升降架帶動平臺再下降一層高度，上面又布滿一層樹脂，以便進行第二層掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到三維零件制作完成。立體印刷目前已可達上0．lmm左右的制作精度，較廣泛地用來為產(chǎn)品和模型的CAD設(shè)計提供樣件和試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

SLA方法是最早出現(xiàn)的一種gy工藝，目前是RPM技術(shù)領(lǐng)域中研究最多、技術(shù)最為成熟方法。但這種方法有其自身的局限性，如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢。

2、分層實體制造（LOMIHaminatedobjectmanufacturing）

見圖3－60根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。首先鋪上一層箔材，然后用CO。激光在計算機控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子輾壓并加熱，以固化粘結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢。最后去除切碎部分以得到完整的零件。LOM的關(guān)鍵技術(shù)是控制激光的光強和切割速度，使它們達到最佳配合，以便保證良好的切口質(zhì)量和切割深度。美國亥里斯公司開發(fā)的紙片層壓式快速成形制造工藝，以紙作為制造模具的原材料，它是連續(xù)地將背面涂有熱溶性粘合劑的紙片逐層疊加，裁切后形成所需的立體模型，具有成本低、造型速度快的特點，適宜辦公室環(huán)境使用。LOM模具具有與木模同等水平的強度，可與木模一樣進行鉆別等機械加工，也可以進行刮膩子等修飾加工。

3、選擇性激光燒結(jié)（SLS——Selectivelasersintering）。

見圖3-61。SLS采用CO2激光器，使用的材料為多種粉末材料。先在工作臺上鋪上一層粉末，用激光束在計算機控制下有選擇地進行燒結(jié)（零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料），被燒結(jié)部分使固化在一起構(gòu)成零件的實心部分。一層完成后再進行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，使得到燒結(jié)成的零件。常采用的材料為尼龍、塑料、陶瓷和金屬粉末。SLS制作精度目前可達到土0．lmm左右。該方法的優(yōu)點是由于粉末具有自支撐作用，不需要另外支撐，另外材料廣泛，不僅能生產(chǎn)塑料材料，還可能直接生產(chǎn)金屬和陶瓷零件。

4．熔融沉積成形（FDMMused

drposition

modolling）

它是一種不使用激光器的加工方法（見圖3－62），技術(shù)關(guān)鍵在于噴頭，噴頭在計算觀控制下作X－Y聯(lián)動掃描以及Z向運動，絲材在噴頭中被加熱并略高于其熔點。噴頭在掃描運動中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個加工層并與上一層牢牢連接在一起。這樣層層掃描迭加便形成一個空間實體。FDM工藝關(guān)鍵是保護半流動成形材料剛好在凝固溫度點，通?？刂圃诒饶虦囟雀遧℃左右。FDM技術(shù)最大優(yōu)點是速度快，此外，整個FDM成形過程是在60～300℃下進行的，并且沒有粉塵，也無有毒化學(xué)氣體、激光或液態(tài)聚合物的泄漏，適宜辦公室環(huán)境使用。

FDM制作生成的原型適合工業(yè)上各種各樣的應(yīng)用，如概念成形、原型開發(fā)、精鑄蠟?zāi)：蛧婂冎颇５取?/p>

RPM技術(shù)發(fā)展迅速，新的RPM技術(shù)層出不窮，此外，也出現(xiàn)了與CNC相結(jié)合、與模具成形相結(jié)合的快速成形工藝。3.11．1．3RPM技術(shù)的技術(shù)地位

RPM技術(shù)具有如下特點和優(yōu)勢：適合于形狀復(fù)雜的、不規(guī)則零件的加工；沒有或極少下腳料且是一種環(huán)保型技術(shù)；成功的解決了計算機輔助設(shè)計中三維造型“看得見、摸不著”的問題；系統(tǒng)柔性高，只需修改Cap模型就可生成各種不同形狀的零件；多技術(shù)集成設(shè)計制造一體化；具有廣泛的材料適應(yīng)性；不需要專用的工裝夾具和模具，大大縮短新產(chǎn)品試制時間；零件的復(fù)雜程度與制造成本關(guān)系不大。

RPM技術(shù)由于具有縮短產(chǎn)品上市時間、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計等優(yōu)點，因而從其誕生之日起，就受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大重視，并迅速在航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫(yī)療、玩具、建筑和藝術(shù)品等許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，并已取得了極大進展。

RPM技術(shù)是實現(xiàn)并行工程、靈捷制造和可持續(xù)發(fā)展制造戰(zhàn)略的有效途徑，應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及集成制造等方面：產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計評價、功能試驗、可制造性與可裝配性檢驗、非功能性樣品制作、快速模具制造、快速制造金屬型零件、微型機械制造研究開發(fā)以及快速反求工程等?？傊琑PM技術(shù)是一種快速產(chǎn)品開發(fā)和制造的技術(shù)，作為一種關(guān)鍵的先進制造技術(shù)，其對國家制造能力及企業(yè)市場競爭力有極大影響，RPM技術(shù)的發(fā)展也有著巨大的產(chǎn)業(yè)化前景。3．11．2快速原型制造技術(shù)的國內(nèi)外技術(shù)進展3.11.2．1國外RPM技術(shù)進展自從美國的3DSystems公司推出它的第一代商用快速原型制造系統(tǒng)SLA河以來的十年間，RPM得到異乎尋常的迅猛發(fā)展。目前全球范圍有超過30種系統(tǒng)，RPM設(shè)備總計達千臺以上，可以制造各種材料與尺寸的原型和零件。1995年RPM的市場增長率為49％，年銷售額為已達2．95億美元，1998年達到約10億美元。

RPM技術(shù)從一開始就受到了各國政府、企業(yè)、高等院校和研究機構(gòu)的重視。美國在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，美國MIT是3D．P技術(shù)的發(fā)源地，包括金屬型和陶瓷型，后者已商業(yè)化。美國Dnyton

Univetsity從事包括SLA在內(nèi)的多種RPM工藝的研究與開發(fā)，自1991年以來，Dnyton大學(xué)每年主辦Int．ConfonRapidPrototyping，其是RP歷史最悠久的會議。美國UT（TexasUniversityatAustin）與DTM公司合作，主要研究開發(fā)SLS工藝，每年8月世界SFF（SolidFreeformFabrication）會議在此處召開，其側(cè)重點為RP科學(xué)研究，1997年論文重點集中在快速制造模具。美國CarnegieMellonUniversity主要從事基于RPM的微型機械研究與開發(fā)，美國DrexelUniversity、NewJersey理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)等都在RPM方面進行了研究工作。澳大利亞政府于1991年也認識到了RPM技術(shù)對其工業(yè)的重要性，建立了一個有6家教育機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，鼓勵研究和傳播RPM技術(shù)，每個機構(gòu)配有CAD／CAM工作站和一臺SLA－250機器，用于對工程師的繼續(xù)教育、研究項目和為工業(yè)界提供低價的服務(wù)。日本政府從1994年開始建立為期4年8億日元的基金研究項比集中在數(shù)據(jù)交換、樹脂固化的基礎(chǔ)研究和RPM應(yīng)用方面。歐洲建立了“歐洲快速原型制造行動（EARP）”項目，其由RPM領(lǐng)域的工業(yè)企業(yè)和學(xué)術(shù)機構(gòu)參加，研究內(nèi)容包括：創(chuàng)造性設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)、建模和原型制造、CAD與軟件、醫(yī)療應(yīng)用，該項目從1993年開始為期3～4年。RPM凈成形制造是國際智能制造系統(tǒng)（IMS）計劃項目的主要子項。近年來，由于政府、各大公司（如Genemotor、IBM等）以及軍事部門的大力支持下，美國近幾年繼續(xù)保持其在快速原型制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地位。許多RPM高技術(shù)公司直接面向市場，不僅使各類ny設(shè)備占領(lǐng)了越來越廣泛的市場，而且發(fā)展RP技術(shù)服務(wù)，使RP技術(shù)越來越多地進入不同的工業(yè)領(lǐng)域。RPM技術(shù)的市場空前繁榮己對美國制造業(yè)的發(fā)展起到重要作用，這種良性循環(huán)的發(fā)展勢頭可以保證美國繼續(xù)占據(jù)制造業(yè)的世界領(lǐng)先地位。

國外RPM技術(shù)的進展主要表現(xiàn)在以下一些方面：

(1）大力改善快速原型制作系統(tǒng)的制作精度、可靠性、生產(chǎn)率和制作大件的能力，并推出了新一代快速成形機。美國3DSystems公司新推出的SLA巧00／40，其制作速度比SLA－500／30快45％。DTM公司的Sinterstation2500其制作能力比Sinterstation2000幾乎大一倍，其制件范圍達330minX38lmmX432mm，它采用在Z方向的動態(tài)聚焦技術(shù)，使激光光斑在大零件的邊緣也能保持較小及圓形，保證整個原型有較高分辨率。Helisys公司1996年推出的LOM－2030，比第一代機制作速度快30％。Straasys的FDM8000采用改進了的擠出頭和軟件，速度比FDM1650快1倍，制作面積為508minX43lmmX610mm，精度為0．13mm。日本CEMT公司的樹脂光照成形的SOUP－1000的制件范圍最大，為1000minX800mmX500mm。目前幾乎所有方法的XY精度已非常高，甚至可達數(shù)控機床水平，但Z方向精度牽涉到材料變形和難于直接精確監(jiān)控等因素，一般都在0．lmm以下。Ny設(shè)備的價格幾乎沒有大的變化，仍然昂貴。

（2）開發(fā)經(jīng)濟型的RP系統(tǒng)（概念制模機）。開發(fā)制作速度快、價格低的An系統(tǒng)的市場潛力將是很大的，它更易真正成為辦公室能廣泛用得起的三維激光打印機。幾家美國公司正在推出能力低于昂貴的ny系統(tǒng)的桌面RP系統(tǒng)，目標(biāo)是開發(fā)像復(fù)印機、打印機、傳真機一樣操作方便、安靜、快速和安全的RP系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)有：3DSystems公司推出的采用多噴口（96個噴嘴）的制模機ACTUA2000，其報價為6萬美元；Stratasys公司的Genisys的報價為5.55萬美元，其成形材料強度高，可以少加支撐。上述這幾種產(chǎn)品的工藝都是基于噴射成形，噴粘接劑和噴（擠）熱塑料材料，它們的突出優(yōu)點是可制作復(fù)雜的零件，成形材料選擇性強，成形速度快。

（3）快速成形方法和工藝的改進和創(chuàng)新。目前比較成熟的SLA、LOM、SLS、FDM方法在不斷改進，各種RP方法各具特點，沒有一種方法能滿足所有的要求，同時各自也在不斷改進。目前圍繞提高快速成形件的精度、減少制作時間、探索直接制作最終用途零件的工藝，有多種新的快速成形方法或工藝正在實驗室中研究。

（4）快速模具制造（RTtwidTooling）的應(yīng)用?？焖僦颇？煞譃樵赗P系統(tǒng)上直接制模和利用RP原型間接制模，目前主要是快速制造鑄模和注塑模。ny＋RT的發(fā)展是近年來最重要熱點，