模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用351

模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用352024/12/19模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等與制造技術(shù)的深度結(jié)合，制造工業(yè)的面貌發(fā)生了深刻的變化，形成了先進(jìn)（現(xiàn)代）制造體系。先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵及范圍很廣，本章扼要介紹先進(jìn)制造工程技術(shù)中的數(shù)控加工技術(shù)、快速成形技術(shù)、超精密與納米加工技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造技術(shù)的概念和應(yīng)用場(chǎng)合。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)11.1.1數(shù)字控制與數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)字控制(NumericalControl)是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控（NC）。數(shù)控機(jī)床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。進(jìn)一步說(shuō)，數(shù)控機(jī)床是一種以數(shù)字量作為指令信息形式，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ秒娮佑?jì)算裝置，對(duì)這種信息進(jìn)行處理而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)床。11.1.2數(shù)控機(jī)床的基本組成及工作原理工藝分析數(shù)控加工程序數(shù)控加工圖樣數(shù)控裝置數(shù)控設(shè)備圖11-1數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過(guò)程模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)數(shù)控機(jī)床的基本組成見(jiàn)圖11-2所示。加工程序輸入輸出裝置數(shù)控系統(tǒng)輔助控制裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置檢測(cè)反饋裝置機(jī)床本體圖11-2數(shù)控機(jī)床的基本組成模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]數(shù)控機(jī)床的種類(lèi)很多，從不同角度對(duì)其進(jìn)行考查，就有不同的分類(lèi)方法，通常有以下幾種不同的分類(lèi)方法：11.1數(shù)控加工技術(shù)11.1.3數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)按工藝用途分類(lèi)切削加工類(lèi)：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、FMC等。成型加工類(lèi)：數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控沖裁機(jī)等。特種加工類(lèi)：數(shù)控線切割機(jī)、電火花加工機(jī)、激光加工機(jī)等。其它類(lèi)型：數(shù)控裝配機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)、機(jī)器人等。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]按運(yùn)動(dòng)軌跡分類(lèi)點(diǎn)位控制系統(tǒng)：如圖11-3a所示點(diǎn)位直線控制控制系統(tǒng)：如圖11-3b所示輪廓控制系統(tǒng)：如圖11-3c所示11.1數(shù)控加工技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制方式分類(lèi)半閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。這類(lèi)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大圖11-4開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖11.1數(shù)控加工技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋圖11-5閉環(huán)系統(tǒng)控制原理圖模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際速度反饋檢測(cè)與反饋單元實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋圖11-6半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)11.1.4數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1.數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)加工精度高對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性高生產(chǎn)效率高有利于生產(chǎn)管理自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低良好的經(jīng)濟(jì)效益有利于現(xiàn)代化管理模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.1數(shù)控加工技術(shù)11.1.4數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍2.數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍多品種小批量生產(chǎn)的零件形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件生產(chǎn)效率高精度要求比較高的零件需要頻繁改型的零件價(jià)格昂貴，不允許報(bào)廢的零件需要生產(chǎn)周期短的零件模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.2快速成形技術(shù)11.2.1快速成形技術(shù)的概念

快速成形技術(shù)（RP,RapidPrototyping）是運(yùn)用堆積成形法，由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)總稱(chēng)。

RP技術(shù)的成形原理不同于常規(guī)制造的去除法（切削加工、電火花加工等）和變形法（鑄造、鍛造等），而是利用光、電、熱等手段，通過(guò)固化、燒結(jié)、粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)等方式，有選擇地固化（或粘結(jié)）液體材料，實(shí)現(xiàn)材料的遷移和堆積，形成所需要的原型零件。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]

快速成形技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。它采用軟件離散——材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形，如圖11-4所示。11.2.3快速成形技術(shù)的工藝方法

RP技術(shù)的具體工藝有很多種，根據(jù)采用的材料和對(duì)材料的處理方式不同，選擇其中3種方法的工藝原理進(jìn)行介紹。1.選擇性液體固化又稱(chēng)光固化法，該方法的典型實(shí)現(xiàn)工藝有立體光刻（SL,StereoLithography），其工藝原理如圖11-5所示。光固化法是目前應(yīng)用最廣的快速成形制造方法。其主要特點(diǎn)是：制造精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率接近100%；能制造形狀復(fù)雜及特別精細(xì)的零件；能使用成形材料較脆、材料固化伴隨一定收縮率的材料制造所需零件。11.2.2快速成形技術(shù)的工作原理11.2快速成形技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]

2.選擇性層片粘結(jié)

選擇性層片粘結(jié)又稱(chēng)分層實(shí)體制造、疊層制造法（LOM,LaminatedObjectManufaturing），其工藝原理如圖11-6所示。疊層法的主要特點(diǎn)是：不需要制作支撐；激光只作輪廓掃描，而不需填充掃描，成形率高；運(yùn)行成本低；成形過(guò)程中無(wú)相變且殘余應(yīng)力小，適合于加工較大尺寸零件；但材料利用率較低，表面質(zhì)量差。3.選擇性粉末熔結(jié)/粘結(jié)選擇性粉末熔結(jié)/粘結(jié)又稱(chēng)燒結(jié)法（SLS，SelectiveLaserSintering

），其工藝原理如圖11-7所示。激光選區(qū)燒結(jié)法的主要特點(diǎn)是：不需要制作支撐；成形零件的機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；粉末較松散，燒結(jié)后精度不高，Z軸精度難以控制。11.2快速成形技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]

11.2.4快速成形技術(shù)的特點(diǎn)和用途1.主要特點(diǎn)1）高度柔性；2）技術(shù)的高度集成；3）設(shè)計(jì)制造一體化；4）快速性；5）自由成形制造(FreeFormFabrication，F(xiàn)FF)；6）材料的廣泛性。2.用途1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估與功能測(cè)驗(yàn)；2）快速模具制造；3）醫(yī)學(xué)上的仿生制造；4）藝術(shù)品的制造；5）直接制造金屬型。

11.2快速成形技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]

11.3.1超精密加工技術(shù)

超精密加工是指被加工零件的尺寸精度為0.1～0.01μm，加工表面粗糙度達(dá)Ra0.03～0.0051μm數(shù)量級(jí)的加工技術(shù)。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也在不斷變化。一般加工：精度10μm左右，Ra0.3～0.8μm；精密加工：精度10—0.1μm左右，Ra0.3—0.03μm；超精密加工：精度0.1—0.01μm左右，Ra0.03—0.05μm；納米加工：精度高于0.001μm，Ra小于0.005μm。超精密加工的主要方法有：1）金剛石刀具超精密切削；2）精密和鏡面磨削；3）精密研磨和拋光；

11.3超精密與納米加工技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]1.金剛石刀具超精密切削；

金剛石刀具擁有很高的高溫強(qiáng)度和硬度，而且材質(zhì)細(xì)密，經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨，切削刃可磨得極為鋒利，表面粗糙度值很小，因此可進(jìn)行鏡面切削。

金剛石刀具超精密切削主要用于加工銅、鋁等有色金屬，如高密度硬磁盤(pán)的鋁合金基片、激光器的反射鏡、復(fù)印機(jī)的硒鼓、光學(xué)平面鏡，凹凸鏡、拋物面鏡等。2.精密和鏡面磨削磨削時(shí)尺寸精度和幾何精度主要靠精密磨床保證，可達(dá)亞微米級(jí)精度（指精度為1~10-2μm）。在某些超精密磨床上可磨出十納米精度的工件。在精密磨床上使用細(xì)粒度磨粒砂輪可磨削出Ra=0.1～0.05μm的表面。使用金屬結(jié)合劑砂輪的在線電解修整砂輪的鏡面磨削技術(shù)可得到Ra0.01～0.002μm的鏡面。11.3超精密與納米加工技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]3.精密研磨和拋光；

精密研磨和拋光技術(shù)意指：使用超細(xì)粒度的自由磨料，在研具的作用和帶動(dòng)下加工表面，產(chǎn)生壓痕和微裂紋，依次去除表面的微細(xì)突出處，加工出Ra0.01～0.02μm的鏡面。

超精密加工是以精密元件為加工對(duì)象。超精密加工必須具有穩(wěn)定的加工環(huán)境，即必須在恒溫、超凈、防振等條件下進(jìn)行。另外，精密測(cè)量是超精密加工的必要手段，否則無(wú)法判斷加工精度。11.3超精密與納米加工技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.3.2納米加工技術(shù)納米（Nanometer）,是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為nm。1nm=10-3μm=10-9m。納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期誕生并在蓬勃發(fā)展的一種高新科學(xué)技術(shù)。納米不僅是一個(gè)空間尺度上的概念，而且是一種新的思維方式，即生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越細(xì)，以至于在納米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的產(chǎn)品。1.納米技術(shù)的含義

納米技術(shù)是指納米級(jí)（0.1~100nm）的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。它將加工和測(cè)量精度從微米級(jí)提高到納米級(jí)。2.納米技術(shù)的主要內(nèi)容納米技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，從基礎(chǔ)研究角度來(lái)看，納米技術(shù)包括：納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料和納米機(jī)械學(xué)等新學(xué)科。11.3超精密與納米加工技術(shù)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]

11.3超精密與納米加工技術(shù)3.納米級(jí)加工納米級(jí)加工是指：加工精度高于10-3μm，表面粗糙度Ra小于0.005μm，達(dá)到納米級(jí)精度。包括納米級(jí)尺寸精度、納米級(jí)幾何形狀精度和納米級(jí)表面質(zhì)量。納米級(jí)加工方法包括：機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工、復(fù)合加工、掃描隧道顯微加工等。納米級(jí)機(jī)械加工方法包括：?jiǎn)尉Ы饎偸毒叩某苣ハ?；金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪的超精密磨削及鏡面磨削；衍磨和砂帶拋光等固定磨料工具的加工；衍磨、拋光等自由磨料的加工等。

模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.4工業(yè)機(jī)器人11.4.1工藝機(jī)器人的基本概念1.工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人（IndustrialRobot,簡(jiǎn)稱(chēng)Robot

）是一種可重復(fù)編程的、自動(dòng)控制的、多自由度的、機(jī)體獨(dú)立的自動(dòng)操作機(jī)械。

2.工業(yè)機(jī)器人的組成（1）執(zhí)行系統(tǒng)（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（3）控制系統(tǒng)（4）檢測(cè)系統(tǒng)（5）智能系統(tǒng)模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.4工業(yè)機(jī)器人3.工藝機(jī)器人的分類(lèi)按系統(tǒng)功能分類(lèi)：專(zhuān)用機(jī)器人、通用機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、智能機(jī)器人按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)：直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人。按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)：氣壓傳動(dòng)機(jī)器人、液壓傳動(dòng)機(jī)器人、電力傳動(dòng)機(jī)器人。按承擔(dān)工作任務(wù)性質(zhì)可分為：搬運(yùn)機(jī)器人和作業(yè)機(jī)器人。雖然工業(yè)機(jī)器人品種繁多，但從設(shè)計(jì)與使用角度出發(fā)，工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)性能參數(shù)包括：運(yùn)動(dòng)自由度、工作空間、工作負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)速度、位置精度。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.4工業(yè)機(jī)器人11.4.2工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用主要是對(duì)人體有危險(xiǎn)或危害的操作環(huán)境。今天，在現(xiàn)代制造業(yè)中，利用機(jī)器人能擴(kuò)大機(jī)械制造系統(tǒng)的功能和范圍，以及提高自動(dòng)化程度，是實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化的基本設(shè)備。用于生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人有：鑄造機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。此外，高壓作業(yè)線、服裝剪裁、管道作業(yè)、擦玻璃的機(jī)器人也發(fā)揮著巨大的作用。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.5柔性制造技術(shù)

傳統(tǒng)的專(zhuān)用機(jī)床和“剛性”自動(dòng)生產(chǎn)線雖然有很高的生產(chǎn)效率，但其加工的零件形狀和尺寸單一，難以改變，這對(duì)于大批大量生產(chǎn)是合適的。為滿(mǎn)足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短的要求，20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著微電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，一種以機(jī)械加工為主的柔性制造技術(shù)得到迅速發(fā)展，主要有柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。11.5.1柔性制造單元

FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工中心的基礎(chǔ)上，增加了貯存工件的自動(dòng)料庫(kù)、輸送系統(tǒng)所構(gòu)成的自動(dòng)加工系統(tǒng)。如圖11-8所示為配有托盤(pán)交換系統(tǒng)的FMC。FMC適于多品種、小批量工件的生產(chǎn)。FMC具有規(guī)模小、成本低，便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。但FMC的信息系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，加工柔性不高，只能完成品種有限的零件加工。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.5柔性制造技術(shù)11.5.2柔性制造系統(tǒng)

1.FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定義和組成FMS是在FMC的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的一種高效率、高精度、高柔性的加工系統(tǒng)。對(duì)柔性制造系統(tǒng)直觀的定義：“柔性制造系統(tǒng)至少是由兩臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備、一套物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所組成的制造系統(tǒng)。從上述定義可以看出，F(xiàn)MS主要由以下三部組成：（1）加工系統(tǒng)（2）物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)（3）信息系統(tǒng)除上述三個(gè)主要組成部分外，F(xiàn)MS還包括冷卻系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、刀具監(jiān)控和管理等附屬系統(tǒng)。模塊三先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)及應(yīng)用35[1]11.5柔性制造技術(shù)2.FMS的優(yōu)點(diǎn)和效益（1）能接受各種不同零件加工（2）生產(chǎn)周期短、成本低（3）使加工質(zhì)量得到保證（4）對(duì)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和資金周轉(zhuǎn)十分有利11.5.3計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)1.CIMS(ComouterIntegratedManufacturingSystem)的基本概念CIMS是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，