先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

1、先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)0.前言21,先進(jìn)制造技術(shù)的概述32 .先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)43 .先進(jìn)制造技術(shù)的現(xiàn)狀54 .先進(jìn)制造的發(fā)展趨勢(shì)75 .柔性制造技術(shù)95.1 柔性95.2 柔性制造技術(shù)115.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS115.2.2 柔性制造單元（FMC115.2.3 柔性制造線（FML115.2.4 柔性制造工廠（FMF126 .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)126.1 CIMS系統(tǒng)的功能組成136.2 CIMS系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析146.2.1 保障和提高了新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量146.2.2 縮短了新產(chǎn)品的上市周期146.2.3 經(jīng)營(yíng)管理科學(xué)化，同時(shí)降低了產(chǎn)品的成本157超精密加工技術(shù)157.1

2、 超精密加工白技術(shù)范疇157.2 超精密加工白關(guān)鍵技術(shù)167.2.1 主軸167.2.2 直線導(dǎo)軌177.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)177.2.4 超精密測(cè)控技術(shù)187.2.5 微進(jìn)給技術(shù)187.2.6 超精密環(huán)境控制技術(shù)197.2.7 加工原理207.3 結(jié)論218結(jié)語(yǔ)210.前言制造業(yè)是現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)和綜合國(guó)力的重要支柱，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展與國(guó)家安全中占有重要戰(zhàn)略地位，其生產(chǎn)總值一般占一個(gè)國(guó)家國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的20%55%世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)，主要是先進(jìn)制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，其競(jìng)爭(zhēng)能力又體現(xiàn)在所生產(chǎn)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率上。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及顧客需求和市場(chǎng)環(huán)境的不斷變化這種競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，因而各國(guó)

3、政府都非常重視對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)（advancedmanufactuingtechnology,先進(jìn)制造技術(shù)）的研究。1.先進(jìn)制造技術(shù)的概述先進(jìn)制造技術(shù)，往往用先進(jìn)制造技術(shù)來(lái)概括由于微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)等給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來(lái)的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說(shuō)，先進(jìn)制造技術(shù)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，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的制造技術(shù)的總稱。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，當(dāng)代的先進(jìn)制造技術(shù)以其高效率、高品質(zhì)和對(duì)于市場(chǎng)變化的快速響應(yīng)能力為主要特征。先

4、進(jìn)制造技術(shù)是生產(chǎn)力的主要構(gòu)成因素，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。它擔(dān)負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)學(xué)科提供裝備、工具和檢測(cè)儀器的重要任務(wù)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)賴以生存和發(fā)展的/土壤0。尤其是一些尖端科技，如航空、航天、微電子、光電子、激光、分子生物學(xué)和核能等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，如果沒(méi)有先進(jìn)制造技術(shù)作為基礎(chǔ)，是根本不可能的2,先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造技術(shù)主要包括以下3個(gè)技術(shù)群（圖1）:a）主體技術(shù)群：這是制造技術(shù)的核心，它包括兩個(gè)基本部分：有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝技術(shù)。1）面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)群。面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)群系指用于生產(chǎn)準(zhǔn)備的工具群和技術(shù)群。設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)費(fèi)用、產(chǎn)品品質(zhì)以及新產(chǎn)品

5、上市時(shí)間都有很大影響。產(chǎn)品和制造工藝的設(shè)計(jì)可以采用一系列工具，例如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）以及工藝過(guò)程建模和仿真等，生產(chǎn)設(shè)施、裝備和工具，甚至整個(gè)制造企業(yè)都可以采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有效地設(shè)計(jì)。2）制造工藝技術(shù)群（制造技術(shù)環(huán)境）。制造工藝技術(shù)群是指用于物質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程及設(shè)備。制造工藝技術(shù)群是有關(guān)加工和裝配的技術(shù)，也是制造技術(shù)白傳統(tǒng)領(lǐng)域。b）支撐技術(shù)群：支撐技術(shù)群是指支持設(shè)計(jì)和制造工藝兩方面取得進(jìn)步的基礎(chǔ)性的核心技術(shù)。基本的生產(chǎn)過(guò)程需要一系列的支撐技術(shù)，如：測(cè)試和檢驗(yàn)、物料搬運(yùn)、生產(chǎn)計(jì)劃的控制以及包裝等。它們也是用于保證和改善主體技術(shù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行所需的技術(shù)，是工具、手段和系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)技術(shù)。支撐技術(shù)群

6、包括:1）信息技術(shù)：接口和通信、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、集成框架、軟件工程人工智能、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策支持系統(tǒng);2）標(biāo)準(zhǔn)和框架：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、3）機(jī)床和工具技術(shù);4）傳感器和控制技術(shù)：?jiǎn)螜C(jī)加工單元和過(guò)程的控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和傳感器組合、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃;5）其他。c）制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施：制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施是指為了管理好各種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)群的開發(fā)并鼓勵(lì)這些技術(shù)在整個(gè)國(guó)家制造行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用而采取的各種方案和機(jī)制。制造技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施是使先進(jìn)的制造技術(shù)與企業(yè)組織管理體制和使用技術(shù)的人員協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)工程，是先進(jìn)制造技術(shù)不可分割的一個(gè)組成部分。圖1AMT體系結(jié)構(gòu)3 .先進(jìn)制造技術(shù)的現(xiàn)狀先進(jìn)制造技術(shù)

7、是現(xiàn)代技術(shù)和工業(yè)創(chuàng)新的集成和典范，是國(guó)家制造業(yè)水準(zhǔn)的主要標(biāo)志，是國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ)和支柱。目前，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已充分認(rèn)識(shí)到發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的重要性和緊迫感，紛紛對(duì)此進(jìn)行廣泛深入的研究，展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。各種創(chuàng)新成果和先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。它們主要包括：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS),敏捷制造(agilemanufacturing,AM),并行工程(concurrentengineering,CE),虛擬制造(virtualmanufactur2ing,VM)以及可持續(xù)發(fā)展技術(shù)等等。a)CIMS是現(xiàn)代信息技術(shù)條件下的新一代制

8、造系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)來(lái)輔助制造系統(tǒng)的集成，以充分的、及時(shí)的信息交流或信息共享將企業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)車間以及供銷和管理部門集成為一個(gè)有機(jī)的整體，使他們相互協(xié)調(diào)地運(yùn)作，以提高產(chǎn)品品質(zhì)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，確保企業(yè)的整體效益，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和生存能力。b)CE是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程(包括制造過(guò)程和支持過(guò)程)進(jìn)行并行、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化的工作模式。在傳統(tǒng)的串行開發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)中的問(wèn)題或不足，要分別在加工、裝配或售后服務(wù)中才能被發(fā)現(xiàn)，然后再修改設(shè)計(jì)，改進(jìn)加工、裝配或售后服務(wù)（包括維修服務(wù)）。而CE就是將設(shè)計(jì)、工藝和制造結(jié)合在一起，利用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)并行作業(yè)，大大縮短生產(chǎn)周期（圖2）。圖2

9、串、并行工程時(shí)序的比較c）AM是指企業(yè)實(shí)現(xiàn)敏捷生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的一種制造哲理和生產(chǎn)模式。AM包括產(chǎn)品制造機(jī)械系統(tǒng)的柔性、員工授權(quán)、制造商和供應(yīng)商關(guān)系、總體品質(zhì)管理及企業(yè)重構(gòu)。AM是借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造有多個(gè)企業(yè)參加的/VM0環(huán)境，以競(jìng)爭(zhēng)合作的原則，在虛擬制造環(huán)境下動(dòng)態(tài)選擇合作伙伴，組成面向任務(wù)的虛擬公司，進(jìn)行快速和最佳生產(chǎn)。d）VM是虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality,VR）技術(shù)在制造中的應(yīng)用。VM實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、VR技術(shù)為支柱，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)之前，就能使人體會(huì)到或感覺(jué)到未來(lái)產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以做出前瞻性的決策

10、與優(yōu)化實(shí)施方案。VM技術(shù)是對(duì)真實(shí)制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、仿真，是在計(jì)算機(jī)上制造數(shù)字化產(chǎn)品，在VM環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。VM技術(shù)是CE,AM,精益生產(chǎn)的支撐技術(shù)，是品質(zhì)工程實(shí)現(xiàn)的有力保證。e）可持續(xù)設(shè)計(jì)是在生態(tài)哲學(xué)的指導(dǎo)下，將設(shè)計(jì)行為納入/社會(huì)2經(jīng)濟(jì)2環(huán)境2人類0的系統(tǒng)中，既實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值又保護(hù)人與自然的共同繁榮，旨在平衡環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三方面的設(shè)計(jì)實(shí)踐和設(shè)計(jì)管理?？沙掷m(xù)設(shè)計(jì)包含并超越了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并代表了人類對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新思考，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)學(xué)科的新的發(fā)展方

11、向。目前可持續(xù)設(shè)計(jì)并不成熟，主要設(shè)計(jì)工具有生命周期評(píng)價(jià)(LCA);面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE);面向材料選擇的設(shè)計(jì)(DFMS);面向拆裝的設(shè)計(jì)(DFD);面向回收的設(shè)計(jì)(DFR)等，可持續(xù)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是人類文明的巨大進(jìn)步。4 .先進(jìn)制造的發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)制造業(yè)追求的目標(biāo)是：高品質(zhì)、高效率、高柔性、低成本、低勞動(dòng)力、低消耗、品種多和規(guī)格全的產(chǎn)品，因此,ATM的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：a)制造技術(shù)向自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展：隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了制造技術(shù)向更深層次發(fā)展。基于CAD/CAM技術(shù)的CIMS是制造業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要方向。CIMS通過(guò)CAX(CAD,CAPP,CAE,C

12、AMI系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)，進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真，并結(jié)合數(shù)字化制造設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)加工。并采用MRPII/ERP系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)企業(yè)的物流、資金流、管理信息流和人力資源進(jìn)行數(shù)字化管理。智能制造技術(shù)(IMT)是將人工智能融入制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)模擬人類專家的智能活動(dòng)，取代或延伸制造系統(tǒng)中的部分腦力勞動(dòng)，在制造過(guò)程中系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，在外界干擾或內(nèi)部激勵(lì)下能自動(dòng)調(diào)整其參數(shù)，以達(dá)到最佳狀態(tài)和具備自組織能力。例如機(jī)器人加工就是將機(jī)床與機(jī)器人、傳感器、控制器組合而成的智能制造系統(tǒng)，它具有信息處理和知覺(jué)反饋、決策能力，可同時(shí)控制指揮多種操作，從而能提高效率、保證品質(zhì)和降低成本。b）精密成形與加工：

13、精密加工、超精密加工技術(shù)、微型機(jī)械是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的方向之一。精密和超精密加工技術(shù)包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特種加工和復(fù)合加工（如機(jī)械化學(xué)研磨、超聲磨削和電解拋光等）三大領(lǐng)域。超精密加工技術(shù)己向納米技術(shù)發(fā)展。納米技術(shù)已在納米機(jī)械學(xué)、納米電子學(xué)和納米材料技術(shù)得到了應(yīng)用。c）新型特種加工方法的形成：特種加工亦稱非傳統(tǒng)加工或現(xiàn)代加工方法，泛指用電能、光能、熱能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法。它包括激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束加工技術(shù)、等離子加工技術(shù)、電加工技術(shù)等。今后，特種加工將從實(shí)際出發(fā)，在融合傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)上大力開

14、發(fā)特種加工領(lǐng)域中的新方法，包括微細(xì)加工和復(fù)合加mod）制造業(yè)中廣泛應(yīng)用VM技術(shù)和柔性制造技術(shù)：制造過(guò)程中的VM是指面向產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的模擬和檢驗(yàn)。VM的核心是計(jì)算機(jī)仿真，通過(guò)仿真軟件來(lái)模擬真實(shí)系統(tǒng)，以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品工藝的合理性，保證產(chǎn)品制造的成功和生產(chǎn)周期，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中不可避免的缺陷和錯(cuò)誤。所謂柔性，是指一個(gè)制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力，它與系統(tǒng)方案、人員和設(shè)備有關(guān)。系統(tǒng)方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務(wù)，完成數(shù)量和時(shí)間要求的適應(yīng)能力。設(shè)備柔性是指機(jī)床能在短期內(nèi)適應(yīng)新零件的加工能力e）網(wǎng)絡(luò)化和全球化：隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)

15、計(jì)、物料選擇、零件制造、市場(chǎng)開拓與產(chǎn)品銷售等都可以異地或跨越國(guó)界進(jìn)行。止匕外，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，加速技術(shù)信息的交流、加強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)的合作和經(jīng)營(yíng)管理的學(xué)習(xí)，推動(dòng)了企業(yè)向著既競(jìng)爭(zhēng)又合作的方向發(fā)展。因此制造業(yè)發(fā)展的必然是由網(wǎng)絡(luò)化迅速向全球化邁進(jìn)。f）實(shí)施無(wú)污染綠色制造：綠色制造是通過(guò)綠色生產(chǎn)過(guò)程、綠色設(shè)計(jì)、綠色材料、綠色設(shè)備、綠色工藝、綠色包裝、綠色管理等生產(chǎn)出綠色產(chǎn)品，產(chǎn)品使用完以后再通過(guò)綠色處理后加以回收利用。采用綠色制造能最大限度地減少制造對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，同時(shí)使原材料和能源的利用效率達(dá)到最高。對(duì)于目前世界資源緊張，環(huán)境惡化的現(xiàn)狀以及人類的持續(xù)發(fā)展的要求來(lái)講，綠色制造是必然的趨勢(shì)。5 .柔

16、性制造技術(shù)5.1 柔性柔性可以表述為兩個(gè)方面。第一方面是系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力，可用系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度來(lái)衡量；第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力，可用在有干擾（如機(jī)器出現(xiàn)故障）情況下，系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無(wú)干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比來(lái)衡量?！叭嵝浴笔窍鄬?duì)于“剛性”而言的，傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。具優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率很高，由于設(shè)備是固定的，所以設(shè)備利用率也很高，單件產(chǎn)品的成本低。但價(jià)格相當(dāng)昂貴，且只能加工一個(gè)或幾個(gè)相類似的零件，難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時(shí)代正逐漸被適應(yīng)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)所替換，一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力在很大程度上取決于

17、它是否能在很短的開發(fā)周期內(nèi)，生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。柔性已占有相當(dāng)重要的位置。柔性主要包括：機(jī)器柔性。當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時(shí)，機(jī)器隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程度。工藝柔性。一是工藝流程不變時(shí)自身適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力；二是制造系統(tǒng)內(nèi)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。產(chǎn)品柔性。一是產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；二是產(chǎn)品更新后，對(duì)老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力。維護(hù)柔性。采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。生產(chǎn)能力柔性。當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)也能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。對(duì)于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系

18、統(tǒng)，這一點(diǎn)尤為重要。擴(kuò)展柔性。當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候，可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個(gè)更大系統(tǒng)的能力。運(yùn)行柔性。利用不同的機(jī)器、材料、工藝流程來(lái)生產(chǎn)一系列產(chǎn)品的能力和同樣的產(chǎn)品，換用不同工序加工的能力。5.2 柔性制造技術(shù)柔性制造技術(shù)是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象實(shí)現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的總和。柔性制造技術(shù)是技術(shù)密集型的技術(shù)群，我們認(rèn)為凡是側(cè)重于柔性，適應(yīng)于多品種、中小批量（包括單彳產(chǎn)品）的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)。目前，按規(guī)模大小劃分為：5.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMSFMS包含2臺(tái)以上具有自動(dòng)刀具交換和自動(dòng)工件托盤交換裝置的數(shù)控機(jī)床，以加工中心為核心設(shè)備，配有自動(dòng)物料傳遞和管理系

19、統(tǒng)，如有軌運(yùn)輸小車或自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸小車，并在中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制和管理下，動(dòng)態(tài)地平衡資源地有效利用，具有生產(chǎn)調(diào)度和對(duì)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，可動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)多種零件族的自動(dòng)加工。5.2.2 柔性制造單元（FMCFMC可視為一個(gè)規(guī)模最小的FMS是FMS向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它由12臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，具特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性，現(xiàn)已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。5.2.3 柔性制造線（FMDFML是處于單一或少品種大批量非柔性自動(dòng)線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。具加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機(jī)床,亦可采用專用機(jī)床或N

20、C專用機(jī)床，對(duì)物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS但生產(chǎn)率更高。它以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化，具技術(shù)已日臻成熟，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用化階段。5.2.4 柔性制造工廠(FMFFMF是將多條FMS連接起來(lái)，配以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS它包括了CAD/CAM并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS投入實(shí)際，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤化。FMF將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營(yíng)管理的自動(dòng)化連成一個(gè)整體，以信息流控制物質(zhì)流的

21、智能制造系統(tǒng)(IMS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動(dòng)化。6 .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystems,簡(jiǎn)稱CIMS),是隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。它借助于計(jì)算機(jī)的硬件、軟件技術(shù)，綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)。對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)、管理、計(jì)劃、調(diào)度、經(jīng)營(yíng)、銷售等整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的信息進(jìn)行統(tǒng)一處理，并對(duì)分散在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中各種孤立的自動(dòng)化子系統(tǒng)的功能進(jìn)行有機(jī)地集成，并優(yōu)化運(yùn)行，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本。它是工廠自動(dòng)化的發(fā)展方向，未來(lái)制造業(yè)工廠的模式，是

22、當(dāng)代生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿學(xué)科，也是集中多種高新技術(shù)為一體的現(xiàn)代化制造技術(shù)。6.1 CIMS系統(tǒng)的功能組成一般CIMS有六部分組成(1)管理信息系統(tǒng)(MIS):具有生產(chǎn)計(jì)劃與控制、經(jīng)營(yíng)管理、銷售管理、采購(gòu)管理、財(cái)務(wù)管理等功能，處理生產(chǎn)任務(wù)方面的信息。(2)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用分系統(tǒng)(CAD&CAPP):由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工藝編制和數(shù)控程序編制等功能組成，用以支持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝準(zhǔn)備，處理有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的信息。(3)車間管理與自動(dòng)化應(yīng)用分系統(tǒng)(CAM):也可以稱為計(jì)算機(jī)輔助制造分系統(tǒng)，它包括各種不同自動(dòng)化程度的制造設(shè)備和子系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息流對(duì)物流的控制和完成物流的轉(zhuǎn)換。它是信息流和物

23、流的接合部，用來(lái)支持企業(yè)的制造功能。(4)計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量保障分系統(tǒng)(CAQ):具有制訂質(zhì)量管理計(jì)劃、實(shí)施質(zhì)量管理、處理質(zhì)量方面信息、支持質(zhì)量保證等功能。(5)數(shù)據(jù)庫(kù)存管理分系統(tǒng)：用以管理整個(gè)CIMS的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與共享。(6)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)：用以傳遞CIMS各分系統(tǒng)之間和分系統(tǒng)內(nèi)部的信息，實(shí)現(xiàn)CIMS的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能。它們的聯(lián)接關(guān)系如圖1示：6.2 CIMS系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析6.2.1 保障和提高了新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量CIMS但括并行工程和虛擬制造技術(shù)等）使企業(yè)提高了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的深度，大大有利于提高企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量。CIMS建立了企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理全方位的計(jì)

24、算機(jī)集成制造環(huán)境，做到了企業(yè)信息流、物流、資金流的集成。市場(chǎng)綜合反饋信息在CIMS（MI£B分：管理信息分系統(tǒng)）的支持下，迅速反饋到CIMS程設(shè)計(jì)自動(dòng)化分系統(tǒng)（CAD/CAPP/CAM/CAE）,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、CAD等系統(tǒng)支持下，綜合產(chǎn)品過(guò)去設(shè)計(jì)成果及各項(xiàng)信息（包括零部件明細(xì)、價(jià)格、供貨質(zhì)量、生產(chǎn)加工能力等）,在MIS過(guò)來(lái)的市場(chǎng)綜合反饋信息地推動(dòng)下，就能不斷設(shè)計(jì)出更加滿足市場(chǎng)需求的高爭(zhēng)論、低成本、適銷對(duì)路的產(chǎn)品6.2.2 縮短了新產(chǎn)品的上市周期CIMS是一個(gè)集成化的生產(chǎn)模式，覆蓋了市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)決策、新產(chǎn)品研制、工程設(shè)計(jì)、加工制造、庫(kù)存供應(yīng)、質(zhì)量保證、銷后服務(wù)等

25、整個(gè)制造業(yè)的活動(dòng)，并力圖實(shí)現(xiàn)三流集成。在這種環(huán)境支持下，通過(guò)企業(yè)信息的快速流動(dòng)，加速了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，由于在設(shè)計(jì)時(shí)參考了產(chǎn)品的可制造性等特性，在MIS及制造自動(dòng)化系統(tǒng)的支持下，也極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)及銷售分派效率，這些都保證了企業(yè)新產(chǎn)品上市周期的顯著改善。在經(jīng)營(yíng)管理方面，使企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策和生產(chǎn)管理趨于科學(xué)化。使企業(yè)能夠在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，快速、準(zhǔn)確地報(bào)價(jià)，贏得時(shí)間；在實(shí)際生產(chǎn)中，解決“瓶頸”問(wèn)題，減少再制品，同時(shí)，降低了庫(kù)存資金的占用。調(diào)查材料表明，采用計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)后，企業(yè)新產(chǎn)品的各項(xiàng)因素發(fā)生了明顯的變化，。7超精密加工技術(shù)超精密加工是在超精密機(jī)床設(shè)備上利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格

26、約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和極低表面粗糙度的加工過(guò)程，其精度從微米到亞微米，乃至納米。它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。而且，超精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測(cè)量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。7.1 超精密加工的技術(shù)范疇由于加工技術(shù)水平的發(fā)展，超精密加工劃分的界限逐漸向前推移，但在具體數(shù)值上沒(méi)有固定的界定。根據(jù)目前技術(shù)水平及國(guó)內(nèi)外專家的看法，對(duì)中小型零件的加工形狀誤差4和表面粗糙度Ra的數(shù)量級(jí)可分為以下檔次。精密力口工：=1.00.1mrxRa=0.10.03m(x超精密加工：=0.10.01區(qū)Ra

27、=0.030.005m納微米加工：<0.01區(qū)mRa<0.005mm隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工技術(shù)日趨成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微細(xì)加工、超精密計(jì)量等，并向更高層次發(fā)展。超精密加工的影響因素很多，只有廣泛研究和綜合采用各種新技術(shù)，并在各方面精益求精，才能突破目前常規(guī)加工技術(shù)不能達(dá)到的精度界限。實(shí)現(xiàn)超精密切削加工的條件主要包括超精密加工機(jī)床、超精密切削刀具、超精密加工環(huán)境、超精密加工的工件材質(zhì)、超精密加工用夾具和超精密測(cè)控技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。超精密加工技術(shù)實(shí)際上就是這些技術(shù)的綜合應(yīng)用。7.2 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)7.2.1 主軸機(jī)床的主軸在加工過(guò)程中直

28、接帶動(dòng)工件或刀具運(yùn)動(dòng)，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度?，F(xiàn)在超精密加工機(jī)床中精度最高的主軸采用的是空氣靜壓軸承，其實(shí)用精度可達(dá)0.05區(qū)但還不能滿足納米級(jí)加工的要求。近年來(lái)磁懸浮軸承的發(fā)展非常迅速，有望在未來(lái)有所突破，但目前還達(dá)不到空氣靜壓軸承的精度。而提高空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度的途徑之一是提高軸及軸套的圓度，因?yàn)槔碚撋线@兩者是成正比的。另外，還要想辦法提高氣孔供氣的平穩(wěn)性。通過(guò)多孔粉末冶金材料的小孔供氣是理想的供氣形式，有待進(jìn)一步研究。此外，還可以利用控制技術(shù)以補(bǔ)償?shù)男问絹?lái)減小或消除回轉(zhuǎn)誤差。7.2.2 直線導(dǎo)軌總的來(lái)說(shuō)，從精度角度看，空氣導(dǎo)軌是現(xiàn)在最好的導(dǎo)軌。雖然它沒(méi)有液體靜壓導(dǎo)軌的

29、剛性大，但氣浮導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)也很明顯，如無(wú)需進(jìn)行油溫控制，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。此外，納米級(jí)精度加工機(jī)床的負(fù)荷和行程沒(méi)有那么大，所以應(yīng)優(yōu)先考慮空氣導(dǎo)軌。目前，空氣導(dǎo)軌的直線度可達(dá)（0.10.2）mm/250mrg國(guó)內(nèi)303所也可做到0.1"m/200m和水平。納米水平的機(jī)床導(dǎo)軌行程比上述要短，通過(guò)補(bǔ)償技術(shù)還可進(jìn)一步提高導(dǎo)軌的直線度。國(guó)防科技大學(xué)利用二維微進(jìn)給裝置補(bǔ)償導(dǎo)軌直線度，取得了較好的效果，可補(bǔ)償?shù)?.1m/300mm的精度水平。在導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還有潛力可挖，如采用多根導(dǎo)軌并聯(lián)來(lái)加強(qiáng)氣膜的誤差勻化作用，加大氣墊式導(dǎo)軌跨度來(lái)縮小直線度誤差等。由于空氣導(dǎo)軌的氣膜厚度大概只有10wm在使用過(guò)程中

30、防塵顯得很重要，若不保證潔凈的環(huán)境，導(dǎo)軌有可能因?yàn)榛覊m而受損傷，這種損傷常常是難以修復(fù)的。7.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)傳統(tǒng)進(jìn)給裝置的主要任務(wù)之一是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，主要使用滾珠絲杠。與軸承一樣，為了克服摩擦引起的爬行和反向間隙現(xiàn)象，出現(xiàn)了靜壓絲杠。由于介質(zhì)膜的均化作用，目前的空氣靜壓絲杠分辨率可達(dá)到0.01小進(jìn)給精度比C（a滾珠絲杠高2個(gè)數(shù)量級(jí)，但剛度有所欠缺。所以，又出現(xiàn)了傳動(dòng)原理類似齒輪齒條傳動(dòng)的摩擦傳動(dòng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)反向間隙的傳動(dòng)，同時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，彈性變形因素較小。目前，已有的摩擦傳動(dòng)分辨率能達(dá)到1.25nm,定位精度能達(dá)到0.1wm而根據(jù)其原理，采用高分辨率的電機(jī)還可以使這兩個(gè)數(shù)

31、值進(jìn)一步減小。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它一般被用作補(bǔ)償工具。用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、彈性較鏈支撐的微位移機(jī)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。7.2.4 超精密測(cè)控技術(shù)在距離的測(cè)量?jī)x器中，雙頻激光干涉儀測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大，但對(duì)環(huán)境的要求過(guò)高，在使用中有很多困難。近年來(lái)，微光學(xué)器件的發(fā)展使光柵技術(shù)有了很大的進(jìn)步。德國(guó)Heidenhain的超精密光柵尺被世界各超精密設(shè)備廠家選用。在小距離的測(cè)量?jī)x器中，電容式、電感式測(cè)微儀仍是主要的設(shè)備，光纖測(cè)微儀也發(fā)展很快。在更小測(cè)量范圍的測(cè)量?jī)x器中有掃描隧道顯微鏡（STM、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡，這些儀器可進(jìn)行納米級(jí)的測(cè)量，常用于表面質(zhì)量檢測(cè)。測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性

32、和可靠性也是超精密測(cè)量中的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。7.2.5 微進(jìn)給技術(shù)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它一般被用來(lái)微進(jìn)給或作補(bǔ)償工具。壓電陶瓷材料具有較好的微位移特性和可控制性。以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)器的基于彈性較鏈支撐的微位移機(jī)構(gòu)目前是用得最多的。美國(guó)LODT機(jī)床上用的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)（FTS）在±1.27范圍內(nèi)分辨率達(dá)2.5nm頻響可達(dá)100Hz,可進(jìn)行主軸回轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償（轉(zhuǎn)速在150r/min以下）。日本東京工業(yè)大學(xué)用壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)補(bǔ)償氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度，可將直線度提高到0.14wm/600mm國(guó)防科技大學(xué)利用自研的二維微進(jìn)給刀具進(jìn)行二坐標(biāo)工作臺(tái)定位誤差的補(bǔ)償，獲得了較好的

33、效果。在機(jī)床跟蹤半徑50mm勺圓時(shí)，定位誤差從0.7wm提高到0.033這種微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在行程是5時(shí)分辨率可達(dá)5nm。目前希望解決的是提高這種機(jī)構(gòu)的頻響和剛度，對(duì)于主軸回轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償來(lái)說(shuō)100H卻頻響是不夠的。開環(huán)控制可提高系統(tǒng)的頻響，但會(huì)犧牲剛性和精度。利用補(bǔ)償技術(shù)來(lái)提高機(jī)床的精度是一種有效的手段。7.2.6 超精密環(huán)境控制技術(shù)為了適應(yīng)超精密加工的需要，達(dá)到微米甚至納米級(jí)的加工精度，必須對(duì)它的支撐環(huán)境加以嚴(yán)格的控制，主要包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境、聲環(huán)境和磁環(huán)境等?？諝猸h(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)是潔凈度，一般超精密加工要求的潔凈度在1000100，即每立方米空間0.5wm小的塵埃不多于35X1

34、00035X1004"（1ft3的空間0.5大小的塵埃不多于100010g）。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)空氣潔凈度提出了更加苛刻的要求，美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209Dk增加了1級(jí)和10級(jí)的潔凈度級(jí)別。熱環(huán)境與加工精度有密切關(guān)系，熱環(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)為溫度和濕度。普通金屬在溫度變化1C時(shí)的熱膨脹量約為1.6區(qū)所以為進(jìn)行亞微米精度的加工，溫度變動(dòng)范圍應(yīng)控制在±0.05C,相對(duì)濕度控制在35%45%宜。目前，實(shí)用的溫度控制技術(shù)最高水平為美國(guó)的恒溫油噴淋技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)20±0.0025C的溫度控制。振動(dòng)是影響超精密加工精度的又一重要因素。利用良好的隔振地基和空氣隔振墊，可以隔離絕大部分“常時(shí)振動(dòng)”，是目前應(yīng)用較多的隔振手段。另外，還應(yīng)考慮設(shè)備運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)平衡或振動(dòng)隔離，消除或減少內(nèi)部振源，盡量遠(yuǎn)離外部振源。通過(guò)綜合努力，70Hz以下的振動(dòng)幅度小于1區(qū)滿足超精密加工的要求。7.2.7 加工原理超精密加工的精度要求越來(lái)越高，機(jī)床相對(duì)工件的精度裕度已很小。在這種情況下，只是靠改進(jìn)原來(lái)的技術(shù)