先進制造技術3課件

第十五章先進制造技術[機械制造工程]精品課程小組教學目的與要求:1.了解先進制造工藝技術。2.了解自動化制造系統(tǒng)。3.了解工業(yè)機器人。4.了解先進制造模式。5.了解先進制造系統(tǒng)投資項目評價。教學內容：1.先進制造工藝技術。2.自動化制造系統(tǒng)。3.工業(yè)機器人。4.先進制造模式。5.先進制造系統(tǒng)投資項目評價。1.先進制造技術不是一項具體的技術，而是一項綜合系統(tǒng)的技術。先進制造技術的主要特征2.先進制造技術的先進性是建立在不斷地汲取其他相關領域新技術的基礎上的，是動態(tài)的、相對的。3.創(chuàng)新是先進制造技術的靈魂，并貫穿于制造全過程（產品創(chuàng)新、生產工藝過程創(chuàng)新、生產手段創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、組織創(chuàng)新及市場創(chuàng)新）。4.技術與管理的結合是先進制造技術的一個突破，對市場變化做出更敏捷的反應及對最佳技術經濟效益的追求，使先進制造技術十分重視生產過程組織管理體制的合理化和最佳化。1.現(xiàn)代設計技術先進制造技術的研究領域：2.先進制造工藝技術3.自動化技術4.系統(tǒng)管理技術一、超精密加工1.金剛石精密切削精密與超精密加工是一個十分廣泛的領域，它包括了所有能使零件的形狀、位置和尺寸精度達到微米和亞微米范圍的機械加工方法。第一節(jié)先進制造工藝技術

金剛石具有無與倫比的硬度，是最佳的切削刀具材料。用金剛石刀具進行精密切削，主要用來加工無氧銅、鋁合金、黃銅、非電解鎳等有色金屬和某些非金屬材料。金剛石精密切削用于加工陀螺儀、天文望遠鏡的反射鏡、激光切割機床中的反射鏡等；也可以加工計算機磁盤、激光打印機的多面鏡、錄像機的磁頭、復印機的硒鼓。當磨削后的工件表面反射光的能力達到一定程度時，該磨削過程被稱為鏡面磨削。鏡面磨削的工件材料有脆性材料、金屬材料。2.鏡面磨削日本東京大學理化研究所發(fā)明了電解在線修整磨削法ELID(ElectrolyticIn-ProcessDressing)。ELID磨削方法最適合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可達1nm的水平，即使在可見光范圍內，這樣的表面確實可以作為鏡面來使用。

ELID磨削的生產率遠遠超過常規(guī)的拋光加工，故在許多應用場合取代了拋光工序。ELID也可用于加工其他幾何形狀如球面、柱面和環(huán)面等。三、微型機械加工

在機械裝置的小型化過程中出現(xiàn)兩類機械，小型機械和微型機械?？梢赃@樣劃分：10～1mm為小型機械，用精密加工的方法可以制造出來；1mm～1μm為微型機械，需要細微加工技術方法才能制造出來；1μm～1nm為納米機械，是分子級的零件，需要采用生物工程技術制造。微型機械是指集微型機構、微型傳動器以及信號處理和控制電路，甚至外圍接口電路、通訊電路和電源等于一體的微型機電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystems，即MEMS）。微型機械技術涉及電子、電氣、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學、光學、醫(yī)學以及生物技術等多種工程技術和科學并集約了當今科學技術的許多尖端成果。微型機器可應用醫(yī)療、汽車運輸、航空航天、環(huán)境、制造、軍事等，尤其以其在生物醫(yī)學、環(huán)境、交通和國防領域的應用令人矚目。如日本名古屋大學研制出不需要電纜的管內移動微型機器人，可用于生物醫(yī)學（如清理人體血管壁）、小直徑管道檢測等。目前微型機械的制造主要采用基于半導體工藝的硅微細加工技術，以及德國研制的LIGA工藝（LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫）。四、快速原型制造技術快速原型/零件制造（RPM—RapidPrototyping/PartsManufacturing）技術是綜合利用CAD技術、數(shù)控技術、材料科學、機械工程、電子技術及激光加工技術的技術集成以實現(xiàn)從零件設計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術。

RPM技術是直接根據(jù)產品CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經計算機數(shù)據(jù)處理后，將三維實體數(shù)據(jù)模型轉化為許多平面模型的疊加，然后直接通過計算機進行控制以制造一系列的平面模型，然后加以聯(lián)結，即可形成復雜的三維實體。。五、特種加工特種加工是指切削加工以外的一切新的去除加工方法，它與切削加工有著明顯的區(qū)別。⒈切削加工是靠機械能來切除多余材料，而特種加工是以電能、化學能、光能、聲能、熱能等來實現(xiàn)對零件材料加工的。⒉特種加工用的工具材料硬度可以低于被加工工件材料的硬度，甚至可以不用加工工具。⒊特種加工過程中工具與工件之間不存在明顯的機械切削力。特種加工可以加工任何硬度、強度、韌性、脆性的金屬或非金屬材料，且專長于加工復雜、微細表面和低剛度零件，同時，有些方法還可以進行超精加工、鏡面光整加工和納米級加工。（一）電火花加工電火花加工（ElectricalDischargeMachining簡稱EDM）是利用工具和工件（正、負電極）之間脈沖性電火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來除去工件上的多余金屬以實現(xiàn)加工目的。電火花加工原理1—直流脈總電源2一工件3一工作液

4一工具電極5一自動進給調節(jié)裝置

⒈電火花加工的基本原理電火花放電時火花通道中瞬時產生大量的熱，達到很高的溫度，使電極表面的金屬局部融化甚至氣化蒸發(fā)而被蝕除，形成放電凹坑。

實現(xiàn)電火花加工必須具備的條件：

⑴工具和工件被加工表面之間經常保持一定的間隙通常為幾微米至幾百微米）。⑵火花放電必須是脈沖性放電(脈寬0.1～1000μs，脈間不小于10μs),這樣才能使放電所產生的熱量來不及傳導擴散到其余部分，而僅僅使放電區(qū)域產生瞬時高溫。⑶火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質進行，如去離子水、煤油、皂化液等。解決上述問題的辦法是：使用脈沖電源和放電間隙自動進給控制系統(tǒng)，在具有一定絕緣強度和一定粘度的電介質中進行放電加工。（二）電化學加工電化學加工（Electro-chemicalMachining，簡稱ECM）是當前迅速發(fā)展的一種特制加工方式，按加工原理可以分為三大類：利用陽極金屬的溶解作用去除材料（如電解加工、電解拋光、電解研磨等）、利用陰極金屬的沉積作用進行鍍覆加工（如電鑄、電鍍、涂鍍等）、電化學加工與其他加工方法結合完成的電化學復合加工（如電解電火花復合加工、電化學陽極機械加工等）。電解加工示意圖1一直流電源2一進給機構3一工具4一工件5一電解液泵6一電解液

電解加工的特點及應用

⑴不受材料的硬度、強度和韌性的限制，可加工硬質合金、淬火鋼、不銹鋼、高溫合金等。⑵能以簡單進給運動一次加工出復雜的型面或型腔（如鍛模、葉片），生產率比電火花加工高5~10倍以上。⑶加工過程中無切削力或切削熱影響，沒有飛邊和毛刺，可以加工薄壁、深孔零件。⑷工具電極（陰極）基本不損耗。⑸電解加工附屬設備多，占地面積較大，初期投資較大。⑹電解液的處理和回收有一定的難度，而且對設備有一定的腐蝕作用，加工過程中對環(huán)境有一定的污染。（三）激光加工

1.激光加工原理激光與其它光源相比具有相干性好、單色性好、方向性好和能量密度高等特性，通過光學系統(tǒng)可以使它聚焦為一個極小的光斑（直徑僅幾微米到幾十微米），從而獲得極高的能量密度（可達10～10W/cm），溫度可達10000℃以上。當能量密度極高的激光束照射在被加工表面上時，光能被加工表面吸收，并轉換成熱能，使照射斑點的局部區(qū)域的材料在千分之一秒，甚至在更短的時間內，迅速被融化以至氣化，從而達到材料蝕除的目的。

激光加工機示意圖

1—激光器2—光圈3—反射鏡4—聚集鏡5—工件6—工作臺7—電源（四）超聲加工聲波是人耳能感受的一種縱波，它的頻率在16～16000Hz范圍內。當頻率超過16000Hz就稱為超聲波。超聲波具有波長短、能量大，傳播過程中反射、折射、共振、損耗等現(xiàn)象顯著的特點。

1.超聲加工利用工具端面作16～

25kHz的超聲頻振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)加工，稱為超聲加工。超聲波加工原理

1—超聲波發(fā)生器2—換能器3—振幅擴大棒4—工作液5一工件6一工具

⒉超聲波加工的特點

⑴適應于加工硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料，如玻璃、陶瓷、石英、硅、鍺、瑪瑙、寶石、金剛石等。⑵加工精度高，表面質量好。工件在加工過程中受力較小，可以加工薄壁、窄縫等低剛度工件。⑶加工出工件的形狀與工具形狀一致，只要將工具做成不同的形狀和尺寸，就可以加工出各種復雜形狀的型孔、型腔、成形表面，不需要使工具和工件做較復雜的運動。因此，超聲波加工機床結構比較簡單，操作維修方便。超聲加工是基于局部撞擊作用，越是脆硬材料，受撞擊作用遭受的破壞愈大，愈易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工。

（五）水噴射加工水噴射加工（WaterJetMachining）又稱水射流加工或水刀加工。它是利用超高壓水射流及混合與其中的磨料對各種材料進行切割、穿孔和表層材料去除等加工。加工機理是綜合了由超高速液流沖擊產生的穿透割裂和由懸浮于液流中的磨料的游離磨削作用。水噴射加工使用廉價的水作為工作介質，是一種冷態(tài)切割新工藝，屬于綠色加工范疇。它可以切割金屬材料，還能加工特別硬脆、柔軟或屑塵飛揚的非金屬材料加工。如：塑料、皮革、紙張、布匹、化纖、木材、膠合板、石棉、水泥制品、玻璃、花崗巖、大理石、陶瓷和復合材料等。水噴射加工具有切口平整、無毛刺和飛邊，無火花、無熱變形、無塵、無毒等特點，特別適用于惡劣的工作環(huán)境和有防爆要求的危險環(huán)境下加工。（二）柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)1．加工系統(tǒng)按加工工件類別劃分，加工系統(tǒng)的主要類型包括：(1)以加工箱體類零件為主的FMS，這類FMS配備有數(shù)控加工中心；

(2)以加工回轉類零件為主的FMS，這類FMS配備有CNC車削中心、CNC車床、CNC磨床；適應于混合零件加工的FMS，即能加工箱體類零件和回轉體類零件的FMS，它既配備有CNC加工中心，又配備有CNC車削中心或CNC車床；(3)用于專門零件加工的FMS，如加工齒輪類零件FMS，它除配備CNC車床還需配備CNC齒輪加工機床。2．物料運儲系統(tǒng)

FMS物料系統(tǒng)主要完成兩種不同的工作，即工件的輸送和工件的存儲。工件輸送包括兩部分：一是系統(tǒng)與外界的工件交換，如從外界獲取零件毛坯、原材料、工具和配套間等，以及將加工好的成品和換下的工具從系統(tǒng)中移出；二是零件、工具和配套件等在系統(tǒng)內部的搬運。工件的存儲包括:物品在倉庫中的保管和生產過程中在制品的臨時性停放。要求FMS的物料系統(tǒng)中設置適當?shù)闹醒肓蠋旌屯习鍘煲约案鞣N形式的緩沖儲區(qū)，以保證系統(tǒng)的柔性。在FMS中，中央料庫和拖板庫往往采用自動化立體倉庫。（三）FMS的優(yōu)點1．在計算機直接控制下實現(xiàn)產品的自動化制造，大大提高了加工精度和生產過程的可靠性。2．生產過程的控制和流程連續(xù)，并且達到最佳化，有效地提高了生產效率。3．在系統(tǒng)內材料、刀具、機床、貯存、夾具以及測量檢查站的理想配置，具有良好的柔性。4．直接調整物流（即工件流、工具流）和制造中的各項工序，制造不同品種的產品，大大提高了設備的利用率。二、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS–ComputerIntegratedManufacturingSystem)（一）CIMS的組成及其功能1．管理信息系統(tǒng)（MIS—ManagementInformationSystem）2．工程設計集成系統(tǒng)(EDIS—EngineeringDesignIntegratedSystem)3．制造自動化系統(tǒng)(MAS—ManufacturingAutomationSystem)4．質量保證系統(tǒng)(CAQ—ComputerAidedQuality)5．CIMS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)6．CIMS計算機通信網(wǎng)絡系統(tǒng)（二）CIMS面向功能構成的系統(tǒng)結構

由于CIMS對廣大制造業(yè)企業(yè)生存和發(fā)展所具有戰(zhàn)略意義，而制造業(yè)對一個國家的國民經濟發(fā)展有舉足輕重的作用，因而工業(yè)發(fā)達國家先后都對CIMS的發(fā)展給予了很大關注，制定了長期發(fā)展規(guī)劃，并采取切實有效的措施推進其在眾多企業(yè)中的應用。（三）CIMS的應用

如美國的通用汽車公司、波音飛機公司等都耗巨資應用CIMS技術，使工廠生產效率提高40%～70%，工程費用減少15%～30%，產品研制周期縮短30%～60%，設備利用率提高2～3倍。日本不僅將CIMS應用于離散型制造業(yè)，也應用于流程型制造業(yè)。如食品、造紙、化學、橡膠、采煤、鋼鐵、電器等行業(yè)。富士達公司專業(yè)提供自動化立體倉庫系統(tǒng)，包括立體倉庫成套設備和計算機監(jiān)控和管理系統(tǒng)。1．高層托盤型自動化雙立柱立體倉庫適用于更高的場合：典型自動化制造系統(tǒng)：

專為二十米以上的立體倉庫設計的雙立柱堆垛機，在大規(guī)模自動化立體倉庫中發(fā)揮著快速、高效的作用。在倉庫建筑和立體倉庫貨架聯(lián)成一體、庫架一體式立體倉庫得到應用。最大承重可達5噸，特別適合單元貨物較重的立體倉庫系統(tǒng)。對應于單一、大容量的庫存和出入庫要求，雙叉雙深系統(tǒng)可有效提高效率。2．堆垛機根據(jù)不同的立體倉庫使用要求，堆垛機有多種形式。蘇州富士達引進德國技術生產的堆垛機已發(fā)展成系列化、模塊化，該。并具有以下特點：（1）多重安全保護：為確保萬無一失，堆垛機采用的安全裝置有16道之多。（2）模塊化設計：使生產、維護更加快。（3）人機界面友好：操作簡單、方便，操作面板一目了然，即使是第一次操作，也能得心應手。（4）運用特殊型材：使得堆垛機本身重量較輕，堆垛機運行更加平穩(wěn)，噪聲低。項目/型號DB20DB24DB28DB32DB36貨架高度（米）Max.20Max.24Max.28Max.30Max.36貨物尺寸Max.2000（W）×2000（D）×2000（H）額定載重量Max.5000公斤運行速度Max.180米/分鐘升降速度Max.60米/分鐘叉取速度Max.50米/分鐘備注具體參數(shù)可根據(jù)用戶實際設定一．工業(yè)機器人的定義第三節(jié)工業(yè)機器人關于機器人的定義有多種，國際標準化組織（ISO）的定義是“機器人是一種自動的、位置可控的、具有可編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。二、工業(yè)機器人的組成（二）控制系統(tǒng)（一）執(zhí)行機構（三）驅動系統(tǒng)1—驅動系統(tǒng)2—控制系統(tǒng)3—執(zhí)行機構三、工業(yè)機器人的分類（一）按信息輸入方式分1.人操作機械手3.固定程序機器人3.可編程序機器人4.程序控制機器人5.示教機器人6.智能機器人（二）按驅動方式分1.電力驅動2.液壓驅動3.氣動驅動（三）按坐標形式分1.直角坐標機器人(a)2.柱面坐標機器人(b)3.球面坐標機器人(c)4.關節(jié)式機器人

(d)弧焊機器人的應用典型機器人：

弧焊機器人

弧焊機器人其主要應用于汽車制造業(yè)，在通用機械、金屬結構等許多行業(yè)中也都有應用。這是因為弧焊工藝早已在諸多行業(yè)中得到普及的緣故。焊接是工業(yè)生產中重要的工藝流程和加工手段，廣泛應用在汽車、摩托車以及其他工程機械的整機裝配和零部件加工過程中。目前，隨著汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，對許多構件的焊接精度和速度等指標提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時的火花及煙霧等對人體也將造成危害。因此，焊接過程的完全自動化和智能化已成為重要的研究課題，其中，最為重要的就是要應用焊接機器人。日本MOTOMAN弧焊機器人不僅能夠連續(xù)且穩(wěn)定的進行復雜的焊接，而且還具備自動原點定位、焊縫自動跟蹤、多層焊接補償、自動搖擺及波動動作和外部軸協(xié)調聯(lián)動控制等輔助功能，能夠充分滿足制造業(yè)用戶對焊接工藝的各種要求。可以看出高效穩(wěn)定的機器人焊接設備將極大的提高產品的產量和質量。從20世紀90年代，國內的汽車車身制造廠就開始引進、應用焊接機器人，年產量達10萬輛以上的車身制造廠幾乎都采用了機器人焊裝線（根據(jù)已報道的資料統(tǒng)計，國內車身焊裝線的焊接機器人約600臺套）。這不僅提高了車身整車及零部件生產的自動化水平及生產效率，更由于機器人焊裝生產線具有柔性，使汽車車身，特別是轎車車身的改型生產，在技術上得到基本解決，同時車身的焊接質量也得到了保證。如一汽二轎廠使用6臺點焊機器人焊接全新“紅旗”轎車前、后風窗洞，左、右側圍門洞，三角窗洞的焊接，提高了國產轎車焊裝技術水平及焊接質量?！耙黄奔t旗轎車機器人焊接線

后橋焊縫熔核成型好，解決了久攻不破的后橋滲漏質量難題，產品實現(xiàn)免檢，而且勞動效率、生產能力都取得了大幅度的提高。1．裝配機器人系統(tǒng)

裝配在現(xiàn)代工業(yè)生產中占有十分重要的地位。有關資料統(tǒng)計表明，裝配占產品生產勞動量的50％～60％，而在電子廠的芯片裝配、電路板的生產中，裝配工作占勞動量高達70％～80％。隨著裝配生產線的應用，手工裝配已無法滿足裝配效率和裝配質量的要求，而機器人可不知疲倦的常時間工作，并且具有較高的重復定位精度，可提高產品的裝配精度減少廢品率，降低成本。因此，采用機器人來實現(xiàn)自動化裝配作業(yè)是十分重要的。

機器人正式進入裝配作業(yè)領域是在“機器人普及元年”的1980年?，F(xiàn)在日本許多廠家都在生產電伺服裝配機器人(Assemblyrobot)，它較之前述的液壓機器人制造簡單、價格低廉，因此更利于普及。迄今為止，裝配機器人的應用水平限于簡單重復操作，引人裝配作業(yè)的機器人在早期主要用來代替裝配線上手工作業(yè)的工序，隨后工廠里很快出現(xiàn)了以機器人為主體的裝配線。和機械加工自動化的迅速發(fā)展相比，裝配生產自動化的進展一直相當遲緩，究其原因，主要是因為裝配生產過程即使自動化了