先進(jìn)制造技術(shù)技術(shù)第七組先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用

先進(jìn)制造技術(shù)技術(shù)第七組先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日隨著現(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。先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(shù)控加工技術(shù)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)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱數(shù)控（NC）。數(shù)控機(jī)床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。進(jìn)一步說，數(shù)控機(jī)床是一種以數(shù)字量作為指令信息形式，通過電子計(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。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1數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(shù)控加工技術(shù)數(shù)控機(jī)床的基本組成見圖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2數(shù)控機(jī)床的基本組成第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(shù)控機(jī)床的種類很多，從不同角度對(duì)其進(jìn)行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法：數(shù)控加工技術(shù)1.3數(shù)控機(jī)床的分類按工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、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：數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控沖裁機(jī)等。特種加工類：數(shù)控線切割機(jī)、電火花加工機(jī)、激光加工機(jī)等。其它類型：數(shù)控裝配機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)、機(jī)器人等。第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日按運(yùn)動(dòng)軌跡分類點(diǎn)位控制系統(tǒng)：如圖3a所示點(diǎn)位直線控制控制系統(tǒng)：如圖3b所示輪廓控制系統(tǒng)：如圖3c所示數(shù)控加工技術(shù)第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D3b點(diǎn)位直線控制加工示意圖圖3a點(diǎn)位控制加工示意圖第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D3c輪廓控制加工示意圖第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(shù)控加工技術(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制方式分類半閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測(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4開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖數(shù)控加工技術(shù)第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(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5閉環(huán)系統(tǒng)控制原理圖第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(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6半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(shù)控加工技術(shù)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)代化管理第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日數(shù)控加工技術(shù)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)周期短的零件第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日快速成形技術(shù)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。

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。第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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4所示。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。2.2快速成形技術(shù)的工作原理快速成形技術(shù)第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日零件三維曲面或?qū)嶓w模型CAD數(shù)控代碼二維層片三維實(shí)體圖4快速成形基本過程返回文檔第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日激光器零件光敏樹脂液面升降臺(tái)圖5光固化法工藝原理圖Z返回文檔第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日

2.選擇性層片粘結(jié)

選擇性層片粘結(jié)又稱分層實(shí)體制造、疊層制造法（LOM,LaminatedObjectManufaturing），其工藝原理如圖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；成形過程中無相變且殘余應(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)又稱燒結(jié)法（SLS，SelectiveLaserSintering

），其工藝原理如圖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。快速成形技術(shù)第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日加工平面升降臺(tái)收料軸CO2激光器熱壓輥控制計(jì)算機(jī)料帶供料軸圖6疊層法工藝原理圖返回文檔第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D7激光選區(qū)燒結(jié)法工藝原理圖掃描鏡激光束平整滾筒激光器粉末返回文檔第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日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。

快速成形技術(shù)第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日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；

超精密與納米加工技術(shù)第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日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。超精密與納米加工技術(shù)第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日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，否則無法判斷加工精度。超精密與納米加工技術(shù)第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.2納米加工技術(shù)納米（Nanometer）,是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫為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)過程越來越細(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)是一門多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，從基礎(chǔ)研究角度來看，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。超精密與納米加工技術(shù)第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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。

第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日工業(yè)機(jī)器人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)第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.工藝機(jī)器人的分類按系統(tǒng)功能分類：專用機(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：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：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。第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日工業(yè)機(jī)器人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。