模塊三先進制造技術知識及應用

模塊三先進制造技術知識及應用14253數(shù)控加工技術快速成形技術超精密與納米加工技術工業(yè)機器人柔性制造技術第一頁，共三十六頁。隨著現(xiàn)代科學技術的進步，特別是微電子技術、計算機技術、信息技術等與制造技術的深度結(jié)合，制造工業(yè)的面貌發(fā)生了深刻的變化，形成了先進（現(xiàn)代）制造體系。先進制造技術的內(nèi)涵及范圍很廣，本章扼要介紹先進制造工程技術中的數(shù)控加工技術、快速成形技術、超精密與納米加工技術、工業(yè)機器人、柔性制造技術的概念和應用場合。模塊三先進制造技術知識及應用第二頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術11.1.1數(shù)字控制與數(shù)控機床的概念數(shù)字控制(NumericalControl)是用數(shù)字化信號對機械設備的運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控（NC）。數(shù)控機床就是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。進一步說，數(shù)控機床是一種以數(shù)字量作為指令信息形式，通過電子計算機或?qū)Ｓ秒娮佑嬎阊b置，對這種信息進行處理而實現(xiàn)自動控制的機床。11.1.2數(shù)控機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)控設備圖11-1數(shù)控機床加工零件的工作過程第三頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術數(shù)控機床的基本組成見圖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)動裝置檢測反饋裝置機床本體圖11-2數(shù)控機床的基本組成第四頁，共三十六頁。數(shù)控機床的種類很多，從不同角度對其進行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法：11.1數(shù)控加工技術11.1.3數(shù)控機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)控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控沖裁機等。特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等。第五頁，共三十六頁。按運動軌跡分類點位控制系統(tǒng)：如圖11-3a所示點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)控加工技術第六頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術開環(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)第七頁，共三十六頁。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。這類系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大圖11-4開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖11.1數(shù)控加工技術第八頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋圖11-5閉環(huán)系統(tǒng)控制原理圖第九頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際速度反饋檢測與反饋單元實際位置反饋實際速度反饋圖11-6半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖第十頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術11.1.4數(shù)控機床的特點及應用范圍1.數(shù)控機床的加工特點加工精度高對加工對象的適應性高生產(chǎn)效率高有利于生產(chǎn)管理自動化程度高，勞動強度低良好的經(jīng)濟效益有利于現(xiàn)代化管理第十一頁，共三十六頁。11.1數(shù)控加工技術11.1.4數(shù)控機床的特點及應用范圍2.數(shù)控機床的應用范圍多品種小批量生產(chǎn)的零件形狀結(jié)構比較復雜的零件生產(chǎn)效率高精度要求比較高的零件需要頻繁改型的零件價格昂貴，不允許報廢的零件需要生產(chǎn)周期短的零件第十二頁，共三十六頁。11.2快速成形技術11.2.1快速成形技術的概念

快速成形技術（RP,RapidPrototyping）是運用堆積成形法，由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維實體的技術總稱。

RP技術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)、聚合作用或化學等方式，有選擇地固化（或粘結(jié)）液體材料，實現(xiàn)材料的遷移和堆積，形成所需要的原型零件。第十三頁，共三十六頁。

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

RP技術的具體工藝有很多種，根據(jù)采用的材料和對材料的處理方式不同，選擇其中3種方法的工藝原理進行介紹。1.選擇性液體固化又稱光固化法，該方法的典型實現(xiàn)工藝有立體光刻（SL,StereoLithography），其工藝原理如圖11-5所示。光固化法是目前應用最廣的快速成形制造方法。其主要特點是：制造精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率接近100%；能制造形狀復雜及特別精細的零件；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快速成形技術的工作原理11.2快速成形技術第十四頁，共三十六頁。

2.選擇性層片粘結(jié)

選擇性層片粘結(jié)又稱分層實體制造、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；運行成本低；成形過程中無相變且殘余應力小，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11-7所示。激光選區(qū)燒結(jié)法的主要特點是：不需要制作支撐；成形零件的機械性能好，強度高；粉末較松散，燒結(jié)后精度不高，Z軸精度難以控制。11.2快速成形技術第十五頁，共三十六頁。

11.2.4快速成形技術的特點和用途1.主要特點1）高度柔性；2）技術的高度集成；3）設計制造一體化；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)品設計評估與功能測驗；2）快速模具制造；3）醫(yī)學上的仿生制造；4）藝術品的制造；5）直接制造金屬型。

11.2快速成形技術第十六頁，共三十六頁。

11.3.1超精密加工技術

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Ra0.03～0.0051μm數(shù)量級的加工技術。隨著加工技術的發(fā)展，超精密加工的技術指標也在不斷變化。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第十七頁，共三十六頁。1.金剛石刀具超精密切削；

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

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、復印機的硒鼓、光學平面鏡，凹凸鏡、拋物面鏡等。2.精密和鏡面磨削磨削時尺寸精度和幾何精度主要靠精密磨床保證，可達亞微米級精度（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可得到Ra0.01～0.002μm的鏡面。11.3超精密與納米加工技術第十八頁，共三十六頁。3.精密研磨和拋光；

精密研磨和拋光技術意指：使用超細粒度的自由磨料，在研具的作用和帶動下加工表面，產(chǎn)生壓痕和微裂紋，依次去除表面的微細突出處，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、防振等條件下進行。另外，精密測量是超精密加工的必要手段，否則無法判斷加工精度。11.3超精密與納米加工技術第十九頁，共三十六頁。11.3.2納米加工技術納米（Nanometer）,是一個長度單位，簡寫為nm。1nm=10-3μm=10-9m。納米技術是20世紀80年代末期誕生并在蓬勃發(fā)展的一種高新科學技術。納米不僅是一個空間尺度上的概念，而且是一種新的思維方式，即生產(chǎn)過程越來越細，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.納米技術的含義

納米技術是指納米級（0.1~100nm）的材料、設計、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術。它將加工和測量精度從微米級提高到納米級。2.納米技術的主要內(nèi)容納米技術是一門多學科交叉的高新技術，從基礎研究角度來看，納米技術包括：納米生物學、納米電子學、納米化學、納米材料和納米機械學等新學科。11.3超精密與納米加工技術第二十頁，共三十六頁。

11.3超精密與納米加工技術3.納米級加工納米級加工是指：加工精度高于10-3μm，表面粗糙度Ra小于0.005μm，達到納米級精度。包括納米級尺寸精度、納米級幾何形狀精度和納米級表面質(zhì)量。納米級加工方法包括：機械加工、化學腐蝕、能量束加工、復合加工、掃描隧道顯微加工等。納米級機械加工方法包括：單晶金剛石刀具的超精密磨削；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。

第二十一頁，共三十六頁。11.4工業(yè)機器人11.4.1工藝機器人的基本概念1.工業(yè)機器人的定義工業(yè)機器人（IndustrialRobot,簡稱Robot

）是一種可重復編程的、自動控制的、多自由度的、機體獨立的自動操作機械。

2.工業(yè)機器人的組成（1）執(zhí)行系統(tǒng)（2）驅(qū)動系統(tǒng)（3）控制系統(tǒng)（4）檢測系統(tǒng)（5）智能系統(tǒng)第二十二頁，共三十六頁。11.4工業(yè)機器人3.工藝機器人的分類按系統(tǒng)功能分類：專用機器人、通用機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人按結(jié)構形式分類：直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人、關節(jié)機器人。按驅(qū)動方式分類：氣壓傳動機器人、液壓傳動機器人、電力傳動機器人。按承擔工作任務性質(zhì)可分為：搬運機器人和作業(yè)機器人。雖然工業(yè)機器人品種繁多，但從設計與使用角度出發(fā)，工業(yè)機器人的主要技術性能參數(shù)包括：運動自由度、工作空間、工作負荷、運動速度、位置精度。第二十三頁，共三十六頁。11.4工業(yè)機器人11.4.2工業(yè)機器人的應用

工業(yè)機器人的最初應用主要是對人體有危險或危害的操作環(huán)境。今天，在現(xiàn)代制造業(yè)中，利用機器人能擴大機械制造系統(tǒng)的功能和范圍，以及提高自動化程度，是實現(xiàn)柔性自動化的基本設備。用于生產(chǎn)中的工業(yè)機器人有：鑄造機器人、焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人、搬運機器人等。此外，高壓作業(yè)線、服裝剪裁、管道作業(yè)、擦玻璃的機器人也發(fā)揮著巨大的作用。第二十四頁，共三十六頁。11.5柔性制造技術

傳統(tǒng)的專用機床和“剛性”自動生產(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，這對于大批大量生產(chǎn)是合適的。為滿足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短的要求，20世紀70年代以來，隨著微電子技術，特別是計算機技術、傳感技術的發(fā)展，一種以機械加工為主的柔性制造技術得到迅速發(fā)展，主要有柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)。11.5.1柔性制造單元

FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工中心的基礎上，增加了貯存工件的自動料庫、輸送系統(tǒng)所構成的自動加工系統(tǒng)。如圖11-8所示為配有托盤交換系統(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，便于擴展等優(yōu)點。但FMC的信息系統(tǒng)自動化程度較低，加工柔性不高，只能完成品種有限的零件加工。第二十五頁，共三十六頁。11.5柔性制造技術11.5.2柔性制造系統(tǒng)

1.FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定義和組成FMS是在FMC的基礎上擴展而成的一種高效率、高精度、高柔性的加工系統(tǒng)。對柔性制造系統(tǒng)直觀的定義：“柔性制造系統(tǒng)至少是由兩臺數(shù)控加工設備、一套物料儲運系統(tǒng)和一套計算機控制系統(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）物料儲運系統(tǒng)（3）信息系統(tǒng)除上述三個主要組成部分外，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)。第二十六頁，共三十六頁。11.5柔性制造技術2.FMS的優(yōu)點和效益（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）對企業(yè)的競爭力和資金周轉(zhuǎn)十分有利11.5.3計算機集成制造系統(tǒng)1.CIMS(ComouterIntegratedManufacturingSystem)的基本概念CIMS是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)活動有關的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，并適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效率、高柔性的制造系統(tǒng)。第二十七頁，共三十六頁。11.5柔性制造技術CIMS必須有包括以下兩個特征：（1）在功能上，CIMS包含了一個工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動。（2）CIMS涉及的自動化是有機的集成。2.CIMS的構成（1）經(jīng)營管理信息系統(tǒng)（2）工程設計自動化系統(tǒng)（3）制造自動化系統(tǒng)（4）質(zhì)量保證系統(tǒng)（5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（6）計