第七章 現(xiàn)代制造裝備1

第七章現(xiàn)代制造裝備一、先進(jìn)制造工藝技術(shù)超精密加工超高速加工成組技術(shù)二、微機(jī)械制造技術(shù)微硅零件立體光刻加工微器件的精密加工技術(shù)三、機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化柔性制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)四、先進(jìn)制造生產(chǎn)模式敏捷制造并行工程準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)精良生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化制造虛擬制造綠色制造1山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與交叉融合，給制造技術(shù)提出了新的要求，也給予了強(qiáng)大支持。因此，涌現(xiàn)了許多先進(jìn)制造技術(shù)。超高速切削、超精密加工、微機(jī)械制造等技術(shù)近年來有了長(zhǎng)足的發(fā)展?？焖夙憫?yīng)制造技術(shù)主要包括產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、快速開發(fā)、快速制造及生產(chǎn)系統(tǒng)的快速組成。先進(jìn)制造技術(shù)的許多重要概念都與快速響應(yīng)密切相關(guān)。其中主要有快速成形制造（RP&M，RapidPrototyping&Manufacturing），并行工程、虛擬制造、CIMS、敏捷制造、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟與虛擬公司等?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以高技術(shù)努力降低自然資源消耗，把環(huán)境保護(hù)與自然資源統(tǒng)籌考慮地發(fā)展。2山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（一）超精密加工

超精密加工是尖端技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展中不可缺少的關(guān)鍵加工手段?，F(xiàn)代機(jī)械工業(yè)之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高其穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)產(chǎn)品的小型化，增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進(jìn)自動(dòng)化裝配。精密、超精密加工技術(shù)的提高，有力地推動(dòng)了各種新技術(shù)的發(fā)展。

一、先進(jìn)制造工藝技術(shù)

3山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在高精度加工范圍內(nèi)，根據(jù)加工精度水平的不同，可進(jìn)一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個(gè)檔次。加工公差為10.0～0.1μm，表面粗糙度Ra0.30～0.03μm的加工稱為精密加工；加工公差為0.1～0.01μm、表面粗糙度Ra0.03～0.005μm的加工稱為超精密加工；加工公差小于0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工稱為納米加工。

4山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域①超精密切削：如超精密金剛石切削，可加工各種鏡面，它成功地解決了高精度大型拋物面鏡的加工，用于激光光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡。②精密和超精密磨削研磨：可以解決大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤的加工等。③精密特種加工：如電子束、離子束加工，使美國(guó)超大規(guī)模集成電路線寬達(dá)0.1μm(八十年代水平)。

5山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院加工方法所能達(dá)到的加工精度等級(jí)取決于其能切除的最小背吃刀量apmin，如納米級(jí)加工方法的apmin必須小于1nm。影響微量切除能力的主要因素有：(1)切削工具的刃口鋒利程度切削工具的刃口鋒利程度一般用刃口鈍圓半徑ρ進(jìn)行評(píng)定，鈍圓半徑ρ值越小，刃口越鋒利。（2）機(jī)床加工系統(tǒng)的剛度主要是機(jī)床主軸系統(tǒng)和刀架進(jìn)給系統(tǒng)的剛度。剛度越大，超精加工越易實(shí)現(xiàn)。（3）機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的分辨率為實(shí)現(xiàn)微量切除，數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量值要小，數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量值一般應(yīng)為apmin的1/5～1/10。

1、微量切除實(shí)現(xiàn)條件6山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院掃描隧道顯微鏡(STM)可用于測(cè)量三維微觀表面形貌，也可用作納米加工。STM的工作原理主要基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)具有原子尺度的探針針尖足夠接近被加工表面某一原子A時(shí)，探針針尖原子與A原子并未接觸，也會(huì)有隧道電流在探針與被加工材料間通過。在外加電場(chǎng)作用下A原子受到兩個(gè)方面力的作用，一方面是探針針尖原子對(duì)原子A的吸引力，包括范德華(VanDerWall)力和靜電力；另一方面是被加工工件上其他原子對(duì)A的結(jié)合力；當(dāng)探針針尖原子與A原子的距離小到某一極限距離時(shí)，探針針尖原子對(duì)A原子的吸引力將大于工件上其他原子對(duì)A原子的結(jié)合力，探針針尖就能拖動(dòng)A原子在加工表面上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)原子搬遷?？刂铺结樶樇馀c被移動(dòng)原子之間的偏壓和距離是實(shí)現(xiàn)原子搬遷的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。2、納米級(jí)加工技術(shù)7山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖掃描隧道顯微加工原理圖

1-壓電陶瓷管2-探針3-工件

8山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高速切削加工(HSM)是近十年來迅速崛起的一項(xiàng)實(shí)用先進(jìn)制造技術(shù)。高速切削在加工質(zhì)量和加工效率兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率和加工精度提高，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低。超高速切削通常只是相對(duì)傳統(tǒng)切削加工而言。根據(jù)目前的生產(chǎn)和技術(shù)水平，國(guó)外學(xué)者提出：機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速8000～12000r/min為準(zhǔn)高速切削，15000～50000r/min為高速切削，大于50000r/min為超高速切削。國(guó)內(nèi)學(xué)者則認(rèn)為：超高速切削加工(USM)是一種比常規(guī)切削速度高得多(10倍左右)的速度對(duì)零件進(jìn)行加工的先進(jìn)技術(shù)，它以高的加工速度、高的加工精度為主要特征。（二）超高速切削9山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度增加而提高，這就限制了切削加工的效率和質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)切削速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，切削速度進(jìn)一步提高，切削溫度反而下降。如果能找到這一臨界值，就能避開這一過渡區(qū)域B，直接進(jìn)入高速切削區(qū)，不僅可以大大提高生產(chǎn)效率，而且可以因切削溫度的降低而改善加工質(zhì)量。10山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖是7種材料高速切削范圍實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖，圖中剖面線為常規(guī)切削速度范圍，網(wǎng)狀線是高速切削速度范圍。11山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

高速切削加工和常規(guī)切削加工相比，具有以下工藝特點(diǎn)：(1)隨著切削速度提高，進(jìn)給速度也提高5～10倍。這樣，單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率增加，可達(dá)常規(guī)切削的3～6倍，甚至更高。切削加工時(shí)間減少，大幅度提高加工效率，降低了加工成本。(2)在高速切削加工范圍，隨切削速度提高，切屑流出的速度加快，改變了切屑與刀具前刀面的摩擦，切屑流出的阻力減少，剪切區(qū)變形小，切削力減少30%以上，有利于細(xì)長(zhǎng)桿等剛性較差和薄壁零件的切削加工。(3)由于切削速度的提高，切屑以很高的速度排出，加工區(qū)域大約95%～98%以上的切削熱被切屑迅速帶走。切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多，工件可基本上保持冷態(tài)，適用于加工容易產(chǎn)生熱變形以及熱損傷要求較高的零件。1、高速切削加工的工藝特點(diǎn)12山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

(4)高速切削加工過程中，隨著切削速度的提高，切削力降低，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率。而工件加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工表面質(zhì)量可達(dá)到磨削的水平，大大降低加工表面粗糙度，殘留在工件表面上的應(yīng)力也很小，能夠加工出比較精密的零件。因而可以不劃分粗加工和精加工階段，一次以大的材料去除率獲得較高質(zhì)量的加工表面。(5)高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬鋼工件。如高速切削加工淬硬后的模具可減少甚至取代電火花加工和磨削加工，滿足加工質(zhì)量的要求。

13山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院超高速切削技術(shù)是新材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和精密制造技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)綜合應(yīng)用發(fā)展的結(jié)果。因此，超高速切削加工技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是諸多新技術(shù)集成的一項(xiàng)綜合技術(shù)，主要包括以下幾方面的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，即高速切削機(jī)理、高速切削刀具技術(shù)、高速切削機(jī)床技術(shù)、高速加工的測(cè)試技術(shù)等。

2、超高速切削加工的技術(shù)基礎(chǔ)14山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院超高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、模具工業(yè)等領(lǐng)域及復(fù)雜曲面的加工。應(yīng)用超高速切削加工技術(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件材料及毛坯狀態(tài)和加工要求，在數(shù)控機(jī)床和加工中心上，正確選擇刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)以及切削用量等。不同加工方式、不同工件材料與刀具材料的匹配，有不同的高速切削速度范圍，選用正確的高速切削加工工藝參數(shù)，是高速切削加工應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3、超高速切削加工的應(yīng)用15山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院超高速切削已用于加工多種零件，圖是幾種加工零件實(shí)例，可見多種不同材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技術(shù)加工。航空工業(yè)中的大型鋁合金機(jī)架，使用超高速銑削，提高了加工效率，效果非常明顯。

16山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1、成組技術(shù)的概念充分利用事物之間的相似性，將許多具有相似信息的研究對(duì)象歸并成組，并用大致相同的方法去解決相似組中的生產(chǎn)技術(shù)問題，以達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)的效果，這種技術(shù)稱為成組技術(shù)。成組技術(shù)的實(shí)質(zhì)是按零件的形狀、尺寸、制造工藝的相似性，將零件分類歸并成類、組，從而擴(kuò)大零件制造的工藝批量，使中、小批生產(chǎn)也能獲得大批生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。目前成組技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的重要基礎(chǔ)。

（三）成組技術(shù)

17山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院零件編碼就是用數(shù)字表示零件的形狀特征，代表零件特征的每一個(gè)數(shù)字碼稱為特征碼。目前，世界上已有70多種分類編碼系統(tǒng)，最著名的是奧匹茲(Opitz)分類編碼系統(tǒng)。我國(guó)機(jī)械行業(yè)在分析研究Opitz系統(tǒng)和日本KK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于1984年制定了機(jī)械零件分類編碼系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱JLBM1系統(tǒng))。該系統(tǒng)由名稱類別、形狀及加工碼、輔助碼三部分共15個(gè)碼位組成。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是零件名稱類別以矩陣劃分，便于檢索，碼位適合，又有足夠描述信息的容量。其編碼示例如圖所示。

2、零件的分類編碼18山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖JLBM1編碼示例

19山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3、產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)和工藝中的成組技術(shù)(1)成組技術(shù)在應(yīng)用設(shè)計(jì)部門

將成組編碼相同的零件匯集在一起，給予標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立零件成組設(shè)計(jì)圖冊(cè)，提倡零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素信息應(yīng)盡可能重復(fù)，減少不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)差異。

(2)成組工藝

1)劃分零件組。2)擬定零件組的工藝過程。成組工藝過程是針對(duì)一個(gè)零件組設(shè)計(jì)的，適用于零件組內(nèi)的每一個(gè)零件。20山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院21山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院編制零件的機(jī)械加工工藝是一種需要豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和大量時(shí)間的工作，通常由企業(yè)工藝人員編制。由于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)都有一定的局限性，很難對(duì)生產(chǎn)中錯(cuò)綜復(fù)雜的因素考慮得十分周全并進(jìn)行優(yōu)化，因此編出的工藝規(guī)程往往不是最佳的。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)多數(shù)是在成組技術(shù)零件編碼的基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)或輔助生成零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程。CAPP從根本上改變了依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)編制工藝規(guī)程的情形，促進(jìn)了工藝過程的標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化，提高了工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量。CAPP使工藝人員從繁瑣重復(fù)的計(jì)算、編寫工作解脫出來，使工藝人員能集中精力去考慮提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量等問題。CAPP可以快速編制出完整而詳盡的工藝文件，縮短了工藝準(zhǔn)備以及生產(chǎn)準(zhǔn)備的周期，適應(yīng)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代的需要，降低了工藝過程的設(shè)計(jì)費(fèi)用。CAPP為制定合理的工時(shí)定額、材料消耗定額，以及改善企業(yè)管理提供了科學(xué)依據(jù)。

4、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制22山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(1)可以提高生產(chǎn)效率由于擴(kuò)大了同類零件的生產(chǎn)數(shù)量，使中小批生產(chǎn)可以經(jīng)濟(jì)合理地采用高生產(chǎn)率機(jī)床和工藝裝備，縮短了加工工時(shí)。(2)可以提高加工質(zhì)量采用成組技術(shù)可以為零件組選擇合理的工藝方案和先進(jìn)的工藝設(shè)備，使加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。(3)可以提高生產(chǎn)管理水平產(chǎn)品零件的編碼采用成組技術(shù)后，可用計(jì)算機(jī)管理生產(chǎn)，改變了原來多品種、中小批生產(chǎn)管理的落后狀況

5、成組技術(shù)的特點(diǎn)23山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二、微機(jī)械制造技術(shù)

微機(jī)械(Micromachine)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展，促進(jìn)了微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)對(duì)微系統(tǒng)的定義為：“微系統(tǒng)是微米量級(jí)內(nèi)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。它集成了多種元件，并適于低成本大量生產(chǎn)?！?/p>

24山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在機(jī)械裝置的小型化過程中出現(xiàn)兩類機(jī)械，即小型機(jī)械和微型機(jī)械。可以這樣劃分：10mm～1mm為小型機(jī)械,用精密加工的方法可以制造出來;1mm～1um為微型機(jī)械,需要用硅微加工技術(shù)或LIGA技術(shù)等微細(xì)加工方法才能制造出來；1um～1nm為納米機(jī)械,是分子級(jí)的零件,需采用生物工程的方法制造。

微型機(jī)械不是傳統(tǒng)機(jī)械的簡(jiǎn)單微型化，而是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳動(dòng)器以及信號(hào)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(jī)電系統(tǒng)。因此，微型機(jī)械遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇，是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，用嶄新的思維方法指導(dǎo)的產(chǎn)物。

25山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)中使用最多的材料是硅，單晶硅的(100)、(110)和(111)晶面具有各向異性的特性，在使用“”作為腐蝕劑時(shí)，(100)、(110)、(111)晶面的蝕刻速率比大致為400∶100∶1?？梢詰?yīng)用各向異性刻蝕法加工立體微硅器件。目前立體光刻腐蝕加工技術(shù)已是制造三維立體微硅器件的最基本方法之一。

（一）微硅零件的立體光刻腐蝕加工26山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院硅晶體進(jìn)行各向異性刻蝕時(shí)，可刻蝕的晶面為(100)和(110)晶面，這兩種晶面經(jīng)各向異性刻蝕后，得到的基本刻蝕形狀是不同的。各向異性刻蝕在自由刻蝕狀態(tài)下，終止的面都是(111)晶面。因被刻蝕的(100)、(110)晶面和晶體內(nèi)的(111)晶面的相互位置不同，得到的各向異性刻蝕結(jié)構(gòu)形狀也不同。在相同掩膜形狀時(shí)，晶面各向異性刻蝕后的槽形，晶面各向異性刻蝕后的槽形。設(shè)計(jì)微硅結(jié)構(gòu)時(shí)，若用立體各向異性刻蝕方法制造，則應(yīng)考慮所用的晶面和晶體方向,以及刻蝕后形狀能否符合所設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)要求。硅晶體各向異性刻蝕制造立體微結(jié)構(gòu)時(shí)，常和其他工藝結(jié)合進(jìn)行。

a)(100)晶面各向異性腐蝕后的槽形b)(110)晶面各向異性腐蝕后的槽形

27山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院目前已有多種小型精密高速機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速50000r/min以上),使用微小刀具加工微型器件。在微小型加工中心上，可加工極小的精密三維曲面。日本Fanuc公司生產(chǎn)的加工微型零件的ROBOnanoUi五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，以及在這臺(tái)加工中心上用微型單晶金剛石立銑刀加工出的人像浮雕。

（二）微器件的精密機(jī)械加工ROBOnanoUi加工中心及所加工的曲面試件28山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院LIGA技術(shù)是由深度同步幅射X射線光刻，電鑄成型，塑鑄成型等技術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)。用該方法可以制作各種微器件和微裝置，材料可以是金屬、陶瓷和玻璃等，可以制作微形件的最大高度1000μm，槽寬0.5μm以上、高寬比大于200的立體微結(jié)構(gòu)。出的圖形側(cè)壁陡峭，表面光滑。過去使用LIGA技術(shù)只能制造上下形狀一致的微器件，現(xiàn)在該技術(shù)又有發(fā)展，可加工階梯狀零件。

（三）LIGA技術(shù)29山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精微塑性成型加工技術(shù)已成功地制造出多種微型器件。用塑性成型法加工的微小螺絲，螺紋部分直徑20～50μm；Gunm大學(xué)研制的微型超塑擠壓機(jī)，可以用于加工制造微型齒輪軸等多種微型零件。

（四）微型件的精微塑性成形加工30山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機(jī)械，已制造了多種微型夾持器、機(jī)械手和自動(dòng)化裝配裝置，如壓電傳感驅(qū)動(dòng)的微夾持器，熱敏驅(qū)動(dòng)的微夾持器。國(guó)外已開發(fā)了多種微型機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)裝配機(jī)。

（五）微型機(jī)械的裝配31山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院32山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（一）機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)是研究制造過程的規(guī)劃、運(yùn)作、管理、組織、控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化等的自動(dòng)化加工技術(shù)。當(dāng)今機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)是機(jī)械制造自動(dòng)化發(fā)展的直接動(dòng)因。

三、機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)33山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1)提高或保證產(chǎn)品的質(zhì)量；2)減少人的勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)量，改善勞動(dòng)條件，減少人為因素的影響；3)提高生產(chǎn)率；4)減少生產(chǎn)面積、人員，降低能源消耗和產(chǎn)品成本；5)提高產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)速度和競(jìng)爭(zhēng)能力。機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)如下：34山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)自20世紀(jì)20年代出現(xiàn)以來，大致經(jīng)歷了剛性自動(dòng)化、柔性自動(dòng)化及綜合自動(dòng)化三個(gè)階段。三種自動(dòng)化方式比較見表。綜合自動(dòng)化常常與計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)集成制造等概念相聯(lián)，它是制造技術(shù)、控制技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，旨在全面提高制造業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率和對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)速度。

自動(dòng)化技術(shù)三個(gè)階段35山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院三種自動(dòng)化方式比較

36山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（二）柔性制造系統(tǒng)FMS一般是由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床和加工中心組成，并有自動(dòng)上下料裝置、倉庫和輸送系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)及其軟件的集中控制下，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。它是一種計(jì)算機(jī)直接控制的自動(dòng)化可變加工系統(tǒng)。37山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1、

FMS與傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)線相比，具有以下特點(diǎn)：1)具有高度柔性，能實(shí)現(xiàn)多種工藝要求的、具有一定相似性的不同零件的加工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換工件、夾具、刀具及裝夾，有很強(qiáng)的系統(tǒng)軟件功能。2)設(shè)備利用率高，由于零件加工的準(zhǔn)備時(shí)間和輔助時(shí)間減少，機(jī)床利用率提高了75%～90%。3)自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)?？梢詫?shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)自動(dòng)工作。4)產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率提高。38山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院基本組成部分1）若干臺(tái)CNC加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制造功能；2）自動(dòng)物流系統(tǒng)，即毛坯、工件、刀具的存儲(chǔ)、輸送、交換系統(tǒng)；3）控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；4）其它刀具監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)、零件測(cè)量系統(tǒng)、切屑排除系統(tǒng)等。FMS的分類

根據(jù)規(guī)模大小的不同可分為：1）柔性制造單元（FMC）由一臺(tái)或少數(shù)幾臺(tái)設(shè)備構(gòu)成的小系統(tǒng)2）柔性制造系統(tǒng)（FMS）由多臺(tái)設(shè)備構(gòu)成的大系統(tǒng)，多種制造功能3）柔性制造工廠（FMF）全廠范圍內(nèi)的生產(chǎn)管理、機(jī)械加工和物料儲(chǔ)運(yùn)過程的全盤自動(dòng)化由于FMS實(shí)現(xiàn)了集中控制和實(shí)時(shí)在線控制，縮短了生產(chǎn)周期，解決了多品種、中小批量零件的生產(chǎn)率和系統(tǒng)柔性之間的矛盾。

2、柔性制造系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)39山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院整個(gè)系統(tǒng)由3臺(tái)組合銑床、2臺(tái)雙面鏜床、雙面多軸鉆床、單面多軸鉆床、車削中心、裝配機(jī)、測(cè)量機(jī)、裝配機(jī)器人和清洗機(jī)等組成，加工箱體零件并進(jìn)行裝配。物料輸送系統(tǒng)由主通道和區(qū)間通道組成，通過溝槽內(nèi)隱藏的拖拽傳動(dòng)鏈帶動(dòng)無軌輸送車運(yùn)動(dòng)。區(qū)間通道還可作為臨時(shí)寄存庫。除工件在隨行夾具上的安裝、組合夾具的拼裝等極少數(shù)工作由手工完成外，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制。

圖一個(gè)較完善的FMS平面布置圖40山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)將生產(chǎn)活動(dòng)全過程中各功能子系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，以保證企業(yè)信息的共享性、可靠性和及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和柔性化，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。CIMS一般分為四個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)（1）管理信息子系統(tǒng)（MIS）

生產(chǎn)計(jì)劃、經(jīng)營(yíng)銷售、財(cái)務(wù)人事設(shè)備管理等（2）技術(shù)信息子系統(tǒng)（TIS）CAD/CAM/CAPP等技術(shù)信息（3）自動(dòng)化制造子系統(tǒng)（MAS）實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)度與控制（4）質(zhì)量保證子系統(tǒng)（CAQ）

質(zhì)量目標(biāo)、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集分析、控制補(bǔ)償（三）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的基本概念41山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院從功能上看，CIMS包括了一個(gè)制造企業(yè)中設(shè)計(jì)、制造、經(jīng)營(yíng)管理和質(zhì)量保證等主要功能，并運(yùn)用信息集成技術(shù)和支撐環(huán)境使以上功能有效集成。CIMS是一個(gè)跨多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜大系統(tǒng)。描述了各種功能模塊及其聯(lián)系。

2、CIMS的構(gòu)成42山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖CIMS的組成

CIMS技術(shù)是基于現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)的交互、滲透和結(jié)合產(chǎn)生的一門綜合技術(shù)。

43山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在CIMS中，CAD是CAPP的輸入，其主要任務(wù)是完成機(jī)械零件的幾何造型及設(shè)計(jì)繪圖。CAD輸出的是零件的幾何信息(圖形、尺寸、公差等)和加工信息(材料、熱處理、批量等)。CAPP是利用計(jì)算機(jī)來制定零件的工藝規(guī)程，其輸入的是零件的信息，輸出的是零件的工藝過程和工序內(nèi)容，故CAPP屬于設(shè)計(jì)范疇。廣義上的CAM是指利用計(jì)算機(jī)輔助完成從設(shè)計(jì)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造整個(gè)過程的活動(dòng)，包括工藝過程設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、NC自動(dòng)編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制等；狹義的CAM主要指NC程序自動(dòng)編制(刀具路徑規(guī)劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真及NC代碼生成等)，它輸出的是刀位文件和數(shù)控加工程序。刀位文件表示了刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，與夾具、工件在一起可進(jìn)行加工仿真以防運(yùn)動(dòng)干涉，同時(shí)又是編制數(shù)控程序的根據(jù)，刀位文件通過后置處理便可獲得機(jī)床的數(shù)控加工程序。CAPP在CAD與CAM之間起到橋梁的作用，CAD的信息通過CAPP形成制造信息。因此，在CIMS中，CAPP占有很重要地位。圖表示了CAD、CAPP、CAM三者之間的集成關(guān)系。3、CAD/CAPP/CAM三者之間的集成關(guān)系44山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖CAD/CAPP/CAM的系統(tǒng)集成45山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（四）工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人(IR)是整個(gè)制造系統(tǒng)自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。IR是一種可以搬運(yùn)物料、零件、工具或完成多種操作功能的專用機(jī)械裝置；由計(jì)算機(jī)控制，是無人參與的自主自動(dòng)化控制系統(tǒng)；是可編程、具有柔性的自動(dòng)化系統(tǒng)，允許進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系。46山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成（如圖所示）。

1、工業(yè)機(jī)器人的組成1-執(zhí)行機(jī)構(gòu)2-控制系統(tǒng)3-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

47山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機(jī)械裝置，通常包括末端執(zhí)行器a、手腕b、手臂c和機(jī)座d。末端執(zhí)行器是機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，安裝在手腕或手臂的機(jī)械接口上，根據(jù)用途可分為機(jī)械式、吸附式和專用工具(如焊槍、噴槍、電鉆和電動(dòng)螺紋擰緊器等)三類。（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)48山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定要求動(dòng)作，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)控制。這類控制系分為決策級(jí)、策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)。決策級(jí)的功能是識(shí)別環(huán)境，建立模型，將作業(yè)任務(wù)分解為基本動(dòng)作序列；策略級(jí)將基本動(dòng)作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級(jí)給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。（2）控制系統(tǒng)49山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。常用的有電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等四種驅(qū)動(dòng)方式。此外，機(jī)器人可以配置多種傳感器(如位置、力、觸覺、視覺等傳感器)，用以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài)。（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)50山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)機(jī)器人的分類方法很多，一般按照下列情況分類：

2、工業(yè)機(jī)器人的分類(1)按坐標(biāo)形式分為直角坐標(biāo)系(三個(gè)直線坐標(biāo))、圓柱坐標(biāo)系(一個(gè)回轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)直線坐標(biāo))、極坐標(biāo)系(兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸和一個(gè)直線坐標(biāo))、關(guān)節(jié)式(三個(gè)回轉(zhuǎn)軸)。(2)按控制方式分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制；固定程序控制、可編程控制機(jī)器人。(3)按驅(qū)動(dòng)方式分為電力驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人及復(fù)合傳動(dòng)機(jī)器人。(4)按照自動(dòng)化功能的層次分為專用、通用、示教再現(xiàn)及智能機(jī)器人。51山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院目前工業(yè)機(jī)器人主要用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、金屬加工、電子工業(yè)、塑料成形等行業(yè)。從功能上看，這些應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械加工、搬運(yùn)工件及工件夾具裝卸、焊接、噴漆、裝配、檢驗(yàn)和拋光修正等。除此之外，機(jī)器人在核能、海洋、太空探索、軍事、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著材料技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也在不斷地發(fā)展。

52山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院四、先進(jìn)制造生產(chǎn)模式快速響應(yīng)制造快速響應(yīng)制造技術(shù)主要包括產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、快速開發(fā)、速制快造及生產(chǎn)系統(tǒng)的快速組成。先進(jìn)制造技術(shù)的許多重要概念都與快速響應(yīng)密切相關(guān)。其中主要有快速成形制造（RP&M，RapidPrototyping&Manufacturing）、并行工程、虛擬制造、CIMS、敏捷制造、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟與虛擬公司等。

53山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院制造模式是指企業(yè)體制、經(jīng)營(yíng)、管理、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)的形態(tài)和運(yùn)作的模式。在企業(yè)內(nèi)動(dòng)態(tài)地流通著勞務(wù)流、資金流、物流、信息流和能量流等資源。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境和企業(yè)體制、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)中，依靠科技、人的決策和技術(shù)創(chuàng)造能力、依靠信息的支撐，經(jīng)營(yíng)、管理上述各種資源，以獲取企業(yè)投入的優(yōu)化增值和利潤(rùn)，是建立企業(yè)先進(jìn)制造模式的目標(biāo)。

先進(jìn)的制造技術(shù)必須在與之相匹配的制造生產(chǎn)模式里運(yùn)作才能發(fā)揮作用。一個(gè)企業(yè)要采用CAD/CAM并獲得實(shí)效，就需要對(duì)企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)組織和運(yùn)作方式進(jìn)行調(diào)整。技術(shù)和技術(shù)運(yùn)作的模式需要相匹配并共同進(jìn)步。近30年來，市場(chǎng)需求向多樣化方向發(fā)展且競(jìng)爭(zhēng)加劇，迫使產(chǎn)品朝多品種、小批量、短生產(chǎn)周期方向演進(jìn)，傳統(tǒng)的大量生產(chǎn)模式正在被更先進(jìn)的制造模式所取代。近年來，國(guó)外先后提出的敏捷制造、精益生產(chǎn)等先進(jìn)制造生產(chǎn)模式。

54山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院敏捷制造(AM)是21世紀(jì)的先進(jìn)制造模式，主張以全球信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立跨企業(yè)的動(dòng)態(tài)(虛擬)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分利用信息，發(fā)揮人的創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和營(yíng)銷的總體敏捷化，從而快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，共同取得繁榮發(fā)展。

（一）敏捷制造美國(guó)提出的敏捷制造的主要思想是充分意識(shí)到小規(guī)模、模塊化的生產(chǎn)方式和一個(gè)公司不追求全能，而追求很有特色的、很先進(jìn)的局部?jī)?yōu)勢(shì)。當(dāng)市場(chǎng)上新的機(jī)遇出現(xiàn)時(shí)，組織幾個(gè)有關(guān)公司合作，各自貢獻(xiàn)特長(zhǎng)，以最快的速度、最優(yōu)的組合贏得一個(gè)機(jī)遇，完成之后又獨(dú)立經(jīng)營(yíng)。這種形式又被稱為虛擬公司。

55山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院美國(guó)研制波音777大型民用客機(jī)是以西雅圖為中心，集中南北近90千米，11個(gè)地區(qū)的多個(gè)工廠、研究所協(xié)作研制，參加人員包含制造、供應(yīng)、用戶等共7000多人。全部研制工作實(shí)現(xiàn)無圖紙生產(chǎn),采用計(jì)算機(jī)控制管理、虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造、并行工程、CAD/CAM一體化技術(shù)等一切能采用的自動(dòng)化設(shè)計(jì)、制造、管理等生產(chǎn)辦法。最后，波音777大型民用客機(jī)一次研制試飛成功，全部設(shè)計(jì)研制周期僅27個(gè)月。而此前，同樣復(fù)雜程度的波音767大型民用客機(jī)的研制周期為40個(gè)月。

波音777大型民用客機(jī)的研制是綜合應(yīng)用敏捷制造的實(shí)例。56山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院是綜合應(yīng)用敏捷制造的另一實(shí)例?？罩锌蛙嚧笮兔裼每蜋C(jī)主要是法國(guó)、英國(guó)和德國(guó)合作生產(chǎn)?？缭接⒓{的3個(gè)國(guó)家的100多個(gè)工廠、研究所和設(shè)計(jì)單位共同合作，最后較快、較好的完成了研制和生產(chǎn)任務(wù)。歐盟協(xié)作生產(chǎn)空中客車大型民用客機(jī)57山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1)持續(xù)變化性：產(chǎn)品和過程技術(shù)發(fā)展迅速，制造企業(yè)采用適應(yīng)這種變化的管理模式。2)快速反應(yīng)性：持續(xù)變化的市場(chǎng)要求公司相互共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，以抓住市場(chǎng)機(jī)遇。3)高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：由用戶對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)來衡量質(zhì)量。4)低的費(fèi)用：敏捷系統(tǒng)應(yīng)有合理的消耗，以合理的費(fèi)用滿足市場(chǎng)的需求。

敏捷制造的敏捷性體現(xiàn)在：58山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1)高度柔性、可重新配合組合的、模塊化的自動(dòng)化加工設(shè)備。2)標(biāo)準(zhǔn)化的、容易維護(hù)的信息系統(tǒng)。3)人的因素的發(fā)揮和管理機(jī)構(gòu)改革。

敏捷制造實(shí)現(xiàn)的必要條件主要有：59山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院傳統(tǒng)產(chǎn)品制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)制造的工作方式是順序進(jìn)行的，設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)，一旦制造出現(xiàn)問題，就要修改設(shè)計(jì)，使整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期很長(zhǎng)，新產(chǎn)品難以很快上市。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，1986年美國(guó)提出了并行工程(CE)的概念，即：并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計(jì)一開始就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求。并行設(shè)計(jì)將產(chǎn)品開發(fā)周期分解成多個(gè)階段，各個(gè)階段皆有部分互相重疊。

（二）并行工程60山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院并行工程是充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)來輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種工作方式。它站在產(chǎn)品全生命周期的高度，打破傳統(tǒng)的部門分割，封閉的組織模式，強(qiáng)調(diào)參與者的協(xié)同工作，重視產(chǎn)品開發(fā)過程的重組、重構(gòu)。并行工程又是一種集成產(chǎn)品開發(fā)全過程的系統(tǒng)化方法。61山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(1)產(chǎn)品開發(fā)隊(duì)伍重構(gòu)將傳統(tǒng)的部門制或?qū)I(yè)組轉(zhuǎn)變成以產(chǎn)品為主線的多功能集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)(IPT)。IPT被賦予相應(yīng)的職責(zé)和權(quán)利，對(duì)所開發(fā)的產(chǎn)品對(duì)象負(fù)責(zé)。(2)過程重構(gòu)從傳統(tǒng)的串行產(chǎn)品開發(fā)流程轉(zhuǎn)變成集成的、并行的產(chǎn)品開發(fā)過程，并強(qiáng)調(diào)企業(yè)在產(chǎn)品生命周期的全過程中實(shí)現(xiàn)信息集成、功能集成和過程集成。并行過程不僅是活動(dòng)的并行，更主要的是下游過程在產(chǎn)品開發(fā)早期參與設(shè)計(jì)過程；另一個(gè)方面則是過程的改進(jìn)，使信息流動(dòng)與共享的效率更高。(3)集成產(chǎn)品信息模型集成數(shù)據(jù)模型可以為產(chǎn)品生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)提供產(chǎn)品的全部信息，它是并行工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。(4)協(xié)同工作環(huán)境用于支持IPT協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

并行工程的關(guān)鍵是：62山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院并行工程自提出以來，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府部門的重視。它是一種新的產(chǎn)品開發(fā)模式，對(duì)并行工程影響最大的是精益生產(chǎn)中組織方式和CIMS的信息集成。并行工程可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，它適用于產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、復(fù)雜程度高、開發(fā)成本高的行業(yè)。并行