數(shù)字化精密制造基礎(chǔ) 課件 第一章 緒論

數(shù)字化精密制造基礎(chǔ)

第一章緒論三、數(shù)字化精密加工系統(tǒng)二、數(shù)字化精密制造技術(shù)一、制造業(yè)及先進(jìn)制造技術(shù)目錄一、制造業(yè)及先進(jìn)制造技術(shù)

正文制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中載有重要份額。自18世紀(jì)中葉起，制造業(yè)的發(fā)展為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)提供了源源不斷的動(dòng)力。迄今為止，制造業(yè)經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化、信息化三次跳躍，從生產(chǎn)方式、制造技術(shù)、資源配置等方面歷經(jīng)了幾次重大變革。近年來，信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展大大推動(dòng)了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)的突破，加速了制造業(yè)的信息化融合，促使制造業(yè)目前正在向智能化的第四次工業(yè)革命邁進(jìn)。

作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，先進(jìn)制造技術(shù)有效地促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，使其適應(yīng)市場(chǎng)全球化的趨勢(shì)，推動(dòng)著新一輪產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展。在先進(jìn)制造技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)制造業(yè)不斷向著高端化、智能化、綠色化的生產(chǎn)方式變革與進(jìn)步，而且對(duì)動(dòng)態(tài)、多變個(gè)性化商品市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力不斷增強(qiáng)。

（一）制造業(yè)的內(nèi)涵與發(fā)展

1.制造與制造業(yè)（1）制造的概念與內(nèi)涵

所謂制造，就是人們以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，依據(jù)自身掌握的知識(shí)和技能，借助于必要的能源和生產(chǎn)工具，采用合理的工藝方法和技術(shù)手段，將原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品并投入市場(chǎng)的過程。

制造在內(nèi)涵上可分為廣義制造與狹義制造兩類，廣義制造包括從市場(chǎng)調(diào)研與分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝制定、加工裝配、質(zhì)量檢測(cè)與保證、生產(chǎn)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷、銷售服務(wù)直至產(chǎn)品報(bào)廢處理的制造企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的全過程，而狹義制造則是與日常所理解的產(chǎn)品加工或制作，是在生產(chǎn)車間通過加工、裝配等生產(chǎn)步驟，使原材料成為成品的生產(chǎn)過程。制造理論與技術(shù)制造工藝與方法制造精度控制與測(cè)量制造信息獲取與分析（2）制造系統(tǒng)

制造系統(tǒng)是由軟件、硬件及相關(guān)人員組成的能夠?qū)崿F(xiàn)某些特定功能的整體，是為了完成某些制造目標(biāo)而構(gòu)建的物理系統(tǒng)。其中，軟件包括各種制造理論與技術(shù)、制造工藝與方法、制造精度控制與測(cè)量、制造信息獲取與分析等，硬件包括廠房基礎(chǔ)設(shè)施、能源、生產(chǎn)設(shè)備、工具材料以及各種輔助裝置，相關(guān)人員是指在制造過程中的承擔(dān)不同崗位任務(wù)的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理與銷售等人員。軟件基礎(chǔ)設(shè)施能源、生產(chǎn)設(shè)備工具材料輔助裝置硬件（3）制造業(yè)

制造業(yè)是指按照市場(chǎng)要求，通過制造過程將物料、能源、設(shè)備、工具、資金、技術(shù)、信息和人力等制造資源轉(zhuǎn)化為可供人們使用和利用的大型工具、工業(yè)品與生活消費(fèi)產(chǎn)品的行業(yè)，涵蓋國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的眾多行業(yè)。根據(jù)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)（GB/T4754-2017），我國(guó)制造業(yè)包括食品制造業(yè)、紡織業(yè)、家具制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、金屬制品業(yè)、通用設(shè)備制造業(yè)、專用設(shè)備制造業(yè)、汽車制造業(yè)等共計(jì)31個(gè)大類。根據(jù)我國(guó)機(jī)械工業(yè)行業(yè)分類，機(jī)械制造業(yè)包含了13個(gè)行業(yè)大類（表1-1-1），這些大行業(yè)又被細(xì)分為126個(gè)小行業(yè)。序號(hào)行業(yè)分類序號(hào)行業(yè)分類1農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)行業(yè)8機(jī)床工具工業(yè)行業(yè)2內(nèi)燃機(jī)工業(yè)行業(yè)9電工電器工業(yè)行業(yè)3工程機(jī)械工業(yè)行業(yè)10機(jī)械基礎(chǔ)件工業(yè)行業(yè)4儀器儀表工業(yè)行業(yè)11食品包裝機(jī)械工業(yè)行業(yè)5文化辦公設(shè)備行業(yè)12汽車工業(yè)行業(yè)6石油化工通用機(jī)械工業(yè)行業(yè)13其他民用機(jī)械工業(yè)行業(yè)7重型礦山機(jī)械工業(yè)行業(yè)

表

機(jī)械工業(yè)行業(yè)分類

2.制造業(yè)的地位及作用一般來說，國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)三大產(chǎn)業(yè)，制造業(yè)、建筑業(yè)、采掘業(yè)以及煤、電、水、氣的生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)等隸屬于工業(yè)類，因此，制造業(yè)屬于第二產(chǎn)業(yè)?？蔀槭袌?chǎng)提供各類所需的商品，是提高消費(fèi)水平的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。是確保農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位、支持服務(wù)業(yè)更快更好發(fā)展的重要條件。是加快農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移和就業(yè)的重要途徑。是加快發(fā)展科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)的重要物質(zhì)支撐。是影響發(fā)展對(duì)外貿(mào)易的關(guān)鍵因素。制造業(yè)是加快信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。其技術(shù)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)的物質(zhì)保證。為實(shí)現(xiàn)軍事現(xiàn)代化和保障國(guó)家安全提供裝備基礎(chǔ)。制造業(yè)的地位及作用

3.制造業(yè)的發(fā)展與未來自第一次工業(yè)革命至今已有兩百多年歷史，制造業(yè)無論在生產(chǎn)方式、制造技術(shù)，還是在資源配置方式等方面均經(jīng)歷了多次重大的變革。

（二）制造業(yè)主要發(fā)展戰(zhàn)略

1.工業(yè)4.0

時(shí)間軸18世紀(jì)末20世紀(jì)初蒸汽機(jī)1970年代初今天電力廣泛應(yīng)用自動(dòng)化、信息化信息物聯(lián)系統(tǒng)工業(yè)1.0創(chuàng)造機(jī)器工廠的“蒸汽時(shí)代”工業(yè)2.0將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時(shí)代”工業(yè)3.0應(yīng)用電子信息技術(shù)進(jìn)一步提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平工業(yè)4.0開始應(yīng)用信息物理融合系統(tǒng)(CPS)

復(fù)雜性體能智能

2.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以美國(guó)通用電氣為首的企業(yè)聯(lián)盟倡導(dǎo)的未來制造業(yè)發(fā)展新模式，強(qiáng)調(diào)通過智能機(jī)器間的連接，結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)技術(shù)來重構(gòu)全球制造業(yè)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心內(nèi)容充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的作用，為基于互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用打造一個(gè)穩(wěn)定、可靠、安全、實(shí)時(shí)、高效的全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將智能化的機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人之間進(jìn)行連通，幫助人類和機(jī)器設(shè)備做出智能分析和決策，以全面提升整個(gè)工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的工作效率。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是通用互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和延伸，旨在將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接起來，引導(dǎo)研發(fā)、服務(wù)等環(huán)節(jié)新模式、新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生，推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的變革。側(cè)重于軟件、網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)制造的效率目標(biāo)，關(guān)注基于聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析和價(jià)值轉(zhuǎn)化。3.中國(guó)制造2025“中國(guó)制造2025”是我國(guó)應(yīng)對(duì)全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，提升制造業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措，也是著眼于國(guó)際國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)變革大趨勢(shì)所制定的一個(gè)長(zhǎng)期戰(zhàn)略性規(guī)劃，是實(shí)現(xiàn)為世界制造業(yè)提供中國(guó)力量的戰(zhàn)略支撐。到新中國(guó)成立一百年時(shí)進(jìn)入世界強(qiáng)國(guó)第一方陣，建成全球領(lǐng)先的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系，成為具有全球引領(lǐng)影響力的制造強(qiáng)國(guó)。到2035年成為名副其實(shí)的工業(yè)強(qiáng)國(guó)，制造強(qiáng)國(guó)綜合指數(shù)達(dá)到世界制造強(qiáng)國(guó)陣營(yíng)中的中等水平，創(chuàng)新能力大幅提升，優(yōu)勢(shì)行業(yè)形成全球創(chuàng)新引領(lǐng)能力，制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)能力顯著增強(qiáng)。到2025年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，使中國(guó)制造業(yè)邁入制造強(qiáng)國(guó)行列，制造強(qiáng)國(guó)綜合指數(shù)接近德國(guó)、日本，達(dá)到工業(yè)化時(shí)代的制造強(qiáng)國(guó)水平。第一步第二步第三步“中國(guó)制造2025”所規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域包括信息技術(shù)、機(jī)床、航空航天、海洋與船舶等。當(dāng)前，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展并與制造業(yè)深度融合，推進(jìn)了制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，引發(fā)了影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，更體現(xiàn)了《二十大報(bào)告》對(duì)“推動(dòng)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展”的要求。制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)命脈所系，是立國(guó)之本、強(qiáng)國(guó)之基。推進(jìn)新型工業(yè)化，意味著要促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)步入全球價(jià)值鏈的中高端，攻關(guān)“卡脖子”核心制造技術(shù)，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈多元化，促進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)深度融合，夯實(shí)新發(fā)展格局的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，為全面建設(shè)、建成制造強(qiáng)國(guó)提供有力支撐。

（三）先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀

1.先進(jìn)制造技術(shù)的背景（1）社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景消費(fèi)者需求：主題化、個(gè)性化和多樣化，產(chǎn)品壽命周期不斷縮短全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)：要求制造型企業(yè)在交貨周期T、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本、客戶服務(wù)及環(huán)境友善性

等方面滿足競(jìng)爭(zhēng)需求。（2）科學(xué)技術(shù)背景制造技術(shù)進(jìn)步：傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料、電子、信息、控制等技術(shù)融合?，F(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展：信息化與工業(yè)化融合使制造業(yè)成為技術(shù)密集與知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)。（3）可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景

資源匱泛，污染嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展要求。

在上述社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)及可持續(xù)發(fā)展背景下，由美國(guó)率先提出了先進(jìn)制造技術(shù)，以獲取全球范圍的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2.先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵與特征（1）先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)涵先進(jìn)制造技術(shù)（AdvancedManufacturingTechnology，AMT）是傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合微電子、自動(dòng)化、信息化等先進(jìn)技術(shù)形成的新型制造技術(shù)概念。具體地說，就是指集機(jī)械工程技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體所產(chǎn)生的技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)的總稱。（2）先進(jìn)制造技術(shù)特征實(shí)用性：不追求技術(shù)的高新程度，注重實(shí)際效果的實(shí)用技術(shù)。應(yīng)用廣泛性：涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷售服務(wù)等全生命周期所有技術(shù)。發(fā)展動(dòng)態(tài)：在不斷吸收各類高新技術(shù)，其內(nèi)涵在不斷的更新與變化。技術(shù)集成：是機(jī)械、電子、信息、材料和管理等技術(shù)的集成。系統(tǒng)性：能夠駕馭生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流、信息流和能量流的系統(tǒng)工程。強(qiáng)調(diào)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)。最終目標(biāo)是提高市場(chǎng)響應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。3.先進(jìn)制造技術(shù)的分類（1）現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)則是以滿足應(yīng)市產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本、效益最優(yōu)為目的，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為主體，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段，在創(chuàng)新、研究、改進(jìn)產(chǎn)品過程中所用到的技術(shù)群體的總稱。（2）先進(jìn)制造工藝技術(shù)高效精密成形技術(shù)、高效高精度切削加工工藝、現(xiàn)代特種加工工藝、現(xiàn)代表面工程技術(shù)等。（3）制造自動(dòng)化技術(shù)采用自動(dòng)化的制造技術(shù)，可以大大減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展加速了制造業(yè)由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集和知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變的步伐，是制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。（4）現(xiàn)代企業(yè)信息化管理技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、管理決策、研究開發(fā)、市場(chǎng)營(yíng)銷等產(chǎn)品全生命周期內(nèi)，通過對(duì)信息和知識(shí)資源的有效開發(fā)利用，重構(gòu)企業(yè)組織結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，以提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。（5）數(shù)字化制造與智能制造技術(shù)數(shù)字化制造就是指制造領(lǐng)域的數(shù)字化，它是制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融和、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果。二、數(shù)字化精密制造技術(shù)

（一）數(shù)字化制造

1.數(shù)字化的提出當(dāng)前，數(shù)字化的提法已經(jīng)席卷全國(guó)，從數(shù)字化社會(huì)到數(shù)字化城市、數(shù)字化工廠以及數(shù)字化裝備等，數(shù)字化儼然成了信息化和智能化的代名詞。早期的數(shù)字化限于工程學(xué)上的“數(shù)字信號(hào)處理”，是指將連續(xù)變化的輸入（信號(hào)）轉(zhuǎn)變（表示）成不連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)單元的過程。

2.數(shù)字化制造的主要內(nèi)容數(shù)字化制造主要依靠軟件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、裝配等環(huán)節(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、逆向工程等。主要內(nèi)容英文名稱具體內(nèi)涵計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)ComputerAidedDesign/CAD綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)。由早起的計(jì)算機(jī)輔助繪圖發(fā)展至現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化的綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助工程ComputerAidedEngineering/CAE通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析（線性、非線性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）、場(chǎng)分析（熱場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）、頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等；機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計(jì)算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。計(jì)算機(jī)輔助制造ComputerAidedManufacturing/CAM能根據(jù)CAD模型自動(dòng)生成零件加工的數(shù)控代碼，對(duì)加工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、同時(shí)完成在實(shí)現(xiàn)加工時(shí)的干涉和碰撞檢查。簡(jiǎn)單來說，CAM就是用數(shù)控機(jī)床按數(shù)字量控制刀具運(yùn)動(dòng)，完成零件加工。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃ComputerAidedProcessPlanning/CAPP借助于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和推理等的功能來制定零件機(jī)械加工工藝過程，可以解決手工工藝設(shè)計(jì)效率低、一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、不易達(dá)到優(yōu)化等問題。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理ProductDataManagement/PDMPDM系統(tǒng)除了管理產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的全部數(shù)據(jù)外，還要對(duì)相關(guān)的市場(chǎng)需求、分析、設(shè)計(jì)與制造過程中的全部更改歷程、用戶使用說明及售后服務(wù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一有效的管理。逆向工程ReverseEngineering/RE對(duì)實(shí)物進(jìn)行快速測(cè)量，并反求為可被3D軟件接受的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行修改和詳細(xì)設(shè)計(jì)，達(dá)到快速開發(fā)新產(chǎn)品的目的。

（二）精密加工技術(shù)

1.精密加工的內(nèi)涵從技術(shù)上來看，精密加工主要指的是精密切削加工（如金剛鏜、精密車削、寬刃精刨等）和高光潔高精度磨削。精密加工的加工精度一般在0.1～1μm，表面粗糙度Ra在0.1μm以下。2.精密加工的特點(diǎn)精密加工是以精度高、剛性好的機(jī)床和精細(xì)刃磨的刀具為基礎(chǔ)，用很高或極低的切削速度、很小的切深和進(jìn)給量在工件表面切去極薄一層金屬的過程，顯然，這個(gè)過程能顯著提高零件的加工精度，極大地提高了加工表面質(zhì)量。3.典型的精密加工技術(shù)（1）高速切削加工技術(shù)高速切削加工是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。

與傳統(tǒng)切削加工相比，高速切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率可提高30%～40%，切削力可降低30%，刀具的切削壽命可提高70%，留于工件的切削熱大幅降低。高速切削比常規(guī)切削速度高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)，其切削機(jī)理和切削特征有很大不同，具有切削力低、熱變形小、材料切除率高、加工質(zhì)量高等特點(diǎn)。（2）在機(jī)測(cè)量技術(shù)所謂在機(jī)測(cè)量，就是以機(jī)床硬件為載體，附以相應(yīng)的測(cè)量工具，在機(jī)床上完成零件幾何特征測(cè)量的測(cè)量方式。

在機(jī)測(cè)量除了用于零件尺寸和精度的測(cè)量，還可以用于工件的找正、刀具破損檢測(cè)、機(jī)床健康狀態(tài)檢測(cè)以及加工誤差補(bǔ)償和參數(shù)設(shè)置，對(duì)提高加工精度、構(gòu)造大閉環(huán)系統(tǒng)有重要指導(dǎo)意義，尤其對(duì)復(fù)雜曲面來說，工件越復(fù)雜，精度要求越高，其優(yōu)勢(shì)越明顯。工件在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件示意圖刀具在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件示意圖

（三）數(shù)字化精密制造典型案例

1.七級(jí)葉輪葉輪采用數(shù)字化工藝方法，讓傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的加工變成一種規(guī)范化的操作。該案例中應(yīng)用虛擬加工技術(shù)、在機(jī)測(cè)量技術(shù)、過程管控技術(shù)，從毛坯的來料檢測(cè)，到小批量的產(chǎn)品加工，從CAM軟件的編程、刀具的優(yōu)化以及加工工藝等方面形成了一套完整的、可量化、可管控的加工方案。

2.精密磨削以現(xiàn)有高速加工中心為基礎(chǔ)，集成一套完整的、成熟的磨削體系，如圖1-2-3所示。從設(shè)備端的磨削防護(hù)系統(tǒng)、磨削過濾系統(tǒng)、砂輪修整器、清潔刀柄等方面著手，采用數(shù)字化精密制造在機(jī)測(cè)量技術(shù)、數(shù)控磨削專用功能、CAM軟件編程等，實(shí)現(xiàn)精密磨削方案。三、數(shù)字化精密加工系統(tǒng)

（一）精密制造系統(tǒng)

1.精密制造系統(tǒng)概念精密制造系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制下，將加工、刀具、夾具、檢測(cè)等系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的一種先進(jìn)制造系統(tǒng)，也是當(dāng)前制造技術(shù)水平層次最高、應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械制造裝備。

2.精密制造系統(tǒng)的組成精密制造系統(tǒng)主要分為加工子系統(tǒng)、物料運(yùn)儲(chǔ)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)三大部分，具體包括加工子系統(tǒng)、工件運(yùn)儲(chǔ)子系統(tǒng)、刀具運(yùn)儲(chǔ)子系統(tǒng)、夾具子系統(tǒng)、在機(jī)測(cè)量子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，除了上述基本組成部分之外，精密制造系統(tǒng)還包含冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)、切屑輸運(yùn)系統(tǒng)、自動(dòng)清洗裝置等附屬系統(tǒng)。刀具運(yùn)儲(chǔ)子系統(tǒng)包括中央刀庫(kù)、機(jī)床刀庫(kù)、刀具裝卸站、刀具輸運(yùn)車、工業(yè)機(jī)器人、換刀機(jī)械手等。精密制造系統(tǒng)工件運(yùn)儲(chǔ)子系統(tǒng)

對(duì)工件、原材料以及成品件的自動(dòng)裝卸、輸運(yùn)和存儲(chǔ)等，由工件裝卸站、自動(dòng)化輸運(yùn)小車、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等組成。計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)精密制造系統(tǒng)計(jì)劃調(diào)度、運(yùn)行控制、物流管理、系統(tǒng)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。夾具子系統(tǒng)精密制造系統(tǒng)所加工的零件類型較多，要求機(jī)床夾具的結(jié)構(gòu)種類不一。精密制造系統(tǒng)夾具的合理選用將直接影響工件裝夾時(shí)間及裝夾穩(wěn)定性。在機(jī)測(cè)量子系統(tǒng)以機(jī)床硬件為載體，附以相應(yīng)的測(cè)量工具，在工件加工過程中，實(shí)時(shí)在機(jī)床上進(jìn)行工件幾何特征的測(cè)量。軟件系統(tǒng)

利用計(jì)算機(jī)和CAM軟件進(jìn)行仿真加工，輸入信息是零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和數(shù)控程序。加工子系統(tǒng)

由多臺(tái)CNC機(jī)床、加工中心以及其他如測(cè)量機(jī)、動(dòng)平衡機(jī)和各種特種加工設(shè)備組成。圖示為典型的精密制造系統(tǒng)，由JDMR600機(jī)床、JDCT800機(jī)床、庫(kù)卡機(jī)器人等組成，配置人機(jī)交互系統(tǒng)、人工裝載站、固定式串聯(lián)料庫(kù)、地軌、裝夾系統(tǒng)、電子芯片管理系統(tǒng)、JMS中央控制系統(tǒng)等，通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)精密零件的加工制造，提升零件加工品質(zhì)，提高企業(yè)整體數(shù)字化覆蓋率，有效解決實(shí)際生產(chǎn)過程中各類問題。

（二）數(shù)字化精密加工系統(tǒng)的優(yōu)越性

1.提升了精密加工系統(tǒng)的安全性與可靠性當(dāng)前精密數(shù)控加工主要采取“軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)備”的作業(yè)模式，既在軟件端編寫程序，然后將程序?qū)朐O(shè)備中，驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行加工。然而，伴隨著加工設(shè)備的精密化與復(fù)雜化，其使用風(fēng)險(xiǎn)也有所增加。以五軸高速加工中心為例，由于加入旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，因此在加工過程中存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)床出現(xiàn)碰撞后，容易引發(fā)安全事故，增加機(jī)床維修成本，并且造成不必要的貨期延誤損失。因此，需要借助基于數(shù)字孿生的數(shù)字化精密制造技術(shù)來提升精密數(shù)控加工作業(yè)的安全性及可靠性。刀柄與工件碰撞刀柄與工件碰撞

2.提高了精密加工系統(tǒng)的生產(chǎn)效率精密數(shù)控加工首先要進(jìn)行工藝編程，然后再上機(jī)加工。但在常規(guī)的精密數(shù)控加工作業(yè)模式下，由于工藝編程和上機(jī)加工階段存在信息“裂縫”，在上機(jī)試制階段常出現(xiàn)生產(chǎn)停滯或“返工”調(diào)試問題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。因此，需要借助數(shù)字化精密制造技術(shù)增強(qiáng)加工過程的連續(xù)性，提高生產(chǎn)效率。

3.提升了精密加工系統(tǒng)的資源使用效率由于信息“裂縫”的存在，工藝編程階段將無法獲取工廠實(shí)際的物資情況，導(dǎo)致空閑設(shè)備、物資不能得到有效利用，極大影響設(shè)備、物資使用效率。因此，需要借助數(shù)字化精密制造技術(shù)提升精密數(shù)控加工作業(yè)的資源使用效率。

（三）數(shù)字化精密加工系統(tǒng)的重要載體與工具——CAM軟件基于數(shù)字孿生技術(shù)的CAM軟件，允許用戶在軟件中根據(jù)真實(shí)的加工環(huán)境（物理模型）搭建一個(gè)虛擬的加工環(huán)境（數(shù)字環(huán)境），包括機(jī)床、夾具、工件、刀具刀柄等模型。在這種編程模式下，數(shù)字模型和物理模型在不同的階段都保持著映射關(guān)系，這就是在CAM軟件中引入數(shù)字孿生（DigitalTwin）技術(shù)的理念，這項(xiàng)技術(shù)稱為虛擬加工技術(shù)。我國(guó)在CAM軟件的研發(fā)方面已由原來的引進(jìn)、模仿、追趕發(fā)展到與國(guó)外軟件功能同步甚至超越的水平，誕生了多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAM軟件，如JDSoftSurfMill、中望3D、CAXA制造工程師、SINOVATION等。基于以上CAM軟件，虛擬加工技術(shù)將軟件編程、生產(chǎn)準(zhǔn)備和實(shí)際加工過程串聯(lián)起，推進(jìn)了工藝、工具、機(jī)床之間的深度融合，使得整個(gè)生產(chǎn)過程安全可控。

1.從物理實(shí)體到軟件環(huán)在CAM軟件編程時(shí)可使用的設(shè)備、物料都是生產(chǎn)實(shí)際中真實(shí)存在的，編程人員可以在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝規(guī)劃和編程。在規(guī)劃刀具軌跡時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各種碰撞風(fēng)險(xiǎn)，用戶可以根據(jù)軟件提示優(yōu)化軌跡，生成安全可靠的路徑。

2.從軟件編程到實(shí)際加工根據(jù)在CAM軟件編程時(shí)使用的物料進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備，將計(jì)算得到的路徑輸入到機(jī)床上后，可以直接加工，整個(gè)過程就像數(shù)字環(huán)境下切削形態(tài)在真實(shí)加工環(huán)境下的再現(xiàn)。虛擬加工技術(shù)有助于降低精密數(shù)控加工的編程難度和多軸機(jī)床的使用難度。

3.從軟件編程到實(shí)際加工數(shù)字化精密加工系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括三步：①安裝（升級(jí)）CAM軟件，為軟件中的物料映射提供基礎(chǔ)；②映射物理加工環(huán)境，即把真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中的所有物料信息映射到軟件環(huán)境中；③使用建立好的系統(tǒng)編程加工，并進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。（1）機(jī)床的映射該映射包括機(jī)床模型的幾何參數(shù)、主軸信息和數(shù)控系統(tǒng)信息，如圖1-3-4所示。機(jī)床仿真時(shí)根據(jù)機(jī)床幾何參數(shù)進(jìn)行碰撞檢查；機(jī)床的主軸信息用于在添加刀柄時(shí)作為篩選條件，使選擇的刀柄與主軸適配，保證刀柄選擇合理。（2）刀具和刀柄的映射系統(tǒng)刀具庫(kù)是刀具庫(kù)房在軟件中的映射。構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)刀具庫(kù)房的實(shí)際情況，錄入庫(kù)房所有刀具，依此定制用戶專屬的系統(tǒng)刀具庫(kù)。軟件系統(tǒng)刀具庫(kù)中每一把刀具的基本信息、刀具參數(shù)、推薦加工參數(shù)都與庫(kù)房中的刀具相對(duì)應(yīng)；系統(tǒng)刀柄庫(kù)是刀柄庫(kù)房在軟件中的映射，包含庫(kù)房中所有的刀柄型號(hào)。構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)刀柄庫(kù)房的實(shí)際情況錄入刀柄信息，定制客戶專屬的系統(tǒng)刀柄庫(kù)。（3）夾具的映射系統(tǒng)夾具庫(kù)是夾具庫(kù)房在軟件中的映射，主要分為標(biāo)準(zhǔn)夾具和非標(biāo)準(zhǔn)夾具兩大類。標(biāo)準(zhǔn)類夾具主要指的是常用夾具，可以直接進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用；非標(biāo)準(zhǔn)夾具主要指根據(jù)零件造型設(shè)計(jì)的非通用夾具，需在系統(tǒng)中構(gòu)建夾具模型來滿足虛擬裝夾要求。

（四）數(shù)字化精密加工系統(tǒng)的應(yīng)用以某鋁合金樣件為例，介紹數(shù)字化精密加工系統(tǒng)的應(yīng)用方法。已知工件材料為ADC12壓鑄鋁合金，質(zhì)量為3.18kg，尺寸為373.3mm×298.3mm×208mm，需完成圖中①②③④所示幾個(gè)部位面和孔的加工。

1.編程階段（1）加載文件模板加載文件模板就是選擇虛擬機(jī)床制造環(huán)境的過程，本例中選擇采用北京精雕五軸高速加工中心JDGR400_A15SH完成此零件的加工。

（2）導(dǎo)入加工模型導(dǎo)入工件模型，并從系統(tǒng)夾具庫(kù)中加載夾具模型，按照裝夾狀態(tài)調(diào)整好工件與夾具之間的位置關(guān)系。（3）建立刀具表從系統(tǒng)刀具庫(kù)中選擇加工所需的所有刀具，并依次修改刀具輸出編號(hào)、加工速度及加工參數(shù)，完成刀具的添加。刀具選擇刀柄選擇參數(shù)修改（4）編制程序工件需采用單線切割加工方法，在計(jì)算加工路徑時(shí)，軟件自動(dòng)完成過切檢查和刀柄碰撞檢查，生成加工路徑。計(jì)算結(jié)束后，提示信息包括路徑的安全情況（有無過切或碰撞）及刀具裝夾指導(dǎo)信息。刀具選擇（5）機(jī)床仿真機(jī)床仿真是將工件擺上機(jī)床模型后進(jìn)行的，可以看作是實(shí)際加工狀態(tài)在軟件里的模擬。其目的在于檢查機(jī)床鈑金與工件夾具之間是否存在干涉，以及各