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第6章先进制造技术简介

§6-1先进制造工艺技术

一.特种加工

——将电、磁、声、光、热等物理及化学能量或与机械能组合，对材料进行加工

特点：

工具硬度可低于工件的硬度，可加工高强、高硬、高韧高脆的金属非金属材料

电、电化学、声或光等能量进行加工，无明显的机械力，少变形，精度高

改变传统观念，对结构工艺性重新评价，拓宽传统切削的方法

各种方法都可复合成新方法

——适用于各种难切削材料、特殊要求的、精密复杂零件的加工

分类：

电能与热能：

电火花成形与穿孔加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）

电子束加工（EBM）、等离子体加工（PAM）

电能与化学能：

电解加工（ECM）、电铸加工（ECM）、刷镀加工

电化学能与机械能：

电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH）

声能与机械能：

超声波加工（USM）

光能与热能：

激光加工（LBM）

电能与机械能：

离子束加工（IM）

液流能与机械能：

水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工（AWJC）

挤压珩磨（AFH）

表面工艺：

电解抛光、化学抛光、电火花表面强化、镀覆、离子束注入渗杂等

例：

水喷射加工

组成：

超高压水射流发生器；

磨料混合和液流处理装置；

喷嘴

数控三维切割机床；

外围设备等

加工：

金属、非金属（石材、玻璃）、木材与纸制品、塑料制品、织物与革制品等

切缝宽约0.5mm，Ra12.5μm，切割精度达±0.05mm

二．超精密加工

1.基本概念

精密加工——10～0.1μm，Ra0.3～0.03μm

如金刚车、镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨、镜面磨和冷压加工

——精密产品中关键件加工—精密丝杠、齿轮、蜗轮、导轨、轴承等

超精密加工——0.1～0.01μm，Ra0.03～0.05μm

如金刚石刀具超精密切削、超精密磨削研磨、超精密特种加工和复合加工

——镜面、精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造

纳米加工——10-3μm（1nm），Ra≤0.005μm

——利用光子、电子、离子加工

2.实现超精密加工的主要技术条件

（1）超精密机床——首要条件

空气轴承，弹性变形、热变形或压电晶体变形微量进给装置

静压导轨，在线检测，反馈控制技术，合成花岗石支承件

（2）超精密加工刀具——金刚石刀具

（3）检测和误差补偿——非接触式测量，原子级测量，在线检测和误差补偿

（4）超稳定的加工环境——恒温、防振、超净和恒湿

温度（土0.1～0.01）℃，防振沟，空气弹簧隔振，洁净度要求

三．微机械制造

微小型机械——1～100mm

微机械——10μm～1mm

纳米机械——10nm～l0μm

——航空航天、精密仪器、生物医疗等领域

微型机械制造——半导体工艺的硅微细加工技术

掺杂、光刻、腐蚀，光刻电铸、准LIGA加工、超微细机加工、微细电火花加工

等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工及键合技术等

四．超高速切削

——用超硬材料刀具和高速设备，极大的切削速度来加工

铸铁——900～5000m／min

钢——600～3000m／min

铝合金——2000～7500m／min

超高速车削——700～7000m／min

超高速铣削——300～6000m／min

超高速钻削——200～ll00m／min

超高速磨削——150m／s以上

常用刀具有：

涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金刚石刀具

超高速机床——实现超高速切削的前提条件和关键因素

要求：

高速主轴——电主轴，高速陶瓷滚动轴承、磁浮轴承

快速反应的伺服系统和进给部件——多头螺纹行星滚柱丝杆

直线伺服电动机

高压大流量喷射冷却系统

刚度特好的机床支承件——聚合物混凝土（人造花岗岩）床身或立柱

五．快速原形制造技术（RPM）——快速产品开发和制造的技术

用光电热等，固化、烧结、粘结、熔结等，材料逐层或逐点堆积，形成制件

1）光固化法（SL）——液态光敏树脂

计算机控制光束分层逐点扫描树脂表面，使树脂硬化

形成薄层，至零件制造完

2）迭层法（LOM）——箔纸

计算机控制激光器分层切出轮廓，多余部分切去，再铺一层箔材

辗压，粘结，再切割，直至加工完

3）烧结法（SLS）——粉末材料（塑料、金属粉、蜡粉等）

计算机控制激光器分层烧结粉末，再重复下一层烧结，直至零件成形

4）熔融沉积法（FDM）——熔融材料（ABS、尼龙或石蜡等）

计算机控制喷头喷出熔融材料，按截面形状铺在底版上

逐层加工，直至加工

§6-2制造自动化技术

一．CNC技术（ComputerNumericalControl）

——数字化信号对设备运行及加工过程进行控制

组成：

程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、

可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、速度控制单元等

特点：

应用微机，减少硬件，设备可靠

不依赖于硬件而独立使用，可用于不同机床

改变控制功能比较容易

后置处理以软件方式实施

编码转换器允许采用不同编码的数控程序（EIA或ISO编码）

插补程序使零件编程变得简便

可监测和修正刀具磨损

CNC系统与用户界面友好

发展趋势：

高速化、高精度化、多功能化、多轴控制、

智能化、模块化、小型化、开放式结构

二．工业机器人IR（IndustrialRobot）

——可搬运物料、零件、工具或完成多种操作的计算机控制专用机械装置

组成：

执行机构、控制系统、驱动系统

（1）执行机构——机座、手臂、手腕和末端执行器

末端执行器——机械式、吸附式、

专用工具（如焊枪、喷枪、电钻和电动螺纹拧紧器等）

（2）控制系统——计算机——分决策级、策略级和执行级

决策级——识别环境、建立模型，将作业任务分解为基本动作

策略级——将基本动作变为关节坐标变化规律，分配给各关节的伺服系统

执行级——给出关节伺服系统的具体指令

（3）驱动系统——将信号放大，驱动执行机构运动

驱动方式：

电气、液压、气动和机械等

配置传感器：

位置、力、触觉，视觉等

机器人分类：

（1）按坐标形式：

直角坐标式（三个直线坐标）

圆柱坐标式（一个回转轴和二个直线坐标）

极坐标式（二个回转轴和一个直线坐标）

关节式（三个回转轴）

（2）按控制方式：

点位控制

连续轨迹控制

（3）按驱动方式：

电力驱动

液压驱动

气压驱动

（4）按信息输入：

人操作机械手

固定程序机器人

可变程序机器人

程序控制机器人

示教再现机器人智能机器人

三．柔性制造系统（FMS）（FlexibleManufacturingSystem）

——由数控设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统

根据任务或环境的变化迅速调整——多品种、中小批量生产

组成：

数控加工系统，物料系统，计算机控制系统

（1）加工系统——数控机床、加工中心、柔性制造单元、其它设备

（2）物料系统——自动化立体仓库、传送带、自动导引小车

工业机器人、上下料托盘、交换工作台

（3）计算机控制系统——运行控制、刀具管理、质量控制，数据管理和网络通信

还包括刀具监控和管理系统，冷却系统、切屑系统等附属设备

工作方式：

计算机控制系统的统一管理下，运料小车将零件送到制造单元，

机器人拾取，安装在CNC机床上，自动加工；

加工后机器人把零件返回运料小车，送下个CNC机床，至加工完成；

机器人卸下零件，送自动检测站，检测合格，送立体仓库

应用形式：

柔性制造单元FMC

柔性制造系统FMS

柔性制造线FML

柔性制造工厂FMF（自动化工厂FA）

特点：

设备利用率高、柔性好、缩短产品周期、减少库存

提高质量和生产率、降低中小批生产成本

四．计算机集成制造系统CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）

——应用现代管理技术、制造技术、信息技术、

自动化技术、系统工程技术于一体的系统工程

CIMS核心——集成，是人、技术和经营三大方面的集成

基本组成：

（1）管理信息系统——预测、经营决策、生产计划、技术准备、销售、供应、

财务、成本、设备、工具、人力资源等各项管理模块

（2）工程设计自动化系统——CAD、CAPP、CAM

（3）制造自动化系统——CNC机床、加工中心、FMC或FMS

（4）质量保证系统——质量决策、质量检测、质量评价、

质量信息综合管理与反馈控制等功能

（5）数据库系统——支持CIMS各系统并覆盖企业全部信息

（6）计算机通信网络系统——将CIMS各个功能分系统的信息联系起来，

支持资源共享、分布处理、分层递阶和实时控制

CIMS的集成：

信息集成—功能集成—过程集成—企业集成

CIMS——柔性化、集成化特性，智能化

五．智能制造IM（IntelligentManufacturing）

——模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动

对制造专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展

特征：

（1）自组织能力——自行组成最佳结构，最优运行，完成任务，自行解散

（2）自律能力——收集与理解信息，分析判断和规划自身行为

（3）自学和自维护能力——不断学习，完善。

对故障自我诊断修复

（4）人机一体化——人机相互理解、相互协作，各显其能、优势互补、相辅相成

（5）虚拟现实——用虚拟手段智能地表现现实

（6）智能集成——经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造装配、

质量保证、市场销售等，集成为整体，实现整体智能化

§6-3先进制造哲理、管理技术与生产模式

一．精益生产LP（leanProduction）

核心内容——准时制生产方式（JIT），看板管理

构成以精益生产LP为屋顶，

以JIT生产方式、成组技术GT、全面质量管理TQC为支柱，

以并行工程CE和小组化工作方式为基础的模式

特征：

（1）以用户为“上帝”——面向用户、产品适销，价格合理，

质量优良，供货及时，售后服务到位

（2）以人为中心——以班组为单位，发挥职工主体作用

（3）以“精简”为手段——精简机构，精简岗位，降低投入，

简化生产，准时和看板，减少库存

（4）项目组和并行设计——由不同部门人员组成，以并行方式开展工作

（5）准时供货方式——在必要时才提出供货要求，与供货企业良好合作

（6）“零缺陷”工作目标——最低成本、最好质量，无废品、

零库存与产品多样性

二．并行工程CE（ConcurrentEngineering）

——集成地，并行地设计产品及相关各过程

关键：

（1）产品开发队伍重构——为主线的多功能集成产品开发团队（IPT）

（2）过程重构——集成的并行的产品开发过程，实现信息集成、功能集成和过程集成

活动并行，下游过程早期参与设计过程

过程的改进——信息流动与共享

（3）数字化产品定义——数字化产品模型和产品生命周期数据管理；

数字化工具定义和信息集成

（4）协同工作环境——支持IPT协同工作的网络与计算机平台

三．敏捷制造AM（AgileManufacturing）

——能够把握市场机遇，及时重组生产系统，最短的时间内推出产品

目标——实现企业间的集成

核心——组建动态联盟（虚拟企业）

关键技术：

计算机集成制造、计算机建模仿真、虚拟制造、企业经营过程重构、

快速原型制造、网络技术、并行工程与协同工作环境、ERP、人工智能等

四．网络化制造

——利用互联网（Internet），迅速组织制造资源，

组合成网络联盟企业，快速推出新产品

行为主体——网络联盟

网络联盟的生命周期：

面对市场机遇时的市场分析、资源重组分析、

网络联盟组建设计、网络联盟组建实施、

网络联盟运营、网络联盟终止

关键技术：

制造企业信息网络

快速产品设计和开发网络；

由独立制造岛组成的产品制造网络

全面质量管理和用户服务网络

电子商务网络

制造工程信息的通信

五．企业资源计划ERP（EnterpriseResourcePlanning）

物料需求计划MRP（MaterialRequirementsPlanning）

制造资源计划MRPⅡ（ManufacturingResourcesPlanning）

企业资源计划ERP

扩展了管理范围，扩展了管理信息系统的范围

集成了质量管理、决策支持等功能

支持互联网、企业内部网和外部网、电子商务

全面规划、统筹安排和严格控制，保证各类资源得到充分、合理的应用

提高生产效率、降低成本、满足顾客需求、增强企业竞争力

管理思想——ERP的灵魂

发展：

资源优化和业务处理—→利用企业间资源信息；

注重企业内部流程管理—→外部联结；

物流、资金流、信息流管理—→客户流、知识流配置、控制和管理

系统是集成的，开放的、组件化的。

也朝智能化发展