先進制造技術(shù)培訓(xùn)課件(PPT-202頁)

1、第一章 緒論 1.1 制造業(yè)與制造技術(shù) 制造業(yè)是現(xiàn)代社會經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，包括機械裝備制造、電子產(chǎn)品制造、非金屬制品制造、服裝、食品、玩具等等。 制造業(yè)是將有關(guān)的制造資源（原材料、設(shè)備、工具、能源、資 金、人才、技術(shù)以及信息）轉(zhuǎn)化為有價值的、可供人們利用和消費的 產(chǎn)品與服務(wù)的行業(yè)。 制造業(yè)的水平反映了一個國家的經(jīng)濟實力、科技和生活水平。工 業(yè)化國家6080的社會財富靠制造業(yè)制造，制造業(yè)占國際貿(mào)易總 額75。所以制造業(yè)的水平代表一個國家的綜合實力。 制造的定義：制造企業(yè)中所涉及產(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、生產(chǎn)計 劃、生產(chǎn)質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場營銷和服務(wù)等一系列相關(guān)活動的 總稱。 制造技術(shù)：與制造業(yè)相關(guān)的

2、一系列技術(shù)的總和。 先進制造技術(shù)是在傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。分界線大 體可劃在20世紀50年代。主要標志：電子計算機、數(shù)控機床、工業(yè)機 器人的出現(xiàn)。1.2 制造技術(shù)的發(fā)展過程19世紀：手工制造20世紀初：批量生產(chǎn)20世紀30年代：剛性自動化20世紀6080年代：CAD/CAM/CAE、 FMS、 JIT20世紀80年代：集成制造、并行工程20世紀90年代： 敏捷制造、虛擬制造、智能制造、綠色制造1.3 先進制造技術(shù) 1.3.1先進制造技術(shù)的主要領(lǐng)域 （5大領(lǐng)域）1. 系統(tǒng)總體技術(shù) 柔性制造（FMS）、計算機集成制造（CIMS）、敏捷制造 (AM）、智能制造（IM）。2. 設(shè)計制造一體化

3、技術(shù) CAD/CAM/CAE、數(shù)控技術(shù)（NC）、并行工程（CE）、虛擬制造（VM）。3. 制造工藝與裝備 材料生產(chǎn)工藝與裝備、熱加工工藝與裝備、高速切削工藝與裝備、精密/超精密與納米加工工藝與裝備、特種加工工藝與裝備。 4. 管理技術(shù) 計算機輔助生產(chǎn)管理、物料需求計劃、制造資源規(guī)劃、企業(yè)資源規(guī)劃、供應(yīng)鏈管理、質(zhì)量管理、準時生產(chǎn)（JIT）、精益生產(chǎn)（LP）、企業(yè)業(yè)務(wù)流程再造等。5. 支撐技術(shù) 標準化技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實、人機工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)。1.3.2 先進制造技術(shù)分類 先進制造技術(shù)涉及范圍廣、技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜，為了便于掌握其基本體系和主要內(nèi)容

4、，從制造技術(shù)的功能的角度，分成5大類：1.現(xiàn)代設(shè)計技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)、機械制造、優(yōu)化理論、人機工程等學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的深度、廣度大大拓展，出現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、CAD、CAPP、CAA（計算機輔助裝配）、計算機輔助夾具設(shè)計、反求工程、產(chǎn)品生命全周期設(shè)計、基于網(wǎng)絡(luò)的異地設(shè)計、智能設(shè)計、虛擬設(shè)計、綠色設(shè)計。2.現(xiàn)代加工技術(shù) 先進切削加工技術(shù)、成形加工技術(shù)、表面工程技術(shù)、特種加工技術(shù)和快速原型制造技術(shù)。3.自動化技術(shù) 數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)、FMS、CIMS。4.制造管理技術(shù) 成組技術(shù)（group technology G

5、T）、全面質(zhì)量管理（total quality management TQM）、物料需求規(guī)劃 (material requirement planning MRP)、即時生產(chǎn)（JIT）、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）等管理方法。5.先進制造技術(shù) CIMS、并行工程（CE）、精益生產(chǎn)（LP）、敏捷制造（AM）、虛擬制造（VM）、綠色制造（GM），是制造技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)和管理科學(xué)的各學(xué)科交叉。 正朝著柔性化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和清潔化的方向發(fā)展。第二章 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)2.1 概述 2.1.1 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的概念 是根據(jù)產(chǎn)品功能要求及市場競爭要素（質(zhì)量、成本、服務(wù)、環(huán)保）的要求，綜合

6、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，通過設(shè)計人員科學(xué)、規(guī)范和創(chuàng)造性的工作產(chǎn)生載有相應(yīng)文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息的技術(shù)條件，制定用于產(chǎn)品制造的設(shè)計方案。 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)使產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)建立在科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上。隨著微電子信息、材料、系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)日新月異，新的設(shè)計理念不斷涌現(xiàn)、新設(shè)計方法不斷誕生。 特點： 1. 從單一目標規(guī)劃向多目標規(guī)劃轉(zhuǎn)變 目標 2. 從傳統(tǒng)的手工設(shè)計向計算機輔助設(shè)計過渡 手段 3. 從傳統(tǒng)的順序設(shè)計 并行設(shè)計 組織方式 4. 從單純的產(chǎn)品設(shè)計 全生命周期設(shè)計 環(huán)節(jié) 5. 異地設(shè)計 地域 6. 可持續(xù)發(fā)展的綠色設(shè)計 功能 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)十分重要。產(chǎn)品設(shè)計成本占產(chǎn)品成本的1520，但決定了產(chǎn)品成本

7、的70到80。 設(shè)計水平是衡量一個國家創(chuàng)新能力和競爭力的主要因素。 2.1.2 現(xiàn)代設(shè)計方法 1. 優(yōu)化設(shè)計方法 用數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)工程方法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能進行分析、決策，以獲取最優(yōu)解的方法。近年來優(yōu)化設(shè)計與可靠性設(shè)計、模糊設(shè)計等方法相結(jié)合形成了新的優(yōu)化設(shè)計方法。 2. 有限元分析方法 將零件看成是由有限個元素組成，通過對每一個元素求解（位移、應(yīng)力）來獲取零件整體的解。廣泛用于零件和結(jié)構(gòu)的分析和計算中。 3. 計算機輔助設(shè)計 運用計算機強大的數(shù)據(jù)計算及信息處理功能來完成設(shè)計工作，應(yīng)用最廣泛。 4. 面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計 將并行工程思想用于產(chǎn)品設(shè)計中，在設(shè)計階段便綜合考慮產(chǎn)品的整個生命周期中的

8、設(shè)計、加工、裝配、測試、維修、銷售及報廢回收環(huán)節(jié)的影響因素，全面評價產(chǎn)品設(shè)計，達到開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高的目的。 5. 網(wǎng)絡(luò)化異地設(shè)計 隨著網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)遠程、異地的設(shè)計開發(fā)資源的共享與整合，極大地拓展了設(shè)計工作的時空維度。 6. 反求工程 以先進產(chǎn)品的實物或軟件（程序、圖樣、文件資料）作為研究對象，綜合運用現(xiàn)代工程設(shè)計的相關(guān)理論與方法，進行解剖、分析和研究，進而開發(fā)出同類產(chǎn)品。 7. 綠色設(shè)計 將產(chǎn)品和環(huán)境作為一個系統(tǒng)，充分考慮產(chǎn)品及其制造系統(tǒng)與環(huán)境相容性，做到對環(huán)境影響最小。2.2 計算機輔助設(shè)計（CAD）2.2.1 概述1. CAD的發(fā)展過程1950年MIT研制出Whir

9、/Wind可以顯示簡單的圖形。1958年美國Calcomp公司研制滾筒式繪圖儀，Gerber公司平板繪圖儀。1962年MIT的Sutherland提出了計算機圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為CAD技術(shù)發(fā)展打下了理論基礎(chǔ)。1970年美國Applicon公司推出完整的CAD系統(tǒng)。上世紀80年代CAD/CAM技術(shù)用于工程設(shè)計，圖形接口、圖形功能日趨標準化，出現(xiàn)了由CAD/CAM/CAE構(gòu)成的CIMS，提高了設(shè)計自動化。2. CAD的功能工程與產(chǎn)品設(shè)計 借助于計算機輔助技術(shù)，工程技術(shù)人員可以方便的完成某一工程或產(chǎn)品的方案選型、評估、詳細設(shè)計、優(yōu)化等工作，實現(xiàn)從零件圖到裝配圖、總裝圖、平面布

10、置圖、管道布置圖的自動繪制。仿真模擬 高性能的CAD系統(tǒng)可以真實地模擬產(chǎn)品的實際運動和變化過程，如機構(gòu)的運動、零件的加工、柔性制造系統(tǒng)的運行，汽車、飛機的行駛過程等。幫助設(shè)計人員正確地進行方案論證、產(chǎn)品選型、性能評估等。事務(wù)管理 實現(xiàn)設(shè)計文檔的計算機管理，有利于產(chǎn)品設(shè)計的成組化、標準化和系列化，減少了設(shè)計人員的重復(fù)工作量。 2.2.2 通常CAD的工作 1. 信息管理 提供豐富的設(shè)計需要的信息。可以為設(shè)計人員提供有關(guān)客戶的需求和改進意見、組織生產(chǎn)特定結(jié)構(gòu)零件的成本核算、外購件的成本、原材料信息、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)狀況等，有利于更好的設(shè)計零件和產(chǎn)品。 2. 智能CAD 計算機輔助設(shè)計技術(shù)與人工智能相

11、結(jié)合，用于產(chǎn)品概念設(shè)計，幫助設(shè)計人員進行決策、分析和推理，更高效地進行方案設(shè)計。 3. 計算機圖形顯示與幾何造型 利用CAD系統(tǒng)豐富多樣的交互方法與造型工具，通過人機對話進行方案的構(gòu)思與總體設(shè)計。在計算機系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的幾何模型，在顯示器上展示產(chǎn)品的形狀。 4. 分析計算 對模型進行分析計算，包括工程計算、力學(xué)動態(tài)性能分析及物理特性分析，確定產(chǎn)品的幾何、力學(xué)、物理等參數(shù)，評價設(shè)計的優(yōu)劣，并迅速修改和完善，達到最佳效果。 5. 自動繪圖 自動繪制工程圖紙（效率高、質(zhì)量好）。 6. 工程數(shù)據(jù)管理 管理產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)生和使用的各種數(shù)據(jù)、文字和圖形，保持其良好的數(shù)據(jù)獨立性、一致性和完整性，并提供標準

12、化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。2.2.3 概念設(shè)計CAD 概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計過程中最具創(chuàng)造性的工作，根據(jù)市場和用戶的需求，完成設(shè)計方案的制定、分析和選擇，需要設(shè)計人員憑借豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗進行構(gòu)思、推理和判斷。采用專家系統(tǒng)來進行。 在概念設(shè)計階段，專家系統(tǒng)主要協(xié)助設(shè)計人員進行評價、選擇和決策，自動生成設(shè)計方案。下圖是專家系統(tǒng)CAD求解設(shè)計方案的一般過程。 此過程是一個“設(shè) 計評價再設(shè)計”過程。由于設(shè)計的需求是多方面的、模糊的，有時是矛盾的可行性方案。一般有一定的范圍，需要評價和選擇，有時需要人工判斷。開始確定設(shè)計要求指定設(shè)計方案分析設(shè)計方案評價設(shè)計方案決策結(jié)束修改設(shè)計要求再設(shè)計NY 2.2.4 詳細設(shè)計

13、CAD 1. 二維設(shè)計 在機械制造中通常用一組工程圖來表達產(chǎn)品的形狀和尺寸，每個視圖都是物體在某一平面上的投影，反映產(chǎn)品幾何形狀的一個側(cè)面。因此需要二維設(shè)計，產(chǎn)生產(chǎn)品二維的幾何輪廓。2. 三維設(shè)計 二維視圖需要人們通過思維才能推測出視圖與物體真實形象之間的關(guān)系，很不直觀，因此需根據(jù)二維信息構(gòu)造三維形體。 2.2.5 CAD技術(shù)的發(fā)展 隨著CAD自身和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)正朝著集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的方向發(fā)展。 1. CAD系統(tǒng)的集成化 CAD技術(shù)是CIMS的核心技術(shù)，而CIMS的概念是把設(shè)計、制造、生產(chǎn)和管理連成一體，不僅在設(shè)計和制造過程中用計算機輔助技術(shù)，而且在庫存管理、生產(chǎn)計

14、劃、財務(wù)管理、銷售等方面也使用計算機完成，通過計算機通信，控制實現(xiàn)信息共享和交換，使各部門協(xié)調(diào)一致，成為一個整體。 2.CAD系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的CAD系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展，開放式、分布式計算機環(huán)境可以實現(xiàn)遠程資源共享。網(wǎng)絡(luò)化CAD系統(tǒng)可以全面統(tǒng)一考慮各個工作站的具體配置，從而用最低的成本獲得最好的效果。例如，可以只在個別工作站上配備某些昂貴的軟硬件，其它工作站可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用，不需要每個工作站上都具備齊全的資源。 3.CAD系統(tǒng)的可視化 可視化技術(shù)將科學(xué)計算過程中以及計算結(jié)束后的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，借助計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，以圖形圖像的形式表達出來，并進行交互處理。利用可視化技術(shù)可以處

15、理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，控制和干涉計算分析過程和設(shè)計過程。它與多媒體技術(shù)結(jié)合，能便捷、高效地處理信息。 4.CAD系統(tǒng)的智能化 傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)缺乏綜合和選擇能力，用戶使用時，需要具備較高的專業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗，為此人們研制了人工智能專家系統(tǒng)。利用專家系統(tǒng)輔助設(shè)計，可以使知識信息處理與一般數(shù)值信息結(jié)合起來，利用專家知識來求解專門的問題，機器的智能可以通過知識的積累、存儲、聯(lián)想、類比、分析、計算、論證、比較、優(yōu)化等信息處理過程，求得問題的解答。智能CAD系統(tǒng)還不成熟。2.3 計算機輔助工藝規(guī)程（CAPP ） 通過計算機輔助技術(shù)，工藝人員采用系統(tǒng)化、標準化的方法確定零件或產(chǎn)品從毛坯到成品的制造方法的技術(shù)

16、叫計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計（computer aided process planning CAPP）。CAPP的一般過程是通過向計算機輸入被加工零件的幾何信息（形狀、尺寸等）和工藝信息（材料、熱處理、批量等），由計算機自動輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝文件。 1. CAPP系統(tǒng)的主要功能 （1）接收或生成零件圖上的幾何及拓撲信息、工藝信息和 測量信息； （2）檢索標準工藝文件； （3）選擇加工方法； （4）安排加工路線； （5）選擇機床、刀具及夾具； （6）選擇切削用量； （7）計算切削參數(shù)、加工時間和加工費用； （8）進行工藝流程的優(yōu)化及多工序、單工序切削用量的優(yōu) 化； （9）確定工序尺

17、寸和公差，選擇毛坯；繪制工序； （10）產(chǎn)生刀具運動軌跡，自動進行數(shù)控加工編程； （11）模擬加工過程、顯示刀具運動軌跡。2.CAPP系統(tǒng)的類型變異式方法 變異式方法的工作原理建立成組技術(shù)（GT）基礎(chǔ)上，利用零件的相似性，建立具有相似的工藝規(guī)程的一組零件的標準工藝，采用以成組技術(shù)（GT）為基礎(chǔ)的編碼系統(tǒng)，標準工藝規(guī)程存儲在計算機內(nèi)，一個新零件的工藝規(guī)程是通過GT碼檢索系統(tǒng)中已有的相似零件的標準工藝規(guī)程加以篩選、編輯而成。變異方法工作原理圖輸入零件GT編碼及輔助信息零件族搜索和識別檢索、編輯標準工藝路線檢索、編輯標準加工路線輸出工藝規(guī)程工藝過程結(jié)果信息的存儲零件族矩陣文件工藝路線文件加工工序文件

18、其它應(yīng)用程序 創(chuàng)成式方法 依靠自身的決策邏輯以及相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行加工工藝規(guī)劃，通過向計算機輸入描述零件信息，計算機系統(tǒng)依據(jù)其知識決策規(guī)則自動進行工藝過程規(guī)劃。創(chuàng)成式方法工作原理圖輸入零件形狀及其它信息零件特征分析分解工藝設(shè)計、分析和邏輯決策工藝設(shè)計結(jié)果的信息存儲輸出工藝規(guī)程數(shù)據(jù)庫其它應(yīng)用程序 人工智能 應(yīng)用人工智能技術(shù)形成的CAPP專家系統(tǒng)。CAPP專家系統(tǒng)由知識庫、推理機和用戶輸入3部分構(gòu)成。它根據(jù)輸入的零件信息去訪問知識庫，并通過推理機中的控制策略從知識庫中搜索能夠處理零件當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)則，然后去執(zhí)行這條規(guī)則，并按照每一次執(zhí)行規(guī)則得到的結(jié)論按先后次序記錄下來，直到零件加工到終結(jié)狀態(tài)，從而形

19、成工藝規(guī)程。 專家系統(tǒng)方法代表發(fā)展趨勢，但需完善。專家系統(tǒng)方法工作原理圖用戶系統(tǒng)用戶界面解釋與推理系統(tǒng)推理機推理控制專家知識采集系統(tǒng)知識庫規(guī)則事實2.4全生命周期設(shè)計 1全生命周期設(shè)計 全生命周期設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的重要內(nèi)容。產(chǎn)品設(shè)計不僅進行產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且對產(chǎn)品的全生命周期，包括產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計、制造、銷售、使用、維修直至報廢、回收處理的全過程，進行系統(tǒng)的設(shè)計。這意味著在設(shè)計階段就要考慮到產(chǎn)品生命歷程的所有環(huán)節(jié)，以求產(chǎn)品全生命周期設(shè)計的綜合優(yōu)化。 2全生命周期設(shè)計的特點 集成性：全生命周期設(shè)計依賴于各環(huán)節(jié)、各 部分的設(shè)計人員分工協(xié)作。 開放性：全生命周期設(shè)計涉及的人和領(lǐng)域復(fù) 雜

20、，因此設(shè)計方案建立在開放的基 礎(chǔ)上。 前瞻性：為了保證制造的產(chǎn)品一次成功，在 設(shè)計過程中，不僅考慮產(chǎn)品的功 能、造型的復(fù)雜性，而且要考慮產(chǎn) 品的可靠性。 分布式環(huán)境：由于工作地點的分散性，每個設(shè)計 人員都有自己的終端，所以為了保 證設(shè)計工作的快速協(xié)作完成，必須 有完善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和分布式知識庫來 保證設(shè)計人員彼此之間的信息傳遞 和資源共享。標準數(shù)據(jù)管理：為保證數(shù)據(jù)的一致性和共享性， 在產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準（Standard for the exchange of product model data， STEP）的支持下 實現(xiàn)集成的并行的開發(fā)工作。2.并行設(shè)計并行設(shè)計的提出 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程是：市場

21、調(diào)研產(chǎn)品計劃產(chǎn)品設(shè)計試制樣機修改設(shè)計工藝準備正式投產(chǎn)缺點： 設(shè)計階段不能及早發(fā)現(xiàn)制造過程中和后續(xù)環(huán)節(jié)的問題，一旦出現(xiàn)問題，需要重新修改設(shè)計，后續(xù)階段和與設(shè)計相關(guān)的環(huán)節(jié)也要隨之改變。這種模式周期長，導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加。 隨著產(chǎn)品種類和質(zhì)量的提高，要求產(chǎn)品研發(fā)周期短，因而提出了并行設(shè)計。 并行設(shè)計 并行設(shè)計是集成的并行的產(chǎn)品設(shè)計方法，強調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)的初期階段就全面考慮產(chǎn)品生命周期的各個階段對產(chǎn)品設(shè)計的綜合影響，從而實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的優(yōu)化設(shè)計。在并行設(shè)計中，產(chǎn)品開發(fā)的各項活動盡可能在時間上平行進行。要實現(xiàn)這一目標，必須依靠先進的組織形式和管理方法。在組織上，并行設(shè)計需要建立由各階段專家組成的多功能設(shè)

22、計小組，并采用全過程協(xié)調(diào)技術(shù)。 并行設(shè)計通過及時改進產(chǎn)品設(shè)計方案，可使早期生產(chǎn)中工程變動次數(shù)減少50以上，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短4060，成本降低3040。2.5綠色設(shè)計 1綠色設(shè)計的主要內(nèi)容 （1）材料選擇：不僅考慮產(chǎn)品的使用和性能，而且考慮其對環(huán)境的影響。選用無毒、無污染和易回收、可重用、易降解材料。 （2）產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計：設(shè)計的結(jié)構(gòu)易于拆卸，因而維護方便，在產(chǎn)品報廢以后可重用部分能有效地回收和重復(fù)使用，達到節(jié)約資源和能源的目的。 （3）產(chǎn)品可回收性設(shè)計：設(shè)計初期充分考慮零件材料回收的可能性?；厥諆r值大小，回收處理方法和相關(guān)問題，實現(xiàn)材料資源和能源利用的最大化和對環(huán)境污染最小。 （4）綠色產(chǎn)品

23、的成本分析：綠色產(chǎn)品的成本分析和傳統(tǒng)產(chǎn)品成本分析不同，由于產(chǎn)品設(shè)計初期考慮了產(chǎn)品的回收、再利用和環(huán)保問題，因而降低了環(huán)保費用。 （5）綠色產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容包括產(chǎn)品生命周期中與環(huán)境、經(jīng)濟等有關(guān)的數(shù)據(jù)，還包含產(chǎn)品制造、裝配、銷售、使用過程中所生產(chǎn)的附加物數(shù)量及對環(huán)境的影響值，以及對環(huán)境評估準則所需的各種判斷準則。2綠色設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 面向材料的設(shè)計技術(shù) 傳統(tǒng)設(shè)計：選擇材料時較少考慮對環(huán)境的影響，包括材料本身對環(huán)境的影響。材料加工過程對環(huán)境的影響，材料報廢對環(huán)境環(huán)境的影響。 綠色設(shè)計：在產(chǎn)品的整個生命周期，以材料對環(huán)境的影響為控制目標，在實現(xiàn)產(chǎn)品功能要求同時，使材料對環(huán)境污染最小，能源

24、消耗最少。（1）面向材料設(shè)計技術(shù)的主要內(nèi)容產(chǎn)品計劃階段：采用產(chǎn)品的技術(shù)性、經(jīng)濟性和環(huán)保性三維指標進行產(chǎn)品設(shè)計的可行性分析，確定與環(huán)境協(xié)調(diào)的方案。方案設(shè)計階段：對產(chǎn)品各種可行性方案評定時，除了考慮產(chǎn)品性能和經(jīng)濟性之外，還要評定材料的環(huán)境。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段：結(jié)構(gòu)具有應(yīng)用的功能，良好的工藝性，同時滿足易于拆卸和回收。詳細設(shè)計階段：對產(chǎn)品所用的材料及其拆卸、回收性能和可重復(fù)利用性能進行統(tǒng)計建庫。（2）對材料選擇的要求 對材料提出更高的要求：不僅滿足產(chǎn)品的基本性能要求，還應(yīng)有利于環(huán)保。減少產(chǎn)品所用材料種類選用廢棄后能自然分解并為自然吸收選用不加涂鍍的原材料，便于回收選用再生材料，便于循環(huán)利用（3）面向材料的

25、設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢建立系統(tǒng)的面向材料設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)理論和方法搜索、整理面向材料設(shè)計所需的數(shù)據(jù)資料，進而指導(dǎo)設(shè)計建立綠色材料的評價體系，評價模型和評價標準建立適合綠色設(shè)計的材料管理方法和數(shù)據(jù)庫開發(fā)基于綠色設(shè)計的材料選擇專家系統(tǒng) 面向能源的設(shè)計技術(shù) 采用對環(huán)境影響最小和資源消耗最少的能源供給方式支持產(chǎn)品的整個生命周期。（1）基本要求：在設(shè)計理念上采用合適的能源供給方式在滿足功能的前提下，盡量減小能量消耗充分預(yù)見各環(huán)節(jié)的能量消耗形式，尋求合理、高效、經(jīng)濟的回收和再利用方法使產(chǎn)品加工過程能量消耗最少（2）發(fā)展趨勢對可用的新能源建立與設(shè)計相結(jié)合的技術(shù)規(guī)范和標準。建立面向能源設(shè)計的數(shù)據(jù)庫、模型庫和運行環(huán)境標

26、準。尋求合理的設(shè)計參數(shù)，控制材料應(yīng)用和環(huán)境影響方面的變化，從而達到設(shè)計的綠色化。面向拆卸的設(shè)計技術(shù)（design for disassembly，DFD） 在設(shè)計過程中，將可拆卸性作為設(shè)計目標之一，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不僅便于制造，而且便于裝配、拆卸、維修和回收。其基本準則： （1）拆卸工作量少 包括零件合并原則，減少零件所用種類，材料相容性原則和有害材料集成原則。 （2）結(jié)構(gòu)可拆卸 采用易于拆卸和未破壞的聯(lián)結(jié)方法，緊固件少原則，簡化拆卸運動原則，裝配及拆卸可達性原則。 （3）拆卸易操作 （4）易于分離 包括一次表面原則，便于識別零部件標準化，模塊化原則。 （5）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可預(yù)估性。 避免將易老化、易

27、腐蝕的材料與需要拆卸、回收的材料零件組合，防止要拆卸回收的零件被腐蝕。面向回收的設(shè)計技術(shù)（design for recovering & recycling，DFRR） （1）重用（2）再加工（3）高級回收：重新處理以后被用于更高價值 的產(chǎn)品中（4）次級回收：回收零件用于低價值產(chǎn)品中（5）三級回收：化合分解，生產(chǎn)新材料（6）四級回收：燃燒回收，用作燃料發(fā)電（7）處理（disposal） （填埋）第三章 現(xiàn)代加工技術(shù) 1.現(xiàn)代加工技術(shù)(1）.定義及內(nèi)容 各種加工方法和制造工藝的總稱。包 括先進切削加工技術(shù)、成形加工技術(shù)、變 形加工技術(shù)、聯(lián)接加工技術(shù)、材料性能調(diào) 整技術(shù)和特種加工技術(shù)。 切削加工內(nèi)

28、容切削加工技術(shù)：（包括車、銑、刨、鉆、磨、拉等） 效率高、成本低是精加工和最后成形的重要手段。成形加工：鑄造、粉末冶金、塑料成型。 變形加工：鍛造、鈑金、軋制、擠壓、拉拔聯(lián)接加工：機械聯(lián)接（螺釘，螺栓）、焊接、粘接和 裝配材料性能調(diào)整：熱處理和其它表面處理技術(shù) 特種加工：化學(xué)、電化學(xué)、電火花、超聲、激光、RP等（2）現(xiàn)代加工技術(shù)的特點：加工精度高： 尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度均達到納米級加工效率高： 超高速切削、磨削技術(shù)使效率大大提高加工材料范圍廣： 超硬材料、超塑材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程陶瓷等加工設(shè)備先進： 采用CAD/CAM技術(shù)、柔性好、可加工復(fù)雜形狀切削加工低能耗： 切削力為

29、原來的1/3，能耗低。2.超高速加工技術(shù)（1）定義 指采用超硬材料刀具、磨具和高速運動的設(shè)備加工零件的現(xiàn)代加工技術(shù)。通過極大的提高切削、磨削速度，提高加工質(zhì)量、加工精度和降低成本。超高速加工的切削速度為普通的切削的10倍。鋼為600m/min，鑄鐵900 m/min5000m/min， 鋁合金2000 m/min7500m/min，鈦合金150 m/min1000m/min，纖維增強材料2000 m/min9000 m/min各種加工工序的切削速度的范圍：車削：700 m/min7000 m/min，銑削300 m/min6000 m/min，磨削150m/s以上，鉆削200 m/min110

30、0m/min主軸轉(zhuǎn)速 日本 FANVC 5500r/min，意大利FIDIA 7500r/min定位精度達到 0.5um0.05um 快進速度4060m/min國內(nèi)水平，主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，快進速度30 m/min（2）超高速加工的應(yīng)用領(lǐng)域大批量生產(chǎn) 如汽車剛度較小的元件 如薄壁（厚度1mm）零件（航空航天）復(fù)雜曲面 磨具超精密加工超硬材料，超塑材料（3）使用刀具 PCD、CBN、SiN（氮化硅）、涂層刀具、TiN、 TiAlN（氮化鋁鈦）（4）超高速加工單元制造技術(shù) 、超高速主軸單元制造技術(shù) 超高速主軸單元是超高速加工機床的關(guān)鍵 部件。包括主軸動力源、主軸軸承和機架四個 部分。涉及

31、的研究內(nèi)容有：主軸材料、結(jié)構(gòu)、 軸承、超高速主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)特性。 柔性主軸及其軸承的彈性支撐技術(shù)，潤滑與冷卻。電主軸部件 電主軸由轉(zhuǎn)子、軸承、外殼、電機組件和測角系統(tǒng)組成。并配備冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和變頻驅(qū)動電氣裝置，形成一個獨立的單元，可以直接裝配到各種加工中心和超高速磨床上，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動。 電動機一般為感應(yīng)式集成主軸電機。目前開發(fā)出一種使用鈮的永磁電機，其效率高，功率大，扭矩大，易于對使用中產(chǎn)生的溫升在線控制，冷卻簡單，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以有可能取代感應(yīng)式集成主軸電動機。滾珠軸承高速主軸（轉(zhuǎn)速達90000r/min） 高速切削機床上的主軸多數(shù)為滾珠軸承電動主軸，壓力角為

32、15或25的角接觸滾珠軸承，精度為C級或B級。潤滑方式為油脂潤滑、油霧潤滑、噴油潤滑。主軸精度取決于軸承。目前，市場上高速主軸的回轉(zhuǎn)精度可達0.5um。液體靜壓軸承高速主軸（轉(zhuǎn)速達30000r/min） 與滾珠軸承相比，徑向剛度較低，軸向剛度高，宜于軸向切削力較大的場合。此外，液體靜壓軸承的油膜阻尼大，動態(tài)剛度高，適合于銑削的斷續(xù)切削過程。特點：運動精度高，回轉(zhuǎn)誤差小于0.2um，因而可以提高刀具使用壽命、加工精度和降低表面粗糙度?？諝忪o壓軸承高速主軸 進一步提高主軸轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度。轉(zhuǎn)速達100000r/min，回轉(zhuǎn)精度50nm，可采用金剛石刀具進行鏡面銑削，加工工件形狀精度和表面粗糙度要求高

33、的場合。缺點：承載能力低，維護費用高磁懸浮高速主軸 磁浮主軸的轉(zhuǎn)子由兩個徑向和兩個軸向軸承支撐，轉(zhuǎn)子與支撐間隙一般在0.1mm左右。磁浮主軸可采用較大軸徑，因而剛性較大，承載能力強?；剞D(zhuǎn)精度可達0.2um。（回轉(zhuǎn)精度取決于主軸內(nèi)的位移傳感器的精度和靈敏度及控制電路的控制精度）優(yōu)點：精度高，轉(zhuǎn)速高，剛性好缺點：機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一套傳感器和控制 電路，所以價格高，必須有很好的冷卻 系統(tǒng)。 超高速加工進給單元制造技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 超高速加工進給單元是超高速加工機床的重要組成部分。包括：伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件技術(shù)、檢測單元技術(shù)和諸如：防塵、防噪聲、冷卻潤滑、安全等周邊技術(shù)。要求能達到高速和瞬間加速及瞬時

34、準停性。 關(guān)鍵技術(shù)：高速位置環(huán)芯片的研制，高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究，直線伺服電機的研制，加減速控制技術(shù)，超高速進給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、虛擬設(shè)計，高精度滾珠絲杠副及大導(dǎo)程滾珠絲杠副的研制，高精度導(dǎo)軌，新型導(dǎo)軌摩擦副的研究等。超高速進給單元的技術(shù)指標 滑臺驅(qū)動系統(tǒng)：進給速度達60m/min 直線電機驅(qū)動：進給速度達200m/min 由于直線電機與滑臺連在一起，無間隙， 慣性小，剛度大而無磨損。通過控制電路可 以實現(xiàn)高速和高精度驅(qū)動。直線電機的特點 （a）高速響應(yīng)（系統(tǒng)中取消了一些慣性大的機械傳動 件）（b）定位精度高（取消了由于絲杠等機構(gòu)間隙和誤差）（c）傳動剛度高（由于“直接驅(qū)動”，避免了啟

35、動、變速 和換向時系統(tǒng)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造 成的運動滯后）（d）速度快、加減速過程短：直線電機最早用于磁懸 浮列車（時速500km/h）可獲得高的加速度，一 般可達 2g10g。一般滾珠絲杠最大加速度只有 0.1g0.5g。（e）行程長度不受限制（f ）噪聲低（取消了絲杠等傳動）（g）效率高（無中間傳動環(huán)節(jié)）超高速加工刀具和磨具 PCD、CBN、Si3N4、涂層刀具、TiN、TiAlN等3.超精密加工技術(shù)（1）概述 超精密加工指尺寸精度0.1um0.01um，Ra：0.025um0.01um，包括：金剛石刀具超精密車削、超精密磨料加工、超精密特種加工和復(fù)合加工、超精密測量。目前，正

36、在朝納米級工藝水平發(fā)展。 加工對象：激光聚焦腔、高密度磁盤、磁鼓、 雷達、陀螺、IC相關(guān)技術(shù) 加工技術(shù)：方法和機理 材料技術(shù)：工具材料和工件材料 加工設(shè)備：精度、剛度、穩(wěn)定性、自動化 測量及誤差補償技術(shù)： 環(huán)境：溫度10.02 甚至0.0005 濕度5560，潔凈度1000級100級 100指每立方英尺空氣中大于0.5um的塵埃100個（2）超精密切削加工超精密銑床 關(guān)鍵部件：高精度主軸、低摩擦高平穩(wěn)性滑臺。主軸采用氣體靜壓支撐，滑臺采用氣體靜壓系統(tǒng)支撐超精密金剛石車床 主軸采用氣體靜壓軸承，軸向和徑向運動誤差50nm，滑臺采用高剛性、高阻尼和高穩(wěn)定性的液體靜壓支撐。（3）超精密磨削和磨料加工

37、超精密砂輪磨削技術(shù)：加工精度0.1um，表面粗糙度Ra0.025um砂輪，CBN磨料，砂輪線速度60m/s以上， 工件 進給速度5m/min以上超精密砂帶磨削技術(shù)：切削速度35m/min，表面粗糙度Ra0.043um雙端面精密磨削技術(shù)：為平面磨削，工件既公轉(zhuǎn)又自傳，磨料粒度 30008000，用于磁盤基片等零件的超精密加 工。電泳磨削技術(shù) 電泳：帶電粒子在電場中向與自身帶電相反的電極運動的現(xiàn)象。 機理：在加工過程中，磨粒在電場力的作用下向磨具表面運動，并在磨具表面沉積形成一層細磨粒吸附層，利用該吸附層對工件進行磨削加工，同時新的磨粒又不斷補充，使磨粒微刃保持鋒利。如果磨粒表面凹凸不平，凹陷處電

38、流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而保證沉積層平整。超精密研磨與拋光技術(shù) （a）超精密研磨技術(shù) 精度0.1um，Ra0.02um 用于：塊規(guī)、球面空氣軸承、半導(dǎo)體硅 片、光學(xué)鏡頭。（b）電解研磨（電化學(xué)機械）（4）超精密特種加工 激光、電子束、離子束（三束）、 微細EDM，用于IC芯片刻線，0.1um 線芯。電化學(xué)加工技術(shù) a.原理陽極溶解原理 NaClNaCl H2OH+OH 陽極可能發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng) 若陽極為Fe，在外電源的作用下 放出 3個（或2個）電子，形成三價 或二價的鐵離子Fe-2eFe2 E=-0.59VFe-3eFe3 E=-0.323V4OH4eO2 E=0.867V 2Cl

39、2eCl2 E=1.334V 根據(jù)電極反應(yīng)的基本原理，電極電位最負的物質(zhì)首先在陽極反應(yīng)。因此，在陽極首先Fe2溶解，最大可能出現(xiàn)Fe3。Fe2與OH化合形成氧化亞鐵（綠色絮狀物）Fe22OHFe(OH)2 Fe(OH)2被空氣中的O2氧化成氫氧化鐵黃褐色沉淀物4Fe(OH)22H2OO24Fe(OH)3 陰極上可能發(fā)生的反應(yīng)2H2e H2 E=-0.42VNae Na E=-2.69V 據(jù)電極反應(yīng)原理，在陰極上電極電位最高的物質(zhì)先反應(yīng)，因此，在陰極上全析出氫氣。 電化學(xué)加工原理圖b.電化學(xué)加工設(shè)備示意圖 1直流電源 924V2工具陰極3工具陽極4電解液泵5電解液c. 應(yīng)用槍炮的來復(fù)線飛機發(fā)動機

40、葉片d. 電化學(xué)拋光 原理：陽極溶解 用途：表面光整加工 電極與工件距離幾十到幾百毫米，電流密度小，表面微觀不平引起電場畸變，凸凹處電力線密度大場強大首先溶解，達到表面平整的目的。關(guān)鍵：電解液的配方，電參數(shù)，溫度。e. 電化學(xué)機械光整加工原理：陽極溶解機械切削使用鈍性電解液 NaNO3陽極溶解后會在工件上形成鈍化膜，阻止進一步溶解砂條用機械力刮掉鈍化膜，露出新鮮金屬，促使進一步陽極溶解。電化學(xué)機械拋光軋輥 f. ELID磨削 砂輪在線修整工藝超聲波加工 a. 原理 利用工具端面做超聲振動，通過磨料懸浮工作液加工硬脆材料 超聲波1.6KHz左右，縱波。組成：（1）電源：提供高變電壓的能量 （2）

41、換能器：將交變電壓變換成機械振動 （3）變幅桿：將換能器輸出的振動放大到振 幅，振幅0.050.1mm （4）工具：鈦合金 （5）磨粒懸浮工作液 （6）工件：硬脆材料，玻璃陶瓷等超聲波機床b. 關(guān)鍵技術(shù)：變幅桿c.用途 不導(dǎo)電的硬脆材料加工，微細加工超聲波焊接，食品，醫(yī)藥，塑料制品超聲波復(fù)合加工：超聲波車削、磨削、 擠壓，超聲波電火花 激光加工 a. 激光的產(chǎn)生： 處于基態(tài)E1的釹離子吸收氙燈的很高范圍的光譜而被激發(fā)到E4能級，在E4能級的壽命很短。通過無輻射躍遷到E3能級，E3能級壽命較長達到3x104s，形成了E3和E2能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)E3能級粒子回到E2能級時發(fā)出波長為1.06um的

42、紅外激光。 此紅外線照射工作物質(zhì)又是更多的E3能級的粒子躍遷到E2。b. 應(yīng)用打孔切割焊接熱處理電子束加工 a. 電子槍系統(tǒng) 獲得電子束包括發(fā)射陰極，控制柵極和加速陽極b真空系統(tǒng) 維持1.33x1021.33x104Pac. 控制系統(tǒng)和電源 控制系統(tǒng)包括： 束流聚焦控制提高電子束的能量（電磁 透鏡） 束流位置改變電子束方向（磁偏轉(zhuǎn)） 束流強度 工作臺移動d. 應(yīng)用打孔，加工玻璃、陶瓷、寶石噴絲頭異形孔（直徑0.030.07mm）光刻彎孔離子束加工 灼熱的燈絲發(fā)射電子，在陽極的作用下向下運動。同時受到電磁線圈的作用，變成螺旋運動。氬氣從上口注入電離室，在電子的作用下被電離成等離子體。陰極和引出板

43、各有數(shù)百個0.3mm的小孔，上下對齊，在引出電板的作用下形成數(shù)百條準直離子束打到工件上。應(yīng)用刻蝕粒子注入加工4快速成型制造技術(shù)（RP）（1）概述 RP技術(shù)是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性進展，可以與數(shù)控技術(shù)相比，RP綜合運用了計算機技術(shù)、CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)，可以自動、直接、快速精確低將設(shè)計思想物化為具有一定功能的原型或零件。原理：采用離散/堆積成形原理過程：由3D CAD軟件設(shè)計零件的3D實體模 型，然后根據(jù)工藝要求，將3D實體模型按一定的厚度分層，將3D模型轉(zhuǎn)化為2D信息，再將分層后的分層信息進行處理，產(chǎn)生數(shù)控代碼；數(shù)控系統(tǒng)以平面加工的方式，有序地連續(xù)加工出每個薄層，并將它們連接

44、起來。 RP原理圖 設(shè)計方案3D CAD3D模型模型處理快速成型機三維實體3D掃描產(chǎn)品原型（2）RP工藝光刻工藝SLA（stereo lithography apparatus） 分層實體制造工藝LOM（laminated object manufacturing）： 熔融沉積工藝FDM（fused deposition modeling）選擇性激光燒結(jié)工藝SLS（select laser sintering） 與SLA相似，區(qū)別在于SLA材料是液態(tài)的紫外光敏可凝固樹脂，而SLS使用粉末材料。3D打印粘結(jié)工藝3DP（threedimensional printing） 5.電火花加工技術(shù)第四章

45、制造自動化技術(shù)制造自動化技術(shù)4.1概述4.2數(shù)控加工技術(shù)4.3工業(yè)機器人4.4柔性制造系統(tǒng)4.5計算機集成制造系統(tǒng)CIMS主要內(nèi)容:4.1概述 制造自動化技術(shù)是先進制造技術(shù)中重要的組成部分。 制造自動化的任務(wù)是研究對制造過程的規(guī)劃、管理、組織、控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化等環(huán)節(jié)的自動化，以實現(xiàn)制造過程的高效優(yōu)質(zhì)低耗和潔凈的目標。4.1概述主要內(nèi)容:制造自動化的內(nèi)涵制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢4.1.1制造自動化的內(nèi)涵 形式:通過制造系統(tǒng)代替人的體力勞動代替或輔助人的腦力勞動實現(xiàn)人、機器及整個系統(tǒng)的協(xié) 調(diào)、管理、控制和優(yōu)化4.1.1制造自動化的內(nèi)涵 T (time):通過自動化技術(shù)，提高市場響應(yīng)能力縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周

46、期Q (quality):通過自動化技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量C (cost):通過自動化技術(shù)，降低成本S (service):通過自動化技術(shù)， 做好客戶服務(wù)，減輕體力、腦力勞動 功能:可通過T、Q、C、S、E等功能目標描述功能目標包括:4.1.1制造自動化的內(nèi)涵 產(chǎn)品研發(fā)自動化:CAD/CAPP/CAM一體化技術(shù)、并行工程、虛擬現(xiàn)實等生產(chǎn)過程自動化:數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機器人、FMS、CIMS 范圍:4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 敏捷化網(wǎng)絡(luò)化虛擬化智能化全球化綠色化主要包括一下幾個方面:4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 指產(chǎn)品的整個制造周期具備敏捷性和主動的綜合應(yīng)變能力。敏捷化:柔性:機械柔性

47、、工藝柔性、運行柔性、擴展(柔性)功能、勞動柔性。(主要靠數(shù)控技術(shù))重構(gòu)能力:產(chǎn)品模塊化 實現(xiàn)快速重組重構(gòu)增強對新產(chǎn)品開發(fā)的快速響應(yīng)能力集成制造工藝4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化、實現(xiàn)制造過程的集成(車間)制造環(huán)境與制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化 實現(xiàn)企業(yè)中工程設(shè)計、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的集成(企業(yè))企業(yè)之間的網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)企業(yè)之間的資源共享、組合與優(yōu)化利用；通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)異地制造 網(wǎng)絡(luò)化:4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 虛擬化: 基于數(shù)字化技術(shù)主要包括:虛擬現(xiàn)實、虛擬產(chǎn)品開發(fā) 虛擬制造、虛擬企業(yè) 制造虛擬化以制造技術(shù)和計算機技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)集現(xiàn)代制造工藝、計

48、算機圖形學(xué)、并行工程、人工智能、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和多媒體技術(shù)為一體，由多學(xué)科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。它將現(xiàn)實制造環(huán)境及其制造過程通過建立系統(tǒng)模型映射到計算機及其相關(guān)技術(shù)所支撐的虛擬制造全過程，并對產(chǎn)品制造及制造系統(tǒng)的行為進行預(yù)測和評價。 虛擬制造是實現(xiàn)敏捷制造的重要關(guān)鍵技術(shù)。 4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 智能化: 智能化是制造系統(tǒng)在柔性化和集成化基礎(chǔ)上的發(fā)展和延伸，宗旨在于通過人與智能機器的合作去擴大、延伸和部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 全球化:市場國際化形成全球產(chǎn)品銷售網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計的國際合作及產(chǎn)品制造跨國化制造企

49、業(yè)在世界范圍內(nèi)重組與集成(如企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟)資源的跨地區(qū)、跨國家的協(xié)調(diào)、共享、優(yōu)化和利用逐漸形成全球制造的體系結(jié)構(gòu)4.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 綠色化:在整個過程中最有效地利用資 源和最低限度地生產(chǎn)廢物包括:綠色資源、綠色生產(chǎn)過程、綠色產(chǎn)品 綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，目標是使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個過程生命周期內(nèi)，對環(huán)境的影響最小，資源利用率最好。 綠色制造是全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對制造業(yè)地具體要求和體現(xiàn)。4.2數(shù)控加工技術(shù) 數(shù)控加工技術(shù)是指高效、優(yōu)質(zhì)地實現(xiàn)產(chǎn)品特別是復(fù)雜形狀零件加工的有關(guān)理論、方法與實現(xiàn)技術(shù)。它是自動化、柔性化、敏捷化和

50、數(shù)字化制造加工的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。 特點是:具有復(fù)雜形狀的加工能力高質(zhì)量高效率高柔性4.2數(shù)控加工技術(shù) 數(shù)控加工技術(shù)主要內(nèi)容:數(shù)控技術(shù)數(shù)控機床4.2.1數(shù)控技術(shù) 數(shù)控技術(shù)是制造自動化和柔性化的一項重要基礎(chǔ)技術(shù)，廣泛用于各類數(shù)控機床。目前的數(shù)控技術(shù)采用開放式結(jié)構(gòu)，建立在統(tǒng)一標準的系統(tǒng)平臺上，具有模塊化、可重新配置的特點，可運行在各種不同的系統(tǒng)平臺上，可根據(jù)用戶的特殊需要進行配置。 4.2.2.1數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床等，加工中心數(shù)控沖床、彎管機等控電火花加工機床、數(shù)控線切割、激光、水刀等按工藝分:4.2.2.1數(shù)控機床的分類 點位控制系統(tǒng):只控制刀具相對于工件空位點

51、的坐標，對軌跡無要求，僅要求空位準確，例如:數(shù)控鉆、鏜、沖、激光。直線控制系統(tǒng):除空位要求之外，還要求進給運動沿平行于坐標方向直線移動進行切削加工，或控制兩個坐標軸以同樣速度同時運動，沿45斜線進行加工，例如:數(shù)控車、銑、鏜、加工中心等輪廓控制系統(tǒng):能同時控制兩個或兩個以上坐標軸聯(lián)動，使刀具和工件按任意直線、平面曲線或空間曲面輪廓運動，加工任意形狀地復(fù)雜零件。按運動形式分:4.2.2.1數(shù)控機床的分類按伺服控制系統(tǒng)分:A開環(huán)控制系統(tǒng)B閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)4.2.2.1數(shù)控機床的分類A開環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖:數(shù)控系統(tǒng)控制電路步進電機工作臺傳動系統(tǒng)輸入信號4.2.2.1數(shù)控機床的分類 A開環(huán)控制系統(tǒng)

52、的特點: 無反饋。 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)要求的進給速度和位置輸出一定的指令，經(jīng)過驅(qū)動電路放大，經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動工作臺運動。 缺點:精度低、響應(yīng)速度慢、功率小。優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、運動穩(wěn)定、成本低、使用維護方便，用于經(jīng)濟性數(shù)控機床上。4.2.2.1數(shù)控機床的分類 B閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖:數(shù)控系統(tǒng)控制電路步進電機工作臺速度檢測元件位置檢測元件輸入信號信號路徑 半閉環(huán)反饋 閉環(huán)反饋4.2.2.1數(shù)控機床的分類 B閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制: 具有位置和速度檢測元件，數(shù)控系統(tǒng)將位移指令與位置檢測元件檢測的實際位置進行實時比較，其差值與給定指令速度按一定關(guān)系轉(zhuǎn)換得到伺服驅(qū)動的速度指令。同時，速度檢測元件測得的實際

53、速度的反饋信號與速度指令比較，并對電機的轉(zhuǎn)速進行實時校正。利用這種位置和速度控制的雙回路控制，可以獲得比開環(huán)控制系統(tǒng)精度高、響應(yīng)更快、驅(qū)動功率更大的特性。4.2.2.1數(shù)控機床的分類 閉 環(huán):直接測量移動部件輸出的被控量作為反饋量。 例如:光柵尺測量直線位移。半閉環(huán):采用間接測量被控量作為反饋量。 例如:測量電機或絲杠的角位移。B閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別: 由于角位移和直線位移之間有一個機械傳動環(huán)節(jié)，因而半閉環(huán)比閉環(huán)控制精度低，但是位移檢測元件結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，穩(wěn)定性好，價格低，易調(diào)整，因而廣泛被應(yīng)用。4.2.2.2數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的主要組成部分:數(shù)控機床主體:包括:床身、主軸及進給

54、機構(gòu)。根據(jù)數(shù)控機床技術(shù)的要求機床主體較傳統(tǒng)機床由很大變化。控制系統(tǒng)(CNC):數(shù)控機床的核心 4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)原理圖 位置控制單元位置控制單元PLC附加裝置機床主軸通信接口其他外設(shè)接口CPUROM/RAM鍵盤/顯示器接口鍵 盤顯示器伺服電機bus4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹CPU由運算器和控制器組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算和指令的操作控制，控制數(shù)控機床坐標軸的運動。BUS由數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線組成，實現(xiàn)計算機各部分之間信號的傳遞。A 微處理器及總線: (CPU)和(BUS)是CNC的核心4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹B

55、 輸入裝置: 把加工程序輸入計算機直接輸入存儲器:通過對有關(guān)參數(shù)的設(shè)定，直接讀入加工程序。手工輸入:使用機床的鍵盤輸入加工程序。4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹只讀存儲器(ROM):存放系統(tǒng)程序隨機存儲器(RAM):存放運算中間結(jié)果，加工零件程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)C 存儲器: 用于存放CNC的數(shù)據(jù)參數(shù)和程序 4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹D 位置控制單元: 比較指令給定值與位置測量元件測得的實際值，將結(jié)果送入控制單元，對進給機構(gòu)的運動進行控制。 4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹E 可編程控制器(PLC): 代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床的強電控制線路，控制機床的切削液

56、供給、停止、刀具的自動交換、工作臺的自動交換等 4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹F 通信接口: 便于與編程機及上級計算機連接，實現(xiàn)通信功能。4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹G 伺服系統(tǒng): 接受CNC的指令，并按指令要求，拖動機床的移動部件完成零件加工。包括:伺服控制電路、功放電路、檢測電路和伺服電機。 4.2.2.2數(shù)控機床的組成 控制系統(tǒng)各部分介紹H 附加裝置: 自動換刀裝置、自動交換工作臺裝置及切屑處理裝置。 4.3工業(yè)機器人 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作

57、業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。 它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 4.3.1工業(yè)機器人的定義 定義: 工業(yè)機器人是一種擬人功能的機械電子裝置。 工業(yè)機器人有很多定義，國內(nèi)專家建議如下: 4.3.2工業(yè)機器人的分類按功能分: 專用機器人:以固定程序在固定地點工作的機器人。功能少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，適用于大批量生產(chǎn)系統(tǒng)中。通用機器人:具有獨立的控制系統(tǒng)，動作靈活。通過改變程序可以完成各種作業(yè)。工作范圍大，定位精度高、通用型強。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于柔性制造系統(tǒng)中。4.3.2工業(yè)機器人的分類按驅(qū)動方式分: 氣動電動液壓傳動復(fù)合傳動4

58、.3.2工業(yè)機器人的分類按控制方式分: 固定程序控制:采用固定程序的繼電器，固定邏輯控制器組成控制系統(tǒng)，按預(yù)先設(shè)定的順序、條件和位置，逐次完成相應(yīng)的動作可編程控制:利用可編程方式改變機器人的動作順序和位置，具有程序選擇環(huán)節(jié)來調(diào)用系統(tǒng)相應(yīng)的程序。適用于復(fù)雜的工作場合。 4.3.3工業(yè)機器人的應(yīng)用 工業(yè)機器人作為機械制造系統(tǒng)的一個組成部分，可與其它裝備協(xié)調(diào)工作。工業(yè)機器人可以與數(shù)控機床組成一個柔性加工系統(tǒng)(FMS)機器人數(shù)控車加工中心數(shù)控銑數(shù)控鉆4.4 柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造系統(tǒng)的定義柔性制造系統(tǒng)的組成柔性制造系統(tǒng)的工作原理 柔性制造系統(tǒng)主要包括如下內(nèi)容:4.4.1 柔性制造系統(tǒng)(FMS)

59、的定義 柔性制造系統(tǒng)(FMS): 由計算機控制系統(tǒng)和物流系統(tǒng)連接起來并具有一系列自動化加工設(shè)備和輔助設(shè)備，對加工對象、工藝過程、工序內(nèi)容和生產(chǎn)節(jié)拍等可以自動調(diào)整的自動化制造系統(tǒng)。 4.4.2 柔性制造系統(tǒng)(FMS)的組成 柔性制造系統(tǒng)主要組成部分:柔性制造系統(tǒng)(FMS)數(shù)控加工系統(tǒng)物流系統(tǒng)控制系統(tǒng)過程監(jiān)視過程控制輸送搬運存儲4.4.2 柔性制造系統(tǒng)(FMS)的組成 柔性制造系統(tǒng)主要組成部分:加工系統(tǒng): 由若干臺數(shù)控機床組成，能按照計算機控制系統(tǒng)的指令自動加工各種工件，并能自動更換刀具和工件。4.4.2 柔性制造系統(tǒng)(FMS)的組成 柔性制造系統(tǒng)主要組成部分:物流系統(tǒng): 包括工件裝卸工作站、自動

60、化倉庫、無人運輸小車等，負責(zé)毛坯的入線,半成品、成品的存儲、輸送和搬運。 4.4.2 柔性制造系統(tǒng)(FMS)的組成 柔性制造系統(tǒng)主要組成部分:控制系統(tǒng): 包括過程控制和過程監(jiān)視兩個子系統(tǒng)。實現(xiàn)加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的自動控制，以及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動采集和處理。4.4.3 柔性制造系統(tǒng)的工作原理FMS主要包括兩部分:硬件:制造單元(CNC機床 工業(yè)機器人)和輔助設(shè)備(隨行工作臺和工具夾具站)以及物流系統(tǒng)(無人輸送小車、自動化倉庫)軟件:產(chǎn)品制造信息、CNC加工程序以及其它計算機控制程序。4.4.3 柔性制造系統(tǒng)的工作原理工作原理框圖:主計算機物流控制計算機加工控制計算機工具夾具站無人輸送小車隨行工作臺