先進制造技術知識及應用

1、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隨著現(xiàn)代代科學技技術的進進步，特特別是微微電子技技術、計計算機技技術、信信息技術術等與制制造技術術的深度度結合，制造工工業(yè)的面面貌發(fā)生生了深刻刻的變化化，形成成了先進進（現(xiàn)代代）制造造體系。先進制制造技術術的內涵涵及范圍圍很廣，本章扼扼要介紹紹先進制制造工程程技術中中的數(shù)控控加工技技術、快快速成形形技術、超精密密與納米米加工技技術、工工業(yè)機器器人、柔柔性制造造技術的的概念和和應用場場合。模塊三先先進制制造技術術知識及及應用11.1數(shù)控加工工技術11.1.1數(shù)數(shù)字控控制與數(shù)數(shù)控機床床的概念念

2、數(shù)字控制制(Numerical Control)是用數(shù)字化信信號對機械設設備的運運動及其其加工過過程進行行控制的的一種方方法，簡簡稱數(shù)控控（NC）。數(shù)控機床床就是采用用了數(shù)控控技術的的機床，或者說說是裝備備了數(shù)控控系統(tǒng)的的機床。進一步說說，數(shù)控控機床是是一種以以數(shù)字量作為指令令信息形形式，通通過電子子計算機機或專用用電子計計算裝置置，對這這種信息息進行處處理而實實現(xiàn)自動動控制的的機床。11.1.2數(shù)數(shù)控機機床的基基本組成成及工作作原理工藝分析數(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)數(shù)控機床床加工零零件的工工作過程程11.1數(shù)控加工工技術數(shù)控機床床的基本本組成見見圖11-2所所示。加

3、工程序輸入輸出裝置數(shù)控系統(tǒng)輔助控制裝置伺服驅動裝置檢測反饋裝置機床本體圖11-2數(shù)數(shù)控機床床的基本本組成數(shù)控機床床的種類類很多，從不同同角度對對其進行行考查，就有不不同的分分類方法法，通常常有以下下幾種不不同的分分類方法法：11.1數(shù)控加工工技術11.1.3數(shù)數(shù)控機機床的分分類按工藝用用途分類類切削加工工類：數(shù)控鏜銑銑床、數(shù)控車床床、數(shù)控磨磨床、加工中心心、數(shù)控齒輪輪加工機機床、FMC等。成型加工工類：數(shù)控折彎彎機、數(shù)控沖裁裁機等。特種加工工類：數(shù)控線切切割機、電火花花加工機機、激光加工工機等。其它類型型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測測量機、機器人等。按運動軌軌跡分類類點位控制制系統(tǒng)：如圖11-3a所示

4、點位直線線控制控控制系統(tǒng)統(tǒng)：如圖11-3b所示輪廓控制制系統(tǒng)：如圖11-3c所示11.1數(shù)控加工工技術11.1數(shù)控加工工技術開環(huán)控制制系統(tǒng)閉環(huán)控制制系統(tǒng)按控制方方式分類類半閉環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)全閉環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)開環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)沒有位置置測量裝裝置，信信號流是是單向的的（數(shù)控控裝置進給系系統(tǒng)），故系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定性性好。這這類系統(tǒng)統(tǒng)具有結結構簡單單、工作作穩(wěn)定、調試方方便、維維修簡單單、價格格低廉等等優(yōu)點，在精度度和速度度要求不不高、驅驅動力矩矩不大的的場合得得到廣泛泛應用。一般用用于經(jīng)濟濟型數(shù)控控機床。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1

5、1-4開開環(huán)控制制系統(tǒng)原原理圖11.1數(shù)控加工工技術11.1數(shù)控加工工技術全閉環(huán)數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)的位置置采樣點點如圖的的虛線所所示，直直接對運運動部件件的實際際位置進進行檢測測。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅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閉閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)控制原原理圖11.1數(shù)控加工工技術半閉環(huán)數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)的位置置采樣點點如圖所所示，是是從驅動動裝置(常用伺伺服電機機)或絲絲杠引出出，采樣樣旋轉角角度進行行檢測，不是直直接檢測測運動部部件的實實際位置置。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動位置控

6、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半半閉環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)原理圖圖11.1數(shù)控加工工技術11.1.4數(shù)控機床床的特點點及應用用范圍1.數(shù)控機床床的加工工特點加工精度度高對加工對對象的適適應性高高生產效率率高有利于生生產管理理自動化程程度高，勞動強強度低良好的經(jīng)經(jīng)濟效益益有利于現(xiàn)現(xiàn)代化管管理11.1數(shù)控加工工技術11.1.4數(shù)控機床床的特點點及應用用范圍2.數(shù)控機床床的應用用范圍多品種小小批量生生產的零零件形狀結構構比較復復雜的零零件生產效率率高精度要求求比較高高的零件件需要頻繁繁改型的的零件價格昂貴貴，不允允許報廢廢的零

7、件件需要生產產周期短短的零件件11.2快速成形形技術11.2.1快速成形形技術的的概念快速成形形技術（RP,RapidPrototyping）是運用用堆積成成形法，由CAD模型直接接驅動的的快速制制造任意意復雜形形狀三維維實體的的技術總總稱。RP技術的成成形原理理不同于常常規(guī)制造造的去除除法（切切削加工工、電火火花加工工等）和和變形法法（鑄造造、鍛造造等），而是利利用光、電、熱熱等手段段，通過過固化、燒結、粘結、熔結、聚合作作用或化化學等方方式，有有選擇地地固化（或粘結結）液體體材料，實現(xiàn)材材料的遷遷移和堆堆積，形形成所需需要的原原型零件件?？焖俪尚涡渭夹g是綜合利利用CAD技術、數(shù)數(shù)控技術術、

8、激光光加工技技術和材材料技術術實現(xiàn)從從零件設設計到三三維實體體原型制制造一體體化的系系統(tǒng)技術術。它采用軟件件離散材料堆積積的原理理實現(xiàn)零零件的成成形，如如圖11-4所示。11.2.3快速成形形技術的的工藝方方法RP技術的具具體工藝藝有很多多種，根根據(jù)采用用的材料料和對材材料的處處理方式式不同，選擇其其中3種方法的的工藝原原理進行行介紹。1.選擇性液液體固化化又稱光固固化法，該方法法的典型型實現(xiàn)工工藝有立立體光刻刻（SL,StereoLithography），其工工藝原理理如圖11-5所示。光固化法法是目前前應用最最廣的快快速成形形制造方方法。其其主要特特點是：制造精精度高、表面質質量好、原材料

9、料利用率率接近100%；能制造造形狀復復雜及特特別精細細的零件件；能使使用成形形材料較較脆、材材料固化化伴隨一一定收縮縮率的材材料制造造所需零零件。11.2.2快速成形形技術的的工作原原理11.2快速成形形技術2.選擇性層層片粘結結選擇性層層片粘結結又稱分層層實體制制造、疊疊層制造造法（LOM,LaminatedObjectManufaturing），其工工藝原理理如圖11-6所示。疊層法的的主要特特點是：不需需要制作作支撐；激光只只作輪廓廓掃描，而不需需填充掃掃描，成成形率高高；運行行成本低低；成形形過程中中無相變變且殘余余應力小小，適合合于加工工較大尺尺寸零件件；但材材料利用用率較低低，表

10、面面質量差差。3.選擇性粉粉末熔結結/粘結選擇性粉粉末熔結結/粘結又稱稱燒結法法（SLS，SelectiveLaserSintering），其工工藝原理理如圖11-7所示。激光選區(qū)區(qū)燒結法法的主要要特點是：不需需要制作作支撐；成形零零件的機機械性能能好，強強度高；粉末較較松散，燒結后后精度不不高，Z軸精度難難以控制制。11.2快速成形形技術11.2.4快速成形形技術的的特點和和用途1.主要特點點1）高度柔柔性；2）技術的的高度集集成；3）設計制制造一體體化；4）快速性性；5）自由成成形制造造(FreeForm Fabrication，F(xiàn)FF)；6）材料的的廣泛性性。2.用途1）產品設設計評估估

11、與功能能測驗；2）快速模模具制造造；3）醫(yī)學上上的仿生生制造；4）藝術品品的制造造；5）直接制制造金屬屬型。11.2快速成形形技術11.3.1超精密加加工技術術超精密加加工是指指被加工工零件的的尺寸精度為0.10.01m，加工表表面粗糙糙度達Ra0.030.0051m數(shù)量級的的加工技技術。隨隨著加工工技術的的發(fā)展，超精密密加工的的技術指指標也在在不斷變變化。一般加工工：精度10m左右，Ra0.30.8m；精密加工工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m；超精密加加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m；納米加工工：精度高于于0.001m，Ra小于0.005m。超精密加加工的

12、主主要方法法有：1）金剛石石刀具超超精密切切削；2）精密和和鏡面磨磨削；3）精密研研磨和拋拋光；11.3超精密與與納米加加工技術術1.金剛石刀刀具超精精密切削削；金剛石刀刀具擁有有很高的高高溫強度度和硬度度，而且且材質細細密，經(jīng)經(jīng)過精細細研磨，切削刃刃可磨得得極為鋒鋒利，表表面粗糙糙度值很很小，因因此可進進行鏡面面切削。金剛石刀刀具超精精密切削削主要用用于加工銅、鋁等有有色金屬屬，如高高密度硬硬磁盤的的鋁合金金基片、激光器器的反射射鏡、復復印機的的硒鼓、光學平平面鏡，凹凸鏡鏡、拋物物面鏡等等。2.精密和鏡鏡面磨削削磨削時尺尺寸精度度和幾何何精度主主要靠精精密磨床床保證，可達亞亞微米級級精度（指

13、精度度為110-2m）。在某某些超精精密磨床床上可磨磨出十納納米精度度的工件件。在精精密磨床床上使用用細粒度度磨粒砂砂輪可磨磨削出Ra=0.10.05m的表面。使用金金屬結合合劑砂輪輪的在線線電解修修整砂輪輪的鏡面面磨削技技術可得得到Ra0.010.002m的鏡面。11.3超精密與與納米加加工技術術3.精密研磨磨和拋光光；精密研磨磨和拋光光技術意指：使使用超細細粒度的的自由磨磨料，在在研具的的作用和和帶動下下加工表表面，產產生壓痕痕和微裂裂紋，依依次去除除表面的的微細突突出處，加工出出Ra0.010.02m的的鏡面。超精密加加工是以以精密元元件為加加工對象象。超精精密加工工必須具具有穩(wěn)定定的加

14、工工環(huán)境，即必須須在恒溫溫、超凈凈、防振振等條件件下進行行。另外外，精密密測量是是超精密密加工的的必要手手段，否否則無法法判斷加加工精度度。11.3超精密與與納米加加工技術術11.3.2納米加工工技術納米（Nanometer）,是一個長長度單位位，簡寫寫為nm。1nm=10-3m=10-9m。納米技術術是20世紀80年代末期期誕生并并在蓬勃勃發(fā)展的的一種高高新科學學技術。納米不不僅是一一個空間間尺度上上的概念念，而且且是一種種新的思思維方式式，即生生產過程程越來越越細，以以至于在在納米尺尺度上直直接由原原子、分分子的排排布制造造的具有有特定功功能的產產品。1.納米技術術的含義義納米技術術是指納

15、納米級（0.1100nm）的材料料、設計計、制造造、測量量、控制制和產品品的技術術。它將將加工和和測量精精度從微微米級提提高到納納米級。2.納米技術術的主要要內容納米技術術是一門門多學科科交叉的的高新技技術，從從基礎研研究角度度來看，納米技技術包括括：納米米生物學學、納米米電子學學、納米米化學、納米材材料和納納米機械械學等新新學科。11.3超精密與與納米加加工技術術 11.3超精密與與納米加加工技術術3.納米級加加工納米級加加工是指指：加工精度度高于10-3m，表表面粗糙糙度Ra小于0.005m，達到納米米級精度度。包括括納米級級尺寸精精度、納納米級幾幾何形狀狀精度和和納米級級表面質質量。納米

16、級加加工方法法包括：機械加工工、化學學腐蝕、能量束束加工、復合加加工、掃掃描隧道道顯微加加工等。納米級機機械加工工方法包包括：單晶金剛剛石刀具具的超精精密磨削削；金剛剛石砂輪輪和立方方氮化硼硼砂輪的的超精密密磨削及及鏡面磨磨削；衍衍磨和砂砂帶拋光光等固定定磨料工工具的加加工；衍衍磨、拋拋光等自自由磨料料的加工工等。 11.4工業(yè)機器器人11.4.1工藝機器器人的基基本概念念1.工業(yè)機器器人的定定義工業(yè)機器器人（Industrial Robot,簡稱Robot）是一種種可重復復編程的的、自動動控制的的、多自自由度的的、機體體獨立的的自動操操作機械械。 2.工業(yè)機器器人的組組成（1）執(zhí)行系系統(tǒng)（2

17、）驅動系系統(tǒng)（3）控制系系統(tǒng)（4）檢測系系統(tǒng)（5）智能系系統(tǒng)11.4工業(yè)機器器人3.工藝機器器人的分分類按系統(tǒng)功功能分類類：專用機器器人、通通用機器器人、示示教再現(xiàn)現(xiàn)機器人人、智能能機器人人按結構形形式分類類：直角坐標標機器人人、圓柱柱坐標機機器人、球坐標標機器人人、關節(jié)節(jié)機器人人。按驅動方方式分類類：氣壓傳動動機器人人、液壓壓傳動機機器人、電力傳傳動機器器人。按承擔工工作任務務性質可可分為：搬運機器器人和作作業(yè)機器器人。雖然工業(yè)業(yè)機器人人品種繁繁多，但但從設計計與使用用角度出出發(fā)，工工業(yè)機器器人的主主要技術術性能參參數(shù)包括括：運動自由由度、工工作空間間、工作作負荷、運動速速度、位位置精度度。

18、11.4工業(yè)機器器人11.4.2工業(yè)機器器人的應應用工業(yè)機器器人的最最初應用用主要是是對人體體有危險險或危害害的操作作環(huán)境。今天，在在現(xiàn)代制制造業(yè)中中，利用用機器人人能擴大大機械制制造系統(tǒng)統(tǒng)的功能能和范圍圍，以及及提高自自動化程程度，是是實現(xiàn)柔柔性自動動化的基基本設備備。用于生產產中的的工業(yè)機機器人有有：鑄造造機器人人、焊接接機器人人、噴漆漆機器人人、裝配配機器人人、搬運運機器人人等。此此外，高高壓作業(yè)業(yè)線、服服裝剪裁裁、管道道作業(yè)、擦玻璃璃的機器器人也發(fā)發(fā)揮著巨巨大的作作用。11.5柔性制造造技術傳統(tǒng)的專專用機床床和“剛性性”自動動生產線線雖然有有很高的的生產效效率，但但其加工工的零件件形狀

19、和和尺寸單單一，難難以改變變，這對對于大批批大量生生產是合合適的。為滿足足多品種種、小批批量、產產品更新新?lián)Q代周周期短的的要求，20世紀70年代以來來，隨著著微電子子技術，特別是是計算機機技術、傳感技技術的發(fā)發(fā)展，一一種以機機械加工工為主的的柔性制制造技術術得到迅迅速發(fā)展展，主要要有柔性性制造單單元、柔柔性制造造系統(tǒng)、計算機機集成制制造系統(tǒng)統(tǒng)。11.5.1柔性制造造單元FMC（FlexibleManufacturing Cell）是在加加工中心心的基礎礎上，增增加了貯貯存工件件的自動動料庫、輸送系系統(tǒng)所構構成的自自動加工工系統(tǒng)。如圖11-8所示為配配有托盤盤交換系系統(tǒng)的FMC。FMC適于多品種

20、、小批量量工件的的生產。FMC具有規(guī)模模小、成成本低，便于擴擴展等優(yōu)優(yōu)點。但但FMC的信息系系統(tǒng)自動動化程度度較低，加工柔柔性不高高，只能能完成品品種有限限的零件件加工。11.5柔性制造造技術11.5.2柔性制造造系統(tǒng)1.FMS（FlexibleManufacturing System）的定義義和組成成FMS是在FMC的基礎上上擴展而而成的一一種高效效率、高高精度、高柔性性的加工工系統(tǒng)。對柔性制制造系統(tǒng)統(tǒng)直觀的的定義：“柔性性制造系系統(tǒng)至少少是由兩兩臺數(shù)控控加工設設備、一一套物料料儲運系系統(tǒng)和一一套計算算機控制制系統(tǒng)所所組成的的制造系系統(tǒng)。從上述定定義可以以看出，F(xiàn)MS主要由以以下三部部組成：（1）加工系系統(tǒng)（2）物料儲儲運系統(tǒng)統(tǒng)（3）信息系系統(tǒng)除上述三三個主要要組成部部分外，F(xiàn)MS還包括冷冷卻系統(tǒng)統(tǒng)、排屑屑系統(tǒng)、刀具監(jiān)監(jiān)控和管管理等附附屬系統(tǒng)統(tǒng)。11.5柔性制造造技術2.FMS的優(yōu)點和和效益（1）能接受受各種不不同零件件加工（2）生產周周期短、成