第七章 現(xiàn)代制造裝備1

第七章現(xiàn)代制造裝備一、先進制造工藝技術(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、機械制造自動化技術(shù)機械制造系統(tǒng)自動化柔性制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)工業(yè)機器人技術(shù)四、先進制造生產(chǎn)模式敏捷制造并行工程準時生產(chǎn)精良生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化制造虛擬制造綠色制造1山東大學機械工程學院現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展與交叉融合，給制造技術(shù)提出了新的要求，也給予了強大支持。因此，涌現(xiàn)了許多先進制造技術(shù)。超高速切削、超精密加工、微機械制造等技術(shù)近年來有了長足的發(fā)展?？焖夙憫圃旒夹g(shù)主要包括產(chǎn)品的快速設(shè)計、快速開發(fā)、快速制造及生產(chǎn)系統(tǒng)的快速組成。先進制造技術(shù)的許多重要概念都與快速響應密切相關(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)境保護與自然資源統(tǒng)籌考慮地發(fā)展。2山東大學機械工程學院（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。現(xiàn)代機械工業(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，促進產(chǎn)品的小型化，增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進自動化裝配。精密、超精密加工技術(shù)的提高，有力地推動了各種新技術(shù)的發(fā)展。

一、先進制造工藝技術(shù)

3山東大學機械工程學院在高精度加工范圍內(nèi)，根據(jù)加工精度水平的不同，可進一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個檔次。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山東大學機械工程學院精密和超精密加工目前包含三個領(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，使美國超大規(guī)模集成電路線寬達0.1μm(八十年代水平)。

5山東大學機械工程學院加工方法所能達到的加工精度等級取決于其能切除的最小背吃刀量apmin，如納米級加工方法的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進行評定，鈍圓半徑ρ值越小，刃口越鋒利。（2）機床加工系統(tǒng)的剛度主要是機床主軸系統(tǒng)和刀架進給系統(tǒng)的剛度。剛度越大，超精加工越易實現(xiàn)。（3）機床進給系統(tǒng)的分辨率為實現(xiàn)微量切除，數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當量值要小，數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當量值一般應為apmin的1/5～1/10。

1、微量切除實現(xiàn)條件6山東大學機械工程學院掃描隧道顯微鏡(STM)可用于測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的隧道效應。當一個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，探針針尖原子與A原子并未接觸，也會有隧道電流在探針與被加工材料間通過。在外加電場作用下A原子受到兩個方面力的作用，一方面是探針針尖原子對原子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A的結(jié)合力；當探針針尖原子與A原子的距離小到某一極限距離時，探針針尖原子對A原子的吸引力將大于工件上其他原子對A原子的結(jié)合力，探針針尖就能拖動A原子在加工表面上移動，實現(xiàn)原子搬遷。控制探針針尖與被移動原子之間的偏壓和距離是實現(xiàn)原子搬遷的兩個關(guān)鍵參數(shù)。2、納米級加工技術(shù)7山東大學機械工程學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山東大學機械工程學院高速切削加工(HSM)是近十年來迅速崛起的一項實用先進制造技術(shù)。高速切削在加工質(zhì)量和加工效率兩個方面實現(xiàn)了統(tǒng)一，其最突出的優(yōu)點是生產(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，國外學者提出：機床主軸轉(zhuǎn)速8000～12000r/min為準高速切削，15000～50000r/min為高速切削，大于50000r/min為超高速切削。國內(nèi)學者則認為：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)的速度對零件進行加工的先進技術(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山東大學機械工程學院在常規(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。實驗表明，當切削速度達到某一臨界值時，切削速度進一步提高，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山東大學機械工程學院圖是7種材料高速切削范圍實驗結(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山東大學機械工程學院

高速切削加工和常規(guī)切削加工相比，具有以下工藝特點：(1)隨著切削速度提高，進給速度也提高5～10倍。這樣，單位時間內(nèi)的材料切除率增加，可達常規(guī)切削的3～6倍，甚至更高。切削加工時間減少，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，有利于細長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12山東大學機械工程學院

(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)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率。而工件加工表面粗糙度對低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工表面質(zhì)量可達到磨削的水平，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山東大學機械工程學院超高速切削技術(shù)是新材料技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和精密制造技術(shù)等多項新技術(shù)綜合應用發(fā)展的結(jié)果。因此，超高速切削加工技術(shù)是一項復雜的系統(tǒng)工程，是諸多新技術(shù)集成的一項綜合技術(shù)，主要包括以下幾方面的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，即高速切削機理、高速切削刀具技術(shù)、高速切削機床技術(shù)、高速加工的測試技術(shù)等。

2、超高速切削加工的技術(shù)基礎(chǔ)14山東大學機械工程學院超高速切削加工技術(shù)主要應用于航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、模具工業(yè)等領(lǐng)域及復雜曲面的加工。應用超高速切削加工技術(shù)時，應根據(jù)工件材料及毛坯狀態(tài)和加工要求，在數(shù)控機床和加工中心上，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)，是高速切削加工應用技術(shù)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3、超高速切削加工的應用15山東大學機械工程學院超高速切削已用于加工多種零件，圖是幾種加工零件實例，可見多種不同材料的復雜結(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山東大學機械工程學院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)濟效果。目前成組技術(shù)已成為計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)和計算機輔助制造(CAM)的重要基礎(chǔ)。

（三）成組技術(shù)

17山東大學機械工程學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)。我國機械行業(yè)在分析研究Opitz系統(tǒng)和日本KK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于1984年制定了機械零件分類編碼系統(tǒng)(簡稱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個碼位組成。該系統(tǒng)的特點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山東大學機械工程學院圖JLBM1編碼示例

19山東大學機械工程學院3、產(chǎn)品零件設(shè)計和工藝中的成組技術(shù)(1)成組技術(shù)在應用設(shè)計部門

將成組編碼相同的零件匯集在一起，給予標準化處理，建立零件成組設(shè)計圖冊，提倡零件設(shè)計結(jié)構(gòu)要素信息應盡可能重復，減少不必要的重復設(shè)計和設(shè)計差異。

(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一個零件組設(shè)計的，適用于零件組內(nèi)的每一個零件。20山東大學機械工程學院21山東大學機械工程學院編制零件的機械加工工藝是一種需要豐富生產(chǎn)經(jīng)驗和大量時間的工作，通常由企業(yè)工藝人員編制。由于個人的經(jīng)驗都有一定的局限性，很難對生產(chǎn)中錯綜復雜的因素考慮得十分周全并進行優(yōu)化，因此編出的工藝規(guī)程往往不是最佳的。計算機輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)多數(shù)是在成組技術(shù)零件編碼的基礎(chǔ)上，由計算機自動或輔助生成零件的機械加工工藝規(guī)程。CAPP從根本上改變了依靠個人經(jīng)驗編制工藝規(guī)程的情形，促進了工藝過程的標準化和優(yōu)化，提高了工藝設(shè)計的質(zhì)量。CAPP使工藝人員從繁瑣重復的計算、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，縮短了工藝準備以及生產(chǎn)準備的周期，適應產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代的需要，降低了工藝過程的設(shè)計費用。CAPP為制定合理的工時定額、材料消耗定額，以及改善企業(yè)管理提供了科學依據(jù)。

4、計算機輔助工藝規(guī)程編制22山東大學機械工程學院(1)可以提高生產(chǎn)效率由于擴大了同類零件的生產(chǎn)數(shù)量，使中小批生產(chǎn)可以經(jīng)濟合理地采用高生產(chǎn)率機床和工藝裝備，縮短了加工工時。(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，可用計算機管理生產(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23山東大學機械工程學院二、微機械制造技術(shù)

微機械(Micromachine)和微機電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展，促進了微機械和微機電系統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展。國際電工技術(shù)委員會(IEC)對微系統(tǒng)的定義為：“微系統(tǒng)是微米量級內(nèi)的設(shè)計和制造技術(shù)。它集成了多種元件，并適于低成本大量生產(chǎn)。”

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

微型機械不是傳統(tǒng)機械的簡單微型化，而是指集微型機構(gòu)、微型傳動器以及信號處理和控制電路，甚至外圍接口電路、通訊電路和電源等于一體的微型機電系統(tǒng)。因此，微型機械遠遠超出了傳統(tǒng)機械的概念和范疇，是基于現(xiàn)代科學技術(shù)，用嶄新的思維方法指導的產(chǎn)物。

25山東大學機械工程學院

微機械和微機電系統(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，(100)、(110)、(111)晶面的蝕刻速率比大致為400∶100∶1?？梢詰酶飨虍愋钥涛g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山東大學機械工程學院硅晶體進行各向異性刻蝕時，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，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)計微硅結(jié)構(gòu)時，若用立體各向異性刻蝕方法制造，則應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，常和其他工藝結(jié)合進行。

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山東大學機械工程學院目前已有多種小型精密高速機床(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)動加工中心，以及在這臺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）微器件的精密機械加工ROBOnanoUi加工中心及所加工的曲面試件28山東大學機械工程學院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山東大學機械工程學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大學研制的微型超塑擠壓機，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山東大學機械工程學院因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機械，已制造了多種微型夾持器、機械手和自動化裝配裝置，如壓電傳感驅(qū)動的微夾持器，熱敏驅(qū)動的微夾持器。國外已開發(fā)了多種微型機械和微機電系統(tǒng)的自動裝配機。

（五）微型機械的裝配31山東大學機械工程學院32山東大學機械工程學院（一）機械制造系統(tǒng)自動化機械制造系統(tǒng)自動化技術(shù)是研究制造過程的規(guī)劃、運作、管理、組織、控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化等的自動化加工技術(shù)。當今機械產(chǎn)品市場的激烈競爭是機械制造自動化發(fā)展的直接動因。

三、機械制造自動化技術(shù)33山東大學機械工程學院1)提高或保證產(chǎn)品的質(zhì)量；2)減少人的勞動強度、勞動量，改善勞動條件，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)品對市場的響應速度和競爭能力。機械制造系統(tǒng)自動化技術(shù)的特點如下：34山東大學機械工程學院機械制造系統(tǒng)自動化技術(shù)自20世紀20年代出現(xiàn)以來，大致經(jīng)歷了剛性自動化、柔性自動化及綜合自動化三個階段。三種自動化方式比較見表。綜合自動化常常與計算機輔助制造、計算機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)的綜合應用，旨在全面提高制造業(yè)的勞動生產(chǎn)率和對市場的響應速度。

自動化技術(shù)三個階段35山東大學機械工程學院三種自動化方式比較

36山東大學機械工程學院（二）柔性制造系統(tǒng)FMS一般是由多臺數(shù)控機床和加工中心組成，并有自動上下料裝置、倉庫和輸送系統(tǒng)。在計算機及其軟件的集中控制下，實現(xiàn)加工自動化。它是一種計算機直接控制的自動化可變加工系統(tǒng)。37山東大學機械工程學院1、

FMS與傳統(tǒng)的剛性自動線相比，具有以下特點：1)具有高度柔性，能實現(xiàn)多種工藝要求的、具有一定相似性的不同零件的加工，實現(xiàn)自動更換工件、夾具、刀具及裝夾，有很強的系統(tǒng)軟件功能。2)設(shè)備利用率高，由于零件加工的準備時間和輔助時間減少，機床利用率提高了75%～90%。3)自動化程度高，穩(wěn)定性好，可靠性強。可以實現(xiàn)長時間連續(xù)自動工作。4)產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率提高。38山東大學機械工程學院基本組成部分1）若干臺CNC加工設(shè)備，實現(xiàn)自動制造功能；2）自動物流系統(tǒng)，即毛坯、工件、刀具的存儲、輸送、交換系統(tǒng)；3）控制整個系統(tǒng)運行的計算機系統(tǒng)；4）其它刀具監(jiān)測及管理系統(tǒng)、零件測量系統(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）由一臺或少數(shù)幾臺設(shè)備構(gòu)成的小系統(tǒng)2）柔性制造系統(tǒng)（FMS）由多臺設(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、機械加工和物料儲運過程的全盤自動化由于FMS實現(xiàn)了集中控制和實時在線控制，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山東大學機械工程學院整個系統(tǒng)由3臺組合銑床、2臺雙面鏜床、雙面多軸鉆床、單面多軸鉆床、車削中心、裝配機、測量機、裝配機器人和清洗機等組成，加工箱體零件并進行裝配。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)隱藏的拖拽傳動鏈帶動無軌輸送車運動。區(qū)間通道還可作為臨時寄存庫。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，整個系統(tǒng)由計算機控制。

圖一個較完善的FMS平面布置圖40山東大學機械工程學院CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）用計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)將生產(chǎn)活動全過程中各功能子系統(tǒng)集成為一個整體，以保證企業(yè)信息的共享性、可靠性和及時性，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和柔性化，增強企業(yè)的競爭能力。CIMS一般分為四個應用子系統(tǒng)（1）管理信息子系統(tǒng)（MIS）

生產(chǎn)計劃、經(jīng)營銷售、財務(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）自動化制造子系統(tǒng)（MAS）實現(xiàn)車間現(xiàn)場的調(diào)度與控制（4）質(zhì)量保證子系統(tǒng)（CAQ）

質(zhì)量目標、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集分析、控制補償（三）計算機集成制造系統(tǒng)

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

2、CIMS的構(gòu)成42山東大學機械工程學院圖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)、計算機科學和技術(shù)、自動化技術(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山東大學機械工程學院在CIMS中，CAD是CAPP的輸入，其主要任務(wù)是完成機械零件的幾何造型及設(shè)計繪圖。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是利用計算機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)計范疇。廣義上的CAM是指利用計算機輔助完成從設(shè)計準備到產(chǎn)品制造整個過程的活動，包括工藝過程設(shè)計、工裝設(shè)計、NC自動編程、生產(chǎn)作業(yè)計劃、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制等；狹義的CAM主要指NC程序自動編制(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動軌跡，與夾具、工件在一起可進行加工仿真以防運動干涉，同時又是編制數(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山東大學機械工程學院圖CAD/CAPP/CAM的系統(tǒng)集成45山東大學機械工程學院（四）工業(yè)機器人

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

工業(yè)機器人一般由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成（如圖所示）。

1、工業(yè)機器人的組成1-執(zhí)行機構(gòu)2-控制系統(tǒng)3-驅(qū)動系統(tǒng)

47山東大學機械工程學院執(zhí)行機構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括末端執(zhí)行器a、手腕b、手臂c和機座d。末端執(zhí)行器是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，安裝在手腕或手臂的機械接口上，根據(jù)用途可分為機械式、吸附式和專用工具(如焊槍、噴槍、電鉆和電動螺紋擰緊器等)三類。（1）執(zhí)行機構(gòu)48山東大學機械工程學院控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作，大多數(shù)工業(yè)機器人采用計算機控制。這類控制系分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級。決策級的功能是識別環(huán)境，建立模型，將作業(yè)任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標協(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山東大學機械工程學院驅(qū)動系統(tǒng)是指按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常用的有電氣、液壓、氣動和機械等四種驅(qū)動方式。此外，機器人可以配置多種傳感器(如位置、力、觸覺、視覺等傳感器)，用以檢測其運動位置和工作狀態(tài)。（3）驅(qū)動系統(tǒng)50山東大學機械工程學院工業(yè)機器人的分類方法很多，一般按照下列情況分類：

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

52山東大學機械工程學院四、先進制造生產(chǎn)模式快速響應制造快速響應制造技術(shù)主要包括產(chǎn)品的快速設(shè)計、快速開發(fā)、速制快造及生產(chǎn)系統(tǒng)的快速組成。先進制造技術(shù)的許多重要概念都與快速響應密切相關(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、動態(tài)聯(lián)盟與虛擬公司等。

53山東大學機械工程學院制造模式是指企業(yè)體制、經(jīng)營、管理、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)的形態(tài)和運作的模式。在企業(yè)內(nèi)動態(tài)地流通著勞務(wù)流、資金流、物流、信息流和能量流等資源。在市場經(jīng)濟環(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、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，是建立企業(yè)先進制造模式的目標。

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

54山東大學機械工程學院敏捷制造(AM)是21世紀的先進制造模式，主張以全球信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立跨企業(yè)的動態(tài)(虛擬)企業(yè)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，充分利用信息，發(fā)揮人的創(chuàng)造性，實現(xiàn)生產(chǎn)和營銷的總體敏捷化，從而快速響應市場需求，在競爭中立于不敗之地，共同取得繁榮發(fā)展。

（一）敏捷制造美國提出的敏捷制造的主要思想是充分意識到小規(guī)模、模塊化的生產(chǎn)方式和一個公司不追求全能，而追求很有特色的、很先進的局部優(yōu)勢。當市場上新的機遇出現(xiàn)時，組織幾個有關(guān)公司合作，各自貢獻特長，以最快的速度、最優(yōu)的組合贏得一個機遇，完成之后又獨立經(jīng)營。這種形式又被稱為虛擬公司。

55山東大學機械工程學院美國研制波音777大型民用客機是以西雅圖為中心，集中南北近90千米，11個地區(qū)的多個工廠、研究所協(xié)作研制，參加人員包含制造、供應、用戶等共7000多人。全部研制工作實現(xiàn)無圖紙生產(chǎn),采用計算機控制管理、虛擬設(shè)計和虛擬制造、并行工程、CAD/CAM一體化技術(shù)等一切能采用的自動化設(shè)計、制造、管理等生產(chǎn)辦法。最后，波音777大型民用客機一次研制試飛成功，全部設(shè)計研制周期僅27個月。而此前，同樣復雜程度的波音767大型民用客機的研制周期為40個月。

波音777大型民用客機的研制是綜合應用敏捷制造的實例。56山東大學機械工程學院是綜合應用敏捷制造的另一實例?？罩锌蛙嚧笮兔裼每蜋C主要是法國、英國和德國合作生產(chǎn)?？缭接⒓{的3個國家的100多個工廠、研究所和設(shè)計單位共同合作，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57山東大學機械工程學院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)采用適應這種變化的管理模式。2)快速反應性：持續(xù)變化的市場要求公司相互共同承擔風險，以抓住市場機遇。3)高的質(zhì)量標準：由用戶對產(chǎn)品的評價來衡量質(zhì)量。4)低的費用：敏捷系統(tǒng)應有合理的消耗，以合理的費用滿足市場的需求。

敏捷制造的敏捷性體現(xiàn)在：58山東大學機械工程學院1)高度柔性、可重新配合組合的、模塊化的自動化加工設(shè)備。2)標準化的、容易維護的信息系統(tǒng)。3)人的因素的發(fā)揮和管理機構(gòu)改革。

敏捷制造實現(xiàn)的必要條件主要有：59山東大學機械工程學院傳統(tǒng)產(chǎn)品制造的產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、計劃調(diào)度、生產(chǎn)制造的工作方式是順序進行的，設(shè)計與制造脫節(jié)，一旦制造出現(xiàn)問題，就要修改設(shè)計，使整個產(chǎn)品開發(fā)周期很長，新產(chǎn)品難以很快上市。面對激烈的市場競爭，1986年美國提出了并行工程(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)計一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。并行設(shè)計將產(chǎn)品開發(fā)周期分解成多個階段，各個階段皆有部分互相重疊。

（二）并行工程60山東大學機械工程學院并行工程是充分利用現(xiàn)代計算機技術(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山東大學機械工程學院(1)產(chǎn)品開發(fā)隊伍重構(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)團隊(IPT)。IPT被賦予相應的職責和權(quán)利，對所開發(fā)的產(chǎn)品對象負責。(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，并強調(diào)企業(yè)在產(chǎn)品生命周期的全過程中實現(xiàn)信息集成、功能集成和過程集成。并行過程不僅是活動的并行，更主要的是下游過程在產(chǎn)品開發(fā)早期參與設(shè)計過程；另一個方面則是過程的改進，使信息流動與共享的效率更高。(3)集成產(chǎn)品信息模型集成數(shù)據(jù)模型可以為產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)提供產(chǎn)品的全部信息，它是并行工程實現(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)與計算機平臺。

并行工程的關(guān)鍵是：62山東大學機械工程學院并行工程自提出以來，受到國內(nèi)外學術(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，增強企業(yè)的市場競爭能力，它適用于產(chǎn)品開發(fā)周期長、復雜程度高、開發(fā)成本高的行業(yè)。并行