智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì) 課件 第一章 緒論- 智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)

武漢華工智云科技有限公司《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》第一章緒論武漢華工智云科技有限公司

主要內(nèi)容33智能檢測單元數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展12數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造3第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展41.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)床是將零件毛坯加工成零件的機(jī)器，是制造機(jī)器的機(jī)器。中國明朝出版的《天工開物》中載有磨床的結(jié)構(gòu)。(a)《天工開物》中的硺玉磨床(b)《天工開物》中的“扎砣圖”第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展51.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●1797年，英國工程師亨利·莫茲利（HenryMaudslay）以蒸汽機(jī)為動(dòng)力，通過絲桿和導(dǎo)軌帶動(dòng)刀架移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大變革，被稱為“機(jī)床之父”。●1818年，美國人伊萊·惠特尼（EliWhitney）與約瑟夫·W·羅伊（JosephW.Roe）等人共同研制成功第一臺(tái)臥式銑床。●19世紀(jì)40年代，車床、鉆床、銑床等相繼出現(xiàn)并不斷得到改進(jìn)，促進(jìn)了近代制造業(yè)體系的初步形成。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展61.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展圖1-2莫茲利1797年研制的車床

圖1-3惠特尼1818年共同研制的臥式銑床第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展71.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●二戰(zhàn)后，國防軍工、航空航天等所需求的機(jī)械產(chǎn)品日益復(fù)雜精密，傳統(tǒng)的普通機(jī)床無法滿足生產(chǎn)要求，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起和發(fā)展，人們開始探索新的機(jī)床控制方法。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展81.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●1949年，帕森斯（JohnParsons）和麻省理工學(xué)院受美國空軍委托開發(fā)一套用于機(jī)床的控制系統(tǒng)。1952年，第一臺(tái)帶有立式主軸的數(shù)控機(jī)床誕生，其控制部分由電子管實(shí)現(xiàn)。●1960年，采用了晶體管技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)●1968年，集成電路(IC)技術(shù)使得控制器更小更可靠。這三代數(shù)控系統(tǒng)的電子功能單元由電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路硬接線搭建起來，稱為NC(NumericalControl)數(shù)控。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展91.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●1972年，出現(xiàn)了內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)小型計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，開啟了計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(ComputerNumerial

Control,CNC)新時(shí)代?！?976年，微處理器的發(fā)展對數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生了革命性的影響。

至此，高性價(jià)比、高可靠性和高加工效率的CNC數(shù)控系統(tǒng)才真正得以實(shí)現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，打開了現(xiàn)代制造業(yè)的大門。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展10現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●20世紀(jì)70年代中后期，日本大力發(fā)展根據(jù)當(dāng)時(shí)最新理念和最新數(shù)控技術(shù)設(shè)計(jì)的通用型數(shù)控機(jī)床，率先實(shí)現(xiàn)了通用數(shù)控機(jī)床的批量化生產(chǎn)，迅速占領(lǐng)了全球通用數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的市場份額。日本發(fā)那科（FANUC）、三菱（MITSUBISHI）等數(shù)控系統(tǒng)得到了全球市場的極大認(rèn)可?！裢瑫r(shí)期，美國的大型制造公司開始設(shè)計(jì)和安裝柔性制造系統(tǒng)（FMS）?！?978年，日本成功完成第一臺(tái)柔性制造系統(tǒng)的安裝。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展11現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●80年代，航空航天和汽車工業(yè)推動(dòng)了德國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，走高精尖路線的德國機(jī)床成為這一時(shí)期最大的機(jī)床。●90年代，隨著加工產(chǎn)品越來越復(fù)雜，可交互式圖形編程技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用，高動(dòng)態(tài)性能驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高了機(jī)床的速度和精度，新工藝機(jī)床得到了發(fā)展?！駨?0世紀(jì)末開始，高速、高精、多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展12現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●近年來，大型、復(fù)合、柔性、多軸、重載、高速高精、智能控制已成為高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢。圖1-5多主軸、多刀塔刀架結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床圖1-6奧地利林茨的WFL車銑復(fù)合加工機(jī)床第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展13現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●柔性加工還體現(xiàn)在智能機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的融合上,工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料、換刀、測量、裝配及拋光等領(lǐng)域，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。●當(dāng)前，面對工業(yè)4.0以及全球能源和環(huán)境危機(jī)的挑戰(zhàn)，數(shù)控機(jī)床的智能化、綠色化越來越受到重視。智能數(shù)控機(jī)床可實(shí)現(xiàn)感知、互聯(lián)、學(xué)習(xí)、決策和自適應(yīng)。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展141.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●1958年，北京第一機(jī)床廠與清華大學(xué)合作，研制出中國第一臺(tái)數(shù)控銑床?！?0年代初期，通過引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計(jì)等方式，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，例如，青海第一機(jī)床廠與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第１臺(tái)臥式數(shù)控加工中心?！耠S著2002年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展151.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●“十五”期間（2001～2005），國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增幅超過30％，國產(chǎn)５軸聯(lián)動(dòng)加工中心和５面體龍門式加工中心?！瘛笆晃濉逼陂g（2006～2010），數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量比“十五”期間增長了281%。2009年開始，中國在金屬加工機(jī)床的生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)口三個(gè)方面均列世界第一，并保持到2018年?！瘛笆濉币詠?，國內(nèi)中低端數(shù)控機(jī)床市場已占有明顯優(yōu)勢。根據(jù)《賽迪顧問｜2019年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》：日本數(shù)控機(jī)床占全球比重約為32.1%，中國約為31.5%、德國約為17.2%。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展161.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●但是，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比,我國的制造技術(shù)仍有較大差距,主要表現(xiàn)在高端裝備制造技術(shù)落后,市場占有率低（依賴進(jìn)口），全球高端數(shù)控機(jī)床的龍頭企業(yè)主要集中在日本、德國和美國?！窀叨搜b備制造業(yè)關(guān)乎國家安全和國計(jì)民生，代表著國家的綜合國力,決定著在國際綜合競爭中的地位。因此，2009年，工業(yè)和信息化部牽頭組織實(shí)施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)?！?010年9月，國務(wù)院將高端裝備制造業(yè)確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展171.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●“燈塔工廠”被視為第四次工業(yè)革命的領(lǐng)導(dǎo)者和示范者，截至2020年12月，全球“燈塔工廠”54家，其中中國16家，是擁有“燈塔工廠”最多的國家。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展181.3智能制造及其背景●新世紀(jì)以來，新一代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不斷發(fā)展，形成了新一輪工業(yè)革命的主要驅(qū)動(dòng)力?！衩绹岢觥跋冗M(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”，重塑工業(yè)競爭力，其智能制造現(xiàn)階段重點(diǎn)研究領(lǐng)域及內(nèi)容包括：智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析、信息物理系統(tǒng)和系統(tǒng)集成、可持續(xù)制造、增材制造等。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展191.3智能制造及其背景●歐盟提出“數(shù)字化歐洲工業(yè)計(jì)劃”，主要通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能三大技術(shù)來增強(qiáng)歐洲工業(yè)的智能化程度；●德國提出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略”，構(gòu)建全新的智能生產(chǎn)系統(tǒng)?！袢毡咎岢觥皠?chuàng)新工業(yè)計(jì)劃”，鞏固自動(dòng)化生產(chǎn)強(qiáng)國位置?！裰袊岢觥爸圃鞆?qiáng)國”戰(zhàn)略，以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。2017年10月，習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告明確提出“加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展201.3智能制造及其背景●新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源能耗，推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展，是新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要路徑。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)21●進(jìn)入21世紀(jì)后，我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)進(jìn)入了快速普及、產(chǎn)量迅猛增長的飛速發(fā)展時(shí)期，特別是近十年來，其整體水平和市場競爭能力明顯提高?！窠陙恚覈圃鞓I(yè)對低精度、工藝簡單的數(shù)控機(jī)床需求量下滑，而中高端機(jī)床的需求量不斷增長。高端數(shù)控機(jī)床是支撐航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設(shè)備等制造領(lǐng)域發(fā)展的核心裝備，已被列入國家重大科技專項(xiàng),體現(xiàn)了其在國家需求、國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要位置?！裣鄬τ谄胀〝?shù)控機(jī)床，高端數(shù)控機(jī)床生命周期長，設(shè)計(jì)、制造更加復(fù)雜，運(yùn)行和維護(hù)更加困難。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)22●航空航天、船舶、交通、發(fā)電設(shè)備等重點(diǎn)制造領(lǐng)域的需求是高端數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要推動(dòng)力。●這些領(lǐng)域的加工工況漸趨于超高溫、超高壓、超高速等極端條件,所用零件的材料向超高強(qiáng)度、耐高溫和超低溫、抗腐蝕、輕量化方向發(fā)展,幾何形狀越來越復(fù)雜,生產(chǎn)中要求自動(dòng)化程度高、多種工藝復(fù)合,對數(shù)控機(jī)床提出了極大的挑戰(zhàn)。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)231、高剛性、高精密的主機(jī)●提出了重心驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、箱中箱、直接驅(qū)動(dòng)、熱平衡設(shè)計(jì)與補(bǔ)償、全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則和技術(shù)；●在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中應(yīng)用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法；2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)241、高剛性、高精密的主機(jī)●數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)展到越來越多地采用樹脂混凝土、人造花崗巖等材料。此外，鋼纖維混凝土、碳纖維復(fù)合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應(yīng)用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動(dòng)態(tài)剛度和穩(wěn)定性。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)252、高檔數(shù)控裝置●主要包括三個(gè)方面:多軸精細(xì)數(shù)控插補(bǔ)、柔性復(fù)合加工技術(shù)、加工過程閉環(huán)控制等智能控制技術(shù)。

●微小細(xì)分線段的高速高精度加工、五軸刀心點(diǎn)高速平滑插補(bǔ)、精細(xì)樣條插補(bǔ)功能是高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的重要指標(biāo)。

●數(shù)控裝置多主軸、多刀架功能可一次裝夾完成復(fù)雜零件加工，以及具有與機(jī)器人、視覺技術(shù)等協(xié)同的柔性復(fù)合加工技術(shù)。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)262、高檔數(shù)控裝置●智能化防干涉、振動(dòng)防止與控制、主軸監(jiān)控、車削工作臺(tái)平衡失調(diào)檢測等功能,將加工狀態(tài)控制引入數(shù)控系統(tǒng),通過加工過程閉環(huán)控制提高了復(fù)雜工況的適應(yīng)性。●隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的智能數(shù)控裝置及智能機(jī)床正在向我們走來。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)273、機(jī)床動(dòng)態(tài)特性

●主要包含三個(gè)方面:數(shù)控裝備狀態(tài)辨識(shí)與動(dòng)態(tài)行為仿真、數(shù)控裝備與加工工藝的交互作用,以及基于動(dòng)態(tài)特性的裝備可靠性評(píng)估。4、高速高精驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)●直接驅(qū)動(dòng)就是將直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)(DDR)或直接驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)(DDL)直接耦合或連接到從動(dòng)負(fù)載上,從而實(shí)現(xiàn)了與負(fù)載的直接耦合。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)281、增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力2、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本3、減少維護(hù)服務(wù)成本2.2數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造293.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造303.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)●數(shù)字化設(shè)計(jì)過程包括分析和綜合兩個(gè)階段。分析階段的主要任務(wù)是確定產(chǎn)品的工作原理，結(jié)構(gòu)組成和基本配置，包括調(diào)研市場需求、收集產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息、完成產(chǎn)品的概念化設(shè)計(jì)等。●概念化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品各種方案進(jìn)行評(píng)估、分析、對比和綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，據(jù)此勾勒出產(chǎn)品的初步布局和結(jié)構(gòu)草圖，定義各功能部件之間內(nèi)在的聯(lián)系和約束關(guān)系。當(dāng)設(shè)計(jì)者完成產(chǎn)品構(gòu)思后，就可以利用概念化設(shè)計(jì)軟件和相關(guān)建模工具將設(shè)計(jì)思想表達(dá)出來。第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造313.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)●綜合建立在分析的基礎(chǔ)上，它完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并形成完整的設(shè)計(jì)文檔?！駭?shù)字化建模是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的基本和核心內(nèi)容，數(shù)字化模型是產(chǎn)品性能分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化的基礎(chǔ)，可以采用優(yōu)化算法，有限元方法和其他分析工具,完成產(chǎn)品形狀、結(jié)構(gòu)和性能的分析、預(yù)測、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，并根據(jù)分析結(jié)果