第6章-現(xiàn)代制造技術(shù)及工藝方法

現(xiàn)代制造工藝第6章現(xiàn)代制造技術(shù)及工藝方法現(xiàn)代制造工藝技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，也是最有活力的部分。產(chǎn)品從設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)是必須通過(guò)加工才能完成的，工藝是設(shè)計(jì)和制造的橋梁，設(shè)計(jì)的可行性往往會(huì)受到工藝的制約，工藝（包括檢測(cè)）往往會(huì)成為零件加工過(guò)程中的“瓶頸”，因此，工藝方法和水平是十分重要的。不是所有設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都能加工出來(lái)，也不是所有的產(chǎn)品通過(guò)加工都能達(dá)到預(yù)定的技術(shù)性能要求。3工藝是生產(chǎn)中最活躍的因素，有了某種工藝方法才有相應(yīng)的工具和設(shè)備出現(xiàn)，反過(guò)來(lái)，這些工具和設(shè)備的發(fā)展和進(jìn)步又提高了該工藝方法的技術(shù)性能和水平，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。產(chǎn)品質(zhì)量是一個(gè)綜合性問(wèn)題，與設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、管理和人員素質(zhì)等多個(gè)因素有關(guān)，但與工藝技術(shù)的關(guān)系最為密切。加工技術(shù)的發(fā)展往往是從工藝突破的。世界上制造技術(shù)比較強(qiáng)的國(guó)家都是非常重視工藝的。4工藝技術(shù)的發(fā)展緩慢和工藝問(wèn)題的不被重視又密切相關(guān)。56.1先進(jìn)制造工藝?yán)碚?/p>

近年來(lái)在制造加工工藝?yán)碚摵图夹g(shù)上的發(fā)展比較快，這些發(fā)展主要可分為工藝?yán)碚?、加工方法、制造模式、制造技術(shù)和系統(tǒng)等幾個(gè)方面。制造工藝?yán)碚摪ǎ杭庸こ尚螜C(jī)理、精度原理、相似性原理、決策原理和優(yōu)化原理等方面。6.1.1加工成形機(jī)理

（1）分層加工

零件的成形方法有分離（去除）加工、結(jié)合（堆積、分層）加工、變形（流動(dòng)）加工等。在加工成形機(jī)理上已經(jīng)從分離加工（俗稱減法加工）擴(kuò)展到結(jié)合加工（俗稱加法加工），形成了分層加工方法。分層加工和分離加工的原理正好相反，是將零件在某一方向按一定層厚分為若干薄層，逐一加工這些薄層，并在加工的同時(shí)將這些薄層依次堆積起來(lái)，即可成形。8（a）平面分層（b）曲面分層（c）卷繞分層圖6-1分層加工

（2）內(nèi)加工

分離加工是將毛坯通過(guò)去除總體余量而成形為零件，材料的去除加工方式可分為外切削方式和內(nèi)加工方式，9（a）激光內(nèi)加工（b）內(nèi)加工后切開形成上下模圖6-2內(nèi)加工

（3）刀具材料

刀具材料：硬質(zhì)合金、人造金剛石、立方碳化硼、陶瓷等系列。涂層、多元共滲、氣相沉積等工藝。

濕切削發(fā)展到無(wú)切削液的干切削（綠色切削）和硬（齒）表面切削等。金剛石刀具與精密加工和超精密加工的發(fā)展關(guān)系密切，出現(xiàn)了“極薄切削”機(jī)理，切屑厚度的極限的研究，為超精密加工機(jī)理的探索提供了理論基礎(chǔ)。10（4）被加工材料被加工材料也從金屬發(fā)展到非金屬、高分子材料、半導(dǎo)體、陶瓷和石材等。從而發(fā)展了半導(dǎo)體、陶瓷和石材等多種加工工藝學(xué)。11（5）使用的能源在零件成形使用的能源上有力、電、聲、化學(xué)、電子、離子、激光等，十分豐富，從而發(fā)展了電火花加工、超聲波加工、化學(xué)加工、電子束加工、離子束加工、激光束加工等，由于加工上所使用的能源不同，其加工機(jī)理也就自然各異。126.1.2精度原理

（1）機(jī)械加工原理可分為繼承性原則和創(chuàng)造性原則等。繼承性原則又稱為“母性”原則、循序漸近原則或“蛻化”原則，它主要指加工用的機(jī)床（工作母機(jī)）精度一般應(yīng)高于所欲加工工件的精度，這是很自然的，也是通常的選擇，它能保證加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

13創(chuàng)造性原則又稱“進(jìn)化”原則，可分為直接創(chuàng)造性原則和間接創(chuàng)造性原則。直接創(chuàng)造性原則是利用精度低于工件精度要求的機(jī)床，借助于工藝手段和特殊工具，直接加工出精度高于“工作母機(jī)”的工件。如“以粗干精”；“以小干大”原則。間接創(chuàng)造性原則是用較低精度的機(jī)床和工具，制造出加工精度能滿足工件要求的高精度機(jī)床和工具，再用這些機(jī)床和工具去加工所欲加工的工件，它是先用直接創(chuàng)造性原則，再用繼承性原則。14（2）定位原理提出了定位與基準(zhǔn)的概念和六點(diǎn)定位原理：其中包括完全定位、不完全定位；欠定位、過(guò)定位的判定；定位元件和各種基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和確定。（3）尺寸鏈原理

提出了尺寸鏈原理，論述了尺寸鏈的產(chǎn)生和分類，建立了尺寸鏈的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)線性尺寸鏈和角度尺寸鏈、工藝尺寸鏈和裝配尺寸鏈，提出了求解方法，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助建立和求解尺寸鏈的研究。。15（4）質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析原理針對(duì)加工精度等質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)提出了分布曲線法和精度曲線法（

圖）等統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)分析和控制加工質(zhì)量，取得了顯著成效。166.1.3相似性原理和成組技術(shù)相似性是成組技術(shù)的理論基礎(chǔ)，成組工藝是成組技術(shù)的核心，零件的分類成組方法是成組技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，如我國(guó)建立了零件分類編碼系統(tǒng)—JLBM-1系統(tǒng)等。17

成組技術(shù)的實(shí)質(zhì)

復(fù)雜而多樣的事物或信息中，有許多問(wèn)題具有相似性，把相似問(wèn)題分組，就能使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，從而找出解決這一組問(wèn)題的同一方法或答案，并且節(jié)省了時(shí)間和精力。

按零件的形狀、尺寸、制造工藝的相似性，將零件分類歸組（族），擴(kuò)大零件的工藝批量，以便采用高效率的工藝方法或設(shè)備，使中小批生產(chǎn)也能獲得類似大批量流水生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。186.1.4工藝決策原理針對(duì)工藝問(wèn)題的決策，提出了數(shù)學(xué)模型決策（數(shù)學(xué)模型的建立和求解）、邏輯推理決策（決策樹、決策表）和智能思維決策等方法，使工藝問(wèn)題的決策從主觀、經(jīng)驗(yàn)的判定走向客觀、科學(xué)的判斷，這是一個(gè)很大的進(jìn)步，同時(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提高了判斷的正確性和效率。19數(shù)學(xué)模型決策是以建立數(shù)學(xué)模型并求解作為主要的決策方式。數(shù)學(xué)模型泛指公式、方程式和由公式系列構(gòu)成的算法等，可分為系統(tǒng)性數(shù)學(xué)模型、隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型和模糊性數(shù)學(xué)模型三類。20邏輯性決策是采用確定性的邏輯推理來(lái)決策，常用的形式有決策樹和決策表兩種。決策樹是用樹狀結(jié)構(gòu)來(lái)描述和處理“條件”和“動(dòng)作”之間的關(guān)系和方法。決策表是用表格結(jié)構(gòu)來(lái)描述和處理“條件”和“動(dòng)作”之間的關(guān)系和方法。21條件條件組合孔12＜直徑≤30TTTFFF直徑公差≤0.05TFFFFF0.05＜直徑公差≤0.25FTFFFF0.25＜直徑公差FFTFFF溝槽FFFTTF內(nèi)孔FFFTFF外圓FFFFTF內(nèi)螺紋FFFFFT動(dòng)作決策動(dòng)作鉆111擴(kuò)22鉸3插、拉1銑1攻螺紋222智能思維決策是依賴工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和智能思維能力來(lái)決策，即要應(yīng)用人工智能。智能是運(yùn)用知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)、推理和聯(lián)想是智能的三大重要因素。智能思維決策的主要方法有：專家系統(tǒng)、模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等。

236.1.5優(yōu)化原理將優(yōu)化原理應(yīng)用到工藝問(wèn)題的優(yōu)化上，這也是與計(jì)算機(jī)技術(shù)密切結(jié)合，進(jìn)行了單目標(biāo)和多目標(biāo)、單工序和多工序的工藝方案優(yōu)化選擇，對(duì)提高工藝方案的可行性和有效性、降低工藝成本、縮短生產(chǎn)周期有重要意義。24機(jī)械加工優(yōu)化通常是要在保證質(zhì)量的前提下，達(dá)到最高生產(chǎn)率、最低工藝成本或最大利潤(rùn)率。機(jī)械加工優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)首先要確定目標(biāo)函數(shù)，然后選定控制參數(shù)，建立將選定控制參數(shù)引入到目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型中，再進(jìn)行求解，即可得到優(yōu)化的控制參數(shù)值。2526圖6-4單件加工成本與切削速度的關(guān)系圖6-5單件加工成本與切削速度和進(jìn)給的關(guān)系6.2高速切削技術(shù)高速切削加工具有高速、高精度的特點(diǎn)。在加工過(guò)程中不僅可以大幅度提高零件的加工效率，縮短加工時(shí)間，降低加工成本，而且可以使零件的表面加工質(zhì)量和加工精度達(dá)到更高的水平。因此，盡管高速切削技術(shù)從研究到實(shí)用只有近30年的時(shí)間，但它已廣泛地應(yīng)用于包括模具、工具制造以及航空航天的復(fù)雜曲面、薄壁零件的加工等領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ膸状蠹夹g(shù)之一。27

高速切削理論的雛形是20世紀(jì)30年代德國(guó)切削專家薩洛蒙（CarlSalomon）博士首次提出的。圖6－6切削速度與切削溫度的關(guān)系28圖6－6切削速度與切削溫度的關(guān)系6.2.1高速切削概念高速切削是以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征的加工技術(shù)。它所采用的切削參數(shù)要比傳統(tǒng)工藝高出幾倍、十幾倍。目前，各個(gè)國(guó)家對(duì)于高速切削的速度范圍沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)定。因?yàn)閷?duì)于不同的加工方式、不同的工件材料，高速切削的速度是不同的。因此對(duì)此很難有一個(gè)一致的說(shuō)法。通常高速切削的切削速度比常規(guī)切削速度高出5～10倍以上。29

30被切削材料切削速度范圍/（m/min）鋁合金1000~7000銅合金900~5000鑄鐵800~3000鋼500~2000鎳基合金50~500鈦合金150~1000纖維增強(qiáng)塑料2000~9000常見(jiàn)材料高速切削速度范圍高速切削的“高速”是一個(gè)相對(duì)的概念，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是相對(duì)于常規(guī)加工速度而言高得多的一種加工速度。

應(yīng)當(dāng)指出的是，高速切削中的“高速”不僅是一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，更是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。也就是說(shuō)，它不僅僅是一個(gè)技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)的切削速度，而且必須是一個(gè)可由此獲得很大經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度。沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益的高速度是沒(méi)有工程意義的。316.2.2高速切削的技術(shù)特點(diǎn)（1）加工效率高

（2）切削力小

（3）切削熱少

（4）加工精度高

（5）切削過(guò)程穩(wěn)定（6）工序集約化

326.2.3高速切削的應(yīng)用336.2.4高速切削的關(guān)鍵技術(shù)高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由機(jī)床、刀具、工件、加工工藝、切削過(guò)程監(jiān)控及切削機(jī)理等方面形成了高速切削的相關(guān)技術(shù)。34（1）高速切削的刀具技術(shù)刀具材料：目前適合于高速切削的主要有以下幾種--涂層刀具；金屬陶瓷刀具；立方氮化硼刀具；聚晶金剛石刀具。刀柄結(jié)構(gòu)：高速加工機(jī)床上普遍采用的是日本的BIG-PLUS刀柄系統(tǒng)和德國(guó)的HSK刀柄系統(tǒng)。3536（2）高速切削機(jī)床37圖6－7高速切削機(jī)床38（3）高速切削機(jī)理（4）高速切削工藝高速切削作為一種新的切削方式，目前，尚沒(méi)有完整的加工參數(shù)表可供選擇，也沒(méi)有較多的加工實(shí)例可供參考，還沒(méi)有建立起實(shí)用化的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，在高速加工的工藝參數(shù)優(yōu)化方面，也還需要做大量的工作。39鋁合金黑色金屬及難加工材料6.3超精密加工與納米加工技術(shù)當(dāng)前世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家制造水平分析，一般工廠已能穩(wěn)定掌握1μm（我國(guó)為2μm）制造公差的加工技術(shù)，制造公差大于此值的加工稱為普通精度加工，制造公差小于此值的加工稱為高精度加工。

在高精度加工范圍內(nèi)，根據(jù)加工精度水平的不同，還可以進(jìn)一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個(gè)檔次。40加工精度為1.0～0.1μm、表面粗糙度Ra為0.10~0.02μm的加工稱為精密加工；

加工精度為0.10～0.01μm、表面粗糙度Ra為0.01～0.005μm的加工稱為超精密加工；

加工精度小于0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工稱為納米加工。41超精密加工基本原理切削工具的刃口鋒利程度-金剛石機(jī)床加工系統(tǒng)的剛度機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的分辨力機(jī)床加工系統(tǒng)的幾何精度加工環(huán)境條件42納米級(jí)加工技術(shù)43為加工具有納米級(jí)加工精度的工件，其最小極限背吃刀量必須小于1nm，而加工材料原子間間距為10-1nm，這表明，在納米級(jí)加工中材料的去除（增加）量是以原子或分子數(shù)計(jì)量的；納米級(jí)加工是通過(guò)切斷原子（分子）間結(jié)合進(jìn)行加工的，而這只有在外力對(duì)去除材料做功產(chǎn)生的能量密度超過(guò)了材料內(nèi)部原子（分子）間結(jié)合能密度（約為105～108J／cm3）才能實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的切削、磨削加工所能產(chǎn)生的能量密度較小，用傳統(tǒng)的切削、磨削方法切斷工件材料原子（分子）間結(jié)合是無(wú)能為力的。441-壓電陶瓷管2-探針3-工件圖6-9掃描隧道顯微加工原理圖掃描隧道顯微鏡STM可用于測(cè)量三維微觀表面形貌，也可用作納米加工。圖6-10搬遷Xe原子寫成IBM字圖像圖6-11搬遷Fe原子寫成中文“原子”4546圖6-12在Si表面連續(xù)去除Si原子寫成中國(guó)字樣6.4現(xiàn)代制造工藝方法

6.4.1特種加工技術(shù)特種加工亦稱“現(xiàn)代加工方法”；在歐美國(guó)家又稱為“非傳統(tǒng)加工”，它是直接利用電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能和電化學(xué)能，有時(shí)也結(jié)合機(jī)械能對(duì)工件進(jìn)行的加工。特種加工中以采用電能為主的電火花加工和電解加工應(yīng)用較廣，泛稱電加工。476.4.2特種加工方法（1）電火花成形加工電火花加工是利用工具電極與工件電極之間脈沖性的火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫將金屬蝕除，又稱為放電加工、電蝕加工、電脈沖加工。49501-進(jìn)給系統(tǒng)2-工具電極3-工件電極4-工作液5-工作液泵站6-直流脈沖電源圖6-13電火花加工原理圖（2）電火花線切割加工用連續(xù)移動(dòng)的電極絲（工具）作陰極，工件為陽(yáng)極，兩極通以直流高頻脈沖電流。電火花線切割加工機(jī)床可以分為兩大類，即高速走絲和低速走絲。5253電火花加工的特點(diǎn)：

電火花加工可加工任何導(dǎo)電材料，不論其硬度、脆性、熔點(diǎn)如何?，F(xiàn)已研究出加工非導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體材料。由于加工時(shí)工件不受力，適于加工精密、微細(xì)、剛性差的工件，如小孔、薄壁、窄槽、復(fù)雜型孔、型面、型腔等零件。加工時(shí)，加工參數(shù)調(diào)整方便，可在一次裝夾下同時(shí)進(jìn)行粗、精加工。電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)已幾乎全部數(shù)控化，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。55（3）電解加工電解加工的基本原理是陽(yáng)極溶解，是電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，是在工具和工件之間接上直流電源，工件接陽(yáng)極，工具接陰極。工具陰極一般用銅或不銹鋼等材料制成，兩極間外加直流電壓6～24V，極間間隙保持0.1～1mm，在間隙處通以6～60m/s的高速流動(dòng)電解液，形成極間導(dǎo)電通路，產(chǎn)生電流，工件陽(yáng)極表面的材料不斷產(chǎn)生溶解，其溶解物被高速流動(dòng)的電解液及時(shí)沖走，工具陰極不斷進(jìn)給，保持極間間隙，逐漸在陽(yáng)極上形成與陰極相同的形狀。5657電解磨削1-高壓水接頭2-紅寶石或金剛石噴嘴3-磨料4-混合腔5-保護(hù)套6-切割水流7-被切割工件圖6-21磨料水射流示意圖（4）水噴射加工水噴射加工是利用從噴嘴

中高速噴出的水流的沖擊力

破碎和去除工件材料的特種加工。5960圖6-20美國(guó)福祿水刀62圖6-22水射流所切割的復(fù)雜零件（5）超聲加工超聲加工是利用工具端面作超聲振動(dòng)，工具將超聲波的能量傳遞給游離磨料，使磨料對(duì)被加工工件進(jìn)行不斷的磨削來(lái)實(shí)現(xiàn)的。641-工具

2-工件3-磨料懸浮液4、5-變幅桿6-換能器7-超聲波發(fā)生器圖6-23超聲加工原理66圖6-24型孔、型腔加工（6）激光加工6770圖6-31激光焊接金剛石圖6-32激光熱處理圖6-30激光打孔機(jī)圖6-33曲軸激光熔覆（6）電子束加工電子束加工是靠電子束的熱效應(yīng)現(xiàn)象。72圖6-34電子束加工原理（7）離子束加工基于力效應(yīng)。74圖6－37雙等離子體型離子束加工原理離子束加工方式包括離子蝕刻、離子鍍膜及離子濺射沉積和離子注入等。高能氬離子所傳遞的能量超過(guò)工件表面原子或分子間鍵合力時(shí)，材料表面的原子或分子被逐個(gè)濺射出來(lái)，以達(dá)到加工目的

。本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。

75離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等高精度圖形。氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實(shí)際上為一種鍍膜工藝。76離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強(qiáng)鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達(dá)10～20MPa），此法適應(yīng)性強(qiáng)、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應(yīng)用。77能量相當(dāng)大的離子束，直接轟擊工件表面，可使離子鉆進(jìn)被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學(xué)成分，從而改變工件表面層的機(jī)械物理性能。此法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。

注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設(shè)備費(fèi)用大、成本高、生產(chǎn)率較低。786.5復(fù)合加工技術(shù)1.機(jī)械復(fù)合加工2.電化學(xué)復(fù)合加工3.電火花復(fù)合加工796.6光刻蝕加工光刻加工技術(shù)主要用于制作集成電路、微型機(jī)械等高精度微細(xì)線條所構(gòu)成的高密度復(fù)雜圖形，是納米加工的一種重要加工手段。806.7快速原型制造

81快速原型制造（RapidPrototype（Part）Manufacturing—RPM）的零件是一個(gè)三維空間實(shí)體，它可認(rèn)為是由在某個(gè)坐標(biāo)方向上的若干個(gè)“面”疊加而成，因此，利用離散／堆集成形概念，可以將一個(gè)三維實(shí)體分解為若干二維實(shí)體制造出來(lái)，再經(jīng)堆積而構(gòu)成三維實(shí)體，這就是快速成形（零件）制造的基本原理，是一種分層制造方法。82

8485選配法直接選配法分組選配法復(fù)合選配法8687快速原型制造的發(fā)展趨勢(shì)（1）功能零件制造（2）概念模型制造（3）與生物技術(shù)結(jié)合88RPM制作的脊柱模型快速原型制造的鈦合金產(chǎn)品6.8機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)

1.機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)是研究對(duì)制造過(guò)程的規(guī)劃、運(yùn)作、管理、組織、控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化等的自動(dòng)化加工技術(shù)。機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)如下：①提高或保證產(chǎn)品的質(zhì)量；②減少人的勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)量，改善勞動(dòng)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，節(jié)省能源消耗，降低產(chǎn)品成本；⑤提高產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)速度和競(jìng)爭(zhēng)能力。89機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)自20世紀(jì)20年代出現(xiàn)以來(lái)，大致經(jīng)歷了剛性自動(dòng)化、柔性自動(dòng)化及綜合自動(dòng)化三個(gè)階段。90比較項(xiàng)目自動(dòng)化方式剛性自動(dòng)化柔性自動(dòng)化綜合自動(dòng)線產(chǎn)生年代20世紀(jì)20年代20世紀(jì)50年代20世紀(jì)70年代控制對(duì)象設(shè)備、工裝、器材、物流設(shè)備、工裝、器材、物流設(shè)備、工裝、器材、信息、物流特點(diǎn)通過(guò)機(jī)、電、液、氣等硬件控制方式實(shí)現(xiàn)，因而是剛性的，變化困難的以硬件為基準(zhǔn)，以軟件為支撐，通過(guò)改變程序即可實(shí)現(xiàn)所需的控制，因而是柔性，易于變動(dòng)的不僅針對(duì)具體操作和人的體力勞動(dòng)，而且涉及人的腦力勞動(dòng)，涉及設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷、管理等各方面關(guān)鍵技術(shù)繼電器程序控制技術(shù)，經(jīng)典控制論數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論系統(tǒng)工程、信息技術(shù)、成組技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)典型裝備與系統(tǒng)（半）自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)械手、自動(dòng)生產(chǎn)線數(shù)控機(jī)床、加工中心、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造單元（FMC）CAD/CAM系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）應(yīng)用范圍大批量生產(chǎn)多品種、小批量各種生產(chǎn)類型2.柔性制造系統(tǒng)

FMS一般是由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床和加工中心組成，并有自動(dòng)上下料裝置、倉(cāng)庫(kù)和輸送系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)及其軟件的集中控制下，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。它具有高度柔性，是一種計(jì)算機(jī)直接控制的自動(dòng)化可變加工系統(tǒng)。

91柔性制造系統(tǒng)的適用范圍與傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)線相比，具有以下特點(diǎn)：1）具有高度柔性2）設(shè)備利用率高3）自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)?？梢詫?shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)自動(dòng)工作4）產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率提高

929394柔性制造系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

CIMS是一種組織、管理、運(yùn)行企業(yè)的哲理，它將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，借助計(jì)算機(jī)，使企業(yè)產(chǎn)品的生命周期各階段活動(dòng)中有關(guān)的人、組織、經(jīng)費(fèi)管理和技術(shù)等要素及信息流、物流和價(jià)值流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造活動(dòng)中的計(jì)算機(jī)化、信息化、智能化、集成化，以達(dá)到產(chǎn)品上市快、高質(zhì)、低耗、服務(wù)好、環(huán)境清潔，提高企業(yè)柔性、健壯性、敏捷性，使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。CIMS的核心是信息集成。9596CIMS的組成4.工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人(IndustrialRobot-IR)是整個(gè)制造系統(tǒng)自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。IR是一種可以搬運(yùn)物料、零件、工具或完成多種操作功能的專用機(jī)械裝置；由計(jì)算機(jī)控制，是無(wú)人參與的自主自動(dòng)化控制系統(tǒng)；是可編程、具有柔性的自動(dòng)化系統(tǒng)，可允許進(jìn)入人機(jī)聯(lián)系。工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。97981－執(zhí)行機(jī)構(gòu)2－控制系統(tǒng)3－驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的組成目前工業(yè)機(jī)器人主要用于機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械加工、搬運(yùn)，工件及工件夾具裝卸、焊接、噴漆、裝配、檢驗(yàn)和拋光修正等。除此之外，機(jī)器人在核能、海洋、太空探索、軍事、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著材料技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也在不斷地發(fā)展。99100

工業(yè)機(jī)器人在汽車工業(yè)中的應(yīng)用6.9先進(jìn)制造生產(chǎn)模式制造模式是指企業(yè)體制、經(jīng)營(yíng)、管理、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)的形態(tài)和運(yùn)作的模式。先進(jìn)的制造技術(shù)必須在與之相匹配的制造生產(chǎn)模式里運(yùn)作才能發(fā)揮作用。

先進(jìn)制造模式的主要特點(diǎn)是：需求啟動(dòng)，依靠科學(xué)進(jìn)步，企業(yè)合作，柔性制造，生產(chǎn)組織精干，企業(yè)管理體制先進(jìn)，注重環(huán)保。近年來(lái)，國(guó)外先后提出的敏捷制造、精益生產(chǎn)等先進(jìn)制造生產(chǎn)模式。1016.9先進(jìn)制造生產(chǎn)模式

1.敏捷制造敏捷制造(AgileManufacturing-AM)是21世紀(jì)的先進(jìn)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(dòng)態(tài)(虛擬)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分利用信息，發(fā)揮人的創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和營(yíng)銷的總體敏捷化，從而快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，共同取得繁榮發(fā)展。102美國(guó)提出敏捷制造的主要思想是充分意識(shí)到小規(guī)模、模塊化的生產(chǎn)方式和一個(gè)公司不追求全能，而追求很有特色的、很先進(jìn)的局部?jī)?yōu)勢(shì)。當(dāng)市場(chǎng)上新的機(jī)遇出現(xiàn)時(shí)，企業(yè)為快速響應(yīng)，采取相互聯(lián)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的合作方式，組織幾個(gè)有實(shí)力的公司合作構(gòu)成企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，各自貢獻(xiàn)特長(zhǎng)，以最快的速度、最優(yōu)的組合贏得市場(chǎng)機(jī)遇，任務(wù)完成之后，該聯(lián)盟自行解散而獨(dú)立經(jīng)營(yíng)。當(dāng)出現(xiàn)新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)時(shí)，再重新組建新的虛擬公司。這種形式又被稱為虛擬公司，其核心是“敏捷”。103敏捷制造的敏捷性體現(xiàn)在：1）持續(xù)變化性

產(chǎn)品和過(guò)程技術(shù)發(fā)展迅速，制造企業(yè)采用適應(yīng)這種變化的管理模式。

2）快速反應(yīng)性

持續(xù)變化的市場(chǎng)要求公司相互共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，以抓住市場(chǎng)機(jī)遇。

3）高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

由用戶對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)來(lái)衡量質(zhì)量。

4）低的費(fèi)用

敏捷系統(tǒng)應(yīng)有合理的消耗，以合理的費(fèi)用滿足市場(chǎng)的需求。104

2.并行工程并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)的各種過(guò)程（包括制造過(guò)程和支持過(guò)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(jì)一開始就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求。105并行工程是充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)來(lái)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)參與者的協(xié)同工作，重視產(chǎn)品開發(fā)過(guò)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(guò)程的系統(tǒng)化方法。106并行工程可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，它適用于產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、復(fù)雜程度高、開發(fā)成本高的行業(yè)。并行工程在國(guó)外航空、航天、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子、汽車、化工等工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，取得了顯著的效益。1076.9先進(jìn)制造生產(chǎn)模式3.準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)(JustInTime-JIT)是源于日本豐田汽車公司的一種生產(chǎn)管理方法，它的基本思想是：只在需要的時(shí)候，按需要的量生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的核心是追求一種無(wú)庫(kù)存的生產(chǎn)系統(tǒng)，或使庫(kù)存達(dá)到最小的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)體系。為此而開發(fā)了包括“看板””在內(nèi)的一系列具體方法，并逐漸形成了一套獨(dú)具特色的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)體系。108JIT的實(shí)施，要求制造系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)改變與之適應(yīng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛運(yùn)用，以及供應(yīng)鏈規(guī)劃軟件的問(wèn)世，公司已經(jīng)能夠?qū)IT擴(kuò)展延伸至組織邊界之外。通過(guò)要求供應(yīng)商實(shí)時(shí)提供原材料，實(shí)現(xiàn)JIT生產(chǎn)，公司的訂貨、配送等流程變得更快捷、更靈活、更高效?，F(xiàn)在，綜合化的供需網(wǎng)絡(luò)（亦被稱之為“電子供應(yīng)鏈”）已經(jīng)正在形成。1096.9先進(jìn)制造生產(chǎn)模式4.精良生產(chǎn)精良生產(chǎn)(LeanProduction-LP)是20世紀(jì)50年代日本豐田公司首創(chuàng)的生產(chǎn)方式，又稱為精益生產(chǎn)，是相對(duì)于大量生產(chǎn)(MassProduction)而言的一種新型生產(chǎn)方式。110精良生產(chǎn)方式是以最少的投入來(lái)獲得成本低、質(zhì)量高、產(chǎn)品投放市場(chǎng)快、用戶滿意為目標(biāo)的一種生產(chǎn)方式。它以人為本，以簡(jiǎn)化為手段，以盡善盡美為最終目標(biāo)，使人員、設(shè)備大為減少，產(chǎn)品開發(fā)周期大為縮短，而生產(chǎn)出的產(chǎn)品品種更多、質(zhì)量更好。精良生產(chǎn)方式主張并力求消除一切非生產(chǎn)的費(fèi)用，而且能生產(chǎn)出更好更多地滿足用戶各種需求的變型產(chǎn)品。111精良生產(chǎn)的中心思想就是以人為中心，生產(chǎn)工人在生產(chǎn)中享有充分的自主權(quán)，充分發(fā)揮職工的創(chuàng)造性。在各個(gè)環(huán)節(jié)上均需要去掉無(wú)用的東西，每個(gè)員工及其崗位的安排原則都是保證增值，不能增值的崗位撤除，達(dá)到精益求精的目的。其核心就是“精良”。112精益生產(chǎn)把“完美”作為不懈追求的目標(biāo)，即持續(xù)不斷地改進(jìn)生產(chǎn)，消除廢品，降低庫(kù)存，降低成本和使產(chǎn)品品種多樣化。富有凝聚力、善于發(fā)揮主觀能動(dòng)性的團(tuán)隊(duì)、高度靈活的生產(chǎn)柔性、六個(gè)σ的質(zhì)量管理原則等一系列措施，都是追求完美的有力保證。完美就是精益求精，這就要求企業(yè)永遠(yuǎn)致力于改進(jìn)和不斷進(jìn)步。1136.9先進(jìn)制造生產(chǎn)模式5.網(wǎng)絡(luò)化制造網(wǎng)絡(luò)化制造指的是：面對(duì)市場(chǎng)機(jī)遇，針對(duì)某一市場(chǎng)需要，利用以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的信息高速公路，靈活而迅速地組織社會(huì)制造資源，把分散在不同地區(qū)的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備資源、智力資源和各種核心能力，按資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原則，迅速地組合成一種沒(méi)有圍墻的、超越空間約束的、靠電子手段聯(lián)系的、統(tǒng)一指揮的經(jīng)營(yíng)實(shí)體即網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)，以便快速推出高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品。114采用網(wǎng)絡(luò)化制造能提高制造資源的利用率，實(shí)現(xiàn)制造資源的共享，提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)速度，增加制造業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。網(wǎng)絡(luò)化制造是建立在以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的信息高速公路的基礎(chǔ)上，因此必須建立和完善相應(yīng)的法律、法規(guī)框架與電子商務(wù)環(huán)境，建立國(guó)家制造資源信息網(wǎng)，形成信息支持環(huán)境。115116

網(wǎng)絡(luò)化全球制造系統(tǒng)信息技術(shù)正在推動(dòng)制造業(yè)技術(shù)的、組織的變革。敏捷制造正是借助于網(wǎng)絡(luò)化制造來(lái)實(shí)現(xiàn)的。廣大企業(yè)已逐漸認(rèn)識(shí)到，面對(duì)信息時(shí)代的到來(lái)，企業(yè)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，采用網(wǎng)絡(luò)化制造模式將有助于提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。1176.9先進(jìn)制造生產(chǎn)模式6.虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造(VirtualManufacturing-VM)是以制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體等多種技術(shù)為一體，由多學(xué)科知識(shí)形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。118它將現(xiàn)實(shí)制造環(huán)境及其制造過(guò)程通過(guò)建立系統(tǒng)模型映射到計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)所支撐的虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境下模擬現(xiàn)實(shí)制造環(huán)境及制造過(guò)程的一切活動(dòng)和產(chǎn)品的制造全過(guò)程，并對(duì)產(chǎn)品制造及制造系統(tǒng)的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。119虛擬制造系統(tǒng)是在虛擬制造思想指導(dǎo)下的一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)集成的、虛擬的制造系統(tǒng)。在信息集成基礎(chǔ)上，通過(guò)組織管理、技術(shù)、資源和人機(jī)集成實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的集成。在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，在基于虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)可視化和多媒體技術(shù)的虛擬環(huán)境下，在各種人工智能技術(shù)和方法的支持下，通過(guò)集成地應(yīng)用各種建模、仿真分析技術(shù)和工具，實(shí)現(xiàn)集成的、并行的產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程，以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、生產(chǎn)規(guī)劃、120調(diào)度和管理的測(cè)試，利用分布式協(xié)同求解，以提高制造企業(yè)內(nèi)各級(jí)決策和控制能力，使企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)、自我完善、自我改造和自我發(fā)展