先進(jìn)制造技術(shù)論文2[1]23.doc

先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)0 .前言31. 先進(jìn)制造技術(shù)的概述32. 先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)43. 先進(jìn)制造技術(shù)的現(xiàn)狀54. 先進(jìn)制造的發(fā)展趨勢(shì)75. 柔性制造技術(shù)105.1柔性105.2柔性制造技術(shù)115.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）115.2.2 柔性制造單元（FMC）125.2.3 柔性制造線（FML）125.2.4 柔性制造工廠（FMF）126 .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)136.1 CIMS 系統(tǒng)的功能組成136.2 CIMS 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析146.2.1 保障和提高了新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量146.2.2 縮短了新產(chǎn)品的上市周期156.2.3 經(jīng)營管理科學(xué)化, 同時(shí)降低了產(chǎn)品的成本157 超精密加工技術(shù)157.1 超精密加工的技術(shù)范疇167.2 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)177.2.1 主軸177.2.2 直線導(dǎo)軌177.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)187.2.4 超精密測(cè)控技術(shù)187.2.5 微進(jìn)給技術(shù)197.2.6 超精密環(huán)境控制技術(shù)207.2.7 加工原理217.3 結(jié)論218 結(jié)語220 .前言制造業(yè)是現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)和綜合國力的重要支柱, 在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展與國家安全中占有重要戰(zhàn)略地位, 其生產(chǎn)總值一般占一個(gè)國家國內(nèi)生產(chǎn)總值的20% 55%。世界各國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng), 主要是先進(jìn)制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng), 其競(jìng)爭(zhēng)能力又體現(xiàn)在所生產(chǎn)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率上。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及顧客需求和市場(chǎng)環(huán)境的不斷變化, 這種競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈, 因而各國政府都非常重視對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)( advancedmanufactuing technology, 先進(jìn)制造技術(shù))的研究。1. 先進(jìn)制造技術(shù)的概述先進(jìn)制造技術(shù), 往往用先進(jìn)制造技術(shù)來概括由于微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)等給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說, 先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果, 并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程, 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn), 提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的制造技術(shù)的總稱。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比, 當(dāng)代的先進(jìn)制造技術(shù)以其高效率、高品質(zhì)和對(duì)于市場(chǎng)變化的快速響應(yīng)能力為主要特征。先進(jìn)制造技術(shù)是生產(chǎn)力的主要構(gòu)成因素, 是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。它擔(dān)負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各部門和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)學(xué)科提供裝備、工具和檢測(cè)儀器的重要任務(wù), 成為國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)賴以生存和發(fā)展的/ 土壤0。尤其是一些尖端科技, 如航空、航天、微電子、光電子、激光、分子生物學(xué)和核能等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展, 如果沒有先進(jìn)制造技術(shù)作為基礎(chǔ), 是根本不可能的。2. 先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造技術(shù)主要包括以下3個(gè)技術(shù)群(圖1):a) 主體技術(shù)群: 這是制造技術(shù)的核心, 它包括兩個(gè)基本部分: 有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝技術(shù)。1) 面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)群。面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)群系指用于生產(chǎn)準(zhǔn)備的工具群和技術(shù)群。設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)費(fèi)用、產(chǎn)品品質(zhì)以及新產(chǎn)品上市時(shí)間都有很大影響。產(chǎn)品和制造工藝的設(shè)計(jì)可以采用一系列工具, 例如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( CAD) 以及工藝過程建模和仿真等, 生產(chǎn)設(shè)施、裝備和工具, 甚至整個(gè)制造企業(yè)都可以采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有效地設(shè)計(jì)。2) 制造工藝技術(shù)群( 制造技術(shù)環(huán)境)。制造工藝技術(shù)群是指用于物質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程及設(shè)備。制造工藝技術(shù)群是有關(guān)加工和裝配的技術(shù), 也是制造技術(shù)的傳統(tǒng)領(lǐng)域。b) 支撐技術(shù)群: 支撐技術(shù)群是指支持設(shè)計(jì)和制造工藝兩方面取得進(jìn)步的基礎(chǔ)性的核心技術(shù)。基本的生產(chǎn)過程需要一系列的支撐技術(shù), 如: 測(cè)試和檢驗(yàn)、物料搬運(yùn)、生產(chǎn)計(jì)劃的控制以及包裝等。它們也是用于保證和改善主體技術(shù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行所需的技術(shù), 是工具、手段和系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)技術(shù)。支撐技術(shù)群包括:1) 信息技術(shù): 接口和通信、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、集成框架、軟件工程人工智能、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策支持系統(tǒng);2) 標(biāo)準(zhǔn)和框架: 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、3) 機(jī)床和工具技術(shù);4) 傳感器和控制技術(shù): 單機(jī)加工單元和過程的控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和傳感器組合、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃;5) 其他。c) 制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施: 制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施是指為了管理好各種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)群的開發(fā)并鼓勵(lì)這些技術(shù)在整個(gè)國家制造行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用而采取的各種方案和機(jī)制。制造技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施是使先進(jìn)的制造技術(shù)與企業(yè)組織管理體制和使用技術(shù)的人員協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)工程, 是先進(jìn)制造技術(shù)不可分割的一個(gè)組成部分。圖1 AM T 體系結(jié)構(gòu)3. 先進(jìn)制造技術(shù)的現(xiàn)狀先進(jìn)制造技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)和工業(yè)創(chuàng)新的集成和典范, 是國家制造業(yè)水準(zhǔn)的主要標(biāo)志, 是國家工業(yè)的基礎(chǔ)和支柱。目前, 世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家已充分認(rèn)識(shí)到發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的重要性和緊迫感, 紛紛對(duì)此進(jìn)行廣泛深入的研究, 展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。各種創(chuàng)新成果和先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。它們主要包括: 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( computer integrated manufacturing system,CIMS), 敏捷制造( agile manu factur ing, AM), 并行工程( concurrent engineer ing, CE ), 虛擬制造( virtua lmanufactur2ing, VM)以及可持續(xù)發(fā)展技術(shù)等等。a) CIMS是現(xiàn)代信息技術(shù)條件下的新一代制造系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)來輔助制造系統(tǒng)的集成, 以充分的、及時(shí)的信息交流或信息共享將企業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)車間以及供銷和管理部門集成為一個(gè)有機(jī)的整體, 使他們相互協(xié)調(diào)地運(yùn)作,以提高產(chǎn)品品質(zhì), 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期, 提高生產(chǎn)效率, 確保企業(yè)的整體效益, 提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和生存能力。b) CE是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進(jìn)行并行、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化的工作模式。在傳統(tǒng)的串行開發(fā)過程中, 設(shè)計(jì)中的問題或不足, 要分別在加工、裝配或售后服務(wù)中才能被發(fā)現(xiàn), 然后再修改設(shè)計(jì),改進(jìn)加工、裝配或售后服務(wù)(包括維修服務(wù))。而CE就是將設(shè)計(jì)、工藝和制造結(jié)合在一起, 利用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)并行作業(yè), 大大縮短生產(chǎn)周期(圖2)。圖2 串、并行工程時(shí)序的比較c) AM 是指企業(yè)實(shí)現(xiàn)敏捷生產(chǎn)經(jīng)營的一種制造哲理和生產(chǎn)模式。AM包括產(chǎn)品制造機(jī)械系統(tǒng)的柔性、員工授權(quán)、制造商和供應(yīng)商關(guān)系、總體品質(zhì)管理及企業(yè)重構(gòu)。AM是借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu), 構(gòu)造有多個(gè)企業(yè)參加的/ VM0環(huán)境, 以競(jìng)爭(zhēng)合作的原則, 在虛擬制造環(huán)境下動(dòng)態(tài)選擇合作伙伴, 組成面向任務(wù)的虛擬公司, 進(jìn)行快速和最佳生產(chǎn)。d) VM是虛擬現(xiàn)實(shí)( virtual reality, VR) 技術(shù)在制造中的應(yīng)用。VM實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù), 以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、VR 技術(shù)為支柱, 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)之前, 就能使人體會(huì)到或感覺到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài), 從而可以做出前瞻性的決策與優(yōu)化實(shí)施方案。VM 技術(shù)是對(duì)真實(shí)制造過程的動(dòng)態(tài)模擬、仿真, 是在計(jì)算機(jī)上制造數(shù)字化產(chǎn)品, 在VM環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進(jìn)行試驗(yàn), 對(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià), 從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期, 降低產(chǎn)品的開發(fā)成本, 提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。VM技術(shù)是CE, AM, 精益生產(chǎn)的支撐技術(shù), 是品質(zhì)工程實(shí)現(xiàn)的有力保證。e) 可持續(xù)設(shè)計(jì)是在生態(tài)哲學(xué)的指導(dǎo)下, 將設(shè)計(jì)行為納入/ 社會(huì)2經(jīng)濟(jì)2環(huán)境2人類0的系統(tǒng)中, 既實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值又保護(hù)人與自然的共同繁榮, 旨在平衡環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三方面的設(shè)計(jì)實(shí)踐和設(shè)計(jì)管理。可持續(xù)設(shè)計(jì)包含并超越了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì), 并代表了人類對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新思考, 是產(chǎn)品設(shè)計(jì)學(xué)科的新的發(fā)展方向。目前可持續(xù)設(shè)計(jì)并不成熟, 主要設(shè)計(jì)工具有生命周期評(píng)價(jià)( LCA); 面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE ); 面向材料選擇的設(shè)計(jì)(DFMS); 面向拆裝的設(shè)計(jì)(DFD); 面向回收的設(shè)計(jì)(DFR) 等, 可持續(xù)設(shè)計(jì)可以說是人類文明的巨大進(jìn)步。4. 先進(jìn)制造的發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)制造業(yè)追求的目標(biāo)是: 高品質(zhì)、高效率、高柔性、低成本、低勞動(dòng)力、低消耗、品種多和規(guī)格全的產(chǎn)品, 因此,ATM的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:a) 制造技術(shù)向自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展: 隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 推動(dòng)了制造技術(shù)向更深層次發(fā)展。基于CAD /CAM技術(shù)的CIMS是制造業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要方向。CIMS 通過CAX ( CAD, CAPP,CAE, CAM)系統(tǒng)和PDM 系統(tǒng), 進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真, 并結(jié)合數(shù)字化制造設(shè)備, 進(jìn)行自動(dòng)加工。并采用MRPII /ERP系統(tǒng), 對(duì)整個(gè)企業(yè)的物流、資金流、管理信息流和人力資源進(jìn)行數(shù)字化管理。智能制造技術(shù)( IMT )是將人工智能融入制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié), 通過模擬人類專家的智能活動(dòng), 取代或延伸制造系統(tǒng)中的部分腦力勞動(dòng), 在制造過程中系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài), 在外界干擾或內(nèi)部激勵(lì)下能自動(dòng)調(diào)整其參數(shù), 以達(dá)到最佳狀態(tài)和具備自組織能力。例如機(jī)器人加工就是將機(jī)床與機(jī)器人、傳感器、控制器組合而成的智能制造系統(tǒng), 它具有信息處理和知覺反饋、決策能力, 可同時(shí)控制指揮多種操作, 從而能提高效率、保證品質(zhì)和降低成本。b) 精密成形與加工: 精密加工、超精密加工技術(shù)、微型機(jī)械是先進(jìn)制造技術(shù) 發(fā)展的方向之一。精密和超精密加工技術(shù)包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特種加工和復(fù)合加工(如機(jī)械化學(xué)研磨、超聲磨削和電解拋光等) 三大領(lǐng)域。超精密加工技術(shù)己向納米技術(shù)發(fā)展。納米技術(shù)已在納米機(jī)械學(xué)、納米電子學(xué)和納米材料技術(shù)得到了應(yīng)用。c) 新型特種加工方法的形成: 特種加工亦稱非傳統(tǒng)加工或現(xiàn)代加工方法, 泛指用電能、光能、熱能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法。它包括激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束加工技術(shù)、等離子加工技術(shù)、電加工技術(shù)等。今后, 特種加工將從實(shí)際出發(fā), 在融合傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)上大力開發(fā)特種加工領(lǐng)域中的新方法, 包括微細(xì)加工和復(fù)合加工。d) 制造業(yè)中廣泛應(yīng)用VM 技術(shù)和柔性制造技術(shù): 制造過程中的VM 是指面向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的模擬和檢驗(yàn)。VM的核心是計(jì)算機(jī)仿真, 通過仿真軟件來模擬真實(shí)系統(tǒng), 以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品工藝的合理性, 保證產(chǎn)品制造的成功和生產(chǎn)周期, 發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中不可避免的缺陷和錯(cuò)誤。所謂柔性, 是指一個(gè)制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力, 它與系統(tǒng)方案、人員和設(shè)備有關(guān)。系統(tǒng)方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務(wù), 完成數(shù)量和時(shí)間要求的適應(yīng)能力。設(shè)備柔性是指機(jī)床能在短期內(nèi)適應(yīng)新零件的加工能力。e) 網(wǎng)絡(luò)化和全球化: 隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展和普及, 企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、零件制造、市場(chǎng)開拓與產(chǎn)品銷售等都可以異地或跨越國界進(jìn)行。此外, 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展, 加速技術(shù)信息的交流、加強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)的合作和經(jīng)營管理的學(xué)習(xí), 推動(dòng)了企業(yè)向著既競(jìng)爭(zhēng)又合作的方向發(fā)展。因此制造業(yè)發(fā)展的必然是由網(wǎng)絡(luò)化迅速向全球化邁進(jìn)。f) 實(shí)施無污染綠色制造: 綠色制造是通過綠色生產(chǎn)過程、綠色設(shè)計(jì)、綠色材料、綠色設(shè)備、綠色工藝、綠色包裝、綠色管理等生產(chǎn)出綠色產(chǎn)品, 產(chǎn)品使用完以后再通過綠色處理后加以回收利用。采用綠色制造能最大限度地減少制造對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響, 同時(shí)使原材料和能源的利用效率達(dá)到最高。對(duì)于目前世界資源緊張, 環(huán)境惡化的現(xiàn)狀以及人類的持續(xù)發(fā)展的要求來講, 綠色制造是必然的趨勢(shì)。5. 柔性制造技術(shù) 5.1柔性柔性可以表述為兩個(gè)方面。第一方面是系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力，可用系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度來衡量；第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力，可用在有干擾(如機(jī)器出現(xiàn)故障)情況下，系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比來衡量。“柔性”是相對(duì)于“剛性”而言的，傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率很高，由于設(shè)備是固定的，所以設(shè)備利用率也很高，單件產(chǎn)品的成本低。但價(jià)格相當(dāng)昂貴，且只能加工一個(gè)或幾個(gè)相類似的零件，難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時(shí)代正逐漸被適應(yīng)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)所替換，一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開發(fā)周期內(nèi)，生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。柔性已占有相當(dāng)重要的位置。柔性主要包括：機(jī)器柔性。當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時(shí)，機(jī)器隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程度。工藝柔性。一是工藝流程不變時(shí)自身適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力；二是制造系統(tǒng)內(nèi)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。產(chǎn)品柔性。一是產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；二是產(chǎn)品更新后，對(duì)老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力。維護(hù)柔性。采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。生產(chǎn)能力柔性。當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)也能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。對(duì)于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng)，這一點(diǎn)尤為重要。擴(kuò)展柔性。當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候，可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個(gè)更大系統(tǒng)的能力。運(yùn)行柔性。利用不同的機(jī)器、材料、工藝流程來生產(chǎn)一系列產(chǎn)品的能力和同樣的產(chǎn)品，換用不同工序加工的能力。5.2柔性制造技術(shù)柔性制造技術(shù)是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象實(shí)現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的總和。柔性制造技術(shù)是技術(shù)密集型的技術(shù)群，我們認(rèn)為凡是側(cè)重于柔性，適應(yīng)于多品種、中小批量(包括單件產(chǎn)品)的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)。目前，按規(guī)模大小劃分為：5.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）FMS 包含2 臺(tái)以上具有自動(dòng)刀具交換和自動(dòng)工件托盤交換裝置的數(shù)控機(jī)床，以加工中心為核心設(shè)備，配有自動(dòng)物料傳遞和管理系統(tǒng)，如有軌運(yùn)輸小車或自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸小車，并在中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制和管理下，動(dòng)態(tài)地平衡資源地有效利用，具有生產(chǎn)調(diào)度和對(duì)加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，可動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)多種零件族的自動(dòng)加工。5.2.2 柔性制造單元（FMC）FMC 可視為一個(gè)規(guī)模最小的FMS，是FMS 向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它由12 臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性，現(xiàn)已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。5.2.3 柔性制造線（FML）FML 是處于單一或少品種大批量非柔性自動(dòng)線與中小批量多品種FMS 之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC 機(jī)床，亦可采用專用機(jī)床或NC 專用機(jī)床，對(duì)物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS) 為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化，其技術(shù)已日臻成熟，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用化階段。5.2.4 柔性制造工廠（FMF）FMF 是將多條FMS 連接起來，配以自動(dòng)化立體倉庫，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）投入實(shí)際，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤化。FMF 將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營管理的自動(dòng)化連成一個(gè)整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)（IMS）為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動(dòng)化。6 .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing Systems,簡(jiǎn)稱CIMS), 是隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。它借助于計(jì)算機(jī)的硬件、軟件技術(shù), 綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)。對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)、管理、計(jì)劃、調(diào)度、經(jīng)營、銷售等整個(gè)生產(chǎn)過程中的信息進(jìn)行統(tǒng)一處理, 并對(duì)分散在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中各種孤立的自動(dòng)化子系統(tǒng)的功能進(jìn)行有機(jī)地集成,并優(yōu)化運(yùn)行, 從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本。它是工廠自動(dòng)化的發(fā)展方向, 未來制造業(yè)工廠的模式, 是當(dāng)代生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿學(xué)科, 也是集中多種高新技術(shù)為一體的現(xiàn)代化制造技術(shù)。6.1 CIMS 系統(tǒng)的功能組成一般CIMS 有六部分組成(1)管理信息系統(tǒng)(MIS): 具有生產(chǎn)計(jì)劃與控制、經(jīng)營管理、銷售管理、采購管理、財(cái)務(wù)管理等功能, 處理生產(chǎn)任務(wù)方面的信息。(2)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用分系統(tǒng)(CAD&CAPP): 由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工藝編制和數(shù)控程序編制等功能組成, 用以支持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝準(zhǔn)備, 處理有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的信息。(3)車間管理與自動(dòng)化應(yīng)用分系統(tǒng)(CAM): 也可以稱為計(jì)算機(jī)輔助制造分系統(tǒng), 它包括各種不同自動(dòng)化程度的制造設(shè)備和子系統(tǒng), 用來實(shí)現(xiàn)信息流對(duì)物流的控制和完成物流的轉(zhuǎn)換。它是信息流和物流的接合部, 用來支持企業(yè)的制造功能。(4)計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量保障分系統(tǒng)(CAQ): 具有制訂質(zhì)量管理計(jì)劃、實(shí)施質(zhì)量管理、處理質(zhì)量方面信息、支持質(zhì)量保證等功能。(5)數(shù)據(jù)庫存管理分系統(tǒng): 用以管理整個(gè)CIMS 的數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與共享。(6)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng): 用以傳遞CIMS 各分系統(tǒng)之間和分系統(tǒng)內(nèi)部的信息, 實(shí)現(xiàn)CIMS 的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能。它們的聯(lián)接關(guān)系如圖1 示:6.2 CIMS 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析6.2.1 保障和提高了新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量CIMS(包括并行工程和虛擬制造技術(shù)等)使企業(yè)提高了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的深度, 大大有利于提高企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量。CIMS 建立了企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理全方位的計(jì)算機(jī)集成制造環(huán)境, 做到了企業(yè)信息流、物流、資金流的集成。市場(chǎng)綜合反饋信息在CIMS(MIS部分: 管理信息分系統(tǒng))的支持下, 迅速反饋到CIMS程設(shè)計(jì)自動(dòng)化分系統(tǒng)(CAD/CAPP /CAM/CAE), 產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)、CAD 等系統(tǒng)支持下, 綜合產(chǎn)品過去設(shè)計(jì)成果及各項(xiàng)信息(包括零部件明細(xì)、價(jià)格、供貨質(zhì)量、生產(chǎn)加工能力等), 在MIS 過來的市場(chǎng)綜合反饋信息地推動(dòng)下, 就能不斷設(shè)計(jì)出更加滿足市場(chǎng)需求的高爭(zhēng)論、低成本、適銷對(duì)路的產(chǎn)品6.2.2 縮短了新產(chǎn)品的上市周期CIMS 是一個(gè)集成化的生產(chǎn)模式, 覆蓋了市場(chǎng)分析、經(jīng)營決策、新產(chǎn)品研制、工程設(shè)計(jì)、加工制造、庫存供應(yīng)、質(zhì)量保證、銷后服務(wù)等整個(gè)制造業(yè)的活動(dòng), 并力圖實(shí)現(xiàn)三流集成。在這種環(huán)境支持下, 通過企業(yè)信息的快速流動(dòng), 加速了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。同時(shí), 由于在設(shè)計(jì)時(shí)參考了產(chǎn)品的可制造性等特性, 在MIS 及制造自動(dòng)化系統(tǒng)的支持下, 也極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)及銷售分派效率, 這些都保證了企業(yè)新產(chǎn)品上市周期的顯著改善。6.2.3 經(jīng)營管理科學(xué)化, 同時(shí)降低了產(chǎn)品的成本在經(jīng)營管理方面, 使企業(yè)的經(jīng)營決策和生產(chǎn)管理趨于科學(xué)化。使企業(yè)能夠在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中, 快速、準(zhǔn)確地報(bào)價(jià), 贏得時(shí)間; 在實(shí)際生產(chǎn)中,解決“瓶頸”問題, 減少再制品, 同時(shí), 降低了庫存資金的占用。調(diào)查材料表明, 采用計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)后, 企業(yè)新產(chǎn)品的各項(xiàng)因素發(fā)生了明顯的變化,。 7 超精密加工技術(shù)超精密加工是在超精密機(jī)床設(shè)備上利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和極低表面粗糙度的加工過程，其精度從微米到亞微米，乃至納米。它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。而且，超精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測(cè)量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。7.1 超精密加工的技術(shù)范疇由于加工技術(shù)水平的發(fā)展，超精密加工劃分的界限逐漸向前推移，但在具體數(shù)值上沒有固定的界定。根據(jù)目前技術(shù)水平及國內(nèi)外專家的看法，對(duì)中小型零件的加工形狀誤差 和表面粗糙度Ra的數(shù)量級(jí)可分為以下檔次。精密加工: =1.00.1 m，Ra=0.10.03 m；超精密加工： =0.10.01 m，Ra=0.030.005 m；納微米加工： 0.01 m，Ra0.005 m。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工技術(shù)日趨成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微細(xì)加工、超精密計(jì)量等，并向更高層次發(fā)展。超精密加工的影響因素很多，只有廣泛研究和綜合采用各種新技術(shù)，并在各方面精益求精，才能突破目前常規(guī)加工技術(shù)不能達(dá)到的精度界限。實(shí)現(xiàn)超精密切削加工的條件主要包括超精密加工機(jī)床、超精密切削刀具、超精密加工環(huán)境、超精密加工的工件材質(zhì)、超精密加工用夾具和超精密測(cè)控技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。超精密加工技術(shù)實(shí)際上就是這些技術(shù)的綜合應(yīng)用。7.2 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)7.2.1 主軸機(jī)床的主軸在加工過程中直接帶動(dòng)工件或刀具運(yùn)動(dòng)，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度。現(xiàn)在超精密加工機(jī)床中精度最高的主軸采用的是空氣靜壓軸承，其實(shí)用精度可達(dá)0.05 m，但還不能滿足納米級(jí)加工的要求。近年來磁懸浮軸承的發(fā)展非常迅速，有望在未來有所突破，但目前還達(dá)不到空氣靜壓軸承的精度。而提高空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度的途徑之一是提高軸及軸套的圓度，因?yàn)槔碚撋线@兩者是成正比的。另外，還要想辦法提高氣孔供氣的平穩(wěn)性。通過多孔粉末冶金材料的小孔供氣是理想的供氣形式，有待進(jìn)一步研究。此外，還可以利用控制技術(shù)以補(bǔ)償?shù)男问絹頊p小或消除回轉(zhuǎn)誤差。7.2.2 直線導(dǎo)軌總的來說，從精度角度看，空氣導(dǎo)軌是現(xiàn)在最好的導(dǎo)軌。雖然它沒有液體靜壓導(dǎo)軌的剛性大，但氣浮導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)也很明顯， 如無需進(jìn)行油溫控制，對(duì)環(huán)境沒有污染。此外，納米級(jí)精度加工機(jī)床的負(fù)荷和行程沒有那么大，所以應(yīng)優(yōu)先考慮空氣導(dǎo)軌。目前，空氣導(dǎo)軌的直線度可達(dá)（0.10.2）m/250 mm，國內(nèi)303所也可做到0.1 m/200 mm的水平。納米水平的機(jī)床導(dǎo)軌行程比上述要短，通過補(bǔ)償技術(shù)還可進(jìn)一步提高導(dǎo)軌的直線度。國防科技大學(xué)利用二維微進(jìn)給裝置補(bǔ)償導(dǎo)軌直線度，取得了較好的效果，可補(bǔ)償?shù)?.1 m/300 mm 的精度水平。在導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還有潛力可挖，如采用多根導(dǎo)軌并聯(lián)來加強(qiáng)氣膜的誤差勻化作用，加大氣墊式導(dǎo)軌跨度來縮小直線度誤差等。由于空氣導(dǎo)軌的氣膜厚度大概只有10 m，在使用過程中防塵顯得很重要，若不保證潔凈的環(huán)境，導(dǎo)軌有可能因?yàn)榛覊m而受損傷，這種損傷常常是難以修復(fù)的。7.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)傳統(tǒng)進(jìn)給裝置的主要任務(wù)之一是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，主要使用滾珠絲杠。與軸承一樣，為了克服摩擦引起的爬行和反向間隙現(xiàn)象，出現(xiàn)了靜壓絲杠。由于介質(zhì)膜的均化作用，目前的空氣靜壓絲杠分辨率可達(dá)到0.01 m，進(jìn)給精度比C0級(jí)滾珠絲杠高2個(gè)數(shù)量級(jí)，但剛度有所欠缺。所以，又出現(xiàn)了傳動(dòng)原理類似齒輪齒條傳動(dòng)的摩擦傳動(dòng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)無反向間隙的傳動(dòng)，同時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，彈性變形因素較小。目前，已有的摩擦傳動(dòng)分辨率能達(dá)到1.25 nm，定位精度能達(dá)到0.1 m，而根據(jù)其原理，采用高分辨率的電機(jī)還可以使這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)一步減小。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它一般被用作補(bǔ)償工具。用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、彈性鉸鏈支撐的微位移機(jī)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。7.2.4 超精密測(cè)控技術(shù)在距離的測(cè)量儀器中，雙頻激光干涉儀測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大，但對(duì)環(huán)境的要求過高，在使用中有很多困難。近年來，微光學(xué)器件的發(fā)展使光柵技術(shù)有了很大的進(jìn)步。德國Heidenhain 的超精密光柵尺被世界各超精密設(shè)備廠家選用。在小距離的測(cè)量儀器中，電容式、電感式測(cè)微儀仍是主要的設(shè)備，光纖測(cè)微儀也發(fā)展很快。在更小測(cè)量范圍的測(cè)量儀器中有掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡，這些儀器可進(jìn)行納米級(jí)的測(cè)量，常用于表面質(zhì)量檢測(cè)。測(cè)量儀器的穩(wěn)定性和可靠性也是超精密測(cè)量中的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。7.2.5 微進(jìn)給技術(shù)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它一般被用來微進(jìn)給或作補(bǔ)償工具。壓電陶瓷材料具有較好的微位移特性和可控制性。以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)器的基于彈性鉸鏈支撐的微位移機(jī)構(gòu)目前是用得最多的。美國LODTM機(jī)床上用的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)（FTS）在1.27 m范圍內(nèi)分辨率達(dá)2.5 nm，頻響可達(dá)100 Hz，可進(jìn)行主軸回轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償（轉(zhuǎn)速在150 r/min 以下）。日本東京工業(yè)大學(xué)用壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)補(bǔ)償氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度，可將直線度提高到0.14 m/600 mm。國防科技大學(xué)利用自研的二維微進(jìn)給刀具進(jìn)行二坐標(biāo)工作臺(tái)定位誤差的補(bǔ)償，獲得了較好的效果。在機(jī)床跟蹤半徑50 mm的圓時(shí)，定位誤差從0.7 m 提高到0.033 m。這種微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在行程是5 m時(shí)分辨率可達(dá)5 nm。目前希望解決的是提高這種機(jī)構(gòu)的頻響和剛度，對(duì)于主軸回轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償來說100 Hz的頻響是不夠的。開環(huán)控制可提高系統(tǒng)的頻響，但會(huì)犧牲剛性和精度。利用補(bǔ)償技術(shù)來提高機(jī)床的精度是一種有效的手段。7.2.6 超精密環(huán)境控制技術(shù)為了適應(yīng)超精密加工的需要，達(dá)到微米甚至納米級(jí)的加工精度，必須對(duì)它的支撐環(huán)境加以嚴(yán)格的控制，主要包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境、聲環(huán)境和磁環(huán)境等?？諝猸h(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)是潔凈度， 一般超精密加工要求的潔凈度在1 000100級(jí)，即每立方米空間0.5 m大小的塵埃不多于351 00035100個(gè)(1ft3的空間0.5 m大小的塵埃不多于1 000100個(gè))。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)空氣潔凈度提出了更加苛刻的要求，美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209D上增加了1級(jí)和10級(jí)的潔凈度級(jí)別。熱環(huán)境與加工精度有密切關(guān)系，熱環(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)為溫度和濕度。普通金屬在溫度變化1 時(shí)的熱膨脹量約為1.6 m，所以為進(jìn)行亞微米精度的加工，溫度變動(dòng)范圍應(yīng)控制在0.05 ，相對(duì)濕度控制在35%45%為宜。目前，實(shí)用的溫度控制技術(shù)最高水平為美國的恒溫油噴淋技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)200.002 5 的溫度控制。振動(dòng)是影響超精密加工精度的又一重要因素。利用良好的隔振地基和空氣隔振墊，可以隔離絕大部分“常時(shí)振動(dòng)”，是目前應(yīng)用較多的隔振手段。另外，還應(yīng)考慮設(shè)備運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)平衡或振動(dòng)隔離，消除或減少內(nèi)部振源，盡量遠(yuǎn)離外部振源。通過綜合努力，70 Hz以下的振動(dòng)幅度小于1 m，滿足超精密加工的要求。7.2.7 加工原理超精密加工的精度要求越來越高，機(jī)床相對(duì)工件的精度裕度已很小。在這種情況下，只是靠改進(jìn)原來的技術(shù)是很難提高的，應(yīng)該從工作原理著手進(jìn)行研究，來尋求解決辦法