先進制造技術技術第七組先進制造技術應用

先進制造技術應用交通SJ1326班第7組先進制造技術應用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)代科學技術的進步，特別是微電子技術、計算機技術、信息技術等與制造技術的深度結(jié)合，制造工業(yè)的面貌發(fā)生了深刻的變化，形成了先進（現(xiàn)代）制造體系。先進制造技術的內(nèi)涵及范圍很廣，本章扼要介紹先進制造工程技術中的數(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、柔性制造技術的概念和應用場合。先進制造技術應用數(shù)控加工技術1.1數(shù)字控制與數(shù)控機床的概念數(shù)字控制(NumericalControl)是用數(shù)字化信號對機械設備的運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控（NC）。數(shù)控機床就是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。進一步說，數(shù)控機床是一種以數(shù)字量作為指令信息形式，通過電子計算機或?qū)Ｓ秒娮佑嬎阊b置，對這種信息進行處理而實現(xiàn)自動控制的機床。1.2數(shù)控機床的基本組成及工作原理工藝分析數(shù)控加工程序數(shù)控加工圖樣數(shù)控裝置數(shù)控設備圖1數(shù)控機床加工零件的工作過程數(shù)控加工技術數(shù)控機床的基本組成見圖2所示。加工程序輸入輸出裝置數(shù)控系統(tǒng)輔助控制裝置伺服驅(qū)動裝置檢測反饋裝置機床本體圖2數(shù)控機床的基本組成數(shù)控機床的種類很多，從不同角度對其進行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法：數(shù)控加工技術1.3數(shù)控機床的分類按工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控沖裁機等。特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等。按運動軌跡分類點位控制系統(tǒng)：如圖3a所示點位直線控制控制系統(tǒng)：如圖3b所示輪廓控制系統(tǒng)：如圖3c所示數(shù)控加工技術圖3b點位直線控制加工示意圖圖3a點位控制加工示意圖圖3c輪廓控制加工示意圖數(shù)控加工技術開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制方式分類半閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)環(huán)數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)沒有有位位置置測測量量裝裝置置，，信信號號流流是是單單向向的的（（數(shù)數(shù)控控裝裝置置→→進進給給系系統(tǒng)統(tǒng)）），，故故系系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定定性性好好。。這這類類系系統(tǒng)統(tǒng)具具有有結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡單單、、工工作作穩(wěn)穩(wěn)定定、、調(diào)調(diào)試試方方便便、、維維修修簡簡單單、、價價格格低低廉廉等等優(yōu)優(yōu)點點，，在在精精度度和和速速度度要要求求不不高高、、驅(qū)驅(qū)動動力力矩矩不不大大的的場場合合得得到到廣廣泛泛應應用用。。一一般般用用于于經(jīng)經(jīng)濟濟型型數(shù)數(shù)控控機機床床。。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4開開環(huán)環(huán)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)原原理理圖圖數(shù)控控加加工工技技術術數(shù)控控加加工工技技術術全閉閉環(huán)環(huán)數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)全閉閉環(huán)環(huán)數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)的的位位置置采采樣樣點點如如圖圖的的虛虛線線所所示示，，直直接接對對運運動動部部件件的的實實際際位位置置進進行行檢檢測測。。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)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5閉閉環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制原原理理圖圖數(shù)控控加加工工技技術術半閉閉環(huán)環(huán)數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)半閉閉環(huán)環(huán)數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)的的位位置置采采樣樣點點如如圖圖所所示示，，是是從從驅(qū)驅(qū)動動裝裝置置(常常用用伺伺服服電電機機)或或絲絲杠杠引引出出，，采采樣樣旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角度度進進行行檢檢測測，，不不是是直直接接檢檢測測運運動動部部件件的的實實際際位位置置。。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際速度反饋檢測與反饋單元實際位置反饋實際速度反饋圖6半半閉閉環(huán)環(huán)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)原原理理圖圖數(shù)控控加加工工技技術術1.4數(shù)數(shù)控控機機床床的的特特點點及及應應用用范范圍圍1.數(shù)數(shù)控控機機床床的的加加工工特特點點加工工精精度度高高對加加工工對對象象的的適適應應性性高高生產(chǎn)產(chǎn)效效率率高高有利利于于生生產(chǎn)產(chǎn)管管理理自動動化化程程度度高高，，勞勞動動強強度度低低良好好的的經(jīng)經(jīng)濟濟效效益益有利利于于現(xiàn)現(xiàn)代代化化管管理理數(shù)控控加加工工技技術術1.4數(shù)數(shù)控控機機床床的的特特點點及及應應用用范范圍圍2.數(shù)數(shù)控控機機床床的的應應用用范范圍圍多品品種種小小批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)的的零零件件形狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)比比較較復復雜雜的的零零件件生產(chǎn)產(chǎn)效效率率高高精度度要要求求比比較較高高的的零零件件需要要頻頻繁繁改改型型的的零零件件價格格昂昂貴貴，，不不允允許許報報廢廢的的零零件件需要要生生產(chǎn)產(chǎn)周周期期短短的的零零件件快速速成成形形技技術術2.1快速速成成形形技技術術的的概概念念快速速成成形形技技術術（RP,RapidPrototyping））是是運運用用堆堆積積成成形形法法，，由由CAD模模型型直直接接驅(qū)驅(qū)動動的的快快速速制制造造任任意意復復雜雜形形狀狀三三維維實實體體的的技技術術總總稱稱。。RP技技術術的的成成形形原原理理不同同于于常常規(guī)規(guī)制制造造的的去去除除法法（（切切削削加加工工、、電電火火花花加加工工等等））和和變變形形法法（（鑄鑄造造、、鍛鍛造造等等）），，而而是是利利用用光光、、電電、、熱熱等等手手段段，，通通過過固固化化、、燒燒結(jié)結(jié)、、粘粘結(jié)結(jié)、、熔熔結(jié)結(jié)、、聚聚合合作作用用或或化化學學等等方方式式，，有有選選擇擇地地固固化化（（或或粘粘結(jié)結(jié)））液液體體材材料料，，實實現(xiàn)現(xiàn)材材料料的的遷遷移移和和堆堆積積，，形形成成所所需需要要的的原原型型零零件件。?？焖俪尚渭技夹g是綜合利用用CAD技技術、數(shù)控控技術、激激光加工技技術和材料料技術實現(xiàn)現(xiàn)從零件設設計到三維維實體原型型制造一體體化的系統(tǒng)統(tǒng)技術。它它采用軟件離離散——材料堆堆積的原理理實現(xiàn)零件件的成形，，如圖4所所示。2.3快快速成形技技術的工藝藝方法RP技術的的具體工藝藝有很多種種，根據(jù)采采用的材料料和對材料料的處理方方式不同，，選擇其中中3種方法法的工藝原原理進行介介紹。1.選擇性性液體固化化又稱光固化化法，該方方法的典型型實現(xiàn)工藝藝有立體光光刻（SL,StereoLithography），，其工藝原原理如圖5所示。光固化法是是目前應用用最廣的快快速成形制制造方法。。其主要特特點是：制制造精度高高、表面質(zhì)質(zhì)量好、原原材料利用用率接近100%；；能制造形形狀復雜及及特別精細細的零件；；能使用成成形材料較較脆、材料料固化伴隨隨一定收縮縮率的材料料制造所需需零件。2.2快快速成形技技術的工作作原理快速成形技技術零件三維曲曲面或?qū)嶓w體模型CAD數(shù)控代碼二維層片三維實體圖4快速速成形基本本過程返回文檔激光器零件光敏樹脂液面升降臺圖5光固固化法工藝藝原理圖Z返回文檔2.選擇性性層片粘結(jié)結(jié)選擇性層片片粘結(jié)又稱分層實實體制造、、疊層制造造法（LOM,LaminatedObjectManufaturing）），其工藝藝原理如圖圖6所示。。疊層法的主主要特點是：不需要要制作支撐撐；激光只只作輪廓掃掃描，而不不需填充掃掃描，成形形率高；運運行成本低低；成形過過程中無相相變且殘余余應力小，，適合于加加工較大尺尺寸零件；；但材料利利用率較低低，表面質(zhì)質(zhì)量差。3.選擇性性粉末熔結(jié)結(jié)/粘結(jié)選擇性粉末末熔結(jié)/粘粘結(jié)又稱燒燒結(jié)法（SLS，SelectiveLaserSintering），其工藝藝原理如圖圖7所示。。激光選區(qū)燒燒結(jié)法的主主要特點是：不需要要制作支撐撐；成形零零件的機械械性能好，，強度高；；粉末較松松散，燒結(jié)結(jié)后精度不不高，Z軸軸精度難以以控制?？焖俪尚渭技夹g加工平面升降臺收料軸CO2激光器熱壓輥控制計算機機料帶供料軸圖6疊層層法工藝原原理圖返回文檔圖7激激光選區(qū)燒燒結(jié)法工藝藝原理圖掃描鏡激光束平整滾筒激光器粉末返回文檔2.4快快速成形技技術的特點點和用途1.主要特特點1）高度柔柔性；2）技術的的高度集成成；3）設計制制造一體化化；4）快速性性；5）自由成成形制造(FreeFormFabrication，F(xiàn)FF)；6）材料的的廣泛性。。2.用途1）產(chǎn)品設設計評估與與功能測驗驗；2）快速模模具制造；；3）醫(yī)學上上的仿生制制造；4）藝術品品的制造；；5）直接制制造金屬型型。快速成形技技術3.1超精密加工工技術超精密加工工是指被加加工零件的的尺寸精度為0.1～0.01μm，加工表表面粗糙度度達Ra0.03～～0.0051μm數(shù)量級的的加工技術術。隨著加加工技術的的發(fā)展，超超精密加工工的技術指指標也在不不斷變化。。一般加工：：精度10μμm左右，，Ra0.3～～0.8μμm；精密加工：：精度10——0.1μμm左右，，Ra0.3——0.03μm；超精密加工工：精度0.1—0.01μm左左右，Ra0.03—0.05μm；；納米加工：：精度高于0.001μm，Ra小于0.005μμm。超精密加工工的主要方方法有：1）金剛石石刀具超精精密切削；；2）精密和和鏡面磨削削；3）精密研研磨和拋光光；超精密與納納米加工技技術1.金剛石石刀具超精精密切削；；金剛石刀具具擁有很高的高溫溫強度和硬硬度，而且且材質(zhì)細密密，經(jīng)過精精細研磨，，切削刃可可磨得極為為鋒利，表表面粗糙度度值很小，，因此可進進行鏡面切切削。金剛石刀具具超精密切切削主要用用于加工銅、鋁鋁等有色金金屬，如高高密度硬磁磁盤的鋁合合金基片、、激光器的的反射鏡、、復印機的的硒鼓、光光學平面鏡鏡，凹凸鏡鏡、拋物面面鏡等。2.精密和和鏡面磨削削磨削時尺寸寸精度和幾幾何精度主主要靠精密密磨床保證證，可達亞亞微米級精精度（指精精度為1~10-2μm）。在某些些超精密磨磨床上可磨磨出十納米米精度的工工件。在精精密磨床上上使用細粒粒度磨粒砂砂輪可磨削削出Ra=0.1～～0.05μm的表表面。使用用金屬結(jié)合合劑砂輪的的在線電解解修整砂輪輪的鏡面磨磨削技術可可得到Ra0.01～0.002μm的鏡面。。超精密與納納米加工技技術3.精密研研磨和拋光光；精密研磨和和拋光技術術意指：使用用超細粒度度的自由磨磨料，在研研具的作用用和帶動下下加工表面面，產(chǎn)生壓壓痕和微裂裂紋，依次次去除表面面的微細突突出處，加加工出Ra0.01～0.02μm的的鏡面。超精密加工工是以精密密元件為加加工對象。。超精密加加工必須具具有穩(wěn)定的的加工環(huán)境境，即必須須在恒溫、、超凈、防防振等條件件下進行。。另外，精精密測量是是超精密加加工的必要要手段，否否則無法判判斷加工精精度。超精密與納納米加工技技術3.2納納米加工工技術納米（Nanometer））,是一個個長度單位位，簡寫為為nm。1nm=10-3μμm=10-9m。。納米技術是20世紀紀80年代代末期誕生生并在蓬勃勃發(fā)展的一一種高新科科學技術。。納米不僅僅是一個空空間尺度上上的概念，，而且是一一種新的思思維方式，，即生產(chǎn)過過程越來越越細，以至至于在納米米尺度上直直接由原子子、分子的的排布制造造的具有特特定功能的的產(chǎn)品。1.納米技技術的含義義納米技術是是指納米級級（0.1~100nm）的的材料、設設計、制造造、測量、、控制和產(chǎn)產(chǎn)品的技術術。它將加加工和測量量精度從微微米級提高高到納米級級。2.納米技技術的主要要內(nèi)容納米技術是是一門多學學科交叉的的高新技術術，從基礎礎研究角度度來看，納納米技術包包括：納米米生物學、、納米電子子學、納米米化學、納納米材料和和納米機械械學等新學學科。超精密與納納米加工技技術超精密與納納米加工技技術3.納米級級加工納米級加工工是指：加工精度高高于10-3μm，表面面粗糙度Ra小于0.005μm，達到納米級級精度。包包括納米級級尺寸精度度、納米級級幾何形狀狀精度和納納米級表面面質(zhì)量。納米級加工工方法包括括：機械加工、、化學腐蝕蝕、能量束束加工、復復合加工、、掃描隧道道顯微加工工等。納米級機械械加工方法法包括：單晶金剛石石刀具的超超精密磨削削；金剛石石砂輪和立立方氮化硼硼砂輪的超超精密磨削削及鏡面磨磨削；衍磨磨和砂帶拋拋光等固定定磨料工具具的加工；；衍磨、拋拋光等自由由磨料的加加工等。工業(yè)機器人人4.1工藝機器人人的基本概概念1.工業(yè)機機器人的定定義工業(yè)機器人人（IndustrialRobot,簡稱稱Robot）是一種可可重復編程程的、自動動控制的、、多自由度度的、機體體獨立的自自動操作機機械。2.工業(yè)機機器人的組組成（1）執(zhí)行行系統(tǒng)（2）驅(qū)動動系統(tǒng)（3）控制制系統(tǒng)（4）檢測測系統(tǒng)（5）智能能系統(tǒng)3.工藝機機器人的分分類按系統(tǒng)功能能分類：專用機器人人、通用機機器人、示示教再現(xiàn)機機器人、智智能機器人人按結(jié)構(gòu)形式式分類：直角坐標機機器人、圓圓柱坐標機機器人、球球坐標機器器人、關節(jié)節(jié)機器人。。按驅(qū)動方式式分類：氣壓傳動機機器人、液液壓傳動機機器人、電電力傳動機機器人。按承擔工作作任務性質(zhì)質(zhì)可分為：：搬運機器人和和作業(yè)機器人人。雖然工業(yè)機器器人品種繁多多，但從設計計與使用角度度出發(fā)，工業(yè)業(yè)機器人的主主要技術性能能參數(shù)包括：：運動自由度、、工作空間、、工作負荷、、運動速度、、位置精度。。工業(yè)機器人4.2工業(yè)業(yè)機器人的應應用工業(yè)機器人的的最初應用主主要是對人體體有危險或危危害的操作環(huán)環(huán)境。今天，在現(xiàn)代代制造業(yè)中，，利用機器人人能擴大機械械制造系統(tǒng)的的功能和范圍圍，以及提高高自動化程度度，是實現(xiàn)柔柔性自動化的的基本設備。。用于生產(chǎn)中的的工業(yè)機器器人有：鑄造造機器人、焊焊接機器人、、噴漆機器人人、裝配機器器人、搬運機機器人等。此此外，高壓作作業(yè)線、服裝裝剪裁、管道道作業(yè)、擦玻玻璃的機器人人也發(fā)揮著巨巨大的作用。。柔性制造技術術傳統(tǒng)的專用機機床和“剛性”自自動生產(chǎn)線雖雖然有很高的的生產(chǎn)效率，，但其加工的的零件形狀和和尺寸單一，，難以改變，，這對于大批批大量生產(chǎn)是是合適的。為為滿足多品種種、小批量、、產(chǎn)品更新?lián)Q換代周期短的的要求，20世紀70年年代以來，隨隨著微電子技技術，特別是是計算機技術術、傳感技術術的發(fā)展，一一種以機械加加工為主的柔柔性制造技術術得到迅速發(fā)發(fā)展，主要有有柔性制造單單元、柔性制制造系統(tǒng)、計計算機集成制制造系統(tǒng)。5.1柔性性制造單元FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工工中心的基礎礎上，增加了了貯存工件的的自動料庫、、輸送系統(tǒng)所所構(gòu)成的自動動加工系統(tǒng)。。如圖8所示示為配有托盤盤交換系統(tǒng)的的FMC。FMC適于多品種、小批批量工件的生生產(chǎn)。FMC具有規(guī)模小小、成本低，，便于擴展等等優(yōu)點。但FMC的信息息系統(tǒng)自動化化程度較低，，加工柔性不不高