智能制造技術(shù)基礎(chǔ) 第六章 智能制造裝備

6.智能制造裝備概述智能數(shù)控機(jī)床工業(yè)機(jī)器人3D打印裝備智能生產(chǎn)線與智能工廠主要內(nèi)容6.1概述6.1概述智能制造是人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合，是面向產(chǎn)品全生命周期，以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以制造系統(tǒng)為載體，在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程，具有一定自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析、預(yù)測(cè)、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、成本及交貨期等目標(biāo)優(yōu)化。6.1概述實(shí)現(xiàn)智能制造的利器就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的工具軟件和制造裝備，包括以下類型：計(jì)算機(jī)輔助工具，如CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，如ICT信息測(cè)試、FCT功能測(cè)試）等；計(jì)算機(jī)仿真工具，如物流仿真、工程物理仿真（包括結(jié)構(gòu)分析、聲學(xué)分析、流體分析、熱力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、復(fù)合材料分析等多物理場(chǎng)仿真）、工藝仿真等；3）工廠/車間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）/PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等；智能裝備，如高檔數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人、增材制造裝備（3D打印機(jī)）、智能傳感與控制裝備、智能檢測(cè)與裝配裝備、智能物流與倉儲(chǔ)裝備等；新一代信息技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。6.2智能數(shù)控機(jī)床6.2.1智能數(shù)控機(jī)床概念智能機(jī)床指的是以人為核心，充分發(fā)揮相關(guān)機(jī)器的輔助作用，在一定程度上科學(xué)合理的應(yīng)用智能決策、智能執(zhí)行以及自動(dòng)感知等方式。智能機(jī)床能對(duì)其自身的職能監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、自動(dòng)感知以及最終決策加以科學(xué)合理的輔助，確保整個(gè)加工制造過程趨向于高效運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)低耗以及優(yōu)質(zhì)等目標(biāo)。智能機(jī)床借助溫度、加速度和位移等傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)床工作狀態(tài)和環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，優(yōu)化切削參數(shù)，抑制或消除振動(dòng)，補(bǔ)償熱變形，充分發(fā)揮機(jī)床的潛力，是基于模型的閉環(huán)制造系統(tǒng)。6.2.1智能數(shù)控機(jī)床概念6.2.1智能數(shù)控機(jī)床概念智能機(jī)床的另一特征是網(wǎng)絡(luò)通信，它是工廠網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可實(shí)機(jī)床之間和車間管理系統(tǒng)的相互通信，提高生產(chǎn)系統(tǒng)效率和效益。它是從加工設(shè)備進(jìn)化到工廠網(wǎng)絡(luò)的終端，生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)床與機(jī)床、機(jī)床與各級(jí)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，使生產(chǎn)透明化，機(jī)床融入企業(yè)的組織和管理。6.2.2 智能機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)1.智能數(shù)控技術(shù)機(jī)床最關(guān)鍵的部位就是智能數(shù)控技術(shù)，主要包含數(shù)據(jù)采集以及開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)等技術(shù)。較為常見的開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)往往是遵循開放性原則，科學(xué)合理的對(duì)相關(guān)數(shù)控系統(tǒng)加以開發(fā)，在機(jī)床中將其合理應(yīng)用，其自身具有擴(kuò)展性、互換性以及操作性等顯著優(yōu)勢(shì)。目前該架構(gòu)主要包含兩部分：系統(tǒng)平臺(tái)以及應(yīng)用軟件。6.2.2 智能機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)6.2.2 智能機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)2.大數(shù)據(jù)采集以及分析技術(shù)從目前智能數(shù)控機(jī)床技術(shù)的實(shí)際發(fā)展情況來看，要想不斷優(yōu)化大數(shù)據(jù)分析過程，首先要確保相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化，在一定程度上確保數(shù)據(jù)分析能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)合理，最終為相應(yīng)的決策提供可靠性依據(jù)，目前很多數(shù)控系統(tǒng)往往是將數(shù)據(jù)采集接口裝置加以合理應(yīng)用，為相關(guān)數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性以及有效性提供可靠性保障。另外，科學(xué)合理的使用大數(shù)據(jù)采集以及分析技術(shù)能確保相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化管理，在獲取相應(yīng)的制造數(shù)據(jù)后，在此基礎(chǔ)上讓整個(gè)加工過程以及相關(guān)數(shù)據(jù)形成科學(xué)合理的聯(lián)系，最大化減少人為因素的影響，對(duì)加工效率造成直接影響，同時(shí)在一定程度上確保相關(guān)數(shù)據(jù)的管理實(shí)現(xiàn)人工智能化，推動(dòng)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。6.2.3智能機(jī)床案例1、i5智能機(jī)床Industry（工業(yè)控制），Information（工業(yè)信息），Internet（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)），Intelligence（工業(yè)智慧），Integration（工業(yè)集成）的i5智能控制系統(tǒng)。i5智能數(shù)控系統(tǒng)不僅是機(jī)床運(yùn)動(dòng)

控制器，同時(shí)還是工廠網(wǎng)絡(luò)的智能終端。i5智能數(shù)控系統(tǒng)不僅

包含工藝支持、特征編程、圖形診斷、在線加工過程仿真等智能化功能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了操作智能化、編程智能化、維護(hù)智能化和管理智能化。同時(shí)開發(fā)出Wis車間信息管理系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)床、iFactory智能工廠工廠、iSESOL工業(yè)云、i5OS工業(yè)操作系統(tǒng)等多個(gè)

系列軟件平臺(tái)，通過智能機(jī)床的廣泛應(yīng)用，將改變未來制造工業(yè)的工業(yè)模式，引領(lǐng)世界智能制造的發(fā)展潮流。6.2.3智能機(jī)床案例6.2.3智能機(jī)床案例i5數(shù)控系統(tǒng)的智能化表現(xiàn)以下幾方面:1）操作智能化可通過觸摸屏來操作整個(gè)系統(tǒng)，機(jī)床加工狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)同步到手機(jī)或平板電腦，象征著用戶

“指尖上的工廠”。不論用戶在哪里，一機(jī)在手即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作、管理、監(jiān)控，實(shí)時(shí)傳遞和交換機(jī)床的加工信息。2）在線加工仿真在線工藝仿真系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)模擬機(jī)床的加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工藝經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累，進(jìn)一步可以快速響應(yīng)用戶的工藝支持請(qǐng)求，獲得來自互聯(lián)網(wǎng)上的“工藝大師”的經(jīng)驗(yàn)支持。3）智能補(bǔ)償

集成有基于數(shù)學(xué)模型的螺距誤差補(bǔ)技術(shù)，能使i5

智能機(jī)床達(dá)到定位精度5

μｍ，重復(fù)定位精度3μｍ。6.2.3智能機(jī)床案例智能診斷

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)在診斷上反饋的是代碼，而i5

數(shù)控系統(tǒng)反饋的是事件。它能夠替代人去查找代碼，幫助操作者判斷問題所在，可對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)控，給維護(hù)人員提供數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析提供幫助。智能車間管理i5數(shù)控系統(tǒng)與車間管理系統(tǒng)（WIS）高度集成，記錄機(jī)床運(yùn)行的信息，包括使用時(shí)間、加工進(jìn)度、能源消耗等，給車間管理人員提供定單和計(jì)劃完成情況的分析，還可以把機(jī)床的物料消耗、人力成本通過財(cái)務(wù)體系融合進(jìn)來，及時(shí)歸集整個(gè)車間的運(yùn)營(yíng)成本。6.2.3智能機(jī)床案例2.INC智能機(jī)床華中數(shù)控、寶雞機(jī)床、華中科技大學(xué)提出了新一代智能機(jī)床（IMT）的新理念，開展了智能數(shù)控系統(tǒng)（INC，IntelligentNC）和智能機(jī)床（INC-MT，Intelligent

NC

MachineTools）的探索：1）自主感知

通過獨(dú)創(chuàng)的“指令域”大數(shù)據(jù)匯聚方法，按毫秒級(jí)采樣周期匯集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電控?cái)?shù)據(jù)、插補(bǔ)數(shù)據(jù)，以及溫度、振動(dòng)、視覺等外部傳感器數(shù)據(jù)，形成數(shù)控加工指令域“心電圖”和“色譜圖”。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既是“執(zhí)行器”，又是“感知器”。實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工過程的狀態(tài)信息和工況信息的自主感知，建立了數(shù)控機(jī)床的全生命周期“數(shù)字雙胞胎”（Digital

Twins）和“人-信息-物理系統(tǒng)”（Human-Cyber-Physical

Systems,HCPS）。6.2.3智能機(jī)床案例自主學(xué)習(xí)

在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和新一代人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了大數(shù)據(jù)智能（可視化、大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)）的開放式技術(shù)平臺(tái)，形成智能機(jī)床共創(chuàng)、共享、共用的研發(fā)模式和商業(yè)模式的生態(tài)圈。從大數(shù)據(jù)中隱含的“關(guān)聯(lián)關(guān)系”中，應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，獲得數(shù)控加工智能化控制知識(shí)，通過開放的技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能控制策略、知識(shí)的積累和共享。自主決策

根據(jù)數(shù)控加工的實(shí)時(shí)工況和狀態(tài)信息，利用自主學(xué)習(xí)所獲得的智能控制策略和知識(shí)，形成多目標(biāo)優(yōu)化加工的智能控制“i-代碼”。自主執(zhí)行

通過獨(dú)創(chuàng)的“雙碼聯(lián)控”控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)數(shù)控加工的“G-代碼”（第一代碼）和多目標(biāo)優(yōu)化加工的智能控制“i-代碼”（第二代碼）的同步運(yùn)行，達(dá)到數(shù)控加工的優(yōu)質(zhì)、高效、可靠、安全和低耗的目的。6.2.3智能機(jī)床案例1）高精

采用全閉環(huán)高精度光柵尺反饋；根據(jù)實(shí)際需要，在機(jī)床的主軸、各進(jìn)給軸上新增溫度傳感器若干個(gè)、振動(dòng)傳感器若干個(gè)，如圖6.5。具有智能熱誤差補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償、主軸自動(dòng)避振等智能化功能。2）高效

高速鉆攻中心的主軸轉(zhuǎn)速24000轉(zhuǎn)/分；快移速度60米/分，加速度1G；具有加工工藝參數(shù)評(píng)估、三維曲面雙碼聯(lián)控高速加工等智能化功能。6.2.3智能機(jī)床案例自動(dòng)化HNC-848D的多通道功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床和華數(shù)機(jī)器人的“一腦雙控”，大幅降低數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料控制的硬件成本。智能化具有加工工藝參數(shù)優(yōu)化、智能斷刀檢測(cè)、智能刀具壽命管理、加工工程視覺智能監(jiān)控、自生長(zhǎng)自學(xué)習(xí)加工工藝數(shù)據(jù)庫、機(jī)床健康狀態(tài)預(yù)測(cè)性維護(hù)、主軸動(dòng)平衡分析和智能健康管理、進(jìn)給軸全生命周期負(fù)荷圖、基于二維碼的維修案例管理與搜索、INC-Cloud智能云管家移動(dòng)端APP、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)效率統(tǒng)計(jì)分析等全面智能化功能。6.2.3智能機(jī)床案例6.3工業(yè)機(jī)器人6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念工業(yè)機(jī)器人在世界各國(guó)的定義不完全相同，但是其含義基本一致。ISO對(duì)工業(yè)機(jī)器人定義為：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”。ISO

8373有更具體的解釋：“工業(yè)機(jī)器人有自動(dòng)控制與再編程、多用途功能，機(jī)器人操作機(jī)有三個(gè)或三個(gè)以上的可編程軸，在工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用中，機(jī)器人的底座可固定也可移動(dòng)”。u．s．Robotics

Industry．Association對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義為：“工業(yè)機(jī)器人是用來進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可再編程的多功能機(jī)械手，或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置”。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)及英國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)也有類似的定義。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化重要裝備。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念工業(yè)機(jī)器人的顯著特點(diǎn)有以下四個(gè)方面：仿人功能工業(yè)機(jī)器人通過各種傳感器感知工作環(huán)境，達(dá)到自適應(yīng)能力。在功能上模仿人的腰、臂、手腕、手抓等部位達(dá)到工業(yè)自動(dòng)化的目的?？删幊坦I(yè)機(jī)器人作為柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，可編程能力是其對(duì)適應(yīng)工作環(huán)境改變能力的一種體現(xiàn)通用性工業(yè)機(jī)器人一般分為通用與專用兩類。通用工業(yè)機(jī)器人只要更換不同的末端執(zhí)行器就能完成不同的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。良好的環(huán)境交互性智能工業(yè)機(jī)器人在無人為干預(yù)的條件下，對(duì)工作環(huán)境有自適應(yīng)控制能力和自我規(guī)劃能力。。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、末端執(zhí)行器五部分組成。一.主體主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念二.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的必不可少的關(guān)鍵零部件，是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常由伺服電機(jī)以及伺服驅(qū)動(dòng)器組成。按動(dòng)力源分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。依據(jù)需求也可由這三種范例組合并復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；蛘咄ㄟ^同步帶、輪系、齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以實(shí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)作，這三類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各有特點(diǎn)，現(xiàn)在主流的是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用低慣量，大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用方便，控制靈敏。除了可以進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，伺服系統(tǒng)還可以進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念1、工業(yè)機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的要求快速響應(yīng)性，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)成正比或近似成正比，調(diào)速范圍寬，能使用于1:1000～1:10000的調(diào)速范圍。體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，以配合機(jī)器人的體形；能經(jīng)受住苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍過載。交流伺服驅(qū)動(dòng)器因其具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念2、伺服電機(jī)的核心技術(shù)信號(hào)接插件的可靠性國(guó)產(chǎn)伺服需要繼續(xù)改進(jìn)，而且接插件的小型化、高密度化也是趨勢(shì)，與伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計(jì)是個(gè)很好的做法，目前日系的伺服電機(jī)很多就是這樣設(shè)計(jì)的，方便安裝、調(diào)試、更換。編碼器的高精度尤其工業(yè)機(jī)器人上用的多圈絕對(duì)值編碼器3、大多數(shù)電機(jī)后面需安裝減速器，精密減速器是工業(yè)機(jī)器人最重要的零部件，機(jī)器人的速度、精度都與減速器有關(guān)，工業(yè)機(jī)器人使用的減速器主要包含：諧波減速器、RV減速器。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念1、諧波齒輪減速器諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來的一種新型減速器，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。諧波傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)精度高，傳動(dòng)比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動(dòng)慣量等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是能在密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)的。其缺點(diǎn)為在諧波齒輪傳動(dòng)中柔輪每轉(zhuǎn)發(fā)生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時(shí)，其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達(dá)到20′～30′甚至更大。受軸承間隙等影響可能引起37～6′的回程誤差，不具有自鎖功能。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念2、RV減速器RV減速器由一個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級(jí)組成。RV傳動(dòng)是新興起的一種傳動(dòng)，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動(dòng)的缺點(diǎn)，而且具有體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長(zhǎng)、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。RV減速器有較優(yōu)越的性能：①擺線針輪行星減速裝置中的傳動(dòng)零件剛度高、接觸應(yīng)力小，零件加工和安裝精度易于實(shí)現(xiàn)高精度，這就使得擺線針輪傳動(dòng)的效率很高；②行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與緊湊的W輸出機(jī)構(gòu)組合，使整個(gè)擺線針輪減速裝置結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此其結(jié)構(gòu)體積小和質(zhì)量輕；6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念③采用一齒差或少齒差傳動(dòng)，擺線針輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比大小取決于擺線針輪的齒數(shù)，齒數(shù)越多，傳動(dòng)比越大；④擺線針輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)要比漸開線外齒傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，因此承載能力較大；⑤擺線輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開線少齒差傳動(dòng)中內(nèi)齒輪的加工性能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長(zhǎng)。RV減速機(jī)是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，具有高精度、高剛性、體積小、速比大、承載能力大、耐沖擊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、傳動(dòng)效率高、回差小等優(yōu)點(diǎn)；廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、伺服控制、精密雷達(dá)驅(qū)動(dòng)、數(shù)控機(jī)床等高性能精密傳動(dòng)的場(chǎng)合，也適用于要求體積小、重量輕的工程機(jī)械、移動(dòng)車輛等裝備的普通動(dòng)力傳動(dòng)中。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念三.控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令從傳感器獲取反饋信號(hào)，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能，如控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的活動(dòng)范圍、姿勢(shì)和軌跡、動(dòng)作的時(shí)間等。如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)；如果機(jī)器人具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該部分主要由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成。軟件主要由人機(jī)交互系統(tǒng)和控制算法等組成。工業(yè)

機(jī)器人控制器是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心大腦?？刂破鞯闹饕蝿?wù)是對(duì)機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作空間坐標(biāo)和關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，完成機(jī)器人的軌跡規(guī)劃任務(wù)，實(shí)現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運(yùn)算、伺服運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器人軸數(shù)越多，對(duì)控制器性能要求也越高。機(jī)器人自由度的高低取決于其可移動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目，關(guān)節(jié)數(shù)愈多，自由度越高，位移精準(zhǔn)度也越高，其所使用的伺服電機(jī)數(shù)量就相對(duì)較多，即越精密的工業(yè)型機(jī)器人所用的伺服電機(jī)數(shù)量愈多。一般每臺(tái)多軸機(jī)器人由一套控制系統(tǒng)控制，也意味著控制器性能要求越高。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念四．感知系統(tǒng)它是由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊的構(gòu)成，獲取內(nèi)部和外部的環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。內(nèi)部傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間的角度）的傳感器，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。具體有：位置傳感器、角度傳感器等。外部傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（如檢測(cè)物體，距離物體的距離）及狀況（如檢測(cè)抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有距離傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器等。6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念6.3.1工業(yè)機(jī)器人概念五.末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器連接在機(jī)械手最后一個(gè)關(guān)節(jié)上的部件，它一般用來抓取物體，與其他機(jī)構(gòu)連接并執(zhí)行需要的任務(wù)。機(jī)器人制造上一般不設(shè)計(jì)或出售末端執(zhí)行器，多數(shù)情況下，他們只提供一個(gè)簡(jiǎn)單的抓持器。通常末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人6軸的法蘭盤上以完成給定環(huán)境中的任務(wù)，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等就是需要機(jī)器人來完成的任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人按照機(jī)械本體部分進(jìn)行分類，從基本結(jié)構(gòu)來看主要有直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、球坐標(biāo)式機(jī)器人、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人、平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人、柔軟臂式機(jī)器人、冗余自由度機(jī)器人、模塊式機(jī)器人等，從動(dòng)力源來看分為氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)三種；根據(jù)感知部分進(jìn)行分類，如視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器、接近傳感器等類型；根據(jù)控制部分進(jìn)行分類，如人工操縱機(jī)器人、固定程序機(jī)器人、可變程序機(jī)器人、重演式示教機(jī)器人、CNC機(jī)器人、智能機(jī)器人。6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合以及什么樣的制造流程來選擇合適的機(jī)器人。若應(yīng)用過程需要在人工旁邊由機(jī)器協(xié)同完成，如人機(jī)混合的半自動(dòng)線，特別是需要經(jīng)常變換工位或移位移線的情況，以及配合新型力矩感應(yīng)器的場(chǎng)合，協(xié)作型機(jī)器人應(yīng)該是一個(gè)很好的選項(xiàng)。如果是尋找一個(gè)緊湊型的取放料機(jī)器人，你可能想選擇一個(gè)水平關(guān)節(jié)型機(jī)器人。如果是尋找針對(duì)小型物件，快速取放的場(chǎng)合，并聯(lián)機(jī)器人最適合這樣的需求。垂直關(guān)節(jié)多軸機(jī)器人可以適應(yīng)一個(gè)非常大范圍的應(yīng)用，從上下料到碼垛，以及噴涂，去毛刺，焊接等。桁架機(jī)器人在機(jī)床上下料中空間利用合理、成本低、速度快、精度高、負(fù)載大，沖擊小，運(yùn)行平穩(wěn)。6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用a）垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人b）水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人c）并聯(lián)機(jī)器人d）協(xié)作機(jī)器人6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用有效負(fù)載有效負(fù)載是機(jī)器人在其工作空間可以攜帶的最大負(fù)荷。從例如3Kg到1300Kg不等。如果你希望機(jī)器人完成將目標(biāo)工件從一個(gè)工位搬運(yùn)到另一個(gè)工位，需要注意將工件的重量以及機(jī)器人手爪的重量加總到其工作負(fù)荷。另外特別需要注意的是機(jī)器人的負(fù)載曲線，在空間范圍的不同距離位置，實(shí)際負(fù)載能力會(huì)有差異。自由度（軸數(shù)）機(jī)器人配置的軸數(shù)直接關(guān)聯(lián)其自由度。如果是針對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的直來直去的場(chǎng)合，比如從一條皮帶線取放到另一條，簡(jiǎn)單的4軸機(jī)器人就足以應(yīng)對(duì)。但是，如果應(yīng)用場(chǎng)景在一個(gè)狹小的工作空間，且機(jī)器人手臂需要很多的扭曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，6軸或7軸機(jī)器人將是最好的選擇。6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用軸數(shù)一般取決于該應(yīng)用場(chǎng)合。應(yīng)當(dāng)注意，在成本允許的前提下，選型多一點(diǎn)的軸數(shù)在靈活性方面不是問題。這樣方便后續(xù)重復(fù)利用改造機(jī)器人到另一個(gè)應(yīng)用制程，能適應(yīng)更多的工作任務(wù)，而不是發(fā)現(xiàn)軸數(shù)不夠。機(jī)器人制造商傾向于使用各自略有不同的軸或關(guān)節(jié)命名。基本上，第一關(guān)節(jié)（J1）是最接近機(jī)器人底座的那個(gè)。接下來的關(guān)節(jié)稱為J2，J3，J4和依此類推，直到到達(dá)手腕末端。而有的公司則使用字母命名他們機(jī)器人的軸。6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用4.最大作動(dòng)范圍當(dāng)評(píng)估目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合的時(shí)候，應(yīng)該了解機(jī)器人需要到達(dá)的最大距離。選擇一個(gè)機(jī)器人不是僅僅憑它的有效載荷-也需要綜合考量

它到達(dá)的確切距離。每個(gè)公司都會(huì)給出相應(yīng)機(jī)器人的作動(dòng)范圍圖，由此可以判斷，該機(jī)器人是否適合于特定的應(yīng)用。如圖6.11所示，機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)范圍，注意機(jī)器人在近身及后方的一片非工作區(qū)域。機(jī)器人的最大垂直高度的量測(cè)是從機(jī)器人能到達(dá)的最低點(diǎn)（常在機(jī)器人底座以下）到手腕可以達(dá)到的的最大高度的距離（Y）。最大水平作動(dòng)距離是從機(jī)器人底座中心到手腕可以水平達(dá)到的最遠(yuǎn)點(diǎn)的中心的距離（X）。6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用重復(fù)精度重復(fù)精度可以被描述為機(jī)器人完成例行的工作任務(wù)每一次到達(dá)同一位置的能力。一般在±0.05mm到±0.02mm之間，甚至更精密。例如，如果需要你的機(jī)器人組裝一個(gè)電子線路板，你可能需要一個(gè)超級(jí)精密重復(fù)精度的機(jī)器人。如果應(yīng)用工序是比較粗糙，比如打包，碼垛等，工業(yè)機(jī)器人也就不需要那么精密。另外一方面，組裝工程的機(jī)器人精度的選型要求，也關(guān)聯(lián)組裝工程各環(huán)節(jié)尺寸和公差的傳遞和計(jì)算，比如：來料物料的定位精度，工件本身在治具中的重復(fù)定位精度等。速度它取決于在該作業(yè)需要完成的循環(huán)時(shí)間。機(jī)器人規(guī)格表列明了該型號(hào)機(jī)器人最大速度，但我們應(yīng)該知道，考量從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的加減速，實(shí)際運(yùn)行的速度將在0和最大速度之間。這項(xiàng)參數(shù)單位通常以度/秒計(jì)。有的機(jī)器人制造商也會(huì)標(biāo)注機(jī)器人的最大加速度。中工作時(shí)，IP等級(jí)會(huì)有所不同。6.3.3工業(yè)機(jī)器人選用剎車和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有些機(jī)器人對(duì)所有的軸配備剎車，其他的機(jī)器人型號(hào)不是所有的軸都配置剎車。要在工作區(qū)中確保精確和可重復(fù)的位置，需要有足夠數(shù)量的剎車。另外一種特別情況，意外斷電發(fā)生的時(shí)候，不帶剎車的負(fù)重機(jī)器人軸不會(huì)鎖死，有造成意外的風(fēng)險(xiǎn)。你可能還注意到不同軸上的適用的扭矩。例如，如果你的動(dòng)作需要一定量的扭矩以正確完成工作，你需要檢查，在該軸上適用的最大扭矩是否正確的。防護(hù)等級(jí)根據(jù)機(jī)器人的使用環(huán)境，選擇達(dá)到一定的防護(hù)等級(jí)（IP）等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。一些制造商提供相同的機(jī)械手針對(duì)不同的場(chǎng)合不同的IP防護(hù)等級(jí)的產(chǎn)品系列。如果機(jī)器人在與生產(chǎn)食品相關(guān)的產(chǎn)品，醫(yī)藥、醫(yī)療器具，或易燃易爆的環(huán)境中工作時(shí)，IP等級(jí)會(huì)有所不同。6.43D打印裝備6.4.1基本概念3D打印也叫增材制造技術(shù)或激光快速成型(LRP)，其基本原理都是疊層制造?；谶@種技術(shù)的3D打印機(jī)在內(nèi)部裝有液體或粉末等“打印材料”，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的三維藍(lán)圖變成實(shí)物。6.4.1基本概念名稱市場(chǎng)技術(shù)名稱過程描述優(yōu)勢(shì)典型材料光固化 技術(shù)SLA光固化快速成形設(shè)備、液態(tài)光敏樹脂通高精度和高光敏樹脂DLP數(shù)字光處理、CLIP連過（激光頭或者復(fù)雜性，光續(xù)液界面生產(chǎn)投影，以及化學(xué)滑的產(chǎn)品表方式）發(fā)生固化面反應(yīng)，凝固成產(chǎn)品的形狀粉末床熔融SLS選擇性激光燒結(jié)、通過選擇性地融高復(fù)雜性塑料、金屬粉(PBF)DMLS、SLM選擇性激光融化金屬粉末床每末，陶瓷粉末，化、EBM電子束激光融化一層的金屬粉末砂子來制造零件粘結(jié)劑噴射3DP粘接劑噴射3D全彩打印，塑料粉末，金打印技術(shù)是把約高通量，材屬粉末，陶瓷束溶劑擠壓到粉料廣泛粉末，玻璃，末床，3D打印砂子的名稱也由此誕生。6.4.1基本概念名稱市場(chǎng)技術(shù)名稱過程描述優(yōu)勢(shì)典型材料材料將材料以微滴的高精度，全光敏樹脂，樹噴射形式選擇性噴射彩，允許一脂，蠟沉積個(gè)產(chǎn)品中含多種材料層壓LOM層壓技術(shù)，SDL選擇片狀材料借助黏高通量，相紙張，塑料，性沉積層壓,UAM超聲增材膠、超聲焊接，對(duì)成本低金屬箔制造釬焊被壓合在一（非金屬起，多余部分被類），可以層層切除。在打印過程中植入組件材料FFF電熔制絲，F(xiàn)DM熔融絲狀的材料通過價(jià)格便宜，塑料長(zhǎng)絲，液擠出擠出加熱的擠出頭以多色，可用體塑料，泥漿液態(tài)的形狀被擠于辦公環(huán)境，（用于建筑類）出。打印出來的零件結(jié)構(gòu)性能高典型6.4.1基本概念名稱市場(chǎng)技術(shù)名稱過程描述優(yōu)勢(shì)典型材料定向LMD激光金屬沉積，金屬粉末或者金屬適合修復(fù)零件，金屬絲，金能量LENS激光凈型制造，絲在產(chǎn)品的表面上可以在同一個(gè)屬粉，陶瓷沉積DMD直接金屬沉積熔融固化，能量源零件上使用多可以是激光或者是種材料，高通電子束量混合增材制造AMBIT(該名稱由Hybrid與當(dāng)前的CNC數(shù)控高通量，自由金屬粉，金Mfg

Tech公司提出)加工機(jī)床配套的增造型，自動(dòng)化屬絲，陶瓷材制造包的過程中制成材料去除，精加工和檢測(cè)6.4.2常用3D打印的原理1.激光固化（SLA）光固化成型技術(shù)以光敏樹脂為加工材料，從最底部開始，紫外激光根據(jù)模型分層的截面數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)的控制下在光敏樹脂表面進(jìn)行掃描，每次產(chǎn)生零件的一層。在掃描的過程中只有激光的曝光量超過樹脂固化所需的閾值能量的地方液態(tài)樹脂才會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成固態(tài)，掃描固化成的第一層粘附在工作平臺(tái)上，此時(shí)工作平臺(tái)的位置比樹脂表面稍微低一點(diǎn)，每一層固化完畢之后，工作平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)層厚的高度，然后將樹脂涂在前一層上，如此反復(fù)，每形成新的一層均粘附到前一層上，直到制作完零件的最后一層(零件的最頂層)，完成整個(gè)制作過程。6.4.2常用3D打印的原理6.4.2常用3D打印的原理2.激光燒結(jié)SLS（粉末材料如塑料、金屬粉、蠟粉等）激光束開始掃描前，水平鋪粉刮刀先把金屬粉末平鋪到成型缸的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層的輪廓，然后可升降系統(tǒng)下降一個(gè)圖層厚度的距離，鋪粉刮刀再在已加工好的當(dāng)前層上鋪金屬粉末，設(shè)備調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過程在抽真空或通有氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。可適用于不銹鋼、模具鋼、鋁合金、鎳合金及鈦合金等多種金屬。6.4.2常用3D打印的原理6.4.2常用3D打印的原理3.熔融沉積快速成型（FDM）熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。6.4.2常用3D打印的原理6.4.2常用3D打印的原理4．迭層法（LOM）在基板上鋪一層箔材（如箔紙），計(jì)算機(jī)控制CO2激光器按分層信息切出輪廓，并將多余部分切成碎片去除，然后再鋪一層箔材，用熱輥輾壓，粘結(jié)在前一層上，再用激光器切割該層形狀。如此反復(fù)，直至加工完畢。6.4.2常用3D打印的原理6.4.2常用3D打印的原理幾種典型快速成型工藝的比較6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)調(diào)研，當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)的主流設(shè)備品牌包括聯(lián)泰、EOS、華曙、鉑力特、3D

Systems、GE、Stratasys、惠普等，當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)對(duì)于光固化的設(shè)備擁有占主流,39.8%的被調(diào)查企業(yè)擁有光固化設(shè)備,其次是選擇性激光熔融以及材料擠出設(shè)備.當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)對(duì)于光敏樹脂、尼龍、PLA、鈦合金、不銹鋼的需求占3D打印材料的主導(dǎo)地位。6.4.2常用3D打印的原理增材制造的好處可以從兩個(gè)方向來理解，一個(gè)是生產(chǎn)效益，另一個(gè)是產(chǎn)品生命周期效益。生產(chǎn)效益專注于制造過程，包括減少材料消耗，縮短交貨時(shí)間，最小的模具成本，降低裝配成本和自動(dòng)化的影響。產(chǎn)品生命周期效益是指在使用通過增材制造出來的產(chǎn)品的過程中，來自如減輕重量帶來的燃油效益，更高的性能和可靠性，更長(zhǎng)的壽命，新產(chǎn)品推出和市場(chǎng)相應(yīng)速度更快，減少庫存以及更具吸引力的產(chǎn)品附加值等。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用1、實(shí)現(xiàn)輕量化在宏觀層面上可以通過采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等來達(dá)到目的。微觀層面上可以通過采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化。3D打印帶來了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來說，3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用2、重新定義產(chǎn)品熱交換器組件右邊的零件是采用粉末床金屬熔融3D打印技術(shù)制作的熱交換器組件，具有液體熱逆流交換的兩個(gè)獨(dú)立通道，整個(gè)組件可以放在不同的環(huán)境中，既可以用來吸收或也可以用來提供熱量。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用2、重新定義產(chǎn)品某航空零件右邊的設(shè)計(jì)是通過增材制造的方式來生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)為仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以完全滿足左圖（傳統(tǒng)方式）生產(chǎn)出來的零部件的性能要求，然而其重量?jī)H僅相當(dāng)于左圖零部件重量的四分之一。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用2、重新定義產(chǎn)品右邊的零件是采用粉末床金屬熔融3D打印技術(shù)制作的熱交換器組件，具有液體熱逆流交換的兩個(gè)獨(dú)立通道，整個(gè)組件可以放在不同的環(huán)境中，既可以用來吸收或也可以用來提供熱量。某航空零件圖6.18右邊的設(shè)計(jì)是通過增材制造的方式來生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)為仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以完全滿足左圖（傳統(tǒng)方式）生產(chǎn)出來的零部件的性能要求，然而其重量?jī)H僅相當(dāng)于左圖零部件重量的四分之一。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用3、3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化案例（1）航空工工業(yè)2011年，通用電氣公司(GE)在其紐約的全球研發(fā)總部開始了一項(xiàng)新的研究。美國(guó)正在致力于將增材制造變成滿足商業(yè)需要的功能性零件的制造手段。事實(shí)證明，增材制造系統(tǒng)能夠制造復(fù)雜形狀的物體，其使用的材料包括鈦、鋁等金屬。三年后，通用電氣航空公司宣布，將花費(fèi)一億美元在美國(guó)印第安納州建立一個(gè)裝配工廠，用來裝配第一架使用3D打印燃料噴嘴的飛機(jī)。歐洲航空防務(wù)公司（EADS）公司使用DMLS技術(shù)打印引擎鉸鏈，該零件具有復(fù)雜的外形，同時(shí)在保持原有強(qiáng)度不變的情況下，重量減輕了1/2。這些3D打印制備的鉸鏈通過相應(yīng)的測(cè)試，性能完全符合要求。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，增材制造能夠減少75%的材料損耗、零件的輕量化對(duì)航天工業(yè)來說也是至關(guān)重要的。根據(jù)EADS的數(shù)據(jù)，一

架飛機(jī)質(zhì)量每減輕1kg，每年可以節(jié)省燃料費(fèi)用3000美元，30年超過10萬美元，而一架飛機(jī)的使用壽命就是30年。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用3、3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化案例（2）汽車制造業(yè)在汽車工業(yè)里，增材制造技術(shù)已經(jīng)變成生產(chǎn)發(fā)展的重要部分，德國(guó)的汽車制造商BMW已經(jīng)把FDM應(yīng)用擴(kuò)展到其他領(lǐng)域里，包括直接數(shù)字化制造。Stratasys公司的生產(chǎn)線已經(jīng)生產(chǎn)了符合工效學(xué)設(shè)計(jì)的手持工具，該手持工具比傳統(tǒng)的工具性能更好。這些工具在重復(fù)性流程里用起來更加方便，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量。例如一個(gè)手提式設(shè)備用3D打印技術(shù)制作，質(zhì)量減少了72%，減輕了1.3kg。雖然質(zhì)量減少的不是很顯著，但是對(duì)于一個(gè)工人來說，一天需要使用這樣的工具上百次。由數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)DM工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝成本大大降低。成本減低主要體現(xiàn)在工程文件、倉庫儲(chǔ)備、生產(chǎn)制造上。BMW使用增材制造技術(shù)已經(jīng)節(jié)省了58%的花費(fèi)，節(jié)約了92%的時(shí)間。設(shè)計(jì)師可以利用增材制造的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)零件，這既幫助了公司發(fā)展生產(chǎn)，也提供了制造小批量零部件替代的方法。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用3、3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化案例（3）醫(yī)療行業(yè)3D打印技術(shù)可以用來設(shè)計(jì)制造假體與種植體。假體或種植體的制造數(shù)據(jù)來自影像系統(tǒng)，例如激光掃描和CT。假若制造耳朵假體，通常會(huì)用一個(gè)好的耳朵進(jìn)行三維掃描，在電腦上創(chuàng)建三維模型，通過數(shù)據(jù)傳輸用增材制造技術(shù)制作人工耳朵。將三維模型進(jìn)一步處理，然后制造出實(shí)體的假肢或種植體，該假肢或種植體可以直接應(yīng)用在患者身上。符合患者的假肢或種植體的制作是非常重要的，標(biāo)準(zhǔn)大小的假肢或種植體通常不符合患者需求。因此假體或種植體需要私人訂制，尤其是人工關(guān)節(jié)和承受重量的假肢，相差一點(diǎn)都可能導(dǎo)致一些問題并且破壞周圍的組織結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的牙齒矯正主要應(yīng)用的是托槽和鋼絲，但形勢(shì)正在發(fā)生改變。目前國(guó)內(nèi)牙齒隱形矯正器采用光固化3D打印技術(shù)，這個(gè)市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了時(shí)代天使、正雅齒科等公司。3D打印技術(shù)出現(xiàn)后，對(duì)隱形矯正的廣泛應(yīng)用起到了很大的推動(dòng)作用。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用3、3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化案例（4）制造和模具領(lǐng)域中的應(yīng)用快速模具制造的核心是使用功能性材料在較短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)多個(gè)模具。材料的功能性除了力學(xué)性質(zhì)，還包括材料的顏色、透明性、彈性等類似的性質(zhì)。模具校對(duì)和工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)要處理的問題。模具校對(duì)是確保當(dāng)加工過程出現(xiàn)問題時(shí)，模具不需要改變。工藝設(shè)計(jì)是不用考慮加工母模的工藝順序只需要對(duì)原型件進(jìn)行后處理。快速模具分為軟質(zhì)模具和硬質(zhì)模具，直接制造模具和間接制造模具。軟質(zhì)模具是以硅橡膠、環(huán)氧樹脂、低熔點(diǎn)合金和模具砂為原料，通常只生產(chǎn)單個(gè)的模具或者小批量生產(chǎn)。硬質(zhì)模具是由工具鋼制成的，適用于大批量生產(chǎn)。直接制造模具是指模具直接由增材制造獲得。以噴射鑄模法為例，型腔和型芯、動(dòng)輪、閘和噴射系統(tǒng)都可以由增材制造直接加工。在間接工具法中，只有母模是由增材制造加工獲得。由硅橡膠、環(huán)氧樹脂、低熔點(diǎn)金屬或陶瓷構(gòu)成的模具，是通過母模澆鑄而成。6.4.3

3D打印的市場(chǎng)及應(yīng)用3、3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化案例塑料件制造工藝方法6.5智能生產(chǎn)線與智能工廠6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)智能工廠的基本架構(gòu)可通過三個(gè)維度進(jìn)行描述。1.功能維：產(chǎn)品從虛擬設(shè)計(jì)到物理實(shí)現(xiàn)范式維：從數(shù)字工廠、數(shù)字互聯(lián)工廠到智能工廠的演變結(jié)構(gòu)維：從智能制造裝備、智能車間到智能工廠的進(jìn)階6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)（1）數(shù)字工廠數(shù)字工廠是工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，它借助于信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過集成、仿真、分析、控制等手段，為制造工廠的生產(chǎn)全過程提供全面管控的整體解決方案，它不限于虛擬工廠，更重要的是實(shí)際工廠的集成，其內(nèi)涵包括產(chǎn)品工程、工廠設(shè)計(jì)與優(yōu)化、車間裝備建設(shè)及生產(chǎn)運(yùn)作控制等。圖6.21數(shù)字工廠6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)（2）數(shù)字互聯(lián)工廠數(shù)字互聯(lián)工廠是指將物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)全面應(yīng)用于工廠運(yùn)作的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)的泛在感知和萬物互聯(lián)，互聯(lián)的范圍甚至可以延伸到供應(yīng)鏈和客戶環(huán)節(jié)。通過工廠互聯(lián)化，一方面可以縮短時(shí)空距離，為制造過程中“人–人”“人–機(jī)”“機(jī)–機(jī)”之間的信息共享和協(xié)同工作奠定基礎(chǔ)，另一方面還可以獲得制造過程更為全面的狀態(tài)數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策支持與優(yōu)化成為可能。6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)（3）智能工廠制造工廠層面的兩化深度融合，是數(shù)字工廠、互聯(lián)工廠和自動(dòng)化工廠的延伸和發(fā)展，通過將人工智能技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)等過程，使得制造工廠在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程中能夠體現(xiàn)出一定的智能化特征，即自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析、預(yù)測(cè)、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能降本的目標(biāo)。6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)（1）智能制造裝備制造裝備作為最小的制造單元，能對(duì)自身和制造過程進(jìn)行自感知，對(duì)與裝備、加工狀態(tài)、工件材料和環(huán)境有關(guān)的信息進(jìn)行自分析，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行自決策，依據(jù)決策指令進(jìn)行自執(zhí)行，通過“感知→分析→決策→執(zhí)行與反饋”大閉環(huán)過程，不斷提升性能及其適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)高效、高品質(zhì)及安全可靠的加工。6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)（2）智能車間（生產(chǎn)線）車間（生產(chǎn)線）由多臺(tái)（條）智能裝備（產(chǎn)線）構(gòu)成，除了基本的加工/裝配活動(dòng)外，還涉及計(jì)劃調(diào)度、物流配送、質(zhì)量控制、生產(chǎn)跟蹤、設(shè)備維護(hù)等業(yè)務(wù)活動(dòng)。智能生產(chǎn)管控能力體現(xiàn)為通過“優(yōu)化計(jì)劃–智能感知–動(dòng)態(tài)調(diào)度–協(xié)調(diào)控制”閉環(huán)流程來提升生產(chǎn)運(yùn)作適應(yīng)性，以及對(duì)異常變化的快速響應(yīng)能力。6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)（3）智能工廠制造工廠除了生產(chǎn)活動(dòng)外，還包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝、工廠運(yùn)營(yíng)等業(yè)務(wù)活動(dòng)，智能工廠是以打通企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全部流程為著眼點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到銷售，從設(shè)備控制到企業(yè)資源管理所有環(huán)節(jié)的信息快速交換、傳遞、存儲(chǔ)、處理和無縫智能化集成。6.5.1智能工廠的基本架構(gòu)制造工廠的一般性業(yè)務(wù)流程6.5.2智能工廠的信息系統(tǒng)架構(gòu)