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

武漢華工智云科技有限公司《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》機械工業(yè)出版社《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展12數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)數(shù)字化設(shè)計與制造3第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展41.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展機床是將零件毛坯加工成零件的機器，是制造機器的機器。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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展51.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●1797年，英國工程師亨利·莫茲利（HenryMaudslay）以蒸汽機為動力，通過絲桿和導(dǎo)軌帶動刀架移動，實現(xiàn)了機床結(jié)構(gòu)的重大變革，被稱為“機床之父”?！?818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臥式銑床?！?9世紀40年代，車床、鉆床、銑床等相繼出現(xiàn)并不斷得到改進，促進了近代制造業(yè)體系的初步形成。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展61.1數(shù)控機床的產(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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展71.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●二戰(zhàn)后，國防軍工、航空航天等所需求的機械產(chǎn)品日益復(fù)雜精密，傳統(tǒng)的普通機床無法滿足生產(chǎn)要求，隨著計算機技術(shù)的興起和發(fā)展，人們開始探索新的機床控制方法。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展81.1數(shù)控機床的產(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)一套用于機床的控制系統(tǒng)。1952年，第一臺帶有立式主軸的數(shù)控機床誕生，其控制部分由電子管實現(xiàn)?！?960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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展91.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●1972年，出現(xiàn)了內(nèi)置標準小型計算機的數(shù)控系統(tǒng)，開啟了計算機數(shù)字控制(ComputerNumerial

Control,CNC)新時代。●1976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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展10現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●20世紀70年代中后期，日本大力發(fā)展根據(jù)當時最新理念和最新數(shù)控技術(shù)設(shè)計的通用型數(shù)控機床，率先實現(xiàn)了通用數(shù)控機床的批量化生產(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可?！裢瑫r期，美國的大型制造公司開始設(shè)計和安裝柔性制造系統(tǒng)（FMS）。●1978年，日本成功完成第一臺柔性制造系統(tǒng)的安裝。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展11現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●80年代，航空航天和汽車工業(yè)推動了德國機床工業(yè)的發(fā)展，走高精尖路線的德國機床成為這一時期最大的機床。●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，高動態(tài)性能驅(qū)動技術(shù)提高了機床的速度和精度，新工藝機床得到了發(fā)展?！駨?0世紀末開始，高速、高精、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工成為數(shù)控機床的發(fā)展方向。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展12現(xiàn)代機床及制造業(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)控機床圖1-6奧地利林茨的WFL車銑復(fù)合加工機床第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展13現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●柔性加工還體現(xiàn)在智能機器人與數(shù)控機床的融合上,工業(yè)機器人自動上下料、換刀、測量、裝配及拋光等領(lǐng)域，減輕了工人的勞動強度?！癞斍?，面對工業(yè)4.0以及全球能源和環(huán)境危機的挑戰(zhàn)，數(shù)控機床的智能化、綠色化越來越受到重視。智能數(shù)控機床可實現(xiàn)感知、互聯(lián)、學(xué)習(xí)、決策和自適應(yīng)。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展141.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●1958年，北京第一機床廠與清華大學(xué)合作，研制出中國第一臺數(shù)控銑床?！?0年代初期，通過引進、聯(lián)合設(shè)計等方式，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機床，例如，青海第一機床廠與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第１臺臥式數(shù)控加工中心?！耠S著2002年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機床進入高速發(fā)展時期。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展151.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●“十五”期間（2001～2005），國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量增幅超過30％，國產(chǎn)５軸聯(lián)動加工中心和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，中國在金屬加工機床的生產(chǎn)、消費和進口三個方面均列世界第一，并保持到2018年。●“十二五”以來，國內(nèi)中低端數(shù)控機床市場已占有明顯優(yōu)勢。根據(jù)《賽迪顧問｜2019年數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》：日本數(shù)控機床占全球比重約為32.1%，中國約為31.5%、德國約為17.2%。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展161.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●但是，與工業(yè)發(fā)達國家相比,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（依賴進口），全球高端數(shù)控機床的龍頭企業(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施“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項。●2010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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展171.2我國數(shù)控機床及制造業(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)控機床及制造業(yè)的發(fā)展181.3智能制造及其背景●新世紀以來，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)動力?！衩绹岢觥跋冗M制造業(yè)伙伴計劃”，重塑工業(yè)競爭力，其智能制造現(xiàn)階段重點研究領(lǐng)域及內(nèi)容包括：智能機器人、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)計劃”，鞏固自動化生產(chǎn)強國位置?！裰袊岢觥爸圃鞆妵睉?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告明確提出“加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合”。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(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)與先進制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(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)動力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)21●進入21世紀后，我國數(shù)控機床行業(yè)進入了快速普及、產(chǎn)量迅猛增長的飛速發(fā)展時期，特別是近十年來，其整體水平和市場競爭能力明顯提高。●近年來，我國制造業(yè)對低精度、工藝簡單的數(shù)控機床需求量下滑，而中高端機床的需求量不斷增長。高端數(shù)控機床是支撐航空航天、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,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)控機床，高端數(shù)控機床生命周期長，設(shè)計、制造更加復(fù)雜，運行和維護更加困難。第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)22●航空航天、船舶、交通、發(fā)電設(shè)備等重點制造領(lǐng)域的需求是高端數(shù)控機床發(fā)展的主要推動力。●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)中要求自動化程度高、多種工藝復(fù)合,對數(shù)控機床提出了極大的挑戰(zhàn)。2.1高端數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)231、高剛性、高精密的主機●提出了重心驅(qū)動設(shè)計、箱中箱、直接驅(qū)動、熱平衡設(shè)計與補償、全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計等設(shè)計原則和技術(shù)；●在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(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、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法；2.1高端數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)241、高剛性、高精密的主機●數(shù)控機床床身結(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)控機床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性。2.1高端數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)252、高檔數(shù)控裝置●主要包括三個方面:多軸精細數(shù)控插補、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)。

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

●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)控機床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)262、高檔數(shù)控裝置●智能化防干涉、振動防止與控制、主軸監(jiān)控、車削工作臺平衡失調(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?！耠S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)控裝置及智能機床正在向我們走來。2.1高端數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)273、機床動態(tài)特性

●主要包含三個方面:數(shù)控裝備狀態(tài)辨識與動態(tài)行為仿真、數(shù)控裝備與加工工藝的交互作用,以及基于動態(tài)特性的裝備可靠性評估。4、高速高精驅(qū)動系統(tǒng)●直接驅(qū)動就是將直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電動機(DDR)或直接驅(qū)動直線電動機(DDL)直接耦合或連接到從動負載上,從而實現(xiàn)了與負載的直接耦合。2.1高端數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)281、增強技術(shù)創(chuàng)新能力2、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本3、減少維護服務(wù)成本2.2數(shù)控機床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造293.1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造303.1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)●數(shù)字化設(shè)計過程包括分析和綜合兩個階段。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)計信息、完成產(chǎn)品的概念化設(shè)計等?！窀拍罨O(shè)計是設(shè)計人員對產(chǎn)品各種方案進行評估、分析、對比和綜合評價的結(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。當設(shè)計者完成產(chǎn)品構(gòu)思后，就可以利用概念化設(shè)計軟件和相關(guān)建模工具將設(shè)計思想表達出來。第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造313.1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)●綜合建立在分析的基礎(chǔ)上，它完成產(chǎn)品的詳細設(shè)計、性能評價和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并形成完整的設(shè)計文檔?！駭?shù)字化建模是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的基本和核心內(nèi)容，數(shù)字化模型是產(chǎn)品性能分析、評價和優(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、評價和優(yōu)化，并根據(jù)分析結(jié)果