第六章 现代制造技术

特点： 特点：
设备利用率高、柔性好、缩短产品周期、减少库存 提高质量和生产率、降低中小批生产成本
四．计算机集成制造系统CIMS 计算机集成制造系统CIMS （Computer Integrated Manufacturing System） ——应用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统 工程技术于一体的系统工程 CIMS核心——集成，是人、技术和经营三大方面的集成
例：水喷射加工 组成：①超高压水射流发生器；②磨料混合和液流处理装置； ③喷嘴 ④数控三维切割机床；⑤外围设备等 加工：金属、非金属（石材、玻璃）、木材与纸制品、塑料制品、 织物与革制品等 切缝宽约0.5mm，Ra12.5μm，切割精度达±0.05mm
图6.1 水喷射加工装置示意图 1—带过滤器的水箱；2—水泵； 3—贮液蓄能器；4—控制器； 5—阀；6—蓝宝石喷嘴；7—射流束； 8—工件；9—排水口；10—压射距离； 11—液压系统；12—增压器
图6.9 CIMS的基本组成 CIMS的基本组成
基本组成： 基本组成： （1）管理信息系统——预测、经营决策、生产计划、技术准备、 销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等各项管理模 块 （2）工程设计自动化系统——CAD、CAPP、CAM （3）制造自动化系统——CNC机床、加工中心、FMC或FMS （4）质量保证系统——质量决策、质量检测、质量评价、质量信 息综合管理与反馈控制等功能 （5）数据库系统——支持CIMS各系统并覆盖企业全部信息 （6）计算机通信网络系统——将CIMS各个功能分系统的信息联系 起来，支持资源共享、分布处理、分层递阶和实时控制
三．柔性制造系统（FMS）(Flexible Manufacturing System) 柔性制造系统（FMS） ——由数控设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化 制造系统 根据任务或环境的变化迅速调整——多品种、中小批量生产 组成：数控加工系统，物料系统，计算机控制系统 （1）加工系统——数控机床、加工中心、柔性制造单元、其它设 备 （2）物料系统——自动化立体仓库、传送带、自动导引小车 工业机器人、上下料托盘、交换工作台 （3）计算机控制系统——运行控制、刀具管理、质量控制，数据 管理和网络通信 还包括刀具监控和管理系统，冷却系统、切屑系统等附属设备
特种加工分类 ①电能与热能：电火花成形与穿孔加工（EDM）、电火花线切割加 工（WEDM）电子束加工（EBM）、等离子体加工（PAM） ②电能与化学能：电解加工（ECM）、电铸加工（ECM）、刷镀加 工 ③电化学能与机械能：电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH） ④声能与机械能：超声波加工（USM） ⑤光能与热能：激光加工（LBM） ⑥电能与机械能：离子束加工（IM） ⑦液流能与机械能：水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工 （AWJC）挤压珩磨（AFH） 表面工艺：电解抛光、化学抛光、电火花表面强化、镀覆、离子束 注入渗杂等
四．超高速切削 超高速切削 ——用超硬材料刀具和高速设备，极大的切削速度来加工 铸铁——900～5000m／min 钢——600～3000m／min 铝合金——2000～7500m／min 超高速车削——700～7000m／min 超高速铣削——300～6000m／min 超高速钻削——200～ll00m／min 超高速磨削——150m／s以上
第六章 先进制造技术简介
6.1
一.特种加工
先进制造工艺技术
——将电、磁、声、光、热等物理及化学能量或与机械能组合， 对材料进行加工 特点： 特点： ①工具硬度可低于工件的硬度，可加工高强、高硬、高韧高脆的 金属非金属材料 ②电、电化学、声或光等能量进行加工，无明显的机械力，少变 形，精度高 ③改变传统观念，对结构工艺性重新评价，拓宽传统切削的方法 ④各种方法都可复合成新方法
2.实现超精密加工的主要技术条件 2.实现超精密加工的主要技术条件 （1）超精密机床——首要条件 空气轴承，弹性变形、热变形或压电晶体变形微量进给装置 静压导轨，在线检测，反馈控制技术，合成花岗石支承件
（2）超精密加工刀具——金刚石刀具
（3）检测和误差补偿——非接触式测量，原子级测量，在线检测和误 差补偿
6.3 先进制造哲理、管理技术与生产模式 先进制造哲理、
一．精益生产LP(lean Production) 精益生产LP(lean 核心内容——准时制生产方式（JIT），看板管理构成 以精益生产LP为屋顶， 以JIT生产方式、成组技术GT、全面质量管理TQC为支柱， 以并行工程CE和小组化工作方式为基础的模式
工作方式： 工作方式：
计算机控制系统的统一管理下，运料小车将零件送到制造 单元，机器人拾取，安装在CNC机床上，自动加工；
加工后机器人把零件返回运料小车，，检测合格，送立体仓库
应用形式： 应用形式： 柔性制造单元FMC 柔性制造系统FMS 柔性制造线FML 柔性制造工厂FMF（自动化工厂FA）
特征： 特征：
（1）自组织能力——自行组成最佳结构，最优运行，完成任务，自 行解散 （2）自律能力——收集与理解信息，分析判断和规划自身行为 （3）自学和自维护能力——不断学习，完善。对故障自我诊断修复 （4）人机一体化——人机相互理解、相互协作，各显其能、优势互 补、相辅相成 （5）虚拟现实——用虚拟手段智能地表现现实 （6）智能集成——经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造装 配、质量保证、市场销售等，集成为整体，实现整体智能化
常用刀具有：涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、 聚晶金刚石刀具 超高速机床——实现超高速切削的前提条件和关键因素 要求：①高速主轴——电主轴，高速陶瓷滚动轴承、磁浮轴承 ②快速反应的伺服系统和进给部件——多头螺纹行星滚柱 丝杆 直线伺服电动机
③高压大流量喷射冷却系统 ④刚度特好的机床支承件——聚合物混凝土（人造花岗岩） 床身或立柱
二．超精密加工 1.基本概念 1.基本概念 精密加工——10～0.1μm，Ra0.3～0.03μm 如金刚车、镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨、镜面磨和冷压加工 ——精密产品中关键件加工—精密丝杠、齿轮、蜗轮、导轨、轴承等 超精密加工——0.1～0.01μm，Ra0.03～0.05μm —— 如金刚石刀具超精密切削、超精密磨削研磨、超精密特种加工和复合 加工 ——镜面、精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的 制造 纳米加工——10-3μm（1nm），Ra≤0.005μm ——利用光子、电子、离子加工
图6.5 熔融沉积成形原理 1 —丝材；2 —加热头； 3—零件；4 — X/Y驱动；5—Z向进给 丝材；2 零件；4 X/Y驱动；5
6.2
制造自动化技术
Control） 一．CNC技术（Computer Numerical Control） CNC技术（ 技术 ——数字化信号对设备运行及加工过程进行控制 组成：程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、 可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、速度控制单元等
图6.3 迭层法成形原理 1 —激光器；2 —光电系统； 激光器；2 3—加热辊；4 — 纸料； 加热辊；4 5—滚筒；6 —工作平台； 滚筒；6 7 —零件；8 —边角料； 零件；8 9 —X/Y扫描系统 X/Y扫描系统
3）烧结法（SLS）——粉末材料（塑料、金属粉、蜡粉等） ）烧结法（SLS） 粉末材料（ 粉末材料 塑料、金属粉、蜡粉等） 计算机控制激光器分层烧结粉末，再重复下一层烧结，直至 零件成形
五．快速原形制造技术（RPM）——快速产品开发和制造的技术 快速原形制造技术（RPM） 用光电热等，固化、烧结、粘结、熔结等，材料逐层或逐 点堆积，形成制件 1）光固化法（SL）——液态光敏树脂 ）光固化法（SL） 液态光敏树脂 计算机控制光束分层逐点扫描树脂表面，使树脂硬化形成薄层， 至零件制造完
二．工业机器人IR(Industrial Robot) 工业机器人IR(Industrial ——可搬运物料、零件、工具或完成多种操作的计算机控 制专用机械装置 组成：执行机构、控制系统、 组成：执行机构、控制系统、驱动系统
图6.7 工业机器人组成 1 —执行机构；2 —控制系统； 3—驱动系统 执行机构；2
（4）超稳定的加工环境——恒温、防振、超净和恒湿 温度（土0.1～0.01）℃，防振沟，空气弹簧隔振，洁净度要求
三．微机械制造
微小型机械——1～100mm 微机械—— 10μm～1mm
纳米机械—— 10nm～l0μm ——航空航天、精密仪器、生物医疗等领域 微型机械制造——半导体工艺的硅微细加工技术 掺杂、光刻、腐蚀，光刻电铸、准LIGA加工、超微细机加工、微细电火 花加工 等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工及键合技术等
图6.2 光固化法成形原理 1—扫描镜；2 —激光器； 扫描镜；2 3 —Z轴升降台；4 —树脂表面； 轴升降台；4 5 —光敏树脂；6 —零件； 光敏树脂；6 7 —托；8 —树脂槽 托；8
2）迭层法（LOM）——箔纸 ）迭层法（LOM） 箔纸 计算机控制激光器分层切出轮廓，多余部分切去，再铺一层箔材 辗压，粘结，再切割，直至加工完
图6.6 CNC系统的组成框图 CNC系统的组成框图
特点： 特点：①应用微机，减少硬件，设备可靠 ②不依赖于硬件而独立使用，可用于不同机床 ③改变控制功能比较容易 ④后置处理以软件方式实施 ⑤编码转换器允许采用不同编码的数控程序（EIA或 ISO编码） ⑥插补程序使零件编程变得简便 ⑦可监测和修正刀具磨损 ⑧CNC系统与用户界面友好 发展趋势： 发展趋势：高速化、高精度化、多功能化、多轴控制、 智能化、模块化、小型化、开放式结构
（1）执行机构 ）执行机构——机座、手臂、手腕和末端执行器 末端执行器——机械式、吸附式、 专用工具（如焊枪、喷枪、电钻和电动螺纹拧紧器等） （2）控制系统——计算机——分决策级、策略级和执行级 控制系统 决策级——识别环境、建立模型，将作业任务分解为基本动作 策略级——将基本动作变为关节坐标变化规律，分配给各关节 的伺服系统 执行级——给出关节伺服系统的具体指令 （3）驱动系统——将信号放大，驱动执行机构运动 驱动系统 驱动方式：电气、液压、气动和机械等 配置传感器：位置、力、触觉，视觉等