先进制造技术知识及应用

1、模块三模块三 先进制造技术知识及应用先进制造技术知识及应用数控加工技术快速成形技术超精密与纳米加工技术工业机器人柔性制造技术 随着现代科学技术的进步，特别是微电子技术、计算机技术、信息技术等与制造技术的深度结合，制造工业的面貌发生了深刻的变化，形成了先进（现代）制造体系。先进制造技术的内涵及范围很广，本章扼要介绍先进制造工程技术中的数控加工技术、快速成形技术、超精密与纳米加工技术、工业机器人、柔性制造技术的概念和应用场合。模块三模块三 先进制造技术知识及应用先进制造技术知识及应用11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术11.1.1 数字控制与数控机床的概念数字控制与数控机床的概念数字控制

2、(Numerical Control )是用数字化信号对机械设备的运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控（NC）。数控机床就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 进一步说，数控机床是一种以数字量作为指令信息形式，通过电子计算机或专用电子计算装置，对这种信息进行处理而实现自动控制的机床。11.1.2 数控机床的基本组成及工作原理数控机床的基本组成及工作原理工艺分析数控加工程序数控加工B A C KS P A C EC T RLIN SC RT A BA L T0S H IF T ZE N D WH OM E TP g Dn OP g Up JR S T E65“432？1

3、98:7 YXVU SRPQ NMKL IHFG DCABE S C1 4 彩 色显 示 器空运行Z 轴锁定MST 锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停 主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开关 刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电 源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱 动 器NC机床电源XYZA主轴超程报警手摇脉冲发生器2010 090增量倍率1000101001坐标轴选择Z YX图样数控装置数控设备图11-1 数控机床加工零件的工作过程11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术数控机床的基本组成见图数控机床的基本组成见图11-

4、2所示。所示。加工程序输入输出装置数控系统辅助控制装置伺服驱动装置检测反馈装置机床本体图11-2 数控机床的基本组成11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术11.1.3 数控机床的分类数控机床的分类11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术 开环控制系统 闭环控制系统 开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C

5、相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大图11-4 开环控制系统原理图11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈图11-5 闭

6、环系统控制原理图11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术 半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际速实际速度反馈度反馈检测与反馈单元检测与反馈单元实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈图11-6 半闭环控制系统原理图11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术11.1.4 11.1.4 数控机床的特点及应

7、用范围数控机床的特点及应用范围1. 1.数控机床的加工特点数控机床的加工特点 加工精度高加工精度高 对加工对象的适应性高对加工对象的适应性高 生产效率高生产效率高 有利于生产管理有利于生产管理 自动化程度高，劳动强度低自动化程度高，劳动强度低 良好的经济效益良好的经济效益 有利于现代化管理有利于现代化管理11.1 11.1 数控加工技术数控加工技术11.1.4 11.1.4 数控机床的特点及应用范围数控机床的特点及应用范围2. 2.数控机床的应用范围数控机床的应用范围 多品种小批量生产的零件多品种小批量生产的零件 形状结构比较复杂的零件形状结构比较复杂的零件 生产效率高生产效率高 精度要求比较

8、高的零件精度要求比较高的零件 需要频繁改型的零件需要频繁改型的零件 价格昂贵，不允许报废的零件价格昂贵，不允许报废的零件 需要生产周期短的零件需要生产周期短的零件11.2 11.2 快速成形技术快速成形技术11.2.1 11.2.1 快速成形技术的概念快速成形技术的概念 快速成形技术快速成形技术（RP, Rapid PrototypingRP, Rapid Prototyping）是运用堆积）是运用堆积成形法，由成形法，由CADCAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。状三维实体的技术总称。 RPRP技术的成形原理技术的成形原理不同于常规制造的

9、去除法（切不同于常规制造的去除法（切削加工、电火花加工等）和变形法（铸造、锻造等），削加工、电火花加工等）和变形法（铸造、锻造等），而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学等方式，有选择地固化（或粘熔结、聚合作用或化学等方式，有选择地固化（或粘结）液体材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要结）液体材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要的原型零件。的原型零件。 快速成形技术是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。它采用软件离散材料堆积的原理实现零件的成形，如

10、图11-4所示。11.2.3 11.2.3 快速成形技术的工艺方法快速成形技术的工艺方法 RPRP技术的具体工艺有很多种，根据采用的材料和对材料的处理方技术的具体工艺有很多种，根据采用的材料和对材料的处理方式不同，选择其中式不同，选择其中3 3种方法的工艺原理进行介绍。种方法的工艺原理进行介绍。1. 1.选择性液体固化选择性液体固化又称光固化法，该方法的典型实现工艺有立体光刻又称光固化法，该方法的典型实现工艺有立体光刻（SL,StereoLithographySL,StereoLithography），其工艺原理如），其工艺原理如图图11-511-5所示。所示。 光固化法是目前应用最广的快速成

11、形制造方法。其主要特点是：光固化法是目前应用最广的快速成形制造方法。其主要特点是：制造精度高、表面质量好、原材料利用率接近制造精度高、表面质量好、原材料利用率接近100%100%；能制造形状复；能制造形状复杂及特别精细的零件；能使用成形材料较脆、材料固化伴随一定收杂及特别精细的零件；能使用成形材料较脆、材料固化伴随一定收缩率的材料制造所需零件。缩率的材料制造所需零件。11.2.2 11.2.2 快速成形技术的工作原理快速成形技术的工作原理11.2 11.2 快速成形技术快速成形技术 2. 2.选择性层片粘结选择性层片粘结 选择性层片粘结选择性层片粘结又称分层实体制造、叠层制造法又称分层实体制造

12、、叠层制造法（LOM,Laminated Object ManufaturingLOM,Laminated Object Manufaturing），其工艺原理），其工艺原理如图如图11-611-6所示。所示。叠层法的主要特点叠层法的主要特点是：不需要制作支撑；激光只作轮廓扫描，而不是：不需要制作支撑；激光只作轮廓扫描，而不需填充扫描，成形率高；运行成本低；成形过程中无相变且残余应需填充扫描，成形率高；运行成本低；成形过程中无相变且残余应力小，适合于加工较大尺寸零件；但材料利用率较低，表面质量差。力小，适合于加工较大尺寸零件；但材料利用率较低，表面质量差。3. 3.选择性粉末熔结选择性粉末熔结

13、/ /粘结粘结选择性粉末熔结选择性粉末熔结/ /粘结又称烧结法粘结又称烧结法（SLS，Selective Laser Sintering ），），其工艺原理如其工艺原理如图图11-711-7所示。所示。激光选区烧结法的主要特点激光选区烧结法的主要特点是：不需要制作支撑；成形零件的机械是：不需要制作支撑；成形零件的机械性能好，强度高；粉末较松散，烧结后精度不高，性能好，强度高；粉末较松散，烧结后精度不高，Z Z轴精度难以控轴精度难以控制。制。11.2 11.2 快速成形技术快速成形技术 11.2.4 11.2.4 快速成形技术的特点和用途快速成形技术的特点和用途 1. 1.主要特点主要特点 1

14、1）高度柔性；）高度柔性； 2 2）技术的高度集成；）技术的高度集成； 3 3）设计制造一体化；）设计制造一体化； 4 4）快速性；）快速性； 5 5）自由成形制造）自由成形制造(Free Form Fabrication(Free Form Fabrication，FFF)FFF)； 6 6）材料的广泛性。）材料的广泛性。 2. 2.用途用途 1 1）产品设计评估与功能测验；）产品设计评估与功能测验； 2 2）快速模具制造；）快速模具制造； 3 3）医学上的仿生制造；）医学上的仿生制造； 4 4）艺术品的制造；）艺术品的制造； 5 5）直接制造金属型。）直接制造金属型。 11.2 11.2

15、快速成形技术快速成形技术 11.3.1 11.3.1 超精密加工技术超精密加工技术 超精密加工是指被加工零件的超精密加工是指被加工零件的尺寸尺寸精度为精度为0.10.10.01m0.01m，加工表，加工表面粗糙度达面粗糙度达Ra0.03Ra0.030.0051m0.0051m数量级的加工技术。随着加工技术的数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。 一般加工：一般加工：精度精度10m10m左右，左右，R Ra0.3a0.30.8m0.8m； 精密加工：精密加工：精度精度100.1m100.1m左右，左右，R Ra0.30.0

16、3ma0.30.03m； 超精密加工：超精密加工：精度精度0.10.01m0.10.01m左右，左右，R Ra0.030.05ma0.030.05m； 纳米加工：纳米加工：精度高于精度高于0.001m0.001m，R Ra a小于小于0.005m 0.005m 。超精密加工的主要方法有：超精密加工的主要方法有： 1 1）金刚石刀具超精密切削；）金刚石刀具超精密切削； 2 2）精密和镜面磨削；）精密和镜面磨削； 3 3）精密研磨和抛光；）精密研磨和抛光； 11.3 11.3 超精密与纳米加工技术超精密与纳米加工技术1. 1.金刚石刀具超精密切削；金刚石刀具超精密切削； 金刚石刀具拥有金刚石刀具拥

17、有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。可进行镜面切削。 金刚石刀具超精密切削主要用于金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。2. 2.精密和镜面磨削精密和镜面磨削 磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米磨

18、削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为级精度（指精度为110110-2 -2m）。在某些超精密磨床上可磨出十纳）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.1Ra=0.10.05m0.05m的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到轮的镜面磨削技术可得到Ra0.01Ra0.010.002m0.002m的镜面。的镜面。11.3 11.3 超精密与纳米加工技术超精密与纳米加工技术3. 3.精密研磨和抛光；精

19、密研磨和抛光； 精密研磨和抛光技术精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出微细突出处，加工出Ra0.010.02m的镜面。的镜面。 超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。精密测量是

20、超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。11.3 11.3 超精密与纳米加工技术超精密与纳米加工技术11.3.2 11.3.2 纳米加工技术纳米加工技术 纳米（纳米（NanometerNanometer）, ,是一个长度单位，简写为是一个长度单位，简写为nmnm。1nm=10-3m=10-9m1nm=10-3m=10-9m。纳米技术纳米技术是是2020世纪世纪8080年代末期诞生并在蓬勃年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米而且是一种新的思维

21、方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。1. 1.纳米技术的含义纳米技术的含义 纳米技术是指纳米级（纳米技术是指纳米级（0.1100nm）的材料、设计、制造、）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。纳米级。2.纳米技术的主要内容纳米技术的主要内容纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子

22、学、纳米化学、纳米材料纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。和纳米机械学等新学科。11.3 11.3 超精密与纳米加工技术超精密与纳米加工技术 11.3 11.3 超精密与纳米加工技术超精密与纳米加工技术3.纳米级加工纳米级加工纳米级加工是指：纳米级加工是指：加工精度高于加工精度高于10-3m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra小于小于0.005m，达达到纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳到纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。米级表面质量。纳米级加工方法包括：纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、

23、复合机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工等。加工、扫描隧道显微加工等。纳米级机械加工方法包括：纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。 11.4 11.4 工业机器人工业机器人11.4.1 工艺机器人的基本概念工艺机器人的基本概念1.工业机器人的定义工业机器人的定义工业机器人（工业机器人（Industri

24、al Robot,简称简称Robot ）是一种可重复编程）是一种可重复编程的、自动控制的、多自由度的、机体独立的自动操作机械。的、自动控制的、多自由度的、机体独立的自动操作机械。 2.工业机器人的组成工业机器人的组成（1）执行系统）执行系统（2）驱动系统）驱动系统（3）控制系统）控制系统（4）检测系统）检测系统（5）智能系统）智能系统11.4 11.4 工业机器人工业机器人3.工艺机器人的分类工艺机器人的分类按系统功能分类：按系统功能分类：专用机器人、通用机器人、示教再现机器人、智能机器人专用机器人、通用机器人、示教再现机器人、智能机器人按结构形式分类：按结构形式分类： 直角坐标机器人、圆柱坐

25、标机器人、球坐标机器人、关节机器人。直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人。按驱动方式分类：按驱动方式分类：气压传动机器人、液压传动机器人、电力传动气压传动机器人、液压传动机器人、电力传动机器人。机器人。按承担工作任务性质可分为：按承担工作任务性质可分为：搬运机器人和作业机器人。搬运机器人和作业机器人。虽然工业机器人品种繁多，但从设计与使用角度出发，工业机器虽然工业机器人品种繁多，但从设计与使用角度出发，工业机器人的主要技术性能参数包括：人的主要技术性能参数包括：运动自由度、工作空间、工作负荷、运动自由度、工作空间、工作负荷、运动速度、位置精度。运动速度、位置精度。11.4

26、11.4 工业机器人工业机器人11.4.2 工业机器人的应用工业机器人的应用 工业机器人的最初应用主要是对人体有危险或危害的工业机器人的最初应用主要是对人体有危险或危害的操作环境。操作环境。 今天，在现代制造业中，利用机器人能扩大机械制造今天，在现代制造业中，利用机器人能扩大机械制造系统的功能和范围，以及提高自动化程度，是实现柔性系统的功能和范围，以及提高自动化程度，是实现柔性自动化的基本设备。自动化的基本设备。 用于生产中用于生产中 的工业机器人有：铸造机器人、焊接机器的工业机器人有：铸造机器人、焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人、搬运机器人等。此外，人、喷漆机器人、装配机器人、搬运机器人等

27、。此外，高压作业线、服装剪裁、管道作业、擦玻璃的机器人也高压作业线、服装剪裁、管道作业、擦玻璃的机器人也发挥着巨大的作用。发挥着巨大的作用。11.5 11.5 柔性制造技术柔性制造技术 传统的专用机床传统的专用机床和和“刚性刚性”自动生产线虽然有很高的生产效自动生产线虽然有很高的生产效率，但其加工的零件形状和尺寸单一，难以改变，这对于大批大率，但其加工的零件形状和尺寸单一，难以改变，这对于大批大量生产是合适的。为满足多品种、小批量、产品更新换代周期短量生产是合适的。为满足多品种、小批量、产品更新换代周期短的要求，的要求，20世纪世纪70年代以来，随着微电子技术，特别是计算机技年代以来，随着微电

28、子技术，特别是计算机技术、传感技术的发展，一种以机械加工为主的柔性制造技术得到术、传感技术的发展，一种以机械加工为主的柔性制造技术得到迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。造系统。11.5.1 柔性制造单元柔性制造单元 FMC（Flexible Manufacturing Cell）是在加工中心的基础上，）是在加工中心的基础上，增加了贮存工件的自动料库、输送系统所构成的自动加工系统。增加了贮存工件的自动料库、输送系统所构成的自动加工系统。如如图图11-8所示为配有托盘交换系统的所示为配有托盘交换系统的FMC。FMC适于适于多品种、小批量工件的生产。多品种、小批量工件的生产。FMC具有规模小、成本低，具有规模小、成本低，便于扩展等优点。但便于扩展等优点。但FMC的信息系统自动化程度较低，加工柔性的信息系统自动化程度较低，加工柔性不高，只能完成品种有限的零件加工。不高，只能完成品种有限的零件加工。11.5 11.5 柔性制造技术柔性制造技术11.5.2 柔性制造系统柔性制造系统 1.FMS（Flexible Manufacturing System）的定义和组成FMS是在FMC的基础上扩展而成的一种高效率、高精度、高柔