机械制造技术

PAGEPAGE2PAGE机械制造技术：第7章先进制造技术7．1概述7．1．1先进制造技术的内涵及特点1．先进制造技术的内涵目前对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对发展先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。2．先进制造技术的特点（1）先进制造技术的实用性先进制造技术最重要的特点在于，它首先是一项面向工业应用，具有很强实用性的新技术。从先进制造技术的发展过程，从其应用于制造全过程的范围，特别是达到的目标与效果，无不反映这是一项应用于制造业，对制造业、对国民经济的发展可以起重大作用的实用技术。先进制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业（如汽车制造、电子工业）的需求而发展起来的先进、适用的制造技术，有明确的需求导向的特征；先进制造技术不是以追求技术的高新为目的，而是注重产生最好的实践效果，以提高效益为中心，以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。（2）先进制造技术应用的广泛性先进制造技术相对传统制造技术在应用范围上的一个很大不同点在于，传统制造技术通常只是指各种将原材料变成成品的加工工艺，而先进制造技术虽然仍大量应用于加工和装配过程，但由于其组成中包括了设计技术、自动化技术、系统管理技术，因而则将其综合应用于制造的全过程，覆盖了产品设计、生产准备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。（3）先进制造技术的动态特征由于先进制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期，先进制造技术有其自身的特点；也反映在不同的国家和地区，先进制造技术有其本身重点发展的目标和内容，通过重点内容的发展以实现这个国家和地区制造技术的跨越式发展。（4）先进制造技术的集成性传统制造技术的学科、专业单一独立，相互间的界限分明；先进制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界线逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化、已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。因此可以称其为“制造工程”。（5）先进制造技术的系统性统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流。随着微电子、信息技术的引入，使先进制造技术还能驾驭信息生成、采集、传递、反馈、调整的信息流动过程。先进制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。先进制造技术的产生往往要系统地考虑到制造的全过程，如并行工程就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。先进的制造模式除了考虑产品的设计、制造全过程外，还需要更好地考虑到整个的制造组织。（6）先进制造技术强调的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁等基础制造技术，它是从传统的制造工艺发展起来的，并与新技术实现了局部或系统集成，其重要的特征是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。这意味着先进制造技术除了通常追求的优质、高效外，还要针对21世纪人类面临的有限资源与日益增长的环保压力的挑战，实现可持续发展，要求实现低耗、清洁。此外，先进制造技术也必须面临人类在21世纪消费观念变革的挑战，满足对日益“挑剔”的市场的需求，实现灵活生产。（7）先进制造技术最终的目标是要提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力为确保生产和经济效益持续稳步的提高，能对市场变化做出更灵敏的反应，以及对最佳技术效益的追求，提高企业的竞争能力，先进制造技术比传统的制造技术更加重视技术与管理的结合，更加重视制造过程组织和管理体制的简化以及合理化，从而产生了一系列先进的制造模式。随着世界自由贸易体制的进一步完善，以及全球交通运输体系和通信网络的建立，制造业将形成全球化与一体化的格局，新的先进制造技术也必将是全球化的模式。7．1．2先进制造技术体系结构1．AMST多层次先进制造技术体系先进制造技术是制造业为了提高竞争力以适应时代要求，对制造技术不断优化及推陈出新而形成的高新技术群。在不同的国家、不同的发展阶段，先进制造技术有不同的内容及组成。第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的优质、高效、低耗、清洁基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。第二个层次是新型的制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术，如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CAD／CAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。2．先进制造技术体系结构（1）主体技术群①面向制造的设计技术群；②制造工艺技术群。（2）支撑技术群（3）制造基础设施（制造技术环境）上述三部分相互联系，相互促进，组成一个完整的体系，每一部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。FCCSET先进制造技术的系统结构及主要内容如图7-2所示。7．1．3先进制造技术的发展趋势在21世纪中，随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。当前先进制造技术的发展趋势大致有以下几个方面：⑴信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术也正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的的不断发展。可以说先进制造技术的形成与发展，无不与信息技术的应用与注入有关。它使制造技术的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化。信息技术对制造技术发展的作用目前已占第一位。在21世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展，如CIMS、并行工程、精益生产、灵捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也无不以信息技术的发展为支撑。⑵设计技术不断现代化产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是：①设计手段的计算机化在实现了计算机计算、绘图的基础上，当前突出反映在数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用，以及现代产品建模理论的发展上，并且向智能化设计方向发展。②新的设计思想和方法不断出现如并行设计、面向“X”的设计、健壮设计、优化设计、反求工程技术等。③向全寿命周期设计发展传统的设计只限于产品设计，全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体的设计和决策，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。④设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素设计不只是单纯追求某项性能指标的先进和高低、而是注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。⑶成形及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染方向发展成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总称。展望21世纪，成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，到下世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。改性技术主要包括热处理及表面工程各项技术。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复合处理使零件达到性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时大大减少能耗及完全消除对环境的污染。⑷加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展①超精密加工技术目前加工精度达到0.025μm，表面粗糙度达0.0045μm，已进入纳米级加工时代。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。②超高速切削目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金为300m/min，钛合金200m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工。③新一代制造装备的发展市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发，其中典型的例子是“并联桁架式结构数控机床”（或俗称“六腿”机床）的发展。它突破了传统机床的结构方案，采用六个轴长短的变化，以实现刀具相对于工件的加工位置的变化。⑸工艺由技艺发展为工程科学，工艺模拟技术得到迅速发展先进制造技术的一个重要发展趋势是，工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学。热加工过程的数值模拟与物理模拟是一个重要的发展方向，是使热加工工艺由技艺走向科学的重要标志。应用数值模拟于铸造、锻压、焊接、热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统相结合，来确定工艺参数，优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及应采取的防止措施，控制和保护加工工件的质量。采用这种科学的模拟技术并与少量的实验验证结合，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟来解决一些目前无法在实验室进行直接研究的复杂问题工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、产品设计过程。最新的进展是在并行工程环境下，开展虚拟成形制造，使得在产品的设计完成时，成形制造的准备工作（如铸造）也同时完成。⑹专业、学科间的界限逐渐淡化、消失先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。例如，CAD、CAPP、CAM的出现，使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展，使热加工可能直接提供接近最终形状、尺寸的零件，它与磨削加工相结合，有可能覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限；快速原型／零件制造（RPM）技术的产生，是近20年制造领域的一个重大突破，它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，淡化了设计、制造的界限；机器人加工工作站及FMS的出现，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分；很多新材料的配制与成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。这种趋势表现在生产上是专业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在一台设备、一条生产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。⑺绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征日趋严格的环境与资源的约束，使绿色制造业显得越来越重要，它将是21世纪制造业的重要特征，与此相应，绿色制造技术也将获得快速的发展。主要体现在：①绿色产品设计技术使产品在生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。②绿色制造技术在整个制造过程，使得对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。③产品的回收和循环再制造例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术。它主要包括生产系统工厂——致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段，恢复系统工厂——主要对产品（材料使用）生命周期结束时的材料处理循环。⑻虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用虚拟现实技术主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。⑼信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展制造业在经历了少品种小批量——少品种大批量——多品种小批量生产模式的过渡后，70年代、80年代开始采用计算机集成制造系统（CIMS）进行制造的柔性生产的模式，并逐步向智能制造技术（IMT）和智能制造系统（IMS）的方向发展。精益生产（LP）、敏捷制造（AM）等先进制造模式相继出现，预计21世纪初，先进制造模式必将获得不断发展。上述几种先进制造生产模式的进展，主要体现了以下五个转变：①从以技术为中心向以人为中心转变；②从金字塔式的多层次生产向扁平的网络结构转变；③从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变；④从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变；⑤从质量第一的竞争策略向快速响市场的竞争策略转变。7．2特种加工技术1．概述特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆盖等的非传统加工方法统称为特种加工。2．电火花加工电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。⑴电火花加工的原理电火花加工的原理是在进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入绝缘工作液中，或将绝缘工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。综上所述，要进行电火花加工必须具备以下条件①放电间隙②脉冲电源③绝缘工作液⑵电火花加工的表面质量电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分。①表面粗糙度电火花加工表面由无数个小坑和硬凸边所组成，有利于保存润滑油；而机械加工表面质量则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。两者相比，在相同表面粗糙度和有润滑油的情况下，电火花加工表面的润滑性能和耐磨性能均比机械加工的好。②表面变质层电火花加工过程中，电火花将煤油中碳微粒分解出来渗入工件表层，同时又受到工作液的快速冷切的作用，工件的表面层发生了很大的变化，形成了熔化凝固层和热影响层。a、融化凝固层位于攻坚表面最上层，是放电时高温熔化的金属未被去除的小部分，是工作液快速冷却而凝固的一薄层，一般不超过0.1mm，其硬度在1000HV乃至1000HV以上，凝固层于基体金属不同，并且与内层的结合也不甚牢靠。b、热影响层热影响层介于熔化层与基体之间，它虽然受到高温的影响，但金属材料并没有熔化和基体材料之间也没有明显的界限。由于热影响层中靠近凝固层部分受到高温作用而迅速冷却，形成淬火区，其厚度与条件无关。一般电源脉冲宽度越宽，向内传的热量就越多，热影响层越厚。c、显微裂纹由于电火花加工表面受到瞬间高温作用并迅速冷却而产生内应力，在表面出现显微裂纹。一般裂纹仅出现在热熔化层，只有在脉冲能量很大的情况下才有可能扩展到热影响层，脉冲能量越大，显微裂纹越宽、越深，脉冲能量很小时一般不出现显微裂纹。不同工件材料产生裂纹的敏感性不同，硬脆材料容易产生表面显微裂纹。在含钨、铬、钼、钒等合金元素的冷轧模具钢、高速钢、耐热钢中较易产生，在低碳钢和低合金钢中不产生。因为淬火材料脆硬，原始应力也较大，容易产生裂纹。③表面力学性能a、显微硬度及耐磨性电火花加工表面一般在最外面有一层硬度比较高，耐磨性好的薄层。但由于它和基体的结合不牢固，容易剥落，因此需要根据使用情况来决定其利用还是研磨掉。b、残余应力电火花加工表面由于电火花对金属的先热膨胀后冷缩作用，表面层一般有残余拉应力。残余应力的大小和分布，主要与材料的热处理状态和加工的脉冲能量有关。c、耐疲劳性能电火花加工表面存在着较大的拉应力和显微裂纹，其耐疲劳性能降低很多。采用回火、喷丸等处理方法，降低残余应力，或者电火花精加工，可提高金属表面耐疲劳性能。⑶电火花加工的特点①电火花加工的电极较软，但可以加工硬度极高的材料。电极可以用石墨、紫铜及钢材制成。被加工材料可以是钢材，也可以是超硬的聚晶金刚石。②可以较容易地加工出很复杂的零件形状。③加工过程中没有机械切削力、电极运动的动力需要较小，火花放电时产生的局部瞬时爆炸力很小，工件也不会因此而产生受力变形。也不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷。④电极与工件之间保持一个充满液体的放电间隙，相互之间无直接接触，而且强制循环的液体有利于工件的冷却。⑷电火花加工的适用范围电火花加工的适用范围较广，可以说：与材料的软硬无关，形状复杂不怕，异型微孔擅长。①可以加工各种难加工的金属材料和其他导电材料。②可以加工形状复杂的表面③加工中电极与工件之间作用力微小，有利于加工薄壁、弹性、低刚度和有微细小孔、异形小孔、微小深孔等的零件。⑸电火花线切割加工技术电火花线切割加工也是靠电火花放电对工件进行加工，因为电极为线状，故称为电火花线切割。它应用广泛，以成为电加工机床的主体。电火花线切割主要特点①电极为丝状，结构简单。可切割淬火钢、硬质合金等各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料。②可以加工微细导型孔、窄缝和复杂形状的工件。③能加工各种冲模、凸轮、样本等外廓复杂的柱形精密零件，尺寸精度可达0.02～0.01mm，表面粗糙度Ra值可达1.6μm。也可切割带斜度的模具或工件。④切割缝窄，节省材料。⑤自动化程度高，操作方便，劳动强度低。⑥加工周期短，成本低。电火花线切割分类①按控制方式可分为数字程序控制及微机控制的等。②按脉冲电源形式可分为晶体管电源、分组脉冲电源及适应控制电源等。③按加工特点可分为大、中、小型，以及普通直壁切割型与锥度切割型等。④按走丝速度可分为低速走丝方式和高度走丝方式。电火花线切割应用范围①应用最广泛的是加工各类模具。②各种导电材料和半导体材料以及稀有、贵重技术内的切断。③价格微细槽，任意曲线窄缝切割。④加工各种直纹曲面的零件。3．电解加工和电解磨削电解加工和电解磨削均属电化学加工方法，前者是利用电化学阳极熔解来进行加工，后者是利用电化学加工与机械加工相结合的复合加工工艺。⑴电解加工电解加工是继电火花加工以后，发展较快、较广泛的一种特种加工方法。目前在国内外已成功地应用于国防工业的各个部门，在模具制造中也得到了广泛的应用。在机械制造业中，它已成为一种不可缺少的工艺方法。①电解加工过程及成型原理电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理去除工件上多余材料的一种加工方法。电解加工开始时，工件阳极与工具阴极的形状不同，工件表面上各点至工具表面的距离不等，因而各点的电流密度不同。距离较近处通过的电流密度大，电解液的流速也常常较高，阳极溶液的速度较快；反之，距离较远处通过的电流密度小，阳极溶液的速度较慢。当工具不断进给时，工件表面上各点就以不同的溶液速度进行溶解，工件的形状就逐渐接近于工具的形状，直到把工具的形状“复映”在工件上，得到所需要的形状为止。②加工间隙加工间隙是影响电解加工精度的主要因素之一，也是设计工具阴极和选择工艺参数的主要依据。③电解液电解液的主要作用是：作为导电介质传递电流；在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起更新与冷却作用。因此，电解液的基本要求应具有以下几点：具有良好的加工特性，能使工件材料高速均匀地溶解，尽量避免形成难溶的钝化膜；溶液中的金属阳离子不得在工具阴极的表面沉积，以保持工具阴极型面的正确形状；具有较高的电导率和比热容；较低的粘度，以减小由于电解液的电阻所造成的电能损耗及发热量，并使加工间隙中的电解液具有足够的流速；安全、无毒、腐蚀性小；成分稳定，易于维护，价格低。电解加工的工艺特点及应用与传统的切削加工相比，电解加工工具有以下优点：可以加工具有各种力学性能的金属材料，加工范围十分广泛；可以加工各种形状复杂的型孔、型面和型腔，并可以在一次进给中成形，具有较高的生产率；由于加工过程中无切削力和切削热的作用，所以不会产生由此而引起的变形和残余应力、冷作硬化、金相组织的变化，以及毛刺、刀痕和飞边等；加工表面粗糙度一般为Ra0.8～0.2μm。工具阴极在加工过程中基本无损耗，可以长期使用。但电解加工也存在一些缺点和局限性，这主要是：加工精度不太高，最高精度不超过±0.03mm。难以加工很细的窄缝、小孔及清棱清角的工件。电解液对设备和环境有腐蚀作用。加工复杂型面的工具电极，设计和制造都比较麻烦。电解加工应用有：a、具有型面的零件电解加工在这方面的应用较多，如加工涡轮叶片、花键孔及其它异形孔、深孔、模具型面等。b、各种不同性能的材料电解加工可用于碳钢、淬火及未淬火的合金钢、高温合金、钛合金的加工，也可用于铝合金、铜合金、硬质合金及半导体材料等的加工。c、多种不同的工艺内容和加工方式电解加工可用于零件的扩孔、套料、开槽、内孔抛光、零件倒棱、去毛刺、微孔加工、切割及刻印。⑵电解磨削电解加工的生产率较高，但由于它是靠化学阳极溶解去除材料的，因而加工精度和表面粗糙度不易达到精加工的要求。为提高加工精度，在电解加工的基础上发展了电化学机械加工。电解磨削就是其中一种。电解磨削与机械磨削相比，具有如下特点：磨削效率一般高于机械磨削，而磨轮的损耗远比机械磨削小；可以提高加工精度及表面质量。表面粗糙度可小于Ra0.16μm。同时由于磨削压力和磨削热都很小，磨削表面不产生残余应力、变形、烧伤、裂纹和毛刺等缺陷；所需的辅助设备较多，从而增加了投资费用；电解液具有腐蚀性，机床、夹具等应具有有效的防护措施；加工中有刺激性气体和电解液雾沫产生，污染环境、需配置防护、吸气、排气等装置。4．激光加工激光加工的原理,它是利用某些材料经受激辐射产生的加强光，再通过聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，将光能的能量密度提高到10～10W/㎝左右，照射在工件表面上，形成温度高达10000℃以上的光斑区，使材料熔化甚至气化，对材料进行的一种加工。激光加工器按其产生激光的工作物质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器及半导体激光器等四大类。在机械加工中，由于固体激光器体积小，所以调整方便，应用较广泛。激光是一种单色光，其基本性质与普通光完全相同，也具有反射、折射、绕射及光波干涉等特性，但激光与普通光比较也有自身的特点：高亮度，一台红宝石巨脉冲激光器的亮度比太阳表面的亮度高200多亿倍；高单色性；高方向性。⑴激光加工的特点和作用①激光加工能量密度高，可达10～10W/㎝，可以加工各种金属材料和非金属材料。②激光加工的机械力小，不存在工具损耗，加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。③激光可透过玻璃等材料对工件进行加工，如对真空管内的器件进行焊接。④激光斑可以聚焦成微米级，又可以调节输出功率大小，因此可以实现精密微细加工。⑤平均加工精度可达0.01mm，最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度Ra值也可达到0.4～0.1μm。⑥激光可以进行表面热处理、焊接、切割、打孔、雕刻及微细加工等多种加工。⑵激光加工的应用①激光打孔②激光切割③激光焊接④激光表面处理5.电子束加工技术和离子束加工技术⑴电子束加工原理在真空条件下，利用能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走，从而达到加工的目的。⑵电子束加工的特点①电子束能够聚焦到焦点直径只有0.1微米，加工面积小，是一种精密微细的加工方法。②电子束能量密度很高。材料被照射时的温度超过其熔化和气化温度，因而瞬时蒸发。③电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。④对电子束的精度、位置、聚焦等可以进行直接控制，整个加工过程便于实现自动化。⑤由于加工在真空中进行，污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工要求极高的半导体材料、易氧化的技术内及合金材料。⑥电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定的局限性。⑶电子束加工的应用①电子束打孔电子束打孔已在生产中广泛应用，最小直径可达φ0.003mm左右，用于喷气发动机套上的冷却孔，机翼吸附屏上的孔。电子束打孔时，不仅孔数可达数百万个，而且有时还可以改变孔径、可在工件运动中进行。电子束打孔速度极高，例如在0.1mm厚的不锈钢上每秒可打3000个直径为φ0.2mm的孔。②刻蚀微电子器件的发展，需要在陶瓷或半导体上刻出许多微细沟槽和孔，如在硅片上刻出宽2.5μm、深0.25μm的细槽；在混合电路电阻的金属镀层上刻40μm宽的线条，均可发挥电子束加工的特长。③焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。其能量密度高，焊接速度快，所以焊接深而窄，热影响区小，变形小，加工中不用焊条，焊接过程在真空中进行，焊接纯净，焊接接头的强度高。④热处理电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。电子束设备的功率一般比激光功率大，可以有更广泛的应用前景。⑤光刻采用电子束加工，可在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。⑷离子束加工离子束加工与电子束加工的原理基本相同，不同的只是离子质量比电子质量大数千、数万倍，经过聚焦加速后，靠离子打击加工工件的动能，或将工件的原子撞击出来，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表面，或直接将离子束中的离子打入工件表面层之内。离子束撞击和飞溅加工时，一般采用能量为0.5～5千电子伏的氩离子轰击工件表面；注入加工时一般根据需要采用5～500keV能量的碳、氮、硼等离子束。离子束的离子能量和离子的流密度可以精确控制，可以对材料进行“原子级加工”、“纳米加工”，被加工工件的尺寸精度可以达到原子间的距离，达到尺寸精度和表面粗糙度的极限。7．3现代制造工程技术7．3．1计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）1．概述计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）技术是设计人员和组织产品制造的工艺技术人员在计算机系统的辅助之下，根据产品的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术，是传统技术与计算机技术的结合。设计人员通过人——机交互操作方式进行产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工信息（工程图纸或数控加工信息等）的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。而工艺设计人员则可以根据CAD过程提供的信息和CAM系统的功能，进行零部件加工工艺路线的控制和加工状况的预显，以及生成控制零件加工过程的信息。2．CAD/CAM系统的基本组成与类型一般讲，一个CAD/CAM系统基本上只适用于某一类产品的设计和制造，如电子产品CAD/CAM只适用于设计制造印制板或集成电路，而机床的CAD/CAM只适用机床的设计和制造，这两个系统不仅基础和专业软件不一样，而且硬件配置上也有差异。但就系统的逻辑功能和系统结构角度来看还是基本相同的。不管是用于何种产品设计和制造的CAD/CAM系统，从其逻辑功能角度来看，CAD/CAM系统基本上是由计算机和一些外部设备（计算机和外部设备通常硬件）及相应的软件组成（其中包括系统软件、支撑软件及应用软件），如图7-10所示。但对于一个具体的CAD/CAM系统来讲，其硬件、软件相互的配置是需要进行周密考虑的，同时对硬软件的型号、性能以及厂家都需要进行全方位的考虑。①大型机CAD/CAM系统顾名思义，该系统一般一具有大容量的存储器和极强的计算功能的大型通用计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百台图形终端和字符终端及其他图形输入和输出设备。其主要优点有：系统具有一个大型的数据库，可以对整个系统的数据实行综合管理和维护；计算速度快；给企业的集成管理带来方便；提高了企业在设计、制造方面的效率，为企业的设计、制造一体化提供了条件，为企业生产方式向国际先进水平靠拢奠定了基础。主要缺点有：安全性能低：如果主机出现故障，则整个系统都不能工作；但随着双机容错等先进技术的广泛使用，安全性能已经今非昔比；终端距离不能太大；但随着网络技术的发展，距离的限制是越来越小了；随着计算机的总负荷增加，系统的响应速度将降低。这种现象在三维造型和复杂有限元分析时尤为突出。②小型机CAD/CAM系统70年代末至80年代初，这类系统处于蓬勃发展时期。我国在此期间从国外购进的CAD/CAM系统大都属这种类型。生产、制造这类系统的厂商很多，如美国的CV、Intergraph、DEC、Calma、Autotrol、Unigraphics和法国的Euelid等。通过使用，人们逐渐发现了这类小型机系统有一定的局限性，如系统的计算能力和扩充能力差等，而且，不同系统之间数据是很难进行交换的，即不同系统的数据存贮格式不相同的。③工程工作站组成的CAD/CAM系统80年代初，32位的工程工作站问世，以工作站组成CAD/CAM系统发展很快。它与小型机CAD/CAM系统不同，一台工作站只能一个人使用，并且具有较强的联网功能，其处理速度很快，一般都赶上或超过了过去的小型机的速度。这类工作站一般都采用RISC技术和开放系统的设计原则，且以UNIX为操作系统。这种类型的工作站式90年代CAD/CAM系统的主要机器。④PC微机组成的CAD/CAM系统随着微机性能的不断提高，价格的不断下降，以PC及组成的CAD/CAM系统近年来增加很快。过去以PC微机为主机的CAD/CAM系统一般只能进行二维拼图和绘图，而现在可以进行三维造型和复杂的分析计算。值得一提的是，由于网络技术的发展，现在的微机已能与大型机和小型机及工作站联网，成为整个网络的一个节点，共享主机和工作站资源。这样，大型系统、工作站系统、PC机系统就不再相互割裂，而成为一个有机的整体，在网络中发挥各自的优点，使得原来在小型机和工作战上运行的CAD/CAM软件直接在微机上运行。因此，在我国用高档微机组成的CAD/CAM系统发展很快，在某些方面已接近低档工程工作站的能力。3．CAD/CAM系统的功能界定我们以制造业为例来说明一个CAD/CAM系统的功能界定。一个完整的制造企业CAD/CAM系统应包括如下几个由底层到高层的模块：（1）CNC系统及各种自动化加工设备，包括数控加工中心等各种数控机床、三坐标数控测量机、PLC、监测设备等。（2）物料存储及运送系统（包括自动化仓库）。（3）分布式直接数控及设备控制系统，包括直接数控群控（DDNC）系统及其与自动仓库的互联系统、工业控制系统等。（4）物流控制与管理系统，其功能式对物料存储及运送系统进行监测和控制，以服务于车间生产计划控制系统。（5）工艺规程设计与管理系统，其功能包括计算机辅助工艺规程设计、工艺数据库管理、工艺规程管理等。（6）数控加工自动编程系统，包括复杂曲面模具加工自动编程系统、数控线切割、车、铣和磨等加工的自动编程系统。（7）全面质量保证系统。（8）车间生产计划控制系统（SFCS）。（9）计算机辅助工程制图（CAED）系统，其功能包括辅助制图、图纸扫描及光栅-矢量混合编辑、图纸管理等。（10）计算机辅助设计/辅助工程（CAD/CAE）系统，其功能包括产品的二维设计或三维设计、装配设计、工程分析及优化、工业设计、产品信息管理等。（11）产品综合信息管理系统（PIIMS），其功能是基于一个统一的数据库、一个统一的框架对产品的各项信息，例如设计文档、设计辅助数据、产品模型（二维或三维）、版本信息、工程图纸、工艺规程、工艺数据、数控加工程序等实行管理。前八个模块主要完成制造企业生产管理中的控制和执行功能，属于计算机辅助制造（CAM）范畴。其中，车间生产计划控制系统是对CAM各个功能模块的大集成。通过SFCS，我们实现了集成的CAM系统，我们将这种集成系统称为车间级计算机集成制作系统。7．3．2计算机工艺规程设计（CAPP）1．概述CAPP是计算机辅助工艺过程设计的简称，是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术。2．CAPP系统的功能一个CAPP系统应具有以下功能：检索标准工艺文件；选择加工方法；安排加工路线；选择机床、刀具、量具、夹具等；选择装夹方式和装夹表面；优化选择切削用量；计算加工时间和加工费用；确定工序尺寸和公差及选择毛坯；绘制工序图及编写工序卡。有的CAPP系统还具有计算刀具轨迹，自动进行NC编程和进行加工过程模拟的功能，有些专家认为这些功能属于CAM的范畴。3．CAPP系统的分类①检索式CAPP系统这种CAPP系统常应用于大批大量生产模式，工件的种类很少，零件变化不大且相似程度很高。检索式CAPP系统不需要进行零件的编码，在建立系统时，只需要将各类零件的工艺规程输入计算机。一般情况下，只需要对已建立的工艺规程进行管理即可。如果需要编制新零件的工艺规程，将同类零件的工艺规程调出并进行修改即可。这是最简单的CAPP系统。②派生式CAPP系统这是一种建立在成组技术基础上的CAPP系统。首先对生产对象进行分析，根据成组技术原理（几何形状和工艺上的相似性）将各种零件分类归族，形成零件组；对于每一零件族，选择一个能包含该组中所有零件特征的零件为标准样件，也可以构造一个并不存在但包含该组中所有零件特征的零件为标准样件；对标准样件编制成熟的，经过考验的标准工艺规程；然后将该标准工艺规程存放在数据库中；当要为新零件设计工艺规程时，首先输入该零件的成组技术代码，也可以输入零件信息，由系统自动生成该零件的成组技术代码；更具零件的成组技术代码，系统自动判断零件所属的零件组，并检索出该零件族的标准工艺规程；然后根据零件的结构形状特点和尺寸及公差，利用系统提供的修改编辑功能，对标准工艺规程进行修改编辑，最后得到所需的工艺规程。派生式CAPP系统具有结构简单，系统容易建立，便于维护和使用，系统性能可靠、成熟等优点，所以应用比较广泛。目前大多数实用型CAPP系统都属于这种类型。③创成式CAPP系统与派生式CAPP系统不同，创成式CAPP系统中不存在标准工艺规程，但是有一个收集有大量工艺数据的数据库和一个存贮工艺专家知识的知识库。当输入零件的有关信息后，系统可以模仿工艺专家，应用各种工艺决策规则，在没有人工干预的条件下，从无到有，自动生成该零件的工艺规程。创成式CAPP系统理论目前尚不完善，因此还未出现一个纯粹的创成式CAPP系统。创成式CAPP系统的核心是工艺决策逻辑，这是人工智能、专家系统发挥作用的大好领域。所以，应用专家系统原理的创成式CAPP系统将是今后研究的重点。④半创成式CAPP系统从原理上看，半创成式CAPP系统是派生式和创出式CAPP原理的综合。也就是说，这种系统是在派生式CAPP的基础上，增加若干创成功能而形成的系统。这种系统既有派生式可靠成熟、结构简单、便于使用和维护的优点，又有创成式能够存贮、积累、应用工艺专家知识的优点。这种系统非常灵活，便于结合企业的具体情况进行开发，是一种实用性很强，很有发展前途的CAPP模式。⑤广义CAPP系统又称综合式CAPP系统或多元化CAPP系统，这种系统将传统CAPP系统的概念扩充到生产计划编制，车间调度和生产负荷平衡等领域，它同时还包括多种CAPP模式（检索式、派生式、创成式），根据不同的生产情况，系统可以自动选择适用的模式。⑥CAPP开发平台（见CAPP系统的柔性化）⑦智能CAPP系统4．CAPP系统的柔性化到目前为止，国内外开发的CAPP系统都是针对某一具体生产环境专门设计的、不具有通用性，也无法实现软件的商品化。国外某公司曾与某大学合作，投资几百万美元，试图开发完全通用的CAPP系统，虽然在某些局部技术上取得一些进展，但最终不得不宣告失败。可见，目前技术条件下，开发完全通用的CAPP系统几乎不可能。而开发专用CAPP系统工作量大，开发周期长、开发费用高，这种情况对于广大工厂企业迫切希望采用CAPP技术的愿望极不适应。因此，需要提高CAPP系统的柔性，建立一个CAPP开发平台，并提供众多实用性二次开发工具，使开发平台商品化。用户在购得开发平台后，只需经过不十分复杂的标准化的二次开发，即可得到符合用户具体情况的、满足用户使用要求的CAPP系统。为了实现通用的CAPP开发平台，应在零件信息描述、工艺决策逻辑归纳等方面进行努力：①零件信息描述的标准化和统一化②工艺决策逻辑的统一化、代码化和开放性③软件设计的模块化④统一的工程数据库5．派生式CAPP系统⑴零件编码零件编码的目的是将零件图上的信息代码化，使计算机易于识别和处理。常用的系统有Opitz、JLBM等系统、编码分为手工编码和计算机编码两种。手工编码是由编码人员根据编码法则，对照零件图用手工方式编出各码位的代码。这种方式的效率低，劳动强度大，一致性差，容易出错。计算机辅助编码采用人机对话的方式，由计算机提问，操作人员回答，对编码系统的理解和判断是由计算机软件自动完成的。这种系统明显优于人工编码。⑵零件特征识别零件特征识别的目的是将输入零件的代码与存在计算机中的零件组相比较，确定零件所属的零件族，以便检索出标准工艺。⑶工艺规程编辑器系统应提供对工艺文件进行编辑的功能，应能方便地删除、添加、修改标准工艺规程。修改包括加工工艺路线（加工方法、加工路线等）和工序内容（机床、刀具、夹具、量具、切削参数、加工尺寸和公差）的修改以及加工时间和加工费用的重新计算。为此，系统应有一个大型数据库存放大量的切削数据。6．创成式CAPP系统在创成式CAPP系统中，由计算机模仿工艺人员的逻辑思维能力，以人机交互的方式或自动地进行各种决策和计算。图7-12为创成法工作原理示意图⑴零件信息描述创成式CAPP系统中零件的描述方法很多，最常用的有以下三种：①型面描述法这种描述方法将零件视为由若干种基本型面按一定规律组合而成，而每种型面都可用一组特征参数来确定，型面种类及它的特征参数及型面间的关系可用代码表示。②元（体）素描述法元素是零件上可分解的最基本的三维几何体，如圆锥体、圆柱体、六面体、圆环体及球体等。元素描述法把零件看成是由若干种基本几何体按一定位置关系组合而成。元素描述法往往更乐于为工艺人员采用，因为它更符合工艺人员的习惯。但由于元素的加工最后都落实在它们的表面形成上，所以，型面描述法本质上更合适些。③从CAD数据库获取零件信息这种方法是利用中间接口或其他的传输手段，将零件的设计信息直接由CAD数据库传给CAPP系统，用以进行工艺规程设计。采用这种方法可以省去工艺设计前对零件的二次描述，并可获得完整的零件信息，实现CAD/CAPP/CAM的一体化。这种方法尽管目前还无法完全实现，但它是CAPP零件信息获取的最佳方法。⑵工艺决策逻辑在创成式工艺设计系统中，决策逻辑是软件的核心，它引导程序的走向。创成式系统就是决策逻辑的应用，它将工艺知识用决策表或决策树的形式来表示。。决策树是和决策表类似的工具，是一个树状图形，由树根、分支和树叶组成，树根表示需要决策的项目，分支表示条件，树叶表示决策结果。⑶工艺设计专家系统在利用决策表和决策树的CAPP系统中，工艺知识和决策逻辑都用程序设计语言编制在软件程序中，系统程序一旦编制、调试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改。当生产环境变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。另外，现有的创成式CAPP系统缺乏总结经验、发现问题的自学习能力。由于这些缺陷，促使人们将人工智能、专家系统的原理应用于CAPP系统，开发出柔性高，具有自学功能，能够真正模拟人类专家进行工艺设计的创成式CAPP系统。7．3．3柔性制造系统1．概述柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。采用FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置(CNC)，实现各个加工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机)，其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件(调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等)和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。柔性制造系统按机床与搬运系统的相互关系可分为直线型、循环型、网络型和单元型。加工工件品种少、柔性要求小的制造系统多采用直线布局，虽然加工顺序不能改变，但管理容易；单元型具有较大柔性，易于扩展，但调度作业的程序设计比较复杂。柔性制造系统未来将向发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS；完善FMS的自动化功能；扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM)相结合，向全盘自动化工厂方向发展。2．柔性制造系统组成一个柔性制造系统一般可概括为下列三个部分组成：可编程控制的数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制系统.⑴加工系统加工系统实施对产品零件的加工。在FMS上大多采用自动换刀的加工中心或其它数控机床。加工系统能按照主控计算机的指令自动加工各种零件，并能自动实现工件、刀具的交换，常由若干台CNC机床组成。对以加工箱体类零件为主的柔性制造系统而言，通常配备有数控加工中心、CNC铣床等；对以加工轴类零件为主的系统而言，则多数配有CNC车削中心、CNC车床和CNC磨床等。对于加工专门零件的系统除了一些通用的CNC设备以外，还配备一些专用的CNC设备。⑵物流系统物流系统由储存、输送和装卸三个子系统组成，它完成毛坯、夹具、工件等的出入库和装卸工件工作。柔性制造系统的物流系统与传统的自动线或流水线有很大区别，它的工件输送系统是不按固定节拍强迫运送工件的，它没有固定的顺序，甚至是几种零件混杂在一起输送的。柔性制造系统的物流系统包括输送搬运和储存两个方面。物料搬运系统（MHS）是在机床、装卸站、缓冲站、清洗站和检验站之间运送零件和刀具的传送系统。物料输送系统包括工件从系统外部送入系统和工件从系统内部的传送两部分。工件的输送系统的运输工具可分为：自动输送车、辊道传送系统、带式传送系统和机器人传送系统。⑶控制系统控制系统实施对整个FMS的控制和监督。这实际上是由中央管理计算机与各设备的控制装置组成的分级控制网络，它们组成了信息流。该系统主要完成下列任务：①数控程序的储存和分配；②生产控制和管理；③运输物料的控制和管理；④刀具的监测和控制；⑤系统的性能监测和报告。3．FMS的工作过程FMS工作过程可以这样描述：柔性制造系统接到上一级控制系统的有关生产计划信息和技术信息后，由其控制系统进行数据信息的处理、分配。按照一定的方式对加工系统和物流系统进行控制。料库和夹具库根据生产的品种和调度计划信息，供应相应品种的毛坯，选出加工所需的夹具，物料运送系统根据指令把工件和夹具运送到相应的机床上。机床选用正确的加工程序、刀具、切削用量对工件进行加工，加工完毕，按照信息系统输给的控制信息转换工序，并进行检验。全部加工完成后，由装卸和运输系统送入成品库，同时把质量和数量信息送到监视和记录装置，夹具送回夹具库。当需变换产品零件时，只要改变输入给系统的生产计划信息、技术信息，整个系统就能迅速、自动地按照新要求来完成新的零件加工。3．FMS的发展FMS是集计算机技术、软件技术、网络通信技术、自动控制原理等高新技术于一身的高度集成化的综合技术。目前，FMS的软硬件系统大多已比较成熟，今后的发展方向集中在以下方面：①不断推出新型控制软件；②控制软件的模块化、标准化；③开发应用软件“开发平台”；④积极引入设计新方法；⑤发展新型控制体系结构；⑥应用人工智能技术。7．4现代制造系统的生产模式7．4．1计算机集成制造系统（CIMS）1．概述计算机集成制造系统，是计算机应用技术在工业生产领域的主要分支技术之一。对于CIMS的认识，一般包括以下两个基本要点：（1）企业生产经营的各个环节，如市场分析预测、产品设计、加工制造、经营管理、产品销售等一切的生产经营活动，是一个不可分割的整体。（2）企业整个生产经营过程从本质上看，是一个数据的采集、传递、加工处理的过程，而形成的最终产品也可看成是数据的物质表现形式。因此对CIMS通俗的解释可以是“用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。”CIMS是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。在CIMS的研究和实施中之分强调“信息流”和“系统集成”两个基本点。我们可以把CIMS的关键技术“集成”理解成：⑴人员集成管理者、设计者、制造者、保障者以及用户应集成一个协调整体。⑵信息集成产品生产周期中各类信息的获取、表达、处理和操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系统。⑶功能集成产品生产周期中，企业各部门功能集成，以及产品开发与外部协作企业间功能的集成。⑷技术集成产品开发过程中，涉及的多学科以及各种技术、方法的集成，并形成集成的知识库和方法库，以利于CIMS的实施。2．CIMS的系统构成CIMS包括工厂企业设计、生产及经营等全部活动，制造型企业的CIMS功能模型通常包括以下七个应用（功能）分系统。⑴经营管理与决策分系统经营管理与决策分系统是企业在管理领域中应用计算机系统的总称。其功能覆盖市场销售、物料供应、各级生产计划与控制、财务管理、成本、库存和技术管理等内容，是以经营生产计划、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间计划、车间调度与控制为主体形成的闭环一体化经营管理与决策系统。它在CIMS中相当于神经中枢，指挥与控制各个部分有条不紊地工作。⑵设计自动化分系统设计自动化分系统是在产品开发过程中引入计算机技术而形成的系统，包括计算机辅助的产品概念设计、工程与结构分析、产品设计、工艺设计与数据编程等内容，通常划分为CAD、CAPP、CAM，工程数据管理等子系统，子系统之间强调信息的连续流动和共享，即CAD/CAPP/CAM系统集成。⑶制造自动化分系统CINS中制造自动化分系统是CIMS环境下的制造设备、装置、工具、人员、相应信息以及相应的系统体系结构和组织管理模式所组成的系统。制造自动化分系统一般包括5个子系统：制造设备子系统、物料运输与存储子系统、能量流子系统、制造信息子系统、制造过程生产计划调度与控制子系统。⑷质量保证分系统质量保证分系统主要是采集、存储、评价与处理存在于设计、制造过程中与质量有关信息。从而进行一系列的质量决策和控制，有效地保证质量并促进质量的提高。质量保证分系统包括质量监测与数据采集、质量评价、质量决策、质量控制与跟踪等功能。⑸支撑分系统支撑分系统由数据子系统和计算机通信网络子系统组成。⑹数据库子系统数据库子系统是以数据库管理系统为核心，由与数据库有关的计算机硬件、软件、数据集合以及应用人员组成的为CIMS提高信息服务的系统。信息服务通常包括对数据的定义、组织、存放、查找、维护和传递等功能。数据库子系统是CIMS的信息管理和控制中心，具体执行各种制造新鲜的管理、传递和交换任务。⑺计算机通信网络子系统计算机通信往来子系统为CIMS中信息的传递、交换和共享提供必要的信息通道及控制机制，是信息集成得以实现的载体。计算机通信往来子系统使整个制造系统实现资源共享，提高系统的可靠性，并且使各个分系统之间方便、及时地进行信息交流。3．CIMS的成功应用⑴早在1985年，美国科学院对美国在CIMS方面处于领先地位的五家公司--麦克唐纳道格拉斯飞机公司、迪尔拖拉机公司、通用汽车公司、英格索尔铣床公司和西屋公司进行调查和分析，他们认为采用CIMS可以获得如下收益：产品质量提高200%～500%；生产率提高40%～70%；设备利用率提高200%～300%；生产周期缩短30%～60%。⑵在我国，成都飞机工业公司自1989年开始开展CIMS工程，经过10年的发展完善，使得企业在产品制造能力和公司管理水平方面上了一个新台阶，从而赢得了国外航空产品转包生产的订单，经济效益十分明显。10年来，企业仅在网络和数据库方面累计投资就超过2000万元，但是企业CIMS工程总设计师钱应璋女土认为当初的投资在今天得到了回报。企业目前很好地实现了信息共享和集成，并且利用开放系统避免建设信息孤立岛，省去了大量的重复性劳动。但是，对于系统的建设完善，钱应璋女土认为CIMS工程要分为一期、二期、三期，不断进行，要不断地推动系统走向实用化，逐步获得效益。4．CIMS研究和应用中需注意的几个问题⑴CIMS不是无人化工厂在CIMS研究初期，人们曾认为全盘自动化和无人化工厂或车间是其主要特征。随着CIMS实践的深入和一些无人化工厂实施的失败，人们对无人制造自动化问题进行了反思，并对人在CIMS中的重要作用进行重新认识。近年来，我国实施的CIMS早已突破无人化和高度自动化的局限，而主要强调信息集成和功能集成。⑵CIMS没有统一模式CIMS的系统结构仅针对一般情况，不同的企业类型，不同的生产方式，其CIMS的系统结构是不一样的。实际应用中不应求全和统一，而应根据企业实际决定其系统结构。⑶CIMS在应用工程中应强调结合实际，总体规划，分步实施。CIMS是一个复杂的制造系统工程，工程投资大，投入人员多，开发周期长，因此，必须在总体规划的基础上，根据企业的财务和物力，分布实施，重点突破，既要保证系统的实用有效，又要保证系统的集成。7．4．3并行工程系统（CE）1．并行工程的定义和内涵1988年美国国家防御分析研究所（IDA）完整地提出了并行工程（CE）的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。”并行工程的目标：⑴提高全过程（包括设计、工艺、制造、服务）中全面的质量；⑵降低产品全生命周期中的成本（包括产品是合件、制造、发送、支持、客户使用至产品报废等成本）；⑶缩短产品研制开发周期（包括减少设计反复、降低设计时间、生产准备时间、制造时间、发送时间等）。2．并行工程的运行机理和工作模式所谓串行工程是前一工作环节完成之后才开始后一工作环节的工作，各个工作环节的作业时序上没有重复和反馈。串行工程的各个生产环节前后脱节，设计改动量大，产品的开发周期长、成本高。而并行工程是将时间上先后的知识处理和作业实施过程转变为同时考虑和尽可能的同时处理的一种作业方式。并行工程在产品设计阶段就同时进行工艺过程设计，考虑产品整个生产周期的所在因素，大大缩短产品投放市场的时间，这种方法在日、美企业中已得到了广泛的应用。并行工程是一种经验哲理，采用并行的发明故事，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命同期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验设计、售后服务方案等进行统筹考虑、协同进行。?????CIMS作为制造系统为并行工程的应用提供了理想的集成环境，并行工程作为CIMS的一种补充，能更好地解决CIMS产品开发过程的问题。3．并行工程的特点和效益⑴并行工程的特点是：①强调合作精神和工作方式②强调设计过程的并行性并行性有两个方面的含义：一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品生命周期的各个方面；二是在设计阶段同时进行工艺过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用原型法生产出产品的样品。③强调设计过程的快速“短”反馈并行工程强调对设计结果及时审查，并及时反馈给设计人员，可以大大缩短设计时间，还可以保证将错误消灭在“萌芽”阶段。④强调设计过程的系统性设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而是将其纳入一个系统考虑。设计过程不仅是得出图样和其他设计资料，还要考虑质量控制、成本核算、进度计划等。⑵实施并行工程可以取得的效益：①缩短产品投放市场的时间；②降低成本；③提高质量；④保证功能的实用性；⑤增强市场竞争能力。4．并行工程的工程实现采用CE后取得的成效要通过工程实现来体现。实施CE必须要有合适的CE环境与条件、实施策略与步骤、实施框架及相应的工具和技术。⑴CE环境在产品的整个生命周期中，特别是对于产品的设计，CE环境主要包括：①统一的产品模型。统一的产品模型保证了产品信息的惟一性，并必须有统一的企业知识库，使工作人员能用一种“语言”进行协同工作。②一套高性能的计算机网络。让工作人员能在各自的工作站或微机上进行仿真，或利用各自的CAD，CAM，CAPP系统。③一个交互式、良好的用户界面，实现CAD，CAM，CAE系统的集成，有统一的数据库和知识库，使工作人员能同时以不同角度参与或解决各自的设计问题。在CE环境中，企业要采用计算机仿真技术