机械制造基础课件：先进制造技术

机械设计基础

先进制造技术

先进制造技术【能力目标】通过“做、学、教”一体化教学，掌握电火花线切割机床的应用，掌握数控车床、数控铣床的基本操作，并能实际应用。【知识目标】了解机械制造技术的发展趋势、数控机床的基本知识、特种加工技术的基本原理。任务一计算机集成制造系统技术一、CIM和CIMS的基本概念

CIM（ComputerIntegratedManufacturing——计算机集成制造）这一概念最早由美国约瑟夫·哈林顿（JosephHarrington）博士于1973年在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中首先提出。其关于CIM有两个观点：（1）企业各个生产环节是一个不可分割的整体（集成）；（2）企业生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程（信息）。

约瑟夫·哈林顿的这两种观点至今仍是CIM的核心部分，其实质内容是信息的集成。任务一计算机集成制造系统技术

计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems，CIMS），是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。

它借助于计算机的硬件、软件技术，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。

对企业的生产作业、管理、计划、调度、经营、销售等整个生产过程中的信息进行统一处理，并对分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统的功能进行有机地集成，并优化运行，从而缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。任务一计算机集成制造系统技术二、CIMS技术发展的几个阶段 CIMS技术研究和应用工程的开发，经历了以下3个发展阶段： 1.以信息集成为特征的阶段 2.以过程集成为特征的阶段 3.以企业集成为特征的阶段任务一计算机集成制造系统技术三、CIMS技术的优势

由于CIMS系统集成度提高，使各功能分系统间的配合和参数配置更加优化，各种生产要素的潜力得到更有效地利用，减少实际存在于企业生产中的各种资源浪费，同时使管理科学化，提高企业对市场的响应能力。CIMS技术的优势具体表现在以下3个方面： 1.保障和提高了新产品开发的质量 2.缩短了新产品的上市周期 3.经营管理科学化任务一计算机集成制造系统技术四、CIMS系统的组成

一个制造业通常应具备设计、制造和经营管理三项主要功能。除此之外，由于产品质量对于一个制造企业的竞争和生存来说越来越重要，所以说通常把质量保证系统作为企业功能的主要方面之一。任务一计算机集成制造系统技术

为了实现以上企业功能信息的集成，还需要一个由计算机网络、数据库所组成的信息支撑环境。CIMS的运行必须基于一系列的集成方法，将其统称为系统局势，其技术构成与系统构图如图6-1所示。任务一计算机集成制造系统技术 CIMS通常由管理信息子系统、工程设计自动化子系统、质量保证子系统、制造自动化子系统以及计算机通信网络子系统和数据库子系统组成的支撑分系统等部分有机组成。以下分别介绍每个子系统的具体功能。1.管理信息子系统

管理信息子系统具有生产计划与控制、经营管理、销售管理、采购管理、财务管理等功能，处理生产任务方面的信息。它在CIMS中相当于神经中枢，指挥和控制各个部分有条不紊地工作。任务一计算机集成制造系统技术2.工程设计自动化子系统

工程设计自动化子系统由计算机辅助设计、计算机辅助工艺编制和数控程序编制等功能组成，用以支持产品的设计和工艺准备，处理有关产品结构方面的信息。使产品开发活动更高效优质地进行，同时与CIMS的其他子系统进行信息交换，从而实现整个制造系统的信息集成。3.制造自动化子系统

制造自动化子系统包括各种不同自动化程度的制造设备和子系统，用来实现信息流对物流的控制和完成物流的转换。它是信息流和物流的接合部，用来支持企业的制造功能。任务一计算机集成制造系统技术4.质量保障子系统

质量保障子系统具有制订质量管理计划、实施质量管理、处理质量方面信息、支持质量保证等功能。5.数据库子系统

数据库子系统是CIMS的信息管理和控制中心，具体执行各种制造信息的管理、传递和交换任务。6.计算机通信网络子系统

计算机通信网络子系统用以传递CIMS各分系统之间和分系统内部的信息，实现CIMS的数据传递和系统通信功能。任务一计算机集成制造系统技术五、现代集成制造技术未来发展趋势

以信息技术的发展为支持，以满足制造业市场需求和增强企业竞争力为目的，现代集成制造技术未来将突出以下3个方面的发展趋势。以“数字化”为发展核心以“精密化”为发展关键以突出“极端条件”为发展的焦点任务二数控技术一、数控技术的基本概念与特点（一）数控技术的基本概念

数字控制（NumericalControl，NC）是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。

数控技术（NumericalControlTechnology）是采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。数控技术就是利用数字化信号进行控制的技术。

数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。任务二数控技术（二）数控技术的特点1.提高加工精度2.提高生产效率3.提高适应性4.提高零件的可加工性5.提高经济效益任务二数控技术二、数控机床的工作原理

数控机床的工作过程如图6-3所示。首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数及相关数据；采用人工或计算机自动编程软件，按规定的格式及指令代码编写零件加工程序，并将这些指令代码输入机床数字控制装置；经过程序调试、机床调整、加工准备后运行程序，完成零件的加工。图6-3数控机床的工作过程零件工艺分析编制数控加工程序程序输入程序调试，加工准备运行程序，完成加工任务二数控技术三、数控系统的分类 CNC机床一般由操作面板、输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体、测量装置组成。其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控系统（CNC）。任务二数控技术（一）操作面板

如图6-5所示，它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具，数控机床特有部件。

操作面板是由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器组成。任务二数控技术（二）控制介质与输入输出设备

控制介质是记录零件加工程序的媒介，输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。任务二数控技术（三）通信

现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通信方式进行信息交换的能力。它们是实现AD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：（1）串行通信（RS-232等串口）。（2）自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）。（3）网络技术（internet，LAN等）。任务二数控技术（四）CNC装置（CNC单元） CNC装置是由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通信接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件组成。 CNC装置的作用是：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。任务二数控技术（五）测量装置（1）位置和速度测量装置：实现进给伺服系统的闭环控制，灵敏度高，能准确地跟踪CNC装置指令。（2）进给运动指令：实现零件加工的成型运动（速度和位置控制）。（3）主轴运动指令：实现零件加工的切削运动（速度控制）。任务二数控技术（六）PLC、机床I/O电路和装置 PLC用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成。

机床I/O电路和装置是实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。 PLC接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作。

机床I/O电路和装置可接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。任务二数控技术（七）机床

机床是数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。机床由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统，工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置）等组成。任务二数控技术数控机床的种类很多，通常有以下几种不同的分类方法：1.按工艺用途分类（1）切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。（2）成型加工类：数控折弯机、数控冲裁机等。（3）特种加工按运动轨迹分类类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。（4）其他类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。任务二数控技术2.按运动轨迹分类（1）点位控制系统机床。（2）连续控制系统机床3.按控制功能分类（1）点位控制数控系统。（2）轮廓控制数控系统。4.按联动轴数分（1）2轴联动（平面曲线）；（2）3轴联动（空间曲面，球头刀）；（3）4轴联动（空间曲面）；（4）5轴联动及6轴联动(空间曲面)。

联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。5.按控制方式分类（1）开环控制系统。（2半闭环数控系统。（3）全闭环数控系统。任务二数控技术四、数控机床的发展动向

进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化、体系开放化方向发展。（一）运行高速化

使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。任务二数控技术（二）加工高精化

加工高精化提高了机械设备的制造和装配精度；提高了数控系统的控制精度；采用了误差补偿技术。1.提高CNC系统控制精度（1）采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化。（2）采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度。（3）位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。2.采用误差补偿技术（1）采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术。（2）设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿相结合。任务二数控技术（三）功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。（1）镗铣钻复合——加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）。（2）车铣复合——车削中心（ATC，动力刀头）。（3）铣镗钻车复合——复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）。（4）铣镗钻磨复合——复合加工中心（ATC，动力磨头）。（5）可更换主轴箱的数控机床——组合加工中心。任务二数控技术（四）控制智能化

随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展的需求，数控技术智能化程度也就要求不断地提高，具体体现在以下几个方面：1.加工过程自适应控制技术2.加工参数的智能优化与选择3.智能故障诊断与自修复技术4.智能化交流伺服驱动装置5.智能4M数控系统任务二数控技术（五）体系开放化

体系开放化是指具有在不同的工作平台上均能实现系统功能且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。1.开放式数控系统特点（1）系统构件（软件和硬件）具有标准化（Standardization）与多样化（Diversification）和互换性（Interchangeability）的特征。（2）允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的。任务二数控技术2.开放体系结构CNC的优点

由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，系统性能与可靠性将不断改善并具有较长的生命周期。3.标准化的人机界面4.向用户特殊要求开放任务三特种加工技术

特种加工是指传统切削加工以外的新加工方法。由于特种加工主要不是依靠机械能、切削力进行加工，因而可以用软的工具（甚至不用工具）加工硬的工件。特种加工可以用来加工各种难加工材料、复杂表面和有某些特殊要求的零件。任务三特种加工技术一、概述1.特种加工的产生和发展

从第一次工业革命以来，一直到第二次世界大战以前，并没有特种加工的迫切要求，直到1943年，苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，逆向思维，用细铜丝在淬火钢上加工出小孔，开创和发明了电火花加工。到目前为止，已经找到了多种加工方法，为区别现有的金属切削加工，将这类传统切削加工以外的新加工方法统称为特种加工，国外称作非传统加工（NTM，Non-TraditionalMachining）或非常规机械加工（NCM，Non-Conventionalmachining）。任务三特种加工技术2.特种加工与切削加工的区别（1）特种加工不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除材料。（2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度。（3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。目前，国际上对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：（1）微细化。（2）特种加工的应用领域正在拓宽。（3）广泛采用自动化技术。任务三特种加工技术二、特种加工的分类（1）按电能与热能作用方式分：电火花EDM、线切割WEDM、电子束EBM、等离子PAM。（2）按电能与化学能作用方式分：电解ECM、电铸、电刷镀。（3）按电化学能与机械能作用方式分：电解磨削ECG、电解珩磨ECH。（4）按声能与机械作用能作用方式分：超声波加工USM。（5）按光能与热能作用方式分：激光加工LBM。（6）按电能与机械作用能作用方式分：离子束加工IM。（7）按液流能与机械作用能分：挤压珩磨AFH、水射流WJC。任务三特种加工技术二、电火花加工（一）电火花加工的原理

电火花加工是利用浸在工作液中的两电极进行脉冲放电，放电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（ElectricalDischargeMachining，EDM）。任务三特种加工技术（二）电火花加工的特点及应用1.工艺特点（1）加工适应性强。（2）无论硬、脆、软、耐热材料，只要导电就行。（3）小孔、薄壁、窄槽、复杂截面。（4）同一台电火花机床上，只需要修改参数即可完成粗加工、半精加工、精加工。2.应用（1）电火花穿孔。（2）电火花型腔加工。（3）磨削、铣制、镗制、表面强化等。任务三特种加工技术（三）电火花线切割1.电火花线切割加工的加工原理

电火花线切割加工（WireCutEDM，WEDM）是在电火花加工基础上于20世纪50年代末最早在苏联发展起来的一种工艺形式，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，简称线切割。2.线切割机床类型

根据电极丝的运行方向和速度，电火花线切割机床分为两大类：

（1）高速走丝线切割机床（WEDM-HS）。

（2）低速走丝线切割机床（WEDM-LS）。任务三特种加工技术3.线切割加工的工艺特点（1）采用细金属丝作工具电极，不需要制造特定形状的电极。（2）电极丝损耗对加工精度影响较小。（3）自动化程度高，柔性大，且操作方便。（4）切割缝隙小，故切割余料可以再利用。（5）加工表面粗糙度值小，但表面有硬化层。（6）热变形小。任务三特种加工技术三、电化学加工

电化学加工（ElectroChemicalMachining，ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆、电铸加工两大类。

电化学加工有电解加工、电镀加工、电铸加工。任务三特种加工技术四、激光加工1.激光加工原理

当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑。由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。2.激光器

（1）固体激光器。（2）气体激光器——CO2激光器任务三特种加工技术3.激光器加工的特点（1）加工材料范围广。（2）加工性能好。（3）非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。（4）可进行微细加工。（5）加工速度快，效率高。（6）激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。（7）激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。任务三特种加工技术4.激光加工方法（1）切割。可对铝、铜、镍、陶瓷等材料进行切割，加工出各种图形，切割深度<2.5mm。（2）打孔。最小孔径为0.03mm，并可对其他金属如铝、铜、非金属金刚石、硬质合金、陶瓷、塑料进行打孔。（3）标记。能在多种金属材料上做简单的文字、数字标记，（4）焊接。可对铝、铜、金、银、镍等金属材料进行点焊、对焊或密封焊接，焊接熔深<2.5mm，任务三特种加工技术五、电子束和离子束加工技术（一）电子束加工技术

电子束加工（ElectronBeamMachining，EBM）和离子束加工（IonBeamMachining，IBM）是近年来得到较大发展的新兴特种加工。它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。

电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。

离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等表面加工。近期发展起来的亚微米加工和纳米加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。任务三特种加工技术1.电子束加工工作原理

真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径为5～10μm的斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内温度升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。任务三特种加工技术2.电子束加工特点（1）电子束束径小。（2）材料适应性广（原则上各种材料均能加工）。（3）非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。（4）加工速度高。（5）在真空中加工，无氧化。（6）加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。任务三特种加工技术3.电子束加工的应用

控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。

如只使材料局部加热就可进行电子束热处理。使材料局部熔化就可进行电子束焊接。提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行电子束打孔、切割等加工。利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。任务三特种加工技术（二）离子束加工技术1.离子束加工的原理和物理基础

离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能。它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。任务三特种加工技术2.离子束加工分类

离子束加工按照其所利用的物理效应和达到目的的不同，可以分为：利用离子撞击、溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。任务三特种加工技术3.离子束加工的特点（1）离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础。（2）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少。（3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。加工应力、热变形等极小，加工质量高。（4）离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定的限制。