机械制造技术第2版 任家隆 任近静第10章

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1、第10章 机械制造技术的发展,10.1 机械制造系统自动化的发展 10.2 精密与超精密加工 10.3 绿色制造 10.4 智能制造 附： 环境保护与可持续制造,第10章 机械制造技术的发展,世界科学技术的迅速发展，特别是计算机技术、微电子技术、控制论及系统工程与制造技术的结合，促进了现代制造技术的发展，形成了新的制造学科，即制造系统工程学。 机械制造技术的新发展主要表现在以下三个方面： 1)与微电子、信息处理技术融合的柔性制造自动化技术。 2)与微型机械、微小尺度有关联的精密加工和超精密加工技术。 3)以现代管理理论为基础的先进生产模式和方法，如绿色制造、智能制造。,10.1 机械制造系统自

2、动化的发展,10.1.1 机械制造系统自动化 10.1.2 柔性制造系统（FMS） 10.1.3 CAD、CAPP、CAM,10.1 机械制造系统自动化的发展,机械制造自动化的任务就是研究如何取代人对机械制造过程中的计划、管理、组织、控制与操作等方面的直接参与。当今机械产品市场的激烈竞争是机械制造自动化发展的直接动因。其目的如下： 1)提高或保证产品的。 2)减少人的劳动强度、劳动量，改善劳动条件，减少人为的因素的影响。 3)提高生产率 。 4)减少生产面积、人员，节省能源消耗，降低产品成本。 5)提高对市场的响应速度和竞争能力。 机械制造系统的发展阶段：刚性自动化、柔性自动化、综合自动化。这

3、三种自动化方式的比较见表10-1 。,表10-1 三种自动化形式比较,10.1 机械制造系统自动化的发展,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,1.定义 FMS是数控机床或设备自动化的延伸，FMS的一般定义可以用以下三方面来概括：FMS是一个计算机控制的生产系统；系统采用半独立的NC机床；这些机床通过物料输送系统连成一体,2.FMS的工作原理,FMS的模型和工作原理如下图所示。 FMS的工作过程可以这样来描述：可变 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后，由其信息流系统（可编程控制系统）进行数据信息的处理、分配，并按照所给的程序对物流系统进行控制 。,10.1.2 柔性制造系统（

4、FMS）,10.1.2 柔性制造系（FMS）,FMS的模型和工作原理,3.柔性制造系统的特点和适用范围,与传统的刚性自动线相比，柔性系统制造具有 以下特点： 1)具有高度柔性。 2)设备利用率高。 3)自动化程度高、稳定性好、可靠性强，可以 实现长时间连续自动工作。 4)产品质量、劳动生产率有所提高。 柔性制造系统的使用范围如图10-1 所示。 柔性制造系统主要实现单件小批量生产的自动化,把高柔性、高质量、高效率相结合并统一起来, 是当前最有效的生产手段。,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,图10-1 柔性制造系统的适用范围,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,4.柔性制造系统的组成和结

5、构,FMS通常由物质系统、能量系统、信息系统三部分组成,如图10-2所示。 FMS是在成组技术、计算机技术、数控技术和自动检测等技术基础上发展起来的,归纳起来, 它主要完成以下任务： 1)以成组技术为核心的零件编组。 2)以托盘和运输系统为核心的物料输送和存放。 3)以数控机床（或加工中心）为核心的自动换刀、换工件的自动加工。 4)以各种自动检测装置为核心的故障诊断、自动测量、物料输送和存储系统的监视等。 5)以微型计算机为核心的智能编排作业计划。,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,图10-2 柔性制造系统的组成,(1)柔性制造单元(简称FMC) 柔性制造单元 是由一台计算机控制的数控机床

6、或加工中心、环形 托盘输送装置或工业机器人所组成，采用切削监视 系统实现自动加工，在不停机的情况下转换工件进 行连续生产。它是一个可变加工单元，是组成柔性 制造系统的基本单元 。图10-4所示为FMC的基本布 局形式。 FMC的优点:具有更好的扩展性、更强的柔性； 具有投资规模小、成本低、易实现、见效快的突出 优点；在单元计算机控制下，可实现不同或相同机 床上不同零件的同步加工。,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,图10-4 FMC的结构,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,(2)柔性制造系统 柔性制造系统是由两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成，配有自动上下料装置、自

7、动输送装置和自动化仓库，并能实现监视功能、计算机综合控制功能、数据管理功能、生产计划和调度管理功能等。 在FMS中加工的工件可以由一台机床完成,也可以由多台机床共同加工完成。,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,（3）柔性制造生产线 柔性制造生产线是针对某种类型（族）零件的，带有专业化生产或成组化生产的特点。FML由多台数控机床或加工中心组成，其中有些机床带有一定的专用性。全线机床按工件的工艺过程布局，可以有生产节拍，但它本质上是柔性的，是可变加工生产线，具有柔性制造系统的功能。,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,（4）柔性制造工厂 柔性制造工厂由各种类型的数控机床或加工中心、柔性制造单

8、元、柔性制造系统、柔性自动生产线等组成，完成工厂中全部机械加工工艺过程（零件不限于同族）、装配、涂装、试验、包装等，具有更高的柔性。 FMF依靠中央主计算机和多台子计算机来实现全厂的全盘自动化，是目前柔性制造系统的最高形式，又称为自动化工厂 。,10.1.2 柔性制造系统（FMS）,10.1.3 CAD、CAPP、CAM之间的集成,CIMS技术是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、计算机科学技术、自动化技术、系统工程技术交互、渗透、结合产生的一门综合性技术。,1.CAD/CAPP/CAM之间的集成关系 在CIMS中,CAD是CAPP 的输入,其主要完成的任务是机械零件的设计。CAPP是利用计

9、 算机来制订零件的工艺过程,把毛坯加工成工程图样上所要求 的零件。它的输入是零件的信息,它的输出是零件的工艺过程 和工序内容。 CAM有两方面的含义：广义的CAM,是指利用计 算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动,包括工 艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产 控制、质量控制等；狭义的CAM主要指NC自动程序编制(刀具 路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等), 它输出的是刀位文件和数控加工程序。 CAPP在CAD与CAM之间起到桥梁的作用,CAD的信息只能通过CAPP才能形成制造信息 。 图10-7所示为CAD、CAPP、CAM三者之间的集成关系 。,

10、10.1.3 CAD、CAPP、CAM之间的集成,CAPP,CAD,CAM,公 共 功 能,模 型 管 理,几 何 元 素 定 义,绘 图,特 征 定 义,零 件 特 征 信 息 获 取,决 策 专 家 系 统,工 序 图 生 成,工 艺 文 件 管 理,知 识 库 管 理,信 息 处 理 及 刀 位 计 算,刀 位 文 件 编 辑 及 仿 真,视 图 变 换,后 置 处 理,CAD/CAPP/CAM,图10-5 CAD/CAPP/CAM 的系统集成关系,10.1.3 CAD、CAPP、CAM之间的集成,2.集成环境下的CAD 需完成零件的几 何定义、工程绘图、特征定义、模型管理及相关的 一些

11、公共功能。采用人机交互的方式，从满足数控 编程与加工要求出发，从零件结构设计与加工工艺 统一的角度去定义零件的加工特征，提供CAD、 CAPP与CAM共享数据。,10.1.3 CAD、CAPP、CAM之间的集成,3.集成环境下的CAPP 需完成零件特征信息获取、工艺决策专家系统、工序图生成、工艺文件管理和知识库管理功能。 1)系统信息输入的方式： 由CAD输入零件信息,并转换为本系统中零件信息描述方法所描述的信息。 根据零件图样,用本系统中的零件信息描述方法通过人机交互输入零件信息。 2)系统信息输出的方式： 生成可读的工艺文件。 生成CAM软件所需的文件格式,作为其输入,以便集成。 两种文件

12、均要存入共享数据库,以供其他环节查询调用。由于时间定额的确切值与数控加工有关，故由CAM输出给共享数据库。,10.1.3 CAD、CAPP、CAM之间的集成,4.集成环境下的CAM 具有信息处理、刀位计 算、刀位文件编辑、加工仿真、视图变换和后置处理 功能。自动读取分别由CAD和CAPP产生的零件几何信息 和编程工艺信息, 按照CAPP产生的加工顺序和加工参 数, 从零件模型中提取制造加工工序中指定的特征参 数及其下属几何信息, 计算刀位轨迹, 进行刀位交互 编辑、刀位运动仿真及后置处理, 输出数控加工指令 文件及切削工时等信息。 CIMS需要很高的技术支撑 和大量的资金投入。,10.1.3

13、CAD、CAPP、CAM之间的集成,10.2 精密加工和超精密加工,10.2.1 精密加工和超精密加工概念 10.2.2 精密加工和超精密加工方法 10.2.3 几种具有代表性的精密加工和超精密 加工方法,1.精密加工和超精密加工的范畴,精密加工是指在一定的发展时期，加工精度与表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精密加工是指在一定的发展时期，加工精度与表面质量达到最高程度的加工工艺。 几种典型零件的加工精度，见下表。,10.2.1 精密加工和超精密加工概念,10.2.1 精密加工和超精密加工概念,一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工的划分：,一般加工是指加工精度在10m左右，表面粗糙度值

14、小于或 等于0.30.8m的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。 精密加工是指加工精度在0.11m,表面粗糙度值值小于 或等于30nm的加工技术。如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超 精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。 超精密加工是指加工精度在0.1100nm，表面粗糙度值小 于或等于10nm的加工技术。如金刚石刀具超精密切削、超精密 磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。 纳米加工是指加工精度高于310m,表面粗糙度值小于或 等于0. 005m的加工技术。其加工方法大多已不是传统的机械 加工方法,而是诸如原子、分子单位加工等方法。,10.2.1 精密加工和超精密加工概念,2.精密加工和超

15、精密加工的特点,（1）蜕化和进化加工原则 1)蜕化原则:一般在加工时,工作母机(机床)的精度总是 要比被加工零件的精度高，此称为蜕化原则。 直接式进化加工:利用精度低于工件精度要求的机床设备、工 具,借助于工艺手段和特殊工艺装备,加工出精度高于母机的工件。 间接式进化加工:借助于直接进化加工,生产出第二代精度更高 的工作母机,再以此作工作母机加工工件。 2）进化加工:直接式进化加工和间接式进化加工统称为进 化加工,这一规律称为进化原则。 （2）微量切削 （3）形成综合制造工艺系统 （4）与自动化技术联系紧密 （5）特种加工和复合加工应用越来越多 （6）加工、检测一体化,10.2.1 精密加工和

16、超精密加工概念,10.2.2精密加工和超精密加工方法,1.精密加工和超精密加工的原理 2.分类(根据加工机理和特点)如图10-8 ：,精密和超精密加工,刀具切削加工：车削、铣削、镗削、钻微孔,磨料加工,特种加工,复合加工（如机械化学抛光）,固体磨料加工,游离磨料加工,磨削：砂轮磨削、砂袋磨削 研磨：精密研磨、油石研磨 超精加工：精密超精加工 珩磨：精密珩磨 砂袋研抛 超精密研抛,抛光：精密抛光、弹性发射加工、液中研抛、 液体动力抛光、挤压研抛 喷射加工,电火花加工：成形加工、线切割加工 电化学加工：蚀刻加工、化学铣削 超声波加工 微波加工 电子束加工 离子束加工 激光加工,图10-8 各种精密和超精密加工方法,1.金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具超精密切削原理 金刚石刀具超精密切削时,其背吃刀量可能小于晶粒的大小,切削就 在晶粒内进行,这时,切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结 合力,切削刃上所承受的切应力急速