先进制造技术CAI课件第2章制造自动化技术

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1、,第1章 绪论 第2章 制造自动化技术 第3章 微细加工技术 第4章 快速原型技术 第5章 工业机器人 第6章 虚拟制造技术 第7章 纳米技术 第8章 压电驱动与控制技术 第9章 绿色制造技术,第二章 制造自动化技术,2.1 概 述 2.2 现代数控加工技术 2.3 超高速加工技术,2.1 概 述,2.1.1 制造自动化技术的概念 2.1.2 制造自动化技术的发展历程及现状 2.1.3 制造自动化技术的研究内容 2.1.4 制造自动化技术的发展趋势,2.1.1 制造自动化技术的概念,制造自动化技术的概念 狭义 ：用机器(包括计算机)代替人的体力劳 动或脑力劳动 。 广义 ：指“大制造概念”的制

2、造过程的所有环节采用自动化技术，实现制造全过程的自动化。也就是对制造过程进行规划、运作、管理、组织、控制与协调优化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时和洁净的目标。,2. 制造自动化的功能目标,制造自动化的功能目标可用TQCSE功能目标模型描述。其含义如下： T (time)：指缩短产品制造周期，产品上市快，提高生产率。 Q (quality)：指提高和保证产品质量。 C (cost)，指有效地降低成本，提高经济效益。 S (service)：指更好地做好市场服务工作，也能通过替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务。 E (environment)；指制造自动化应该有利

3、于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造及可持续发展制造战略。,2.1.2 制造自动化技术的发展历程及现状,1制造自动化技术的发展历程,制造自动化技术的生产模式经历了以下五个阶段： 第一阶段：刚性自动化，包括自动单机和刚性自动线。 特征：高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。 引入的新技术：继电器程序控制、组合机床等。 第二阶段：数控加工，包括数控(NC)和计算机数控(CNC)。 特征：是柔性好、加工质量高。 引入的新技术：数控技术、计算机编程技术等。,第三阶段：柔性制造。 特征：强调制造过程的柔性和高效率。 引入的新技术：成组技术、计算机直接数控和分布式数控 、柔性制造

4、单元、柔性制造系统，柔性加工线、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等等。 第四阶段：计算机集成制造和计算机集成制造系统。 特征：是强调制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竞争的TQCSE问题。 第五阶段：新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制 造、虚拟制造、网络制造、全球制造，绿色制造。,图 2-1 制造自动化发展的五个阶段,2.1.3 制造自动化技术的研究内容,1单元系统的研究占有很重要的位置 2制造过程的计划和调度 3柔性制造技术研究 4制造系统的系统技术和集成技术 5制造自动化系统中人的作用的研究 6适应现代生产模式的制造环境

5、的研究 7底层加工系统的智能化和集成化研究,2.1.4 制造自动化技术的发展趋势,1制造敏捷化：包括柔性，重构能力，快速化的集成制造工艺等。 2制造网络化：基于InternetIntranet的制造。 3制造虚拟化：包括虚拟现实(VR)、虚拟产品开发(VPD)、虚拟制造 (VM)和虚拟企业(VE)。 4制造智能化：研究具有自律、分布、智能、仿生、敏捷、分形等特征的新一代自动化制造系统。 5制造全球化：主要包括市场的国际化，产品设计和开发的国际合作及产品制造的跨国化等。 6制造绿色化：综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。,2.2 现代数控加工技术,2.2.1 数控加工技术的发展历程 2.2

6、.2 CNC系统的组成和结构特点 2.2.3 数控加工技术的发展趋势,2.2.1 数控加工技术的发展历程,数控机床按照控制机的发展，经历了以下五个阶段： 1948年，美国帕森斯公司(Parsons Co)提出了 数控机床的初始设想。 1952年，美国麻省理工学院试制成功世界上第一台 数控机床。 1959年，数控系统开始广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入第二代数控系统。,1965年，小规模集成电路以其体积小、功耗低广泛应用于数控系统，数控系统发展到第三代。 1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展示了以小型计算机取代专用计算机的第四代数控系统，即计算机数控系统(computer num

7、erical control，CNC)。 1974年，美、日等国数控生产厂家首先研制出以微处理器为核心的数控系统(micro-computer numerical control，MNC)。即以微处理器技术为特征的笫五代数控系统。,2.2.2 CNC系统的组成和结构特点,1CNC装置硬件结构,CNC装置硬件结构一般分为单微处理机结构和多微处理机结构两大类。 单微处理机结构：指只有一个微处理机集中控制、分时处理数控的多个任务。 多微处理机结构 多微处理机结构是指具有两个或两个以上的微处理机构成的处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中式操作系统，共享资源；或者具有两个或两个以上的微处理机构成的功

8、能模块，功能模块间采用松耦合，有多重操作系统有效地实行并行处理。,2软件结构,CNC系统软件包括零件程序的管理软件和系统控制软件两大部分。 零件程序的管理软件：实现屏幕编辑、零件程序的 存储及调度管理，与外界的信息交换等功能。 系统控制软件：是一种前后台结构式的软件。 前台程序(即实时中断服务程序)承担全部实时功能。 后台程序是一个循环运行的程序，在其运行过程中实时中断服务程序不断插入，共同完成零件加工任务。,2.2.3 数控加工技术的发展趋势,总线式、模块化结构的CNC装置 在PC机基础上开发CNC装置 PC数控 开放性 大容量存储器的应用和软件的模块化设计 实现系统实现多过程、多通道控制

9、面向车间编程技术(workshop-oriented programming，WOP)和智能化,2.3 超高速加工技术,2.3.1 超高速加工技术的内涵和范围 2.3.2 超高速加工的机制 2.3.3 超高速加工技术的优越性 2.3.4 超高速切削机床,2.3.1 超高速加工技术的内涵和范围,超高速加工技术的内涵 超高速加工技术是指采用超硬材料刀 具和磨具，利用高速、高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。,超高速加工的切削速度范围,表2-2 各种材料的切削速度范围,表2-1 不同加工工艺 的切削速度范围,2.3.2 超高速加工

10、的机制,1931年德国切削物理学家萨洛蒙根据一些实验曲线(图2-3)，提出了超高速切削的理论。,图2-3 萨洛蒙曲线,图2-4 超高速切削慨念示意图,A区: 在常规的切削速度范围内，切削温度随切削速度的增大而升高。 B区: 当切削速度增大到某一数值V之后，切削速度再增加，切削温度反而降低； C区: 由于切削温度太高，刀具无法承受，切削加工不可能进行，这个速度范围在美国被称为“死谷”(dead valley)。如能越过这个“死谷”而在超高速区进行加工，则有可能用现有刀具进行超高速切削。,超高速切削的相关技术,2.3.3 超高速加工技术的优越性,1超高速切削加工的优越性 加工效率高 切削力小 热变

11、形小 加工精度高、加工质量好 加工过程稳定 良好的技术经济效益,2. 超高速磨削加工的优越性 可以大幅度提高磨削效率（磨削切削用量对比表） 磨削力小，零件加工精度高 可以获得低粗糙度表面 可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工的自动化 可以改善加工表面完整性,表4-3 磨削切削用量对比表,2.3.4 超高速切削机床,1超高速切削的主轴系统 2超高速轴承技术 3超高速切削机床的进给系统 高速加工对高进给速度的要求 高速加工对高加速度的要求 高速加工对高刚度、快响应的要求 4. 并联结构机床,1超高速切削的主轴系统,超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件，包括主轴动力源、主轴、轴承和机架

12、四个主要部分。 2超高速轴承技术 超高速主轴系统的核心是高速精密轴承。为提高轴承极限转速，主要采取如下措施： 提高制造精度等级 合理选择材料 改进轴承结构,3超高速切削机床的进给系统,超高速切削机床的进给系统要能达到很高的进给速度，还要具有大的加速度以及高的定位精度。 高速加工对高进给速度的要求 高速加工对高加速度的要求 高速加工对高刚度、快响应的要求,由直线电机驱动的进给系统满足了上述要求，优点如下： 惯性小，加速度高，可达1g10g，速度高，可达60m/min150m/min，易于高速精定位； 无中间传动环节，不存在反向间隙和摩擦磨损等问题，精度高、可靠性好，使用寿命长； 刚性好，动态特性

13、好； 行程长度不受限制，并且在一个行程全长内可以安装使用多个工作台。,1）直线电机工作原理,直线电机就是将旋转电机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动的一种动力装置。如图2-8所示：,a) 旋转电机展开成直线电机,b) 实际应用的直线电机,图2-8旋转电机展开成直线电机示意图,2）直线电机的发展历史、现状与趋势,1845年英国人Charles Wheastone发明了世界上第一台直线电机，但这种直线电机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。 二十世纪中叶 ，以英国的E. R. Laithwaite教授为首的研究小组取得了不少重要的成果。还有日本的山田一教

14、授撰写了多本有关直线电机的著作。 二十世纪七十年代以后，直线电机的应用逐步渗透到机械制造业。 二十世纪90年代以后，直线电机开始作为进给系统出现在加工中心中。,简单介绍几家主要直线电机生产商及其主要产品 ：,图2-10 美国Anorad公司的直线电机产品,图2-11 Siemens公司的1FN3永磁直线电机,图2-12 德国Indramat公司的LS系列永磁直线电机,图2-13 Kollmorgen公司的Platinum系列直线电机,3）直线电机在加工中心中的应用,Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作最初实现了直线电机在机床上的应用 ，由Ingersoll公司推出

15、了“高速模块”HVM800（如下图）。 德国Ex-cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出的XHC240型加工中心，是世界上第一台在展览会上展出的直线电机驱动工作台的高速加工中心 。 1997年直线机床的销售量为300台，预计到2005年，该数目将增加到3000台，而十年后，将有20的数控机床的所有轴都安装直线电机。,图2-14 安装直线进给系统的高速加工中心HVM800,目前直线电机直接驱动技术的发展趋势：,部件模块化 性能系列化 结构多样化 控制数字化,4. 并联结构机床,并联机床布局的基本特点是： 以机床框架为固定平台，由若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机

16、构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。 机床主要组成：由电主轴、滚珠丝杠、直线电机等机电一体化部件组成。 特点：刚度高、动态性能好、机床的模块化程度高、易于重构及机械结构简单。,下面介绍几种并联结构机床,图 215 Linapod立式加工中心（德国斯图加特大学机床控制研究所 ）,德国 Index 机床公司（index-werke.ed）的V100 型立式车削中心：,图2-16 V100 型立式车削中心结构图,图2-17 V100 型立式车削中心工件输送与装卸,表2-5 V100 型立式车削中心的主要技术参数,德国 Heckert 公司SKM 400 型卧式加工中心：,图2-18 SKM 400 型卧式加工中心结构,图2-19 SKM 400 型卧式加工中心主轴系统,表26 SKM 400 型卧式加工中心的主要技术参数,2.3.5 超高速切削的刀具技术,1超高速切削的刀具材料 超高速切削加工