武漢理工大學盛步云教授、博導中職國培機械制造與控制專業

先進設計加工技術武漢理工大學盛步云教授、博導先進設計加工技術11、先進設計技術優化設計(OptimizeDesign)虛擬設計(VirtualDesign)有限元分析(InfiniteAnalysis)可靠性設計(ReliabilityDesign)1、先進設計技術優化設計(OptimizeDesign)2先進制造技術盛步云課件32、加工、成形制造技術——將原材料、半成品加工成為產品的方法和過程。——成形工藝去除成形受迫成形堆積成形生成成形2、加工、成形制造技術——將原材料、半成品加工成為產品的方法4加工精度不斷提高加工速度得到提高材料科學的變革重大裝備促進——大型、大容量、高效率優質清潔表面工程熱成形過程數值模擬5um(3um)精密加工0.3-3um超精密0.03-0.3納米<0.03um2.1發展現狀和趨勢加工精度不斷提高2.1發展現狀和趨勢5成形技術——鑄造：輕量化、精確化、強韌化、復合化、無污染鍛造：凈成形CAE相結合焊接：高能密度焊接發展，柔性化、智能化、自動化快速原型、激光表面處理計算機模擬、虛擬制造2.1發展現狀和趨勢成形技術——鑄造：輕量化、精確化、強韌化、復合化、無污染2.63精密潔凈鑄造工藝精密、潔凈、高效無機化學粘接劑型砂——水玻璃、水泥有機化學粘接劑型砂——植物油金屬型鑄造工藝擠壓鑄造技術消失（氣化）模）鑄造技術3精密潔凈鑄造工藝精密、潔凈、高效73.1壓力鑄造高壓力：幾到幾十Mpa~5000Mpa短時間：0.02s~0.2s高速度：0.5m/s~50m/s120m/s3.1壓力鑄造高壓力：幾到幾十Mpa~5000Mpa8先進制造技術盛步云課件93.1壓力鑄造開發新型的壓射控制系統（致密薄件）新壓鑄工藝（消除缺陷，提高質量）開發和應用新的壓鑄合金材料（金屬基復合材料MMCs、壓鑄鎂合金、高鋁鋅基合金）開發和應用快速原型制造技術開展CAD/CAM/CAE系統研究與應用3.1壓力鑄造開發新型的壓射控制系統（致密薄件）103.2擠壓鑄造技術1937蘇聯問世——液態金屬模壓——液壓模鍛——液壓鑄造定義：澆入金屬型中的液態金屬，在通過沖頭傳遞壓力作用下進行填充、成型和凝固結晶。3.2擠壓鑄造技術1937蘇聯問世——液態金屬模壓——液壓11先進制造技術盛步云課件12特點尺寸精度高、粗糙度低鑄件在凝固過程中能得到有效補縮、無鑄造缺陷組織致密性好、晶粒細化、力學性能好無澆冒口，減少液態金屬消耗特點尺寸精度高、粗糙度低133.3消失模鑄造（EPC）原理：發泡成型機制成泡末塑料模樣（鑄件和澆注系統模樣）粘結成實體模組、涂刷特制涂料、干燥放入特制砂箱、填入干砂三維振動緊實、抽真空澆鑄泡沫模型氣化消耗被金屬置換3.3消失模鑄造（EPC）原理：14先進制造技術盛步云課件15特點近無余量新型成型工藝（無須取模、無分型面、無泥砂芯、無飛邊、無拔模斜度、重量減少30-40%）鑄件精度高、缺陷少無環境公害，易實現清潔生產方便逐漸結構設計（通過粘結一次鑄造）簡化砂處理工序、減少占地面積、降低設備費用特點近無余量新型成型工藝（無須取模、無分型面、無泥砂芯、無164精確高效金屬塑性成型工藝傳統：雜制軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓超塑成型、等溫成型、輥鍛和鍥橫軋技術、粉末成型工藝4精確高效金屬塑性成型工藝174.1超塑等溫成形超塑性：材料在低載荷作用下，拉伸變形的伸長率大于100%（黑色：40%、有色：60%已知材料200多種（鋅、鋁、銅、鈦合金）關鍵在：材料4.1超塑等溫成形超塑性：材料在低載荷作用下，拉伸變形的18先進制造技術盛步云課件19先進制造技術盛步云課件20成形特點形狀復雜的工件可一次成形組織細小、均勻、性能好、穩定變形抗力小---無加工硬化流動應力對應變速率的變化敏感制件精度高成形特點形狀復雜的工件可一次成形21超塑性分類微晶組織超塑（恒溫超塑性或結構超塑性）晶粒小于10um，變形溫度大于0.5Tm（材料熔點溫度）恒定，應變速率低相變超塑性（變溫超塑性或動態超塑性）在一定的溫度和負荷下，反復循環相變而獲得高伸長率。普通碳鋼160次循環伸長率達到500%其它超塑性材料超塑性分類微晶組織超塑（恒溫超塑性或結構超塑性）22超塑性工藝應用氣壓成形原理：使毛坯的外側或內側形成一個封閉的壓力空間，在壓縮空氣的氣壓作用下，坯料產生超塑性變形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全貼合，形成零件凸模法、凹模法真空成型超塑性工藝應用氣壓成形23先進制造技術盛步云課件244.2粉末成形工藝粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（混合物）作為原料，經過成形燒結，制取金屬材料、復合材料的工藝技術——其生產工藝與陶瓷工藝類似——金屬陶瓷法4.2粉末成形工藝粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（25基本工序原料粉末制取將金屬粉末成形——坯塊燒結——使制品具有最終的物理、化學和力學性能基本工序原料粉末制取26粉末冶金鍛造工藝原理：金屬粉末經壓實后燒結，在用燒結體作為鍛造毛坯進行鍛造粉末冷壓燒結加熱鍛造熱處理機加工成品準備預制坯制取預制坯鍛造后處理與加工粉末冶金鍛造工藝原理：金屬粉末經壓實后燒結，在用燒結體作為鍛274高效優質焊接切割技術精密焊接特殊環境下焊接現代切割技術4高效優質焊接切割技術精密焊接284.1精密焊接激光焊接——激光加熱焊接部位電子束焊接——在真空條件下，聚焦后被加速的電子束高速沖擊工件焊接部位擴散焊接——可連接物理化學性能差別很大的異種材料，固態焊接方法（如陶瓷與金屬）焊熔近終成形——快速成形方法之一4.1精密焊接激光焊接——激光加熱焊接部位294.2特殊環境下焊接空間焊接水下焊接4.2特殊環境下焊接空間焊接304.3現代切割技術激光切割等離子切割超聲切割高壓水射流切割4.3現代切割技術激光切割314.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達到燃點，同時借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質4.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射處324.5等離子切割等離子：是高度電離的氣體，是由氣體原子或分子電離后，離解成帶正電荷的離子和負電荷的電子所組成，正負電荷相等，因此稱為等離子。原理：利用高溫、高速的等離子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化緩和氣化并被吹離機體。等離子體能量高度集中，電流密度高、等離子弧溫度高（11000-28000度）普通電弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)4.5等離子切割等離子：是高度電離的氣體，是由氣體原子或分33先進制造技術盛步云課件34特點能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料切割厚度不大的金屬時，速度快，是普通切割的5-6倍切割面光潔、熱變形小切口寬度和切割斜角較大，與切割厚度有關切割厚度不及氣割特點能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料354.6超聲切割原理：利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或干磨料中，產生磨料的沖擊、震顫、液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用去除材料，特別適合硬脆材料切割4.6超聲切割原理：利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中36先進制造技術盛步云課件37特點適合加工硬脆材料，尤其適合非金屬硬脆材料，或硬質耐熱導電材料，但加工效率低切削力小切割應力、熱小，粗糙度低（0.63-0.08）尺寸精度正負0.03mm,也適合加工薄壁、窄縫、低剛度零件工具可用軟材料做成復雜形狀，無相對運動，可加工復雜型腔和型面比金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產率高、經濟性好特點適合加工硬脆材料，尤其適合非金屬硬脆材料，或硬質耐熱導電384.7高壓水射流切割原理：利用水或水中加添加劑的液體，經水泵至增壓器，再經儲掖蓄能器使高壓液體流動平穩，最后有人造藍寶石噴嘴形成300-900m/s的高速液體束流，噴射到工件表面，從而去除材料的加工。高速液體束流能量密度：102W/mm2

流量7.5L/min4.7高壓水射流切割原理：利用水或水中加添加劑的液體，經水39先進制造技術盛步云課件40特點加工精度高:0.075-0.1mm，切邊質量好液體束流能量密度高，流速高，工件切縫窄0.075-0.4mm加工產物混入液體排出，無灰塵、無污染加工區溫度低，不產生熱量，適合木材、紙張、皮革材料的加工設備簡單、操作方便，易實現數控加工特點加工精度高:0.075-0.1mm，切邊質量好415.表面工程技術定義：通過改變固態金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分和組織結構，以獲得所需表面性能的系統工程理論基礎：表面分析技術、表面物理、表面化學應用理論：表面失效分析、摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面結合和復合理論目的：弄清各類固態材料表面失效機理，并綜合運用各種表面技術提高材料的抵御環境作用的能力，實施特定的表面加工來制造構件、另部件和元器件5.表面工程技術定義：通過改變固態金屬表面或非金屬表面的形42方法覆蓋層技術：電鍍、電刷鍍、涂裝、粘結、堆焊、噴涂、塑料粉末涂敷、搪瓷涂敷、真空鍍膜、鍍膜，貼片機械、物理化學方法：改變材料形貌、化學成分、微觀結構、應力狀態——噴丸、熱處理、激光表面處理、等離子擴滲處理綜合兩種或以上方法的復合表面處理：等離子噴涂與激光輻射、熱噴涂與噴丸、化學熱處理與電鍍、化學熱處理與氣相沉積方法覆蓋層技術：電鍍、電刷鍍、涂裝、粘結、堆焊、噴涂、塑料粉435.1表面改性技術指采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。既發揮基體的力學性能，又獲得表面的各種特殊性能傳統方法：噴丸、表面熱處理、化學熱處理清潔技術：等離子體、激光、電子束等5.1表面改性技術指采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材44先進制造技術盛步云課件455.2表面覆層技術在工件表面制備各種特殊功能的覆蓋層，用極少量材料達到大量昂貴整體材料所能起到或難以起到的作用，同時極大地降低制造成本——廣泛用于修復產品5.2表面覆層技術在工件表面制備各種特殊功能的覆蓋層，用極46先進制造技術盛步云課件476超高速加工技術定義：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠實現高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，以極大提高切削速度來達到提高切除率、加工精度和加工質量的現代制造加工技術。（標志）范圍：鋁合金2000－7500m/min鑄鐵900－5000m/min鋼600－3000m/min，鈦合金150－1000m/min車削700－7000m/min，銑削300－6000m/min鉆削200－1100m/min，磨削150m/s6超高速加工技術定義：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠實現486.1超高速加工關鍵技術超高速切削機理大功率超高速主軸單元高加減速直線進給電機超硬耐磨長壽命刀具材料及結構安全裝置以及高性能CNC控制系統和測試系統6.1超高速加工關鍵技術超高速切削機理496.2超高速切削機理薩洛蒙曲線A不能切削B區高速切削C區切削速度切削溫度6.2超高速切削機理薩洛蒙曲線A不能切削B區高速切削C區切506.3大功率超高速主軸單元主軸材料、結構、軸承超過高速主軸系統動態特性及熱態特性柔性主軸及其軸承的彈性支撐技術潤滑與冷卻技術主軸系統多目標優化設計、虛擬設計技術美國福特臥式加工中心（動靜壓軸承）15000rpm日本東莊大學CNC平磨3000，東芝氣浮軸承30000德國KAAP公司磁懸浮軸承60000－100000rpm6.3大功率超高速主軸單元主軸材料、結構、軸承516.4高加減速直線進給電機侍服驅動技術滾動元件技術監測單元技術安全防護技術冷卻潤滑技術從8－12m/min發展到30－50m/min一般18－20m/min60m/min6.4高加減速直線進給電機侍服驅動技術527超精密加工技術一般加工10um,Ra0.3-0.8um精密加工10um-0.1um,Ra0.3-0.03um超精密加工0.1-0.01umRa0.03-0.05um納米加工<10-3umRa<0.005um7超精密加工技術一般加工10um,53先進制造技術盛步云課件547.1關鍵技術加工方法與機理（微量切除表層）材料技術:加工工具與被加工材料加工設備及其基礎元件7.1關鍵技術加工方法與機理（微量切除表層）558快速原型制造技術的概念原型 原型（Prototype)是指用來建造未來模型或系統基礎的一個初始模型或系統。它能基本代表零部件性質和功能，但不具備或不完全具備零部件的功能。快速原型制造 原型制造（Prototyping)是設計、建造原型的過程。一般來說，物體成型的方式分為三類：去除成型、添加成型和靜尺寸成型，原型制造也是如此。8快速原型制造技術的概念原型56快速原型制造技術的分類按采用的原材料分類：液體聚合、固化粉末燒結與粘結絲材、線材熔化粘結膜、板材層合按制造工藝原理分類：立體印刷成型層合實體制造選域激光燒結熔融沉積制模三維噴涂粘結焊接成型數碼累計造型快速原型制造技術的分類按采用的原材料分類：按制造工藝原理分類57快速原型制造技術發展歷史與現狀1892年美國人JFblanther獲得了用層合方法制作三維地圖模型的專利，可以說是近代分層制造方法的開端。1979年，日本東京大學生產技術研究所中川威雄教授發明疊層模型造型法。80年，小玉秀蘭提出了光造型法，并于81年首次發表了快速原型制造技術的論文。美國UVP公司的C.Whull完成了系統SLA-1（StereoLithographyApparatus，立體印刷成型），之后與他人創辦3DSystem公司，研制出了掩膜式的原型制造系統。1984年，MFeygin提出了層合實體概念。1986年，美國人S.Crump提出了熔融沉積造型設想。在多家快速原型制造設備公司中，3DSystem公司生產的快速原型制造系統在國際上占有60%的份額。90年代，快速原型制造技術服務中心年平均增長40%以上。快速原型制造技術發展歷史與現狀1892年美國人JFbla58立體印刷成型 立體印刷成型是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種快速成型方法。 它以光敏樹脂（如丙烯基樹脂）為原料采用計算機控制下的紫外激光以預定原型各分層截面的輪廓為軌跡逐點掃描，使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應后固化，從而形成的一個薄層截面。當一層固化后，向上（下）移動工作臺，在剛固化的樹脂表面布放一層新的液態樹脂，再進行新一層掃描、固化。如此重復至整個原型制造完畢。立體印刷成型 立體印刷成型是目前世界上研究最深入、技59立體印刷成型的工藝過程模型設計對模型分層處理工作臺置位激頭照射光敏樹脂后續處理重復三維CAD系統中造型STL格式←CAD模型系統控制系統操縱立體印刷成型的工藝過程模型設計對模型分層處理工作臺置位激頭照60層合實體制造 層合實體制造又稱分層實體造型、分層物體制造等。它采用激光器按照CAD分層模型所獲得的數據，用激光束將單面涂有熱溶膠的薄膜材料或其他材料的箔帶切割成欲制原型在該層平面的內外輪廓，再通過加熱輥加熱，使剛剛切好的一層與下面已切割層粘接在一起。通過逐層切割、粘合，最后將不需要的材料剝離，得到欲求的原型。 層合實體制造工藝與立體印刷成型工藝的主要區別在于將立體印刷成型中的光致樹脂固化的掃描運動變為激光切割薄膜運動，它使用低能二氧化碳激光器，成型的制件無內應力、無變形，因而精度較高。層合實體制造 層合實體制造又稱分層實體造型、分層物體制造等。61層合實體制造的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光頭切紙后續處理重復三維CAD系統中造型使用切片軟件系統控制系統控制、提供數據層合實體制造的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光頭62選域激光燒結 選域激光燒結，借助精確引導的激光束使材料粉末燒結成熔融合凝固成三維原型或制件。即成型機按照計算機輸出的原型分層輪廓，采用激光束在指定路徑上選擇性地掃描并熔融工作臺上很薄（100～200μm）且均勻鋪層的材料粉末，由分層圖形所選擇的掃描區域內的粉末被激光束熔融，連結在一起，而未在該區域內的粉末仍然是松散的。當一層掃描完畢，向上（或下）移動工作臺，控制完成新一層燒結。全部燒結后去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理便獲得原型或零件。選域激光燒結 選域激光燒結，借助精確引導的激光束使材料粉末燒63選域激光燒結的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光燒結粉末后續處理重復三維CAD系統中造型使用切片軟件系統控制系統控制、提供數據選域激光燒結的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光燒64熔融沉積造型 熔融沉積造型采用熱熔噴頭，使半流動狀態的材料按CAD分層數據控制的路徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型，逐層沉積、凝固后形成整個原型或零件。這一技術又稱為熔化堆積法、熔融擠出成模等。熔融沉積造型 熔融沉積造型采用熱熔噴頭，使半流動狀態的材料按65熔融沉積造型的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位液體凝固成型后續處理重復三維CAD系統中造型使用切片軟件系統控制加熱、擠壓控制液體熔融沉積造型的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位液體凝66其它技術三維噴涂粘接，使用粉末材料和粘接劑，按原型 或零件分層截面輪廓，噴頭在每一層鋪好的材料粉末層上有選擇的噴吐粘接劑，噴過粘接劑的路徑材料被粘接在一起，其他地方仍為松散粉末。層層粘接后就得到一個三維空間實體，去除粉末并進行后燒結就得到所要求的原型或零件，又稱三維打印、多層打印，陶瓷殼法。焊接成型技術，用焊接設備及工藝方法，制成全由焊縫金屬組成的零件，也稱融化成型、全焊接金屬零件制造技術。這種方法的本質，就是采用現有的各種成熟的焊接技術用逐層堆焊的方法制造零件。其它技術三維噴涂粘接，使用粉末材料和粘接劑，按原型67第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

第三部分微機械系統

第四部分先進管理模式目錄第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

68制造是通過能量與信息的輸入將原材料變換成產品的過程。自動化：規劃、管理、組織、控制與操作60年代：擴大生產規模70年代：降低生產成本80年代：提高產品質量90年代：快速響應市場制造是通過能量與信息的輸入將原材料變換成產品的過程。69剛性自動化數控機床柔性制造系統CIMS并行工程工廠子網廣域網信息高速公路全球通訊網絡智能制造計算智能制造智能敏捷制造虛擬組織制造資源組織全球化全球制造剛性技術柔性柔性系統決策敏捷全球單元系統集成自動化性性40-5060708090年代剛性自動化數控機床柔性制造系統CIMS并行工程工廠子網廣域網70制造自動化技術特征分布式、協同處理強調人和知識的作用智能化集成（4M，Modeling、Manufacturing、Measurement、Manipulation）網絡化和全球化制造自動化技術特征分布式、協同處理71制造自動化關鍵技術基于并行工程CAD/CAPP/CAM/PDM技術面向自動化的虛擬制造技術虛擬加工、虛擬控制、虛擬裝配、虛擬檢測、虛擬評價傳感與檢測技術機器人化制造技術（傳輸、裝配、加工）制造自動化關鍵技術基于并行工程CAD/CAPP/CAM/PD72先進制造技術盛步云課件73先進制造技術盛步云課件74汽車轉向器干涉檢查示例：汽車轉向器干涉檢查示例：75CAPP系統CAPP系統76CAPP系統CAPP系統77先進制造技術盛步云課件78先進制造技術盛步云課件79先進制造技術盛步云課件80先進制造技術盛步云課件81先進制造技術盛步云課件82先進制造技術盛步云課件83先進制造技術盛步云課件842.2協同設計網站——遠程輔助設計系統2.2協同設計網站——遠程輔助設計系統852.3三維設計軟件共享系統2.3三維設計軟件共享系統86先進制造技術盛步云課件872.4共享白板和多媒體交流系統2.4共享白板和多媒體交流系統88先進制造技術盛步云課件89先進制造技術盛步云課件90先進制造技術盛步云課件91遠程文件傳輸遠程文件傳輸92第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

第三部分

微機械系統

第四部分先進管理模式目錄第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

93微機械的概況稱謂：美國：微型電子機械系統（MEMS）

日本：微機器

歐洲：微系統按尺寸分類：微小型機械：1～10mm微機械：1μm～1mm納米機械：1nm～1μm現代微機械加工的特征：高寬比達到幾十以上幾個<=W<=幾十個微米幾十<=H<=幾百個微米2.具有集光、機、電性能于一體的生產器件的潛力微機械的概況稱謂：按尺寸分類：現代微機械加工的特征：94微機械的概況--幾種典型產品（1）日本豐田公司早已造出長4．8毫米的4輪微型汽車美國斯坦福研究所的微觀“人造肌肉”則可利用“撲打”的方法，帶動微型飛機飛行

美國林肯實驗室的燃氣輪機只有鈕扣般大小，可產生0．64公斤推力麻省理工學院的噴氣式發動機，直徑只有1厘米，推力為13克，可帶動50克重的微型飛機以300公里時速飛行

德國的微型直升機有400毫克重，發動機直徑1—2毫米，轉速高達每分鐘4萬轉瑞典皇家理工學院設計微機械的概況--幾種典型產品（1）日本豐田公司早已造出長4．95微機械的概況--幾種典型產品（2）美國國家航空航天局準備要研制重7磅（3．2公斤）的超微航天探測器廣東工業大學與日本筑波大學生物醫用微型機器人，一維二維聯動壓電陶瓷驅動器，位移50umX50um哈爾濱工業大學電致伸縮陶瓷驅動二自由度微型機器人，10umX10um,位移分辨率00.1um微機械的概況--幾種典型產品（2）美國國家航空航天局準備要研96微機械材料與微型構件硅體材料：單晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化陶瓷、石英、金剛石、記憶合金、壓電功能材料：電致伸縮材料、形狀記憶材料、永磁材料、受熱變相的凝膠材料微機械材料與微型構件硅體材料：單晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化97微機械的應用領域

微機械由于具有狹小空間內進行作業而又不擾亂工作環境和對象的特點，在航空航天、精密儀器、材料、生物醫療等領域有著廣泛的應用潛力另外，微型機器人不久的將來可能出現在戰場上微機器人擅于管道檢查維修微組裝和微型工廠

微機械的應用領域微機械由于具有狹小空間內進行作業而又不98微機械的一般結構

典型的MEMS系統

傳感器信號處理執行器外部信息微傳感器微執行器微型構件

微機械光學器件真空微電子器件

電力電子器件

信號處理的集成電路微機械的一般結構典型的MEMS系統傳感信號執行外部微傳感99微機械的設計方法--新的設計概念（1）

開發微機械必須建立新的設計概念：盡量設計無摩擦結構，不出現旋轉關節，因為所有的旋轉關節都有摩擦力（因為微機械尺寸很小，摩擦力超過了其它的力，控制了系統的運動。）在我們身邊有很多毫米級的昆蟲，它們是開發基于昆蟲模型機械的基礎。微機械的設計方法--新的設計概念（1）開發微機械必須建立新100微機械的設計方法--新的設計概念（2）

開發微機械必須建立新的設計概念：我們學習昆蟲的知識對我們研究微型機械大有好處。昆蟲有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、彈性關節、伸縮肌肉等。這些特點為我們設計微機械提供了基礎。（昆蟲只有104－106個神經細胞，它的運動是簡單的機械運動，如往復運動。但是為什么這些運動看上去非常協調、靈活，這就是我們研制基于昆蟲模型機械的原因。）微機械的設計方法--新的設計概念（2）開發微機械必須建立新101微機械的設計方法--動力問題

微機械的動力問題

在微機械領域，由于尺寸及重量的限制，傳統的驅動器基本上都無法工作。目前，已經提出的幾種典型方案如下：

形狀記憶合金（SMA）微驅動器DNA驅動超聲馬達（USM）驅動

微機械的設計方法--動力問題微機械的動力問題102形狀記憶合金（SMA）微驅動器原理：利用合金的相變(熱彈性馬氏體相變)來進行能量轉換的，它可直接實現各種直線運動或曲線運動軌跡，而不需任何機械傳動裝置。優點：1.形狀記憶合金驅動器可做成非常簡單的形式2.形狀記憶合金制作的驅動器便于實現獨立控制3.具有傳感功能4.所需的電源電壓較低，易與控制電路用的電源一致以簡化系統5.工作時不存在外摩擦，無任何噪聲，不會產生磨粒缺點：效率較低、疲勞壽命較短

微機械的設計方法--

SMA形狀記憶合金（SMA）微驅動器微機械的設計方法--SMA103DNA驅動原理：單股的DNA鏈是伸直的，但是互補的DNA遇到一起，就會形成雙螺旋結構，因此單股的DNA就會縮短。優點：幾乎不需要我們另外提供任何能量，它的動力都是自然界自身所提供的絕對純凈的能源。缺點：適用范圍有限，只能在液體中工作。微機械的設計方法--

DNA驅動DNA驅動微機械的設計方法--DNA驅動104超聲馬達驅動原理：利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉換成超聲波范圍內的機械振動（頻率≥20kHz）來獲得驅動力，通過摩擦耦合將驅動力轉換成轉子或滑塊的運動。優點：1.不受磁場的干擾、不產生電磁波2.能量密度大,比電磁馬達大5～10倍

3.結構緊湊

4.結構形式多樣化

5.制動和響應快

，控制性能好

6.運行無噪音

缺點：1.由于靠摩擦力驅動，存在磨損問題，因此工作壽命較短2.高頻振動引起溫度升高，影響壓電陶瓷工作的穩定性

微機械的設計方法--超聲馬達驅動（USM）超聲馬達驅動微機械的設計方法--超聲馬達驅動（USM）105第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

第三部分微機械系統

第四部分

先進管理模式目錄第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

106并行工程敏捷制造精益生產綠色制造并行工程107一、并行工程

特點（1）從組織結構上看，CE采用分布式組織結構，將組織結構從層次式轉變為平面式，其基本組織結構是產品開發組。

（2）從設計過程來看，CE的工作過程是集成化的產品設計、制造、經銷過程。

（3）從管理上來看，CE的管理體制中強調人的作用。

含義并行工程（ConcurrentEngineering)：并行工程是一種對產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）進行并行的、一體化設計的的工作模式。這種工作模式可使產品開發人員一開始就能考慮到從產品概念設計到消亡的整個產品生命周期中的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶要求。

1、并行工程的含義及特點一、并行工程

特點

含義并行工程1082、并行工程的運行模式

市場分析產品概念設計產品設計工藝設計裝配設計檢驗設計系統仿真和評估滿意？制造裝配檢驗銷售維護維修設計YN2、并行工程的運行模式 市場分析產品概念設計產品設計工藝設計1093、并行工程的運行特征并行特性整體特性協同特性多功能的協同組織機構協同的設計思想協同的效率集成特性

人員集成信息集成功能集成技術集成3、并行工程的運行特征并行特性集成特性110二、敏捷制造的含義及特點含義

敏捷制造（Agilemanufacturing）是一種結構，在這個結構中每一個公司都能開發自己的產品和實施自己的經營戰略，構成這個結構的基石是三種基本資源：有創新精神的管理結構和組織；有技術、有知識的高素質人員；柔性制造技術和智能制造技術。敏捷源于這三種制造資源的有效集成。特點重視發揮人的作用具有好良好的工作環境柔性的、并行的組織管理機構先進的技術系統基于信息高速公路的虛擬公司用戶的參與二、敏捷制造的含義及特點含義111實現敏捷制造的方法和存在的問題

實現虛擬公司國家范圍的工業制造信息網的建立需要大量投資企業之間（企業內部的人與人之間）的充分信任與合作實現敏捷制造的方法和存在的問題 實現虛擬公司國家范圍的工業制112三、精良生產引用北京航天航空大學楊光薰教授給精良生產（LeanProduction）下的定義：精良生產是通過系統結構、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，使生產系統能很快適應用戶需求不斷變化，并能使生產過程中一切無用的、多余的東西被精簡，最終達到包括市場供銷在內的生產的各方面最好的結果。1、精良生產的含義三、精良生產引用北京航天航空大學楊光薰教授給精1132、精良生產的特點（一）強調人的作用，以人為中心（二）以簡化為手段，去除生產中一切不增值的工作簡化組織機構是精良生產的先決條件簡化與協作廠的關系簡化生產過程，減少非生產性費用簡化產品檢驗環節，強調一體化的質量保證

（三）不斷改進，以“盡善盡美”為最終目標2、精良生產的特點（一）強調人的作用，以人為中心114四、綠色制造在生產過程中采用各種高新技術，使生產過程中消耗的各種資源盡可能的少，同時生產過程對環境的污染盡可能少，這就是綠色加工。對于制造產品的原材料進行慎重的選擇，使本產品可回收再利用，不污染環境，這就是綠色商品。1、綠色制造的含義四、綠色制造在生產過程中采用各種高新技術，使生產過程中消耗的1152、綠色制造的體系結構綠色制造技術綠色生產技術綠色商品低能源消耗低環境污染耗用材料少不污染環境節約能源易回收再利用2、綠色制造的體系結構綠色制造技術綠色生產技術綠116綠色設計材料選擇制造環境設計(包括重組)工藝設計產品包裝方案設計產品回收處理方案設計產品設計方案設計結構設計能源生產廢棄物制造加工過程產品裝配產品包裝產品使用維修產品壽命終結原材料供應(包括產品材料、包裝材料、輔助材料等產品拆卸原材料生產自然資源其材料可再生的零部件可修補或改制的零部件可重用的零部件廢棄物可再生廢棄物處理不可再生綠色設計材料選擇制造環境工藝設計產品產品產品設計方案結構能源117武漢理工大學盛步云教授、博導中職國培機械制造與控制專業

先進設計加工技術武漢理工大學盛步云教授、博導先進設計加工技術1181、先進設計技術優化設計(OptimizeDesign)虛擬設計(VirtualDesign)有限元分析(InfiniteAnalysis)可靠性設計(ReliabilityDesign)1、先進設計技術優化設計(OptimizeDesign)119先進制造技術盛步云課件1202、加工、成形制造技術——將原材料、半成品加工成為產品的方法和過程。——成形工藝去除成形受迫成形堆積成形生成成形2、加工、成形制造技術——將原材料、半成品加工成為產品的方法121加工精度不斷提高加工速度得到提高材料科學的變革重大裝備促進——大型、大容量、高效率優質清潔表面工程熱成形過程數值模擬5um(3um)精密加工0.3-3um超精密0.03-0.3納米<0.03um2.1發展現狀和趨勢加工精度不斷提高2.1發展現狀和趨勢122成形技術——鑄造：輕量化、精確化、強韌化、復合化、無污染鍛造：凈成形CAE相結合焊接：高能密度焊接發展，柔性化、智能化、自動化快速原型、激光表面處理計算機模擬、虛擬制造2.1發展現狀和趨勢成形技術——鑄造：輕量化、精確化、強韌化、復合化、無污染2.1233精密潔凈鑄造工藝精密、潔凈、高效無機化學粘接劑型砂——水玻璃、水泥有機化學粘接劑型砂——植物油金屬型鑄造工藝擠壓鑄造技術消失（氣化）模）鑄造技術3精密潔凈鑄造工藝精密、潔凈、高效1243.1壓力鑄造高壓力：幾到幾十Mpa~5000Mpa短時間：0.02s~0.2s高速度：0.5m/s~50m/s120m/s3.1壓力鑄造高壓力：幾到幾十Mpa~5000Mpa125先進制造技術盛步云課件1263.1壓力鑄造開發新型的壓射控制系統（致密薄件）新壓鑄工藝（消除缺陷，提高質量）開發和應用新的壓鑄合金材料（金屬基復合材料MMCs、壓鑄鎂合金、高鋁鋅基合金）開發和應用快速原型制造技術開展CAD/CAM/CAE系統研究與應用3.1壓力鑄造開發新型的壓射控制系統（致密薄件）1273.2擠壓鑄造技術1937蘇聯問世——液態金屬模壓——液壓模鍛——液壓鑄造定義：澆入金屬型中的液態金屬，在通過沖頭傳遞壓力作用下進行填充、成型和凝固結晶。3.2擠壓鑄造技術1937蘇聯問世——液態金屬模壓——液壓128先進制造技術盛步云課件129特點尺寸精度高、粗糙度低鑄件在凝固過程中能得到有效補縮、無鑄造缺陷組織致密性好、晶粒細化、力學性能好無澆冒口，減少液態金屬消耗特點尺寸精度高、粗糙度低1303.3消失模鑄造（EPC）原理：發泡成型機制成泡末塑料模樣（鑄件和澆注系統模樣）粘結成實體模組、涂刷特制涂料、干燥放入特制砂箱、填入干砂三維振動緊實、抽真空澆鑄泡沫模型氣化消耗被金屬置換3.3消失模鑄造（EPC）原理：131先進制造技術盛步云課件132特點近無余量新型成型工藝（無須取模、無分型面、無泥砂芯、無飛邊、無拔模斜度、重量減少30-40%）鑄件精度高、缺陷少無環境公害，易實現清潔生產方便逐漸結構設計（通過粘結一次鑄造）簡化砂處理工序、減少占地面積、降低設備費用特點近無余量新型成型工藝（無須取模、無分型面、無泥砂芯、無1334精確高效金屬塑性成型工藝傳統：雜制軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓超塑成型、等溫成型、輥鍛和鍥橫軋技術、粉末成型工藝4精確高效金屬塑性成型工藝1344.1超塑等溫成形超塑性：材料在低載荷作用下，拉伸變形的伸長率大于100%（黑色：40%、有色：60%已知材料200多種（鋅、鋁、銅、鈦合金）關鍵在：材料4.1超塑等溫成形超塑性：材料在低載荷作用下，拉伸變形的135先進制造技術盛步云課件136先進制造技術盛步云課件137成形特點形狀復雜的工件可一次成形組織細小、均勻、性能好、穩定變形抗力小---無加工硬化流動應力對應變速率的變化敏感制件精度高成形特點形狀復雜的工件可一次成形138超塑性分類微晶組織超塑（恒溫超塑性或結構超塑性）晶粒小于10um，變形溫度大于0.5Tm（材料熔點溫度）恒定，應變速率低相變超塑性（變溫超塑性或動態超塑性）在一定的溫度和負荷下，反復循環相變而獲得高伸長率。普通碳鋼160次循環伸長率達到500%其它超塑性材料超塑性分類微晶組織超塑（恒溫超塑性或結構超塑性）139超塑性工藝應用氣壓成形原理：使毛坯的外側或內側形成一個封閉的壓力空間，在壓縮空氣的氣壓作用下，坯料產生超塑性變形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全貼合，形成零件凸模法、凹模法真空成型超塑性工藝應用氣壓成形140先進制造技術盛步云課件1414.2粉末成形工藝粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（混合物）作為原料，經過成形燒結，制取金屬材料、復合材料的工藝技術——其生產工藝與陶瓷工藝類似——金屬陶瓷法4.2粉末成形工藝粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（142基本工序原料粉末制取將金屬粉末成形——坯塊燒結——使制品具有最終的物理、化學和力學性能基本工序原料粉末制取143粉末冶金鍛造工藝原理：金屬粉末經壓實后燒結，在用燒結體作為鍛造毛坯進行鍛造粉末冷壓燒結加熱鍛造熱處理機加工成品準備預制坯制取預制坯鍛造后處理與加工粉末冶金鍛造工藝原理：金屬粉末經壓實后燒結，在用燒結體作為鍛1444高效優質焊接切割技術精密焊接特殊環境下焊接現代切割技術4高效優質焊接切割技術精密焊接1454.1精密焊接激光焊接——激光加熱焊接部位電子束焊接——在真空條件下，聚焦后被加速的電子束高速沖擊工件焊接部位擴散焊接——可連接物理化學性能差別很大的異種材料，固態焊接方法（如陶瓷與金屬）焊熔近終成形——快速成形方法之一4.1精密焊接激光焊接——激光加熱焊接部位1464.2特殊環境下焊接空間焊接水下焊接4.2特殊環境下焊接空間焊接1474.3現代切割技術激光切割等離子切割超聲切割高壓水射流切割4.3現代切割技術激光切割1484.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達到燃點，同時借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質4.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射處1494.5等離子切割等離子：是高度電離的氣體，是由氣體原子或分子電離后，離解成帶正電荷的離子和負電荷的電子所組成，正負電荷相等，因此稱為等離子。原理：利用高溫、高速的等離子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化緩和氣化并被吹離機體。等離子體能量高度集中，電流密度高、等離子弧溫度高（11000-28000度）普通電弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)4.5等離子切割等離子：是高度電離的氣體，是由氣體原子或分150先進制造技術盛步云課件151特點能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料切割厚度不大的金屬時，速度快，是普通切割的5-6倍切割面光潔、熱變形小切口寬度和切割斜角較大，與切割厚度有關切割厚度不及氣割特點能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料1524.6超聲切割原理：利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或干磨料中，產生磨料的沖擊、震顫、液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用去除材料，特別適合硬脆材料切割4.6超聲切割原理：利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中153先進制造技術盛步云課件154特點適合加工硬脆材料，尤其適合非金屬硬脆材料，或硬質耐熱導電材料，但加工效率低切削力小切割應力、熱小，粗糙度低（0.63-0.08）尺寸精度正負0.03mm,也適合加工薄壁、窄縫、低剛度零件工具可用軟材料做成復雜形狀，無相對運動，可加工復雜型腔和型面比金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產率高、經濟性好特點適合加工硬脆材料，尤其適合非金屬硬脆材料，或硬質耐熱導電1554.7高壓水射流切割原理：利用水或水中加添加劑的液體，經水泵至增壓器，再經儲掖蓄能器使高壓液體流動平穩，最后有人造藍寶石噴嘴形成300-900m/s的高速液體束流，噴射到工件表面，從而去除材料的加工。高速液體束流能量密度：102W/mm2

流量7.5L/min4.7高壓水射流切割原理：利用水或水中加添加劑的液體，經水156先進制造技術盛步云課件157特點加工精度高:0.075-0.1mm，切邊質量好液體束流能量密度高，流速高，工件切縫窄0.075-0.4mm加工產物混入液體排出，無灰塵、無污染加工區溫度低，不產生熱量，適合木材、紙張、皮革材料的加工設備簡單、操作方便，易實現數控加工特點加工精度高:0.075-0.1mm，切邊質量好1585.表面工程技術定義：通過改變固態金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分和組織結構，以獲得所需表面性能的系統工程理論基礎：表面分析技術、表面物理、表面化學應用理論：表面失效分析、摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面結合和復合理論目的：弄清各類固態材料表面失效機理，并綜合運用各種表面技術提高材料的抵御環境作用的能力，實施特定的表面加工來制造構件、另部件和元器件5.表面工程技術定義：通過改變固態金屬表面或非金屬表面的形159方法覆蓋層技術：電鍍、電刷鍍、涂裝、粘結、堆焊、噴涂、塑料粉末涂敷、搪瓷涂敷、真空鍍膜、鍍膜，貼片機械、物理化學方法：改變材料形貌、化學成分、微觀結構、應力狀態——噴丸、熱處理、激光表面處理、等離子擴滲處理綜合兩種或以上方法的復合表面處理：等離子噴涂與激光輻射、熱噴涂與噴丸、化學熱處理與電鍍、化學熱處理與氣相沉積方法覆蓋層技術：電鍍、電刷鍍、涂裝、粘結、堆焊、噴涂、塑料粉1605.1表面改性技術指采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。既發揮基體的力學性能，又獲得表面的各種特殊性能傳統方法：噴丸、表面熱處理、化學熱處理清潔技術：等離子體、激光、電子束等5.1表面改性技術指采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材161先進制造技術盛步云課件1625.2表面覆層技術在工件表面制備各種特殊功能的覆蓋層，用極少量材料達到大量昂貴整體材料所能起到或難以起到的作用，同時極大地降低制造成本——廣泛用于修復產品5.2表面覆層技術在工件表面制備各種特殊功能的覆蓋層，用極163先進制造技術盛步云課件1646超高速加工技術定義：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠實現高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，以極大提高切削速度來達到提高切除率、加工精度和加工質量的現代制造加工技術。（標志）范圍：鋁合金2000－7500m/min鑄鐵900－5000m/min鋼600－3000m/min，鈦合金150－1000m/min車削700－7000m/min，銑削300－6000m/min鉆削200－1100m/min，磨削150m/s6超高速加工技術定義：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠實現1656.1超高速加工關鍵技術超高速切削機理大功率超高速主軸單元高加減速直線進給電機超硬耐磨長壽命刀具材料及結構安全裝置以及高性能CNC控制系統和測試系統6.1超高速加工關鍵技術超高速切削機理1666.2超高速切削機理薩洛蒙曲線A不能切削B區高速切削C區切削速度切削溫度6.2超高速切削機理薩洛蒙曲線A不能切削B區高速切削C區切1676.3大功率超高速主軸單元主軸材料、結構、軸承超過高速主軸系統動態特性及熱態特性柔性主軸及其軸承的彈性支撐技術潤滑與冷卻技術主軸系統多目標優化設計、虛擬設計技術美國福特臥式加工中心（動靜壓軸承）15000rpm日本東莊大學CNC平磨3000，東芝氣浮軸承30000德國KAAP公司磁懸浮軸承60000－100000rpm6.3大功率超高速主軸單元主軸材料、結構、軸承1686.4高加減速直線進給電機侍服驅動技術滾動元件技術監測單元技術安全防護技術冷卻潤滑技術從8－12m/min發展到30－50m/min一般18－20m/min60m/min6.4高加減速直線進給電機侍服驅動技術1697超精密加工技術一般加工10um,Ra0.3-0.8um精密加工10um-0.1um,Ra0.3-0.03um超精密加工0.1-0.01umRa0.03-0.05um納米加工<10-3umRa<0.005um7超精密加工技術一般加工10um,170先進制造技術盛步云課件1717.1關鍵技術加工方法與機理（微量切除表層）材料技術:加工工具與被加工材料加工設備及其基礎元件7.1關鍵技術加工方法與機理（微量切除表層）1728快速原型制造技術的概念原型 原型（Prototype)是指用來建造未來模型或系統基礎的一個初始模型或系統。它能基本代表零部件性質和功能，但不具備或不完全具備零部件的功能。快速原型制造 原型制造（Prototyping)是設計、建造原型的過程。一般來說，物體成型的方式分為三類：去除成型、添加成型和靜尺寸成型，原型制造也是如此。8快速原型制造技術的概念原型173快速原型制造技術的分類按采用的原材料分類：液體聚合、固化粉末燒結與粘結絲材、線材熔化粘結膜、板材層合按制造工藝原理分類：立體印刷成型層合實體制造選域激光燒結熔融沉積制模三維噴涂粘結焊接成型數碼累計造型快速原型制造技術的分類按采用的原材料分類：按制造工藝原理分類174快速原型制造技術發展歷史與現狀1892年美國人JFblanther獲得了用層合方法制作三維地圖模型的專利，可以說是近代分層制造方法的開端。1979年，日本東京大學生產技術研究所中川威雄教授發明疊層模型造型法。80年，小玉秀蘭提出了光造型法，并于81年首次發表了快速原型制造技術的論文。美國UVP公司的C.Whull完成了系統SLA-1（StereoLithographyApparatus，立體印刷成型），之后與他人創辦3DSystem公司，研制出了掩膜式的原型制造系統。1984年，MFeygin提出了層合實體概念。1986年，美國人S.Crump提出了熔融沉積造型設想。在多家快速原型制造設備公司中，3DSystem公司生產的快速原型制造系統在國際上占有60%的份額。90年代，快速原型制造技術服務中心年平均增長40%以上。快速原型制造技術發展歷史與現狀1892年美國人JFbla175立體印刷成型 立體印刷成型是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種快速成型方法。 它以光敏樹脂（如丙烯基樹脂）為原料采用計算機控制下的紫外激光以預定原型各分層截面的輪廓為軌跡逐點掃描，使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應后固化，從而形成的一個薄層截面。當一層固化后，向上（下）移動工作臺，在剛固化的樹脂表面布放一層新的液態樹脂，再進行新一層掃描、固化。如此重復至整個原型制造完畢。立體印刷成型 立體印刷成型是目前世界上研究最深入、技176立體印刷成型的工藝過程模型設計對模型分層處理工作臺置位激頭照射光敏樹脂后續處理重復三維CAD系統中造型STL格式←CAD模型系統控制系統操縱立體印刷成型的工藝過程模型設計對模型分層處理工作臺置位激頭照177層合實體制造 層合實體制造又稱分層實體造型、分層物體制造等。它采用激光器按照CAD分層模型所獲得的數據，用激光束將單面涂有熱溶膠的薄膜材料或其他材料的箔帶切割成欲制原型在該層平面的內外輪廓，再通過加熱輥加熱，使剛剛切好的一層與下面已切割層粘接在一起。通過逐層切割、粘合，最后將不需要的材料剝離，得到欲求的原型。 層合實體制造工藝與立體印刷成型工藝的主要區別在于將立體印刷成型中的光致樹脂固化的掃描運動變為激光切割薄膜運動，它使用低能二氧化碳激光器，成型的制件無內應力、無變形，因而精度較高。層合實體制造 層合實體制造又稱分層實體造型、分層物體制造等。178層合實體制造的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光頭切紙后續處理重復三維CAD系統中造型使用切片軟件系統控制系統控制、提供數據層合實體制造的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光頭179選域激光燒結 選域激光燒結，借助精確引導的激光束使材料粉末燒結成熔融合凝固成三維原型或制件。即成型機按照計算機輸出的原型分層輪廓，采用激光束在指定路徑上選擇性地掃描并熔融工作臺上很薄（100～200μm）且均勻鋪層的材料粉末，由分層圖形所選擇的掃描區域內的粉末被激光束熔融，連結在一起，而未在該區域內的粉末仍然是松散的。當一層掃描完畢，向上（或下）移動工作臺，控制完成新一層燒結。全部燒結后去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理便獲得原型或零件。選域激光燒結 選域激光燒結，借助精確引導的激光束使材料粉末燒180選域激光燒結的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光燒結粉末后續處理重復三維CAD系統中造型使用切片軟件系統控制系統控制、提供數據選域激光燒結的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位激光燒181熔融沉積造型 熔融沉積造型采用熱熔噴頭，使半流動狀態的材料按CAD分層數據控制的路徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型，逐層沉積、凝固后形成整個原型或零件。這一技術又稱為熔化堆積法、熔融擠出成模等。熔融沉積造型 熔融沉積造型采用熱熔噴頭，使半流動狀態的材料按182熔融沉積造型的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位液體凝固成型后續處理重復三維CAD系統中造型使用切片軟件系統控制加熱、擠壓控制液體熔融沉積造型的工藝過程模型設計對模型切片處理工作臺置位液體凝183其它技術三維噴涂粘接，使用粉末材料和粘接劑，按原型 或零件分層截面輪廓，噴頭在每一層鋪好的材料粉末層上有選擇的噴吐粘接劑，噴過粘接劑的路徑材料被粘接在一起，其他地方仍為松散粉末。層層粘接后就得到一個三維空間實體，去除粉末并進行后燒結就得到所要求的原型或零件，又稱三維打印、多層打印，陶瓷殼法。焊接成型技術，用焊接設備及工藝方法，制成全由焊縫金屬組成的零件，也稱融化成型、全焊接金屬零件制造技術。這種方法的本質，就是采用現有的各種成熟的焊接技術用逐層堆焊的方法制造零件。其它技術三維噴涂粘接，使用粉末材料和粘接劑，按原型184第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

第三部分微機械系統

第四部分先進管理模式目錄第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

185制造是通過能量與信息的輸入將原材料變換成產品的過程。自動化：規劃、管理、組織、控制與操作60年代：擴大生產規模70年代：降低生產成本80年代：提高產品質量90年代：快速響應市場制造是通過能量與信息的輸入將原材料變換成產品的過程。186剛性自動化數控機床柔性制造系統CIMS并行工程工廠子網廣域網信息高速公路全球通訊網絡智能制造計算智能制造智能敏捷制造虛擬組織制造資源組織全球化全球制造剛性技術柔性柔性系統決策敏捷全球單元系統集成自動化性性40-5060708090年代剛性自動化數控機床柔性制造系統CIMS并行工程工廠子網廣域網187制造自動化技術特征分布式、協同處理強調人和知識的作用智能化集成（4M，Modeling、Manufacturing、Measurement、Manipulation）網絡化和全球化制造自動化技術特征分布式、協同處理188制造自動化關鍵技術基于并行工程CAD/CAPP/CAM/PDM技術面向自動化的虛擬制造技術虛擬加工、虛擬控制、虛擬裝配、虛擬檢測、虛擬評價傳感與檢測技術機器人化制造技術（傳輸、裝配、加工）制造自動化關鍵技術基于并行工程CAD/CAPP/CAM/PD189先進制造技術盛步云課件190先進制造技術盛步云課件191汽車轉向器干涉檢查示例：汽車轉向器干涉檢查示例：192CAPP系統CAPP系統193CAPP系統CAPP系統194先進制造技術盛步云課件195先進制造技術盛步云課件196先進制造技術盛步云課件197先進制造技術盛步云課件198先進制造技術盛步云課件199先進制造技術盛步云課件200先進制造技術盛步云課件2012.2協同設計網站——遠程輔助設計系統2.2協同設計網站——遠程輔助設計系統2022.3三維設計軟件共享系統2.3三維設計軟件共享系統203先進制造技術盛步云課件2042.4共享白板和多媒體交流系統2.4共享白板和多媒體交流系統205先進制造技術盛步云課件206先進制造技術盛步云課件207先進制造技術盛步云課件208遠程文件傳輸遠程文件傳輸209第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

第三部分

微機械系統

第四部分先進管理模式目錄第一部分先進設計加工技術

第二部分制造自動化技術

210微機械的概況稱謂：美國：微型電子機械系統（MEMS）

日本：微機器

歐洲：微系統按尺寸分類：微小型機械：1～10mm微機械：1μm～1mm納米機械：1nm～1μm現代微機械加工的特征：高寬比達到幾十以上幾個<=W<=幾十個微米幾十<=H<=幾百個微米2.具有集光、機、電性能于一體的生產器件的潛力微機械的概況稱謂：按尺寸分類：現代微機械加工的特征：211微機械的概況--幾種典型產品（1）日本豐田公司早已造出長4．8毫米的4輪微型汽車美國斯坦福研究所的微觀“人造肌肉”則可利用“撲打”的方法，帶動微型飛機飛行

美國林肯實驗室的燃氣輪機只有鈕扣般大小，可產生0．64公斤推力麻省理工學院的噴氣式發動機，直徑只有1厘米，推力為13克，可帶動50克重的微型飛機以300公里時速飛行

德國的微型直升機有400毫克重，發動機直徑1—2毫米，轉速高達每分鐘4萬轉瑞典皇家理工學院設計微機械的概況--幾種典型產品（1）日本豐田公司早已造出長4．212微機械的概況--幾種典型產品（2）美國國家航空航天局準備要研制重7磅（3．2公斤）的超微航天探測器廣東工業大學與日本筑波大學生物醫用微型機器人，一維二維聯動壓電陶瓷驅動器，位移50umX50um哈爾濱工業大學電致伸縮陶瓷驅動二自由度微型機器人，10umX10um,位移分辨率00.1um微機械的概況--幾種典型產品（2）美國國家航空航天局準備要研213微機械材料與微型構件硅體材料：單晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化陶瓷、石英、金剛石、記憶合金、壓電功能材料：電致伸縮材料、形狀記憶材料、永磁材料、受熱變相的凝膠材料微機械材料與微型構件硅體材料：單晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化214微機械的應用領域

微機械由于具有狹小空間內進行作業而又不擾亂工作環境和對象的特點，在航空航天、精密儀器、材料、生物醫療等領域有著廣泛的應用潛力另外，微型機器人不久的將來可能出現在戰場上微機器人擅于管道檢查維修微組裝和微型工廠

微機械的應用領域微機械由于具有狹小空間內進行作業而又不215微機械的一般結構

典型的MEMS系統

傳感器信號處理執行器外部信息微傳感器微執行器微型構件

微機械光學器件真空微電子器件

電力電子器件

信號處理的集成電路微機械的一般結構典型的MEMS系統傳感信號執行外部微傳感216微機械的設計方法--新的設計概念（1）

開發微機械必須建立新的設計概念：盡量設計無摩擦結構，不出現旋轉關節，因為所有的旋轉關節都有摩擦力（因為微機械尺寸很小，摩擦力超過了其它的力，控制了系統的運動。）在我們身邊有很多毫米級的昆蟲，它們是開發基于昆蟲模型機械的基礎。微機械的設計方法--新的設計概念（1）開發微機械必須建立新217微機械的設計方法--新的設計概念（2）

開發微機械必須建立新的設計概念：我們學習昆蟲的知識對我們研究微型機械大有好處。昆蟲有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、彈性關節、伸縮肌肉等。這些特點為我們設計微機械提供了基礎。（昆蟲只有104－106個神經細胞，它的運動是簡單的機械運動，如往復運動。但是為什么這些運動看上去非常協調、靈活，這就是我們研制基于昆蟲模型機械的原因。）微機械的設計方法--新的設計概念（2）開發微機械必須建立新218微機械的設計方法--動力問題

微機械的動力問題

在微機械領域，由于尺寸及重量的限制，傳統的驅動器基本上都無法工作。目前，已經提出的幾種典型方案如下：

形狀記憶合金（SMA）微驅動器DNA驅動超聲馬達（USM）驅動

微機械的設計方法--動力問題微機械的動力問題219形狀記憶合金（SMA）微驅動器原理：利用合金的相變(熱彈性馬氏體相變)來進行能量轉換的，它可直接實現各種直線運動或曲線運動軌跡，而不需任何機械傳動裝置。優點：