先進制造技術機械制造及自動化系

第一頁，共四十一頁。一、先進制造技術的發展背景

由于現代科學技術的迅猛發展，機械工業、電子工業、航空航天工業、化學工業等，尤其是國防工業部門，要求尖端科學技術產品向高精度、高速度、大功率、小型化發展，以及在高溫、高壓、重載荷或腐蝕環境下長期有效的工作。第二頁，共四十一頁。機械制造中即待解決的問題解決各種難切削材料的加工問題解決各種特殊復雜型面的加工問題解決各種超精密、光整零件的加工問題特殊零件的加工問題第三頁，共四十一頁。

要解決上述一系列問題，僅僅依靠傳統的切削方法很難實現，有些根本無法實現。在生產的迫切需求下，人們不斷研究和探索新的加工方法和手段。目前，先進制造技術已經是一個國家經濟發展的重要手段之一，許多發達國家都十分重視先進制造技術的水平和發展，利用它進行產品革新、擴大生產和提高國家經濟競爭能力。第四頁，共四十一頁。二、先進制造技術主要內容數控技術并行技術快速成形技術虛擬技術激光加工技術綠色加工技術第五頁，共四十一頁。1、數控技術高速，高精度技術5軸聯動及復合加工機床柔性制造技術智能化、開放式、網絡化數控技術

第六頁，共四十一頁。1。高速、高精加工技術

效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。第七頁，共四十一頁。

從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*1000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。第八頁，共四十一頁。2。五軸聯動加工和復合加工機床快速發展

采用5軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯動機床的效率可以等于2臺3軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動數控系統、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯動機床的發展。第九頁，共四十一頁。當前由于電主軸的出現，使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發展。在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，可實現4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現，還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯動加工，可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。第十頁，共四十一頁。2、并行技術第十一頁，共四十一頁。并聯機床

并聯機床是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。本文介紹了它的特點和研究現狀，并總結出了并聯機床的八個研究方向。并聯機床(ParallelMachineTools)，又稱并聯結構機床(ParallelStructuredMachineTools)、虛擬軸機床(VirtualAxisMachineTools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲(Hexapods)。并聯機床是基于空間并聯機構Stewart平臺原理開發的，是近年才出現的一種新概念機床，它是并聯機器人機構與機床結合的產物，是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。它克服了傳統機床串聯機構刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工。自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是“21世紀的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。第十二頁，共四十一頁。并聯機床的特點

整體而言，傳統的串聯機構機床，是屬于數學簡單而機構復雜的機床，而相對的，并聯機構機床則機構簡單而數學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數學運算，因此虛擬軸并聯機床是一種知識密集型機構。這種新型機床完全打破了傳統機床結構的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯機構驅動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質量都有較大的改進。另外，由于其進給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結構簡單、制造成本低、標準化程度高等優點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術界的廣泛關注。由并聯、串聯同時組成的混聯式數控機床，不但具有并聯機床的優點，而且在使用上更具實用價值。隨著高速切削的不斷發展，傳統串聯式機構構造平臺的結構剛性與移動臺高速化逐漸成為技術發展的瓶頸，而并聯式平臺便成為最佳的候選對象，而相對于串聯式機床來說，并聯式工作平臺具有如下特點和優點：第十三頁，共四十一頁。結構簡單、價格低機床機械零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產，因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統機床低得多，容易組裝和搬運。

結構剛度高由于采用了封閉性的結構(closed-loopstructure)使其具有高剛性和高速化的優點，其結構負荷流線短，而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結構，應力與變形都最小的是受張力的二力結構，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統的數控機床。第十四頁，共四十一頁。加工速度高慣性低如果結構所承受的力會改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構件將會是最節省材料的結構，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。

加工精度高由于其為多軸并聯機構組成，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態起作用，因而不存在傳統機床(即串聯機床)的幾何誤差累積和放大的現象，甚至還有平均化效果(averagingeffect)；其擁有熱對稱性結構設計，因此熱變形較小；故它具有高精度的優點。多功能靈活性強由于該機床機構簡單控制方便，較容易根據加工對象而將其設計成專用機床，同時也可以將之開發成通用機床，用以實現銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機，以實現機床的多功能。這將會帶來很大的應用和市場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應用前景。第十五頁，共四十一頁。使用壽命長

由于受力結構合理，運動部件磨損小，且沒有導軌，不存在鐵屑或冷卻液進入導軌內部而導致其劃傷、磨損或銹蝕現象。變換坐標系方便

由于沒有實體座標系，機床坐標系與工件坐標系的轉換全部靠軟件完成，非常方便。

第十六頁，共四十一頁。3、快速成形技術第十七頁，共四十一頁。快速成形技術

快速成形技術又稱快速原型制造簡稱RPM技術，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。即，快速成形技術就是利用三維CAD的數據，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。第十八頁，共四十一頁。快速成形技術的特點

(1)制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；

(2)原型的復制性、互換性高；

(3)制造工藝與制造原型的幾何形狀無關，在加工復雜曲面時更顯優越；

(4)加工周期短，成本低，成本與產品復雜程度無關，一般制造費用降低50%，加工周期節約70%以上；

(5)高度技術集成，可實現了設計制造一體化；第十九頁，共四十一頁。RP技術產生背景

(1)隨著全球市場一體化的形成，制造業的競爭十分激烈，產品的開發速度日益成為主要矛盾。在這種情況下，自主快速產品開發(快速設計和快速工模具)的能力(周期和成本)成為制造業全球競爭的實力基礎。

(2)制造業為滿足日益變化的用戶需求，要求制造技術有較強的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品的成本。因此，產品的開發速度和制造技術的柔性就十分關鍵。

(3)從技術發展角度看，計算機科學、CAD技術、材料科學、激光技術的發展和普及為新的制造技術的產生奠定了技術物質基礎。第二十頁，共四十一頁。RP技術基本原理

快速成形技術是在計算機控制下，基于離散、堆積的原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與制造的技術。從成形角度看，零件可視為“點”或“面”的疊加。從CAD電子模型中離散得到“點”或“面”的幾何信息，再與成形工藝參數信息結合，控制材料有規律、精確地由點到面，由面到體地堆積零件。從制造角度看，它根據CAD造型生成零件三維幾何信息，控制多維系統，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。第二十一頁，共四十一頁。RP技術的類型

近十幾年來，隨著全球市場一體化的形成，制造業的競爭十分激烈。尤其是計算機技術的迅速普遍和CAD/CAM技術的廣泛應用，使得RP技術得到了異乎尋常的高速發展，表現出很強的生命力和廣闊的應用前景。快速成形技術發展至今，以其技術的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發展。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積制造法。第二十二頁，共四十一頁。4、虛擬技術第二十三頁，共四十一頁。虛擬現實技術

虛擬現實（VR-virtualreality）,也稱虛擬實境或靈境，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環境中的實體相互作用，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機接口技術。與傳統的模擬技術相比，其主要特征是：操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環境中，與之產生互動，進行交流。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。虛擬現實的本質是人與計算機的通信技術，它幾乎可以支持任何人類活動，適用于任何領域。第二十四頁，共四十一頁。虛擬制造技術（VM）虛擬制造技術（virtualmanufacturingtechnology，VMT）是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。這樣，可以在產品的設計階段就模擬出產品及其性能和制造過程，以此來優化產品的設計質量和制造過程，優化生產管理和資源規劃，以達到產品開發周期和成本的最小化，產品設計質量的最優化和生產效率最高化，從而形成企業的市場競爭優勢。如波音777，其整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環境下的試飛均是在計算機上完成的，其開發周期從過去的8年縮短到5年；Chrycler公司與IBM合作開發在虛擬制造環境用于其新型車的研制，在樣車生產之前，即發現其定位系統及其他許多設計有缺陷，從而縮短了研制周期。盡管虛擬制造技術的出現只有短短的幾年時間，虛擬制造的應用將會對未來制造業的發展產生深遠的影響。第二十五頁，共四十一頁。三項核心技術

1建模技術2仿真技術3虛擬現實技術第二十六頁，共四十一頁。VM可以在不使用原材料，也沒有生產出真實產品之前，對新產品及其全生產過程進行仿真，以達到一次性生產成功，減少了材料的浪費，優化了生產過程，它為綠色制造提供了一種實現手段虛擬制造技術有巨大的應用潛力。

基于產品的數字化模型，實現了從產品的設計、加工、制造到檢驗全過程的動態模擬。虛擬制造的關鍵技術是對產品與制造過程的擬實仿真。目前軟件的開發是虛擬制造的重要研究內容。第二十七頁，共四十一頁。5、激光加工技術第二十八頁，共四十一頁。

激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術。激光加工作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經濟重要部門，對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。第二十九頁，共四十一頁。

激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，傳統上看，它的研究范圍一般可分為：

1.激光加工系統。包括激光器、導光系統、加工機床、控制系統及檢測系統。

2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調等各種加工工藝。

3.激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導體泵浦激光器。

4.激光切割：汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。第三十頁，共四十一頁。

5.激光打標：在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛應用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。

6.激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發展，主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。

第三十一頁，共四十一頁。

7.激光熱處理：在汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業和其它機械行業也應用廣泛。我國的激光熱處理應用遠比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。

8.激光快速成型：將激光加工技術和計算機數控技術及柔性制造技術相結合而形成。多用于模具和模型行業。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。

9.激光涂敷：在航空航天、模具及機電行業應用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主第三十二頁，共四十一頁。6、綠色加工技術第三十三頁，共四十一頁。在中國，制造業的繁榮在為經濟增長提供貢獻的同時，資源浪費和環境污染也隨之而來，其造成的后果已經開始顯現出來。現在，在繼續保持工業經濟高速增長的同時，如何減小或避免對環境帶來進一步地破壞，成為全社會共同關心的話題，綠色制造自然也就引起了更多人的關注。要想獲得正常生產和節能減排的“雙贏”，還得要從制造過程中尋找解決之道，綠色切削技術作為可持續發展的制造模式成為制造企業的選擇之一。第三十四頁，共四十一頁。

我國“十一五”規劃綱要第一次提出了“節能減排”這一概念。“節能減排”符合綠色環保發展理念，從國家層面上確定了發展方向，這對工業制造領域有何影響呢？

根據數據統計，有70%的環境污染物來自制造業。現代制造業給人類帶來空前物質文明的同時，也給社會帶來了更多的廢氣、廢渣、廢液等廢棄物。

從某種角度來說，工業制造領域在“節能減排”這一大趨勢下受到的影響顯然是最大的。如此大的壓力轉嫁到工業制造企業本身，單純地通過限制企業數量和影響正常生產來實現無疑是不現實的。畢竟，以犧牲工業制造企業的數量和規模實現節能減排的目標只能解決一時之癢，無法從根本上解決問題。

那么，在國家提倡“節能減排”大環境下，要想獲得正常生產和節能減排的“雙贏”，還得要從制造過程中尋找解決之道，綠色切削技術作為可持續發展的制造模式成為制造企業的選擇之一。“節能減排”下的大勢所趨第三十五頁，共四十一頁。傳統制造模式對環境影響大

傳統的制造模式之所以不能滿足“節能減排”的要求，是因為加工過程中大量使用切削液，給環境和人體本身帶來危害。

在機械加工領域，使用切削液產生的廢棄液體是主要的污染產物，直到現在，傳統金屬切削加工中仍舊以大量使用切削液的濕切削加工為主。

使用切削液可以實現潤滑、冷卻、清洗、輔助排屑及防銹性能，對提高切削加工質量和效率、減少刀具磨損等有著顯著效果。而切削液發展到今天，在機械加工業中應用廣泛，使用量很大，成為種類眾多，門類齊全的工業產品。第三十六頁，共四十一頁。但同時切削液的使用也對環境和人體健康造成了危害。切削液的廢液如果處理不當，會對水資源造成嚴重污染，它的生物降解性差，長期停留在水和土壤中。即使嚴格處理過的廢液