第六章机械制造技术的发展

第6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三个方面：⒈与微电子、信息处理技术融合的柔性制造自动化技术⒉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⒊以现代管理理论为基础的先进生产模式和方法本章目录本章目录6.1机械制造系统自动化6.1.1机械制造系统自动化6.1.2柔性制造系统（简称FMS）6.1.3计算机集成制造系统（简称CIMS）6.2精密与超精密加工6.3环境保护与可持续制造思考题与练习6.1.1机械制造系统自动化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目的：1)提高或保证产品的质量2)减少人的劳动强度、劳动量，改善劳动条件，减少人的因素影响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，三种自动化方式比较见表6-16.1.2柔性制造系统（简称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（3）柔性制造系统的特点和适用范围（4）柔性制造系统的组成和结构（5）柔性制造系统的分类1）柔性制造单元(简称FMC)2）柔性制造系统（简称FMS）3）柔性制造生产线（简称FML）4）柔性制造工厂（简称FMF)（2）FMS的工作原理FMS的模型和工作原理框图6-附图1所示FMS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柔性加工系统的模型及其原理图6-附图1（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，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、劳动生产率提高柔性制造系统的使用范围见图6-1柔性制造系统主要解决单件小批生产的自动化，把高柔性、高质量、高效率结合和统一起来，是当前最有效的生产手段图6-1柔性制造系统的适用范围（4）柔性制造系统的组成和结构FMS通常由物质系统、能量系统、信息系统三部分组成，如图6-2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图6-2柔性制造系统的组成柔性制造系统物质系统信息系统加工系统自动更换位置机床能量系统能量自动转换系统能量自动分配输送系统物料系统存储系统运输系统装卸系统控制系统加工控制物料控制监视系统自动处理数据自动采集数据加工中心数控机床自动换刀装置自动换夹具自动换工件自动换主轴箱自动化仓库自动输送车工业机器人输送带工业机器人机械手1）柔性制造单元(简称FMC)柔性制造单元（flexiblemanufacturingcell，FMC）：由一台计算机控制的数控机床或加工中心、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6-4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图6-4FMC的结构2)柔性制造系统（简称FMS）柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem—FMS):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3)柔性制造生产线（简称FML）柔性制造生产线（flexiblemanufacturingline,FML):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4)柔性制造工厂（简称FMF）柔性制造工厂（flexiblemanufacturingfactory,FMF）:由各种类型的数控机床或加工中心、柔性制造单元、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、油漆、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6.1.3计算机集成制造系统（简称CIMS）(1)CIMS的基本概念(2)CIMS的构成功能构成结构构成学科构成CIMS技术是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、计算机科学和技术、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(3)实施CIMS的效益(4)CAD/CAPP/CAM之间的集成CAD/CAPP/CAM三者之间的集成关系集成环境下的CAD集成环境下的CAPP集成环境下的CAM(1)CIMS的基本概念CIMS是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及其相关软件，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来的，具有总体高效益、高柔性的智能制造系统应用：CIMS适合于动态的、多品种中小批量的产品生产CIMS在功能上包含了一个工厂从市场预测、产品设计、工艺设计、制造、管理至售后服务的全部功能。在各个环节的自动化上不是简单叠加，而是在计算机网络和分部式数据库支持下的信息集成、功能集成、人员集成、物质（设备）集成功能构成从功能上看，CIMS包括了一个制造企业中设计、制造、经营管理和质量保证等主要功能，并运用信息集成技术和支撑环境使以上功能有效集成。图6-5描述了各功能模块及其联系1）工程设计自动化系统2）制造自动化系统3）经营管理信息系统4）质量保证系统5）支撑环境系统工程设计自动化系统（CAD/CAP/CAM）经营管理信息系统（MIS）制造自动化系统（FA）质量管理信息系统（QIS）TCP/IP网络系统工程设计数据库信息管理数据库制造信息数据库质量管理信息数据库图6-5CIMS的组成结构构成任何企业都是层次结构的，但各层的职能及信息特点可能不同CIMS可以由公司、工厂、车间、单元、工作站和设备等六层组成，也可由公司以下的五层、工厂以下的四层组成工厂、车间、单元、工作站和设备各层的职能分别为计划、管理、协调、控制和执行层次较高，信息比较抽象，处理信息的周期也长；层次越低，信息越具体，处理信息的时间要求越短(3)实施CIMS的效益CIMS效益的内容：可量化的经济效益难以量化的社会效益综合评价1985年美国科学院对美国在CIMS方面处于领先地位的5家公司进行了调研，结果表明采用CIMS可获得以下多方面效益：1）产品质量提高200%～500%2）生产率提高40%～70%3）设备利用率提高200%～300%4）生产周期缩短30%～60%5）在制品减少30%～60%6）工程设计费用减少15%～30%7）人力费用减少5%～20%8）提高工程师的设计能力300%～3500%(4)CAD/CAPP/CAM三者之间的集成关系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：从广义上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6-7表示了CAD、CAPP、CAM三者之间的集成关系CAPPCADCAM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6-7CAD/CAPP/CAM的系统集成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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系统信息输入的方式：由CAD输入零件信息，并转换为本系统中的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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两种文件均要存入共享数据库，以共其他环节查询调用。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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6.2精密与超精密加工6.2.1精密和超精密加工的概念精密和超精密加工的范畴精密和超精密的特点6.2.2精密和超精密加工的方法6.2.3几种具有代表性的精密和超精密加工的方法金刚石刀具超精密切削⑴金刚石刀具超精密切削机理⑵影响金刚石刀具超精密切削的因素⑶金刚石刀具超精密切削的应用固体磨料精密与超精密加工游离磨料加工微细加工技术精密和超精密加工的范畴1)定义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2)一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工的划分几种典型零件的加工精度，如6-附表16-附表12）一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工的划分一般加工加工精度在10μm左右，表面粗糙度值在0.3～0.8μm的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等精密加工加工精度在0.1～1μm，表面粗糙度值在≤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超精密加工加工精度在0.1～100nm，表面粗糙度值在≤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纳米加工加工精度高于3～10μm，表面粗糙度小于0.005μm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Ra