1、 表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人
2、，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术 图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代 柔性自动化50年代图7-2 焊接机器人综合自动化70年代图7-3 综合自动化本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS） q 柔性制造系统的组成 图7-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2
3、加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站q 加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测（图7-5） 传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5 设备运行状态监控与检测框图钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图7-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损
4、信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图7-6 声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号q 物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架 、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。 自动仓库（图7-7）图7-7 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8
5、）光电式（图7-9）传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8 电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。电磁导向方式原理（图7-8）沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。 光学引导方式原理（图7-9）信号孔感光元件光道光源反光带图7-9 光学引导原理切屑处理系统断屑 加工部位封闭
6、排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。q 计算机控制系统q FMS特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行，只一班有人生产零件的品
7、种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）可自动实现系统内的计划、调度q FMS应用品种图7-11 零件品种、批量与自动化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量图7-12 飞机零件加工FMS（ Cincinnati ）1装卸站 2运输小车 3MC 4切屑处理站 5清洗站 6检测站 7手工检测站 8计算机室 9 小车维修站 10 包装站q FM
8、S实例（1）q 坐标测量机a） b） c） d）图7-15 坐标测量机的结构形式结构形式 实物照片 可完成测量项目 表7-2 坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐标测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定，与理想平面比较确定平面度按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角，再测定交点精密加工 在一定的发展时期，加工精
9、度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m
10、Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度（表7-3）精密加工与超精密加工的发展（图7-17）图7-17 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪
11、圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密加工与超精密
12、加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形
13、化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密与超精密加工分类。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联
14、系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。q 非传统加工方法特点机械过程q 非传统加工方法分类按加工机理和采用的能源划分）热学过程电化学过程化学过程复合过程工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NSq 发展趋势图7-62 EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工
15、电火花加工 超声加工 电化学加工图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。q 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。 4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real图7-64 电火花加工机床q
16、工作要素q 电火花加工类型图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件RealRealReal电火花线切割机床图7-66 电火花线切割加工加工过程显示q 电火花加工特点q 电火花加工应用工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。 图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极q 电解加工特点q 电解加工应用 导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜q 电解磨削
17、（图7-68）图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台工作原理（图7-69）q 特点及应用q 工作原理（图7-70）电源Real混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可见光能量效率5% 15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图q 激光器q 激光加工特点q 激光加工应用图7-72 焦点位置对孔形状影响Real图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割q 工作原理（图7-75） 变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工
18、具换能器工作液喷嘴工件Real图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件q 超声波加工特点及应用q 工作原理：q 加工装置（图7-78）q 喷嘴材料及工作条件（表7-11） 项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d利用超高压水（或水与磨料的混合液）对 工 件 进 行 切 割（或打孔），又称高 压 水 切 割 ， 或“水刀”。q 工艺参数（表7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工
19、艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水切割参数
