1、第八章 先进制造技术先进制造技术n（AMTAdvanced Manufacturing Technology）指在制造过程和制造系统中融合电子、信息、管理以及新工艺等科学技术，使材料转换为产品的过程更有效、成本更低、更能及时满足市场需求的先进的工程技术的总称。8.1先进成形加工技术先进成形加工技术(Advanced Forming and Manufacturing Technology)一 概述1.应用的原因 对硬质合金等难切材料的加工对模具上的等复杂型面的加工对细长件薄等特殊结构件的加工2.加工的特点 加工不受材料机械性能的限制易于加工复杂型面微细表面及柔性零件能获得良好的表面质量易复合形
2、成新的工艺技术一、电火花加工 Electric Discharge (Spark)Machining 基本原理 利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀工件表面材料；电热能进行加工的工艺方法.电火花加工 (2)极性效应 电火花加工时,阳极阴极均受到腐蚀,但二者的蚀除量或蚀除速度是不同的,这种由于极性不同产生的蚀除量不同的现象叫做极性效应.阳极表面受到电子撞击,阴极表面受到正离子撞击 正极性加工 负极性加工 一般:短脉冲精加工时采用正极性加工(工件接正极)长脉冲粗加工时采用负极性加工(工件接负极)电火花加工 特点可以加工任何导电的难切削材料。在一定条件下也可加工半导体材料，甚至绝缘
3、体材料。甚至可加工聚晶金刚石、立方氮化硼一类超硬材料。不产生切削力引起的残余应力和变形.(其材料去除是靠放电时的电热作用实现的,电极和工件间不存在切削力)脉冲参数可根据需要任意调节，因而可以在同一台机床上完成粗、细、精三个阶段的加工,易于实现自动化.尺寸精度为:0.010.05mm,Ra=50.63.应用各种复杂成型表面成型孔(加工通孔，加工盲孔，电火花线切割不能加工盲孔).各种小孔微孔.对零件表面强化.线切割加工线切割加工（Wire Electric Spark Discharge Machining)电火花线切割加工示意图 1-储丝筒 2-驱动电机3-导轮 4-电极丝 5-工件 6-脉冲电
4、源 7-计算机控制系统 用途 1.可加工微细异型孔，窄缝和复杂形状的工件，加工精度可控制在0.01mm左右，表面粗糙度Ra2.5m。2.线切割因切缝很窄，对金属去除量很少，对节省贵重金属有重要意义。二.激光加工 Laser machining 激光加工是利用激光固有的特性，使光能很快转变为热能来蚀除金属.1.加工原理加工原理 1-全反射镜 2-激光工作物质 3-激励能源 4-部分反射镜 5-透镜 6-工件 2.特点（1）光点小，强度高、能量集中，热影响区小。（2）不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更 方便。（3）激光束易于聚焦导向，光束可聚到0.00lmm，便于自动化控制。（4）不接触加工工件
5、，对工件变形小。（5）加工材料范围广。可加工陶瓷、玻璃、宝石、金刚石、硬质合金、石英等各种金 属和非金属材料，特别是难加工材料。(6)加工性能好。工件可以离开加工机械而透过透 明材料加工，不需要真空。(7)价格比较昂贵。另外激光对人体有害，应采取 防护措施。3.应用（1）激光打孔:孔径0.011mm.（2）激光切割:厚度大,割缝宽度仅为 0.10.2mm.（3）激光焊接（4）表面强化.三、超声波加工Ultrasonic Machining 1.原理 利 用 作 超声 频（1 6 25kHZ）振动的工具，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工，称为超声加工。超声波加工原理示意图1-超声
6、波发生器2-冷却水入口3-换能器4-外罩5-循环冷却水6-变幅杆7-冷却水出口8-工具9-磨料悬浮液10-工件11-工作槽 2 特点 适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、宝石、陶石及各种半导体材料。可加工各种复杂形状的型孔、型腔和型面，还可进行套料、切割和雕刻。工件受力小，变形小。精度可达0.01一0.05mm，表面粗糙度可达0.63一0.08，优于电火花加工。机床结构简单、但生产率较低。3.应用 不导电硬脆材料、也可加工各种高硬度与高强度的金属材料。要求较高的模具的抛磨精加工。各种圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细孔、套料等。四.电解加工 Electroc
7、hemical Machining基本原理 电解加工是利用金属在电解液中产生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的.特点能加工各种硬度与强度的金属材料生产率高(约为电火花加工的510倍以上)工具阴极不会损耗,寿命长.精度难以严格控制,精度为0.1mm,但表面好,Ra=1.250.2.电解液对设备有腐蚀作用,电解产物需妥善处理。应用 能加工各种深孔型孔型腔和复杂 成型表面.如炮管膛线、叶片型面、模具 型腔与花键、异型孔及复杂零件的薄壁 结构等。电解去毛刺 电解刻字电解磨削 Electrochemical Grinding 它靠阳极金属的电化学溶 解(占95%98%)和机械磨削作用(占2%5%)相结
8、合进行复合加工。五 离子束加工 IBM基本原理 离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子束经加速与聚焦，使之打到工件表面。离子带正电荷，其质量比电子大千、万倍,比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的。加速到1万几万电子伏特-离子铣削 加速到几十万电子伏特-离子镀膜 -离子注入氩离子束加工 IBM 特点 离子束流密度与离子能量可精确控制，可进行“原子级加工”或“毫微米级加工”，是所有特种加工方法中最精密最微细的加工方法,是当代毫微米加工技术的基础.在真空中加工,污染少，工件材料不易氧化.加工应力与变形极小，质量高.设备费用贵，加工效率低，应用受到一
9、定限制.3.应用 （1）刻蚀加工 离子刻蚀加工是逐个原子剥离的过程，剥离速度大约每秒一层到几十层原子。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜。离子束还可用于刻蚀集成电路等器件的高精度图形。（2）镀膜加工 热应力少，结合力强，膜层不易脱落。离子镀镀层组织细密，针孔气泡少。离子镀可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨损膜、装饰膜和电气膜等。（3）注入加工 离子注入是向工件表面直接注入离子，注入量可精确控制，深度可达以上。离子注入在半导体方面得到了广泛的应用。用硼、磷等“杂质”离子注入半导体材料可以改变导电型式成P型或型
10、，可制造出一些通常热扩散难以得到的、各种特殊要求的半导体器件。离子注入还可以显著改善金属表面的耐蚀、耐磨和润滑性能。六六 快速成形制造技术快速成形制造技术（Rapid PrototypingRapid Prototyping）1快速成形原理 快速成形技术是在计算机控制下，基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加而成。从CAD电子模型中离散得到点、面的几何信息，再与成型工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。LOM（Laminate Object Manufacturing）2.特点 （1）高度
11、柔性 快速成形技术的最突出特点就是柔性好，它取消了专用工具，在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件，把可重复编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中。（2）技术的高度集成 快速成形技术是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。在成形概念上，它以离散堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大的柔性为目标。因此只有在计算机技术、数控技术高度发展的今天，才有可能诞生快速成形技术。（3）设计制造一体化 快速成形技术的另一个显著特点就是CADCAM一体化。在传统的CAD、CAM技术中，由于成型思想的局限性，致使设计制造一体化很难实现。而对于快速成形技术来说
12、，由于采用了离散堆积分层制造工艺，能够很好地将CAD/CAM结合起来。（4）快速性 快速成形技术的一个重要特点就是其快速性。由于激光快速成形是建立在高度技术集成的基础之上，只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。从CAD设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时，比传统的成型方法速度要快得多，这一特点尤其适合于新产品的开发与管理。（5）材料的广泛性 由于各种 RP工艺的成形方式不同，因而材料的使用也各不相同，如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷、纤维等材料在快速成型领域已有很好的应用。3.快速成型技术的应用 n 1.快速模具制造;铸造模
13、具、电解加工、电铸加工、压力加工.n 2.医学上的仿生制造RP技术,例如进行颅骨修复手术时，采用RP迅速、准确地将病人颅骨的CT数据转换为三维实体模型，采用快速原形方法制作的修复件成形精度高，能十分吻合病人颅骨几何形状，减少固定螺钉约1/2，减少手术时间，有利于病人恢复。n 8.2数控加工数控加工 n 数控就是数字控制（Numerical Control）的简称，数控加工即用数字和符号构成的程序来控制机床自动进行加工。1.数控机床的主要组成部分和工作原理数控机床的主要组成部分和工作原理数控机床的主要组成部分和基本工作过程示意图 1-输入装置 2-数控装置 3-伺服系统 4-机床本体 2.数控机
14、床分类数控机床分类(1)点位控制系统钻床、镗床、冲床及钻镗类加工中心 (2)轮廓控制系统轮廓控制系统n 轮廓控制又称连续切削控制，除了使刀具准确定位之外，还必须控制刀具相对工件以给定速度沿着指定的路径运动。刀具运动轨迹确定被加工零件的表面形状。如数控铣床、车床属于这类控制系统。3.数控编程的数学处理 （1）平面轮廓零件的数学处理方法 基点（组成该零件轮廓的各几何元素间的连接点，即交点或切点）坐标的计算；节点（用直线段逼近曲线时，曲线被分割成多条直线段，各相邻两直线段的交点）坐标的计算.12345 直线段逼近等步长法 1.利用求极值的方法求出曲线方程Yf(x)最小曲率半径Rmin(最大插补误差产
15、生在曲线曲率半径最小处)；2.由插补允许误差求min处的插补直线段长度L；3.以曲线起点为圆心以L为半径作圆，与曲线相交于b点即为第一个所求的节点；再以所求得的节点为圆心以L为半径作圆；4.重复以上步骤，依次可分别求得其余各节点坐标。缺点：大多数插补误差小于，利用精度不够。用圆弧段逼近非圆曲线的计算方法 用彼此相切圆弧段逼近零件轮廓非圆曲线时，由于相邻圆弧彼此相切,则被逼近的曲线为光滑联结，即不会出现尖点从而可提高零件的光滑程度。目标：各分段圆弧的目标：各分段圆弧的起、终点坐标起、终点坐标 以及圆心坐标和半径值以及圆心坐标和半径值 1.采用三点定一圆的圆弧逼近方法，计算各段圆弧的圆心坐标和半径
16、值。其步骤是首先过P1、P2、P3 三点作圆，圆的方程可表示为：X2+Y2+DX+EY+F=02.根据P1,P2,P3点坐标可确定方程中的D、E、F系数，则该圆的圆心坐标和半径分别为：X01=-D/2 Y01=-E/2 R1=1/2(D2+E2-4F)1/23.再从P2点开始过三点作圆，顺次重复上述计算步骤。即可分别求出各段圆弧的圆心坐标和半径值。插补 已知该圆弧的起点A与终点B的坐标、圆心坐标或半径值，要把圆弧AB光滑地描绘出来，必须把圆弧段AB之间各插补点的坐标值计算出来，填补到A、B之间，称为插补。插补功能由专用逻辑电路实现 (a)-直线插补 (b)-园弧插补n 4.机床坐标系与运动方向
17、规定机床坐标系与运动方向规定 为了准确地描述机床运动并使所编程序具有互换性，国内外标准化组织已经对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。（1）坐标和运动方向命名的原则 机床在加工零件时刀具与工件之间产生相对运动，JB3051-82标准规定：永远假定刀具相对于静止的工件坐标而运动。（2）坐标系的规定 为了确定机床的运动方向、移动距离，要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就是标准坐标系，也叫机床坐标系。数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。图中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴正方向。右手笛卡尔坐标系统 运动方向的确定 标准规定机床某一部件运动的正方向，是增大工件
18、和刀具之间距离的方向。1)Z坐标的运动由传递切削力的主轴决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z坐标。Z坐标的正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。如在钻床加工中，钻入工件的方向为Z坐标的负方向，退出方向为正方向。2)X坐标为水平且平行于工件的装卡面，这是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于刀具旋转的机床（如铣床、钻床等），X运动的正方向指向如图 3)Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴。Y运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按右手直角坐标系来判断。5.工件坐标系n 工件坐标系是为了确定工件几何形体上各要素的位置而设置的，其原点为工件零点，通常将编程零点作为工件坐标系的零点。6.刀具半径补偿功能 n 指
19、具有这种功能的控制装置能使刀具中心自动从零件轮廓上偏离一个指定的刀具半径值（补偿量），使刀具中心在这个被补偿的轨迹上运动，从而把工件加工成图纸上所要求的轮廓形状 7.数控加工编程数控加工编程n 数控编程的第一步工作是细致分析零件图，明确加工内容和技术要求，然后着手拟定零件的加工方案和选择合适的数控机床，然后编制加工程序。（1）确定零件的装夹方法并选择夹具 数控加工中，为了尽量减少辅助时间，一般使用夹具来加快零件的定位和夹紧过程。夹具的结构大多比较简单。利用通用元件拼装的组合夹具有很大的优越性，生产准备周期短，标准件可以反复使用，经济实用。（2）确定对刀点和换刀点 “对刀点”是数控加工中刀具相对
20、于工件运动的起点。程序也是从这一点开始执行，所以对刀点也可以称作“程序原点”。选择对刀点的原则是方便数学处理和简化程序编制；在机床上容易找正；加工过程中便于检查；引起的加工误差小。对刀点可以设在零件上、夹具上或机床上，但必须与零件的定位基准有已知的准确关系。当对刀精度要求高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。对于以孔定位的零件，可以取孔的中心点作为对刀点。对刀时应使对刀点和刀位点重合。所谓刀位点，是指刀具的定位基准点，对于平头立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点；车刀是刀尖；钻头是钻尖。“换刀点”应根据工序内容安排。为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点往往设在零件的外面。(3)选择走刀路
21、线 走刀路线是指数控加工中刀位点相对于被加工工件的运动轨迹。确定走刀路线的原则是保证零件的加工精度和粗糙度，方便数值计算，减少编程工作量，缩短走刀路线，减少空程，缩短纸带，减少程序段数。(4)选择刀具 与一般机械加工相比，数控加工对于刀具提出了更高的要求。不仅要刚度好，精度高，而且要尺寸稳定，使用寿命长。这就需要选用优质高速钢和硬质合金刀具材料并且优选刀具参数。(5)确定加工用量n n 加工用量包括切削深度和宽度、主轴转速、进给速度等。对于粗加工、精加工、钻孔、攻丝、尖角部位等，需要选用不同的切削用量，事先可编入程序单内。数控加工程序的格式 (1)程序段格式 一般说来，一个程序段中字母数字指令
22、的编排顺序如下：NGXYZIJKPQRABCFSTMLF 该程序格式称字地址格式，是由若干个英文字母且每个字母后面附有数字“”组成。英文字母称为字地址，与其后面的数字组成数控字（简称为字）。字的含义由头一个字地址确定。各种功能符号的含义 N-程序段的顺序号，为了方便检索用；一准备功能指令，用来描述机床的动作类型，如01表示直线插补，02表示顺时针圆弧插补等；X Y Z A B C位移信息，X、Y、Z表示沿坐标轴平移，A、B、C表示绕相应轴旋转的角度；位移信息，常用来表示圆弧的圆心坐标；P Q R刀具半径偏置向量沿X、Y、Z坐标轴方向的校正量（通常为一系数）；F进给功能指令，规定走刀的进给速度；
23、S速度功能指令，规定所选择的主轴转速；T刀具功能指令，规定选用的刀具号；M辅助功能指令，后面跟二位数字，控制机床的某种特定动作，如M08表示打开冷却液，M00表示程序结束并停机等；LF程序段结束符。表示程序后跟写的数字。ISO1057标准规定的G代码共有100种，即G00G99。G代码也叫准备功能,它是使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。常用的G代码见表8-1。G代码在程序段中的位置一般是放在其它代码的前面，因为它往往与其后面的运动代码有关。G01Z-5.000F50 G代码分为模态代码和非模态代码。表中序号(2)一栏中标有字母所对应的G代码为模态代码，字母相同的为一组。模态表示该代码已
24、经在一个程序段中指定（如组中的G01），直到出现同组(a组)的另一个代码（如G02）时才失效；G01Z-5.000F50 X28.121Y-39.147F200（从点开始加工）G02X25.104Y-41.146I-0.000J0.000 G02X21.354Y-42.200I21.354J-35.000 非模态代码只在写有该代码的程序段中才有效。表中序号(4)栏中的“不指定”代码，用做将来修改标准时指定新功能；“永不指定”代码指的是即使修改标准时,也不指定新的功能。这两类代码可由机床的设计者根据需要定义新的功能，但必须在机床说明中予以说明。M代码 M代码称为辅助功能，是控制机床获系统开关功能
25、的一种命令。如主轴正、反转；开、停冷却泵；程序结束等。见表8-2。零件数控编程举例（1）工艺分析 该盖板属于板类零件，外形复杂，为了达到加工要求需要采用数控机床加工；同时板上分布有多个孔，并且各孔的孔距要求相对较高，各孔距公差均为0.02mm，用传统加工设备不能保证加工精度，所以尽量采用能够自动换刀的加工中心机床一次装夹完成。（2）定位基准的选择 加工过程中基准的选择尽量与设计基准和编程基准重合，防止产生定位误差。本零件的设计基准在工件的圆心。因此编程时以工件的圆心为编程原点，加工时也以这点为原点建立工件坐标系。可事先在铣床加工好16内孔，再利用工件的16内孔，用芯轴在加工中心定位。该零件的起
26、刀点设在外部与零件不接触的A点位置上。（3）装夹方法的确定 常规的通用铣削卡具包括：机用平口钳、三爪卡盘、螺栓压板等。其中机用平口钳适合装卡小型规则的零件，三爪卡盘适合装卡具有回转表面的零件，螺栓压板适合装卡形状不规则零件。本零件的外形需要加工，因此适合的装夹方法是利用工件的16内孔，用芯轴定位，用螺母加垫圈压紧工件，芯轴的装夹方法是使用三爪卡盘装卡。（4）走刀路径的制定 一般情况下，在数控加工中，为了节省空走刀时间，走刀路径的制定多选择最短的走刀路径。本零件在加工零件外形时以A点为起刀点，沿工件外形顺时针方向走刀，保证顺铣铣切。钻孔时以某个孔位为起点依次钻出各孔。（5）起刀点和换刀点的设立
27、因为该零件的工装夹具高度相对零件不高，同时距离加工位置较远，在加工中不会与加工部位发生干涉，所以不再单独设立中间点及换刀点。该零件起刀点可以取工件外任何一点，只需要遵循最短走刀路径原则即可。本零件的起刀点设在A点位置上，座标是（x30,y-42,z60）。工步加工内容刀具S（rpm）F（mm/min）切 深 t（mm）设备1铣切工件外形8铣刀15002005加工中心2钻各孔的定位孔 1 中 心钻3000501 3钻孔3钻头2400506 mm表表8-3 加工工艺规程加工工艺规程 （6）加工工艺的确定 根据零件的形状及技术要求制定工艺规程如下：1）在车床上加工：加工零件尺寸为884，保证两端面的
28、表面粗糙度符合图纸的1.6，并用钻孔、扩孔和铰孔的方法加工出16的内孔；加工一个材料为45号钢的芯轴，芯轴图纸如图8-21所示：加工一个材料为45号钢的平垫圈，尺寸：外圆为40、内孔为18、厚度为5mm。其中第2道工序中，在加工中心机床上加工时为了加工需要其加工过程应是：先用8铣刀铣切工件外形（分两次铣完，第一刀之后留0.2加工余量，第二刀加工完成），再用1中心钻，钻出各孔的定位孔，然后用3钻头钻孔，孔深6 mm。2）在加工中心上加工全部零件外形和钻全部孔8.2.3加工中心加工中心（MC）是具有一套自动换刀装置（ATC）的多功能数控机床 主要加工对象 1箱体类零件 箱体类零件一般是指具有一个以
29、上孔系，内部有一定型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机械、汽车、飞机等行业较多。如汽车的发动机缸体，变速箱体，机床的床头箱、主轴箱、柴油机缸体、齿轮泵壳体等。一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求特别是形位公差要求较为严格，通常要经过钻、扩、铰、锪、镗、攻丝、铣等工序，需要的刀具、工装较多，在普通机床上需多次装夹、找正，多次手工测量，导致工艺复杂，加工周期长，成本高，更重要的是精度难以保证。这类零件在加工中心上加工，一次装夹可以完成普通机床60%95%的工序内容，零件各项精度一致性好，质量稳定，同时可缩短生产周期，降低生产成本。n 2复杂曲面n 如：飞机、汽车型面、叶轮、
30、螺旋桨、各种曲面成型模具等在机械制造业，特别是航空航天、汽车、船舶、国防工业中占有重要地位。而复杂曲面采用普通机械加工方法是难以加工甚至是无法完成的，这类零件也是数控机床的主要加工对象。3异形件 异形件是外形不规则的零件，大多需要点、线、面多工位混合加工，如支架、基座、样板、靠模等。异形件的刚性一般较差，夹压及切削变形难以控制，加工精度也难以保证。这时可充分发挥加工中心工序集中的特点，采用合理的工艺措施，一次或两次装夹，完成多道工序或全部的加工内容。实践证明，加工异形件时，形状越复杂，精度要求越高，使用加工中心就越能显示其优越性。4盘、套、板类零件 带有键槽或径向孔，或端面有分布的孔系、曲面的
31、盘套或轴类零件，例如带法兰的轴套，带有键槽或方头的轴类零件等。还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘、套、板类零件宜选用立式加工中心，有径向孔的可选用卧式加工中心。5特殊加工 在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺内容，例如在金属表面刻字、刻线、刻图案。在加工中心的主轴上装上高频点火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；在加工中心装上高速磨头，可进行各种曲线、曲面的磨削等。请看录象20分 8.3柔性制造系统(flexible Manufacturing system)柔性制造技术是集数控技术、计算机技术、机器
32、人技术以及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。自20世纪60年代以来，为多品种、小批量生产的需要而兴起的柔性自动化制造技术得到了迅速的发展，作为这种技术具体应用的柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造自动线（FML）等应运而生。目前，随着全球化市场的形成和发展，无论是发达国家还是发展中国家都越来越重视柔性制造技术的发展，由于FMS技术已日臻成熟而得到迅速的应用。1.柔性制造单元（FMC）柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，简称FMC）是一种最简单的柔性加工系统，通常由单台加工中心及托盘输送装置（或工业机器人）组成。它由单元计算机进行 控制和
33、管理，可以实现 不停机转换品种连续 生产。这是由一台卧式镗铣类 加工中心和自动化的托盘 库组成的柔性制造单元。托盘库的托盘上装有各种不同的待加工工件和夹具，计算机不但控制加工的程序，而且控制机床上的托盘与托盘库的托盘适时进行交换，以完成不同工件的连续加工。柔性制造单元是 一个可变加工单元，可以独立工作，也 可以作为柔性制造 系统的一个基本单 元。相对于柔性制造系统，柔性制造单元投资小，实现周期短，见效快，更适合于广大的中小企业。因此，表现出比柔性制造系统更广泛的市场需求和发展前景。2.柔性制造系统（FMS）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称FMS）是
34、由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，自主地完成多品种中、小批量的生产任务。柔性制造系统主要由以下三个部分组成：多工位数控加工系统 包括两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元（一般多为加工中心），以及其它辅助加工设备，如测量机等；自动化物料运储系统 包括上下料托盘、传送带、自动运输小车、工业机器人、自动化仓库系统等；计算机控制信息系统 包括各级计算机、网络、接口、数据库等。能够实现对FMS的运行控制、刀具管理、质量控制，以及FMS的数据管理和网络通信。除了上述的三个主要组成部分之外，FMS还包括冷却系统、排屑系统、刀
35、具监控等附属系统。在柔性制造系统中，成组技术、数控技术、计算机技术和自动检测与控制技术得到了综合运用。FMS具有：以成组技术为核心的对零件分类编组的功能；以计算机为核心的编排作业计划的智能功能；以加工中心为核心的自动换刀、换工件的加工功能；以托盘和运输系统为核心的工件存放与运输功能；以各种自动检测装置为核心的自动测量、定位与质保功能。这些功能的实现，使得柔性制造系统在技术与经济方面都具有充分的柔性。加工完毕后，工件放入托盘，交换装置将托盘（工件）取出，由输送小车送入卸料站，或送入就近的空闲托盘站，以备下次加工。系统就这样不停地工作，直至加工完所有的工件。根据刀库容量、加工工件内容、机床程序号的
36、容量等情况，两台加工中心可以进行互相交替或互相补充加工。FMS中的设备有效利用率较单台设备大有提高。在实际生产中，柔性制造系统的加工系统大部分由36台机床组成。输送方式可以是线形、环形或网形。托盘是一种随行夹具，其上装有工件夹具（组合夹具或通用、专用夹具），工件装夹在工件夹具上，托盘、工件夹具和工件形成一体。托盘经运输、交换后，装夹在机床工作台上。仓库分为刀具库、夹具库、毛坯库和成品库等。除了主要加工设备外，柔性制造系统还配有去毛刺工作站、检验工作站及清洁工作站等柔性工作单元。图示的是一个比较完善的柔性制造系统平面布置图，系统共包括组合铣床、车削加工中心等8台加工机床。整个系统由计算机控制，组
37、合夹具的拼装及工件在托盘上的装夹需由手工完成。3.柔性制造系统特点和应用范围 柔性制造系统与传统的刚性自动相比，有下列突出特点：高度的柔性 能在不停机的情况下，实现多种不同工艺要求的零件的加工。高生产率 能采用合理的切削用量实现高效加工，使准备时间和辅助加工时间减为最少。高度自动化 可自动更换工件、夹具、刀具；实现了自动装夹和运输；自动监测加工过程；能在长时间无人的情况下连续工作，有很强的系统软件功能。在柔性制造系统中，物质系统、能量系统和信息系统三部分同时运行，各系统之间的关系如图。柔性制造系统的应用范围如图所示。对于多品种、小批量的生产方式，如采用数控机床、加工中心等进行加工，虽然有较好的
38、适应性柔性），但生产率低，成本高；对于少品种、大批量的生产方式，如采用专用设备的流水线（刚性自动线）进行加工，虽然能提高生产率和降低成本，但却缺乏柔性。柔性制造系统综合了上述 两种生方式的优点，把高柔度、高效率、高质量结合和统一在 一起，成为一种全新的多品种、中小批量生产的自动化制造系统。由于柔性制造系统要求技术水平高，投资巨大，造价昂贵，目前主要应用于工业发达国家。据统计，日本、美国和德国所拥有的FMS的数量，大约占了世界拥有总量的70左右。8.4 计算机集成制造系统（CIMS）在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机辅助制
39、造(CAM)、计算机质量保证系统(CAQ)、生产信息管理系统(MIS)、制造自动化系统(MAS)等制造工厂全部生产活动所需的分散的系统有机的集成起来，就是计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS)。它是在网络、数据库支持下，由以：计算机辅助设计为核心的工程信息处理系统；计算机辅助制造为中心的加工、装配、检测、储运、监控自动化工艺系统；经营管理系统组成的综合体。计算机集成制造系统由 经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统 质量保证系统 这个功能分系统 和 计算机网络系统 数据库管理系统这两个支持分系统组成。见
40、图。经营管理信息系统 是CIMS的神经中枢，指挥与控制整个系统的各部分有条不紊地工作。包括予测和决策，进行经营计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人才资源管理、质量管理以及辅助事务管理等。工程设计自动化系统 作用是使产品开发活动更高效、优质、主动地进行。其主要功能模块有计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）及成组技术（GT）等。制造自动化系统 是CIMS信息流和物质流的结合点和系统经济效益的积聚地。其主要组成部分有数控机床（CNC）、加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）及运输、测量、机器人
41、等设备。质量保证系统 该系统包括4个子系统，即质量计划子系统、质量检测子系统、质量评价子系统、质量信息综合管理与反馈控制子系统。两个支持分系统的作用是，计算机网络系统提供网络和通信,数据库管理系统提供数据库，以备各类信息的存储和调用，实现信息交换和资源共享。CIMS是适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性的智能制造系统，它的应用对于制造工厂提高生产效率、提高产品质量、缩短生产周期、降低生产成本、提高经济效益等具有很大的促进作用。随着柔性生产系统的迅速发展，世界各国在奔向自动化的激烈竞争中对这种新技术的开发均发表了肯定的看法，并采取相应的积极措施。各工业发达国家均对该领域的发展表示了极大的关
42、注并投人大量人力、物力和财力，以期取得更进一步的发展。我国政府业已将CIMS的研究与开发列为国家863高科技发展计划的重点攻关项目，并确定863/CIMS主题按四个层次，十个专题进行研究和开发。其中应用工程是重点，选择了包括飞机、机床、鼓风机、纺织机、汽车、家电和服装等行业中的部分企业作为应用厂，开展典型CIMS应用系统的开发。经过努力，近年来已取得重大进展。o 1994年11月，建立在清华大学的国家CIMS工程中心获得美国工程师学会的CIMS应用开发“大学领先奖”；o 1995年11月，北京第一机床厂CIMS工程获得美国工程师学会的CIMS“工业领先奖”。这表明我国CIMS在研究与工业应用上都达到了国际先进水平，并得到国际社会的承认。o 成都飞机工业公司实施CIMS的第一期工程后，麦道飞机机头的装配周期从12个月缩短到个月，成为飞机部件合格的国际承包商。并将成为美国麦道公司的MD80/90机头的唯一供应商。o 沈阳鼓风机实施CIMS工程之后，采用分布环境下的产品报价系统报价从周缩短到周，已经达到国际API标准的技术报价、财务报价及商务报价水平；产品的设计、制造周期也从18个月缩短到1012个月，达到国际先进水平，大大提高了产品设计制造能力。CIMS技术的进步和发展，必将对我国21世纪的机械制造业的发展产生深远的影响。
