1、现代制造系统,第12章 先进制造技术（3-4） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第12章 先进制造技术 12.1 精密与高速加工 12.2 特种加工与快速成型 12.3 仿生学与机器人 12.4 可持续与绿色制造,老问题新方法：如何找到新的方法？ 借鉴其它领域中方法， 从其它工作、现象中联想。,12.3 仿生学与机器人,案例： 蜂鸟与扑翼飞机。,从大自然中寻找思路： 仿生学，指模仿生物建造技术装置的科学。,函数符号 （数学）,滴管 （生物）,电烙铁 （机械）,仿生学符号：,仿生学的工业应用: （1）对体形的模仿：案例1-4（鸡蛋、龟壳、海豚、甲虫与鸭子）； （2）对表面的模仿：案例5-1
2、1（莲花、竹子、海螺、穿山甲。泥鳅和北极熊）； （3）对的模感官仿：案例12-16（蛇、青蛙、水母、蝙蝠和苍蝇）； （4）对行为的模仿：案例17-19（老鼠、人）。,卵是自然母体内孕育出来的最和谐的生命形态。 卵拥有独特的光滑的外表、适应性能。 另外，这个形态受热最均匀，它可以以最快的速度，均匀地将热量传给形态的各部分。,仿生学的工业应用体形的模仿， 案例1，鸡蛋的启发：,铸造车间的锅炉爆炸大都是受热不均引起，如果它具有卵的形状，热量会更加均衡，更加安全。 注塑机中对塑料的加热熔化部件的内腔是卵状的话，能使受热均匀，安全可靠。 模具内腔的形状如果做成卵状的话，会使之冷却速度加快，散热又均匀，减
3、少热应力。,仿生学的工业应用体形的模仿， 案例2，龟壳的启发：,仿生学的工业应用形体的模仿， 案例3，海豚的启发：,俄罗斯海军核潜艇的仿生外形,模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍。,仿生学的工业应用体形的模仿， 案例4，动物的外型仿生：,仿生学的工业应用表面的模仿， 案例5，莲花出淤泥而不染的启发：,利用液体对某些材料表面的不粘附性，使铸造时的熔化液体不会造成堵塞，同时阻力下降。 由于模具内腔和液体的分离性，有利于液体凝固后的脱模，减少对模具内腔的磨损。,竹的高度与直径之比高达300以上，这与人造摩天大楼比较，具有很大的优越性。 梯度涂层模仿竹的显微结构，可以运用于机械零件的表面，增强零件的强度。,仿
4、生学的工业应用表面的模仿， 案例6，竹子的启发：,生物体将强度很低的碳酸钙整合成海螺壳保护自己。 在微观结构上，生物壳中的碳酸钙纤维呈不同方向的多层排列，通过有效排列分子，使其壳呈多层DNA螺旋结构，从而具有比单纯碳酸钙高得多的强度。,仿生学的工业应用表面的模仿， 案例7，海螺壳的启发：,古代工匠就善于利用宏观或微观上的“褶皱”增加盔甲和武器的强度。,带有褶皱纹的 西洋板甲,刀剑反复锻造出现的花纹,在工程应用中这种整合涂层具有更高的机械强度与摩擦学性能。 我们可以把涂层应用于机械零件的表面，提高强度和耐磨特性，也可以用于零件的修复，特别适合于磨损严重的凸凹边缘。,工业上经常采用不同的材料组合
5、来模拟海螺壳的微结构，即采用 多层薄涂层形成整合涂层。,仿生学的工业应用表面的模仿， 案例8，土壤动物的非光滑体表：,为什么某些土壤动物其体表具有不同的凸包、凹坑、网格、条纹等非光滑形状？,经实验分析，其体表的非光滑特征是其在穿过沙石、土壤的运动过程中具有很好的耐磨性的主要原因。,对零件进行非光滑表面处理后，可提高其耐磨、耐蚀和润滑性能，并防止沾粘现象，意义重大。,提高零件寿命是国内外许多公司亟需解决的重大问题，而增强零件的耐磨性能，是提高其使用寿命的一个重要指标。,泥鳅能够在泥土里自如地穿梭，主要是由于体表分泌的体液。 根据泥鳅体液的组成成分，可以进行模拟的生产出类似的润滑液来，用于零件的各
6、个机构结合处，减少磨损，提高寿命。,仿生学的工业应用表面的模仿， 案例9，泥鳅的启发：,北极熊毛之所以在零下50度冻不透，因为具有中空月牙形截面，从中受启迪研制御寒的特殊纤维。 如果把保暖纤维应用到注塑的热流道技术中，可以防止过快的散热，减少能量的流失。,仿生学的工业应用表面的模仿， 案例10，北极熊皮毛的启发：,案例11，生物的拟态与保护色的启发：,拟态仿生坦克的迷彩着装：,根据蛇的非凡的红外探测能力，进行模拟出高度灵敏的温度红外传感器。 红外传感器用于产品生产过程中温度检测，能更方便的得到产品内部的温度变化，更好的减少缺陷。,仿生学的工业应用感官的模仿， 案例12，蛇的红外探测：,仿生学的
7、工业应用 感官的模仿， 案例13，青蛙与电子蛙眼：,仿生学的工业应用感官的模仿， 案例14，水母的启发： “水母耳”风暴预测仪。,仿生学的工业应用感官的模仿， 案例15，蝙蝠的启发：超声波探伤。,仿生学的工业应用感官的模仿， 案例16，苍蝇触角的启发：,苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。 根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪，可以感应产品内部的气体变化，同时发出信号，应用于产品加工现场检测。,采用SMA功能材料和仿生技术研制出了曲线孔电火花加工机器人。该机器人是采用老鼠打洞的原理钻入曲线孔中进行电火花加工的。,仿生学的工业应用行为的模仿， 案例17，从老
8、鼠打洞到曲线孔加工技术：,采用该机器人可加工出孔径大于8mm 的空间曲线孔，应用于超精密注塑模具的冷却流道的设计与制造。,仿生学的工业应用行为的模仿， 案例18，生物制造系统（参考第5.4节）：,仿生学的工业应用行为的模仿， 案例19，对人的模仿机器人技术：,在实际应用中， 模仿只需抽取关键动作，而无需全面模仿。,铆接机器人,点焊机器人,机器人的早期定义： 美国机器协会（RIA），机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。 日本工业机器人协会，工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通
9、用机器。 国际标准化组织（ISO），机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 总结：是一种机械，由计算机控制，强调可编程。,机器人的构成要素 包括传感部分、自动控制部分、机械部分。 以上为当今科学界对机器人的要求。,构成要素三者缺一不可，对于遥控装置，可探测或移动离操作人员很远的物体，但若整个动作是由人来控制的，则不算机器人； 若存在自动控制装置辅助人工操作，则可算作是机器人。,机器人的应用案例 （1）工业用机器人：案例1-7； （2）科研用机器人：案例8-9； （3）军事用机器人
10、：案例10-13； （4）医疗、服务机器人：案例14-16； （5）娱乐、比赛机器人：案例17-20。,案例1，汽车装配机器人：,汽车装配机器人：,一汽红旗轿车机器人焊接线：,案例2，弧焊机器人：,机器人化装载机,自动摊铺机,案例3，装载机器人：,自动无轨堆垛机,法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室共同研制的HILARE 2型移动机械手,案例4， 移动机器人：,法国蒙特皮里亚（Montpellier）微电子与 机器人实验室研制的LIRMM移动机器人,复合式直径6.14米 盾构掘进机,隧道凿岩机器人,案例5，隧道机器人：,摘西红柿机器人,温室中的嫁接机器人,案例6，农业机器人：,伐根机器人
11、,案例7，林业机器人：,林木球果采集机器人,1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）,案例8，海洋探测机器人：,1995年8月我国中科院沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（左）和正在下水的情况（右）,海洋探测机器人：,2013年4月，蛟龙号载人潜水器通过科技部组织的专家验收。 该潜水器由中国大洋矿产资源勘探开发协会办公室牵头，会同中国船舶重工集团公司、中国科学院、国土资源部、国家海洋局、教育部等系统共100余家科研院所和企业完成，于2010-2012年分3次完成3000-7000米的下潜试验。,蛟龙号的航行控制
12、系统由中科院沈阳自动化研究所自主研制，具备自动定向、定深、定高以及悬停定位功能，使“蛟龙号”能全自动航行，因此也是一种机器人。,美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面时的情形,案例9， 空间探测机器人：,美国航空航天局（NASA）研究的 “索杰纳”火星车,1997年美国“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了250天。,日本研究的火星探测机器人,“玉兔号”是中国设计并制造的首辆月球车。 2013年12月2日，西昌卫星发射中心成功将着陆器和“玉兔号”月球车组成的嫦娥三号探测器送入轨道。 12月15日，“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。,英国研制的履带式“手推车” （左图）、 “土拨鼠”（右
13、图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物。,案例10，排爆机器人：,我国沈阳自动化所研制的排爆机器人,德国的排爆机器人,美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷车,德国研制的Mine Breaker 2000 机器人扫雷车,瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人,美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫“水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹,美国国防高级研究计划局正在研制的只有2.54厘米大小昆虫机器人,案例11，侦查机器人：,美国研制的“徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装而成,案例12，保安机器人：,美国研制的MDARS-E
14、型室外保安机器人,MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作。,“暗星”无人机,“别动队”无人机,法国“红隼”无人机,高空无人侦察机,案例13，无人机：,发射Brevel无人机,只有15厘米的微型无人机,鬼怪式无人机,2014年4月，韩国在境内发现坠毁的无人机，认定其来自于朝鲜，但朝鲜并未承认。 由于该无人机只能按照预设路线飞行和拍照，没有根据采集到的信息进行反馈控制的功能，因此算不上是机器人。,微型战术无人机，可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。,微型飞行器，被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成
15、本执行某一有价值的任务。,华中科技大学控制系智能与控制工程研究所研制的HUST-MR801型双手协调微操作机器人实验系统,案例14， 医用 机器人：,脑外科机器人辅助系统,护士助手机器人,SMA六足微型机器人，外观如同一只小甲虫，将来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。,智能轮椅,导盲机器人,案例15，服务机器人：,（左图）救援机器人 （右图）消防机器人,加油机器人,雕刻机器人,导游机器人和礼仪机器人,爬缆索机器人，在高空缆索上自动完成维护工作。,案例16，清洁机器人：,清洗巨人，利用两套计算机和一个机器人控制器来控制飞机的清洗。人工清洗一架波音747飞机需要95个工时，而机器人仅需12个工
16、时。,（右图）高楼擦窗机器人,（左图）壁面清洗机器人,案例17， 音乐机器人：,机器人乐队,吹笛机器人,小提琴机器人,案例18， 宠物机器人：,机器狗与机器昆虫,机器人足球赛,案例19， 比赛用机器人：,机器人相扑比赛,机器人走迷宫比赛， 参考视频： “机器人走迷宫比赛“。,机器人舞蹈比赛， 参考视频： “机器人舞蹈比赛“。,本田公司的机器人P2,本田公司的机器人P3,案例20，仿人形机器人:,哈尔滨工业大学双足步行机器人在爬楼梯,国防科技大学研制 “先行者”仿人型机器人,机械部分： 自由度， 工作精度， 工作范围。,机器人的主要技术指标,增加自由度和工作范围的案例 变胞多指手，通过手掌关节增
17、加工作范围。,手掌展开状态,手掌闭合状态,增加工作精度的案例并联机器人： 采用并联机构（Parallel Mechanism，PM），其可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。,右图为燕山大学研制的六自由度并联机器人。,机器人的主要技术指标传感部分。 不同类型的传感器有着不同的标准， 以位移传感器为例： 灵敏度，针对测量轴方向的单位振动量能够获得的电压值变化量； 使用频率范围，灵敏度随频率而变化的量值不超出给定误差的频率区间； 动态范围，灵敏度随幅值的变化量不超出给定误差限的输入机械量的幅值范围，即可测量的量程。 相
18、移，指输入简谐振动时，输出同频电压信号相对输入量的相位滞后量。,多指灵巧手是机器人研究的一个重要方向。 要求手指能够通过传感器自动调节抓取力的大小。 右图为北京航空航天大学研制的多指灵巧手。,机器人的主要技术指标自动控制部分。 目前没有统一标准，主要包括： 分析推理能力、存储容量、敏捷性等。 具备自我意识和类人智能的机器人是该领域研究的终极目标。,许多大企业开始意识到机器人产业存在巨大的市场潜力，例如 2013年年底，谷歌花费30亿美元收购了波士顿动力公司（Boston Dynamics），后者是一加致力于挑战极限的机器人工程技术厂商。,总结机器人技术: 机器人技术是现代科学研究的热点领域之一
19、，其应用成果也在逐渐改变着我们的生活。 当前机器人领域的研究热点是不断扩张机器人的应用范围，进入人们生产、生活的方法面面。 另一个研究热点是不断提升机器人的性能；人工智能领域的研究相对缓慢，新机械设计方案和新传感技术则日新月异地应用于新型号的机器人。,第12章 先进制造技术 12.1 精密与高速加工 12.2 特种加工与快速成型 12.3 仿生学与机器人 12.4 可持续与绿色制造,12.4 可持续与绿色制造,新问题老方法：如何找到新的问题？ 注视细节问题，注重未来发展； 以人的需求为核心。 制造业的新问题： 资源问题； 环境问题。,可持续制造（sustainable manufacturin
20、g technology）: 可持续制造是一种符合可持续发展策略的制造技术，是基于现代的多学科的先进科技成果的综合技术，是一种与环境友好的、洁净的、节省资源的先进制造技术，同时也可视作一种先进制造模式（参考第5.4节）。 可持续制造的主要方法： （1）再制造技术（re-manufacture technology），是以产品全寿命周期理论为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化为手段，用以修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。 （2）采用先进生产技术，尽量延长产品寿命，从而减少废品的产生。,发动机再制造拟采用的工艺流程图,针对以下不同类型的零件采用不同的处
21、理流程。 易损件：主轴瓦、橡胶管、汽缸垫、油封； 完好件：进气管总成、前后排气歧管、油底壳； 可再制造件：缸体总成、连杆总成、曲轴总成、喷油泵总成。,再制造的主要方法： 改进工艺流程，充分利用制造本身产生的资源。,延长产品寿命的先进技术举例：,误差预防和误差补偿。 减少误差目的在于提高产品精度， 从而减少磨损，延长产品寿命。,延长产品寿命的先进技术：热喷涂技术。,所谓热喷涂技术，就是利用某种热源将粉状或丝状之类的工程材料加热大溶融或软化状态，以高速喷射到工件表面易堆积成形的方法。,热喷涂原理,绿色制造（green manufacturing，GM）： 绿色制造又称环境意识制造（environm
22、entally conscious manufacturing, ECM 或 manufacturing for environment, MFE），是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式（参考第5.4节）。 其目标是使产品从设计、制造、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中对环境的影响（负作用）最小，资源利用效率最高。,绿色制造的相关概念： 生态工业（ecological industry）， 依据生态经济学原理，以节约资源、清洁生产和废弃物多层次循环利用等为特征，以现代科学技术为依托，运用生态规律、经济规律和系统工程的方法经营和管理的一种综合工业发展模式。 生态工业园（ecolo
23、gical industry park ）， 一种在一个区域内实现物质流、能量流和信息流综合利用模式的工业群体。,绿色制造系统的内容：,绿色产品的评价指标体系：,绿色能源举例1太阳能发电。,绿色能源举例2风力发电。,绿色能源举例3水力发电。,肯尼亚裂谷省的欧卡瑞地热电厂,绿色能源举例4地热发电。,绿色能源举例5潮汐发电。,绿色能源举例6温差发电。,在实际应用中，主要利用海水的日夜温差进行发电。,绿色能源举例7生物质发电。 生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物排泄物，垃圾及有机废水等，是生物质能的载体，是唯一一种可储存和可运输的可再生能源。,除上述应用较多的方式外，绿色能源还有
24、波浪能、海流能、盐差能，以及酒精、氢气等清洁燃料，随科技发展种类不断增多。 绿色能源的特点： （1）不排放污染物，也称为清洁能源； （2）短期内能够再生，也称为可再生能源。 非绿色能源： 煤、石油等，因为有污染，短期不可再生； 存在争议的能源： 核能，短期不可再生但存储量很大， 通常情况下无污染，但目前应用还存在风险。,绿色产品设计举例1太阳能飞机。,2001年，美国太空总署研制了一架无人驾驶的太阳能飞机，名为PathfinderPlus，在夏威夷一个咖啡种植地点上空盘旋，会拍摄彩色图片，以便在最适合收成的时候通知种植者。2014年6月，该飞机的第二代机型投入试用。,绿色产品设计举例2太阳能机
25、器人。,美国科学家研制出一种新型太阳能机器人（太空车），名为“Hyperion”，可以与太阳保持同步。 由于具备了能量自给自足的能力，它将在阿塔卡马沙漠实验应对火星的恶劣情况。,绿色产品设计举例3混合动力汽车。,广义上的混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源。 当前的混合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的电动汽车，在未来几年将成为市场的主流。,绿色产品设计举例4压缩空气发动机。,通过压缩空气缓慢释放提供动力，避免尾气排放污染。图为澳大利亚发明者皮尔特罗驾驶装备压缩空气发动级的原型车。,绿色加工工艺举例1干式切削与磨削。,在不使用切削液的干切削条件下，切削液在加工中的冷却、润滑、冲洗
26、、防锈等作用将不复存在。 但干式切削系统引出了新问题金属粉尘污染。,绿色加工工艺举例2采用极微量润滑的准干式切削与磨削技术。,极微量润滑（minimal quantity lubrication，MQL），是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并油雾化，然后一起喷向切削区。 极微量润滑即可减少金属粉尘，也不产生过多的切削液残留。,低温切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等喷向加工系统的切削区域，造成切削区的局部低温或超低温状态。 利用工件在低温条件下产生的低温脆性，提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量。,绿色加工工艺举例3低温切削。,新问题新方法： 课堂举例 只是抛砖引玉； 未来科技 还需大家去创造。,课程要求（12.3-4）,简单了解仿生学的思想和工业应用； 知道机器人的构成要素（3点） 知道机器人机械部分的主要技术指标（3点）， 简单了解机器人的应用情况。 知道可持续制造的主要方法（2点）； 简单了解绿色产品的评价指标体系， 知道典型的绿色能源（6种）， 简单了解绿色产品和绿色工艺（3种）。,
