第十六讲+现代先进制造技术.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,2,工业,产品,开发,概论,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工业,产品,开发,概论,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,工业,产品,开发,概论,2,1,工业产品开发概论,主讲 蒋亚南 副教授,第八讲 金属材料概述,2013,年,9,月,工业产品开发概论,主讲 蒋亚南 副教授,第十六讲 现代先进制造技术介绍,2015,年,8,月,宁波市数字图书馆第二批高校,网络（,MOOC,）课程,2,讲次,内容,内容体系,第一讲,了解工业产品介绍及其开发流程,第一篇工业产品开发,第二讲,结合实例介绍硬件产品开发步骤和方法,第三讲,结合实例介绍服务产品的开发步骤和方法,第四讲,工业产品工程设计,第二篇产品设计方法基础,第五讲,工业产品造型设计,第六讲,工业产品选材,金属材料,第七讲,工业产品选材,非金属材料,第八讲,产品表达图示技术基础,第三篇产品工程表达基础,第九讲,产品图样表达方法,基本视图,第十讲,产品图样表达方法,剖视断面,第十一讲,产品图纸表达,零件图,第十二讲,产品图纸表达,装配图,第十三讲,工业产品加工方法,热加工,第四篇工业产品生产加工,第十四讲,工业产品加工方法,金属切削加工,第十五讲,工业产品加工方法,非金属加工,第十六讲,先进制造技术介绍,2,制造业的社会功能,制造业,建筑机械,交通工具,环保设备,军事装备,医疗设备,机器制造,农业机械,化工设备,家用电器,通讯设备,出版印刷,网络媒体,文化娱乐,冶金机械,动力机械,纺织服装,2,从生产灵活性看制造模式的变迁,生产灵活性,年份,手工生产,英式系统,美式系统,大批量制造,泰勒制造,统计过程控制,数控,柔性制造,计算机,集成制造,未来制造系统,1800,1831,1900,1950,1970,1987,1991,2,制造业近代的三个发展阶段,1,、机器代替手工，从作坊形成工厂,18,世纪后半叶，以,蒸汽机,和,工具机,的发明为特征的产业革命，揭开了近代工业的历史，促成了制造企业的雏形,工场式生产的出现。标志着制造业已完成从手工业作坊式生产到以机械加工厂和分工原则为中心的工厂生产的艰难转变。,20,世纪初，各种金属切削加工工艺方法逐渐形成，近代制造技术已成体系。但是机器的生产方式是作坊式的单件生产，它产生于英国，在,19,世纪先后传到德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械加工厂。,2,2,、从单件生产方式发展成大量生产方式,泰勒首先提出了以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制造工程科学的奠基人。,福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求来加工（零件互换技术），实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都产生了重大的作用。,20,世纪,50,年代，零件互换技术发展到了顶峰。,2,3,、柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术：,（,1,）单件小作坊式生产加高度的个人制造技巧，大量的机械化刚性规模生产加一体化的组织生产模式，再加细化的专业分工。,（,2,）制造技术的界限分明及其专业的相互独立。,（,3,）制造技术一般仅指加工制造的工艺方法，即制造全过程中某一段环节的技术方法。,（,4,）制造技术一般只能控制生产过程中的物料流和能量流。,（,5,）制造技术与制造生产管理的分离。,2,先进制造技术在我国的发展状况,具体表现在以下,10,个方面：,1,、计算机辅助设计（,CAD,）技术普及化,2,、快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模,3,、精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用。,4,、热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由,“,技艺,”,走向,“,科学,”,。,5,、激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益。,2,6,、数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高。,7,、现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础。,8,、微型机械研究进展迅速，标志着先进制造技术正向微观领域扩展。,9,、现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上占有一席之地。,10,、新生产模式的研究和实践具有特色，推动了中国制造业的技术进步和管理现代化。,2,先进制造技术的分类,现代设计技术,先进制造工艺技术,制造自动化技术,系统管理技术,2,现代设计技术,计算机辅助设计技术,有限元法、优化设计、反求工程、模糊智能,CAD,、工程数据库等。,性能优良设计基础技术,可靠性设计；安全性设计；动态分析与设计；防断裂设计；疲劳设计；防腐蚀设计；减摩和耐磨损设计；健壮设计；耐环境设计；维修性设计和维修性保障设计；测试性设计；人机工程设计等。,2,竞争优势创建技术,快速响应设计；智能设计；仿真与虚拟设计；工业设计；价值工程设计；模块化设计等。,全寿命周期设计技术,并行设计；面向制造的设计；全寿命周期设计。,可持续性发展产品设计技术,主要有绿色设计,设计试验技术,产品可靠性试验；产品环保性能试验与控制、仿真试验与虚拟试验,2,先进制造工艺技术,（,1,）精密洁净铸造成形工艺,外热冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；钢液精炼与保护技术；近代化学固化砂铸造工艺；高效金属型铸造工艺与设备；气化膜铸造工艺与设备：铸造成形工艺模拟和工艺,CAD,。,（,2,）精确高效塑性成形工艺,热锻生产线成套技术；精密辊锻和楔横轧技术；大型覆盖件冲压成套技术；精密冲裁工艺；超塑和等温成形工艺；锻造成形模拟和工艺,CAD,等。,（,3,）优质高效焊接及切割技术,新型焊接电源及控制技术；激光焊接技术；优质高效低稀释率堆焊技术；精密焊接技术；焊接机器人；现代切割技术；焊接过程的模拟仿真与专家系统。,2,先进制造工艺技术（续）,（,4,）优质低耗洁净热处理技术,可控气氛热处理；真空热处理；离子热处理；激光表面合金化；可控冷却。,（,5,）高效高精机械加工工艺,精密加工和超精密加工；高速磨削；变速切削；复杂型面的数控加工；游离磨料的高效加工等。,（,6,）现代特种加工工艺,包括：激光加工；复合加工；微细加工和纳米技术；水力加工等。,2,先进制造工艺技术（续）,（,7,）新型材料成形与加工工艺,新型材料的铸造成形；新型材料的塑性成形；新型材料的焊接；新型材料的热处理；新型材料的机械加工。,（,8,）优质清洁表面工程新技术,化学镀非晶态技术；新型节能表面涂装技术；铝及铝合金表面强化处理技术；超声速喷涂技术；热喷涂激光表面重熔复合处理技术；等离子化学气相沉积技术；离子辅助沉积技术,（,9,）快速模具制造技术,锻模,CAD,CAM,一体化技术；快速原型制造技术等。,2,制造自动化技术,制造自动化,是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。是机械制造业最重要的基础技术之一。包括：,（,1,）数控技术,数控装置；送给系统和主轴系统；数控机床的程序编制。,（,2,）工业机器人,机器人操作机；机器人控制系统；机器人传感器；机器人生产线总体控制,。,2,制造自动化技术（续）,（,3,）柔性制造系统（,FMS,）,FMS,的加工系统；,FMS,的物流系统；,FMS,的调度与控制，,FMS,的故障诊断。,（,4,）自动检测及信号识别技术,自动检测,CAT,；信号识别系统；数据获取；数据处理；特征提取；识别。,（,5,）过程设备工况监测与控制,过程监视控制系统；在线反馈质量控制。,2,系统管理技术,（,1,）先进制造生产模式,现代集成制造系统,CIMS,、敏捷制造系统,AMS,、智能制造系统,IMS,、精良生产,LP,以及并行工程,CE,等先进的生产组织管理和控制方法。,（,2,）集成管理技术,并行工程,CE,；物料需求计划,MRP,与准时制生产,JIT,的集成,生产组织方法；基于作业的成本管理,ABC,；现代质量保障体系；现代管理信息系统；生产率工程；制造资源的快速有效集成。,（,3,）生产组织方法,虚拟公司理论与组织；企业组织结构的变革；以人为本的团队建设；企业重组工程。,2,16.1,先进制造工艺技术,1,、精密加工,精密加工一般指加工精度在,10,0.1m,（相当于,IT5,级精度和,IT5,级以上精度），表面粗糙度,Ra,值在,0.1m,以下的加工方法，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精研、砂带磨、镜面磨削和冷压加工等。用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密滚动轴承等，在当前制造工业中占有极重要的地位。超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为,0.1,0.01m,数量级，表面粗糙度,Ra,值为,0.001m,数量级的加工方法。,16.1.1,精密加工与特种加工,2,2,、特种加工,特种加工是指直接利用电能、声能、光能、电化学能、热能以及特殊机械能对材料进行加工。它与传统的切削加工方法相比具有许多特点：在加工过程中工具与工件之间没有显著的切削力；加工用的工具材料硬度可以低于被加工材料的硬度；能用简单的运动加工出复杂的型面。,1,）电火花加工,电火花加工是指在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用对工件进行的加工。能对任何导电材料加工而不受被加工材料强度和硬度的限制。,2,图,14,4,电火花加工原理,1,工件,2,脉冲电源,3,自动进给装置,4,工具电极,5,工作液,6,过滤器,7,泵,2,）电解加工,电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学腐蚀将工件加工成形，又称电化学加工。电解加工的工具（阴极）不发生溶解，可长期使用。可在一个工序内完成复杂形状的加工。,2,）超声波加工,超声波加工是利用超声频振动的工具，使磨料撞击和抛磨工件，进行成形的一种加工方法。超声波加工主要靠磨粒作用去除工件材料，加工设备较简单，操作及维护方便。加工精度可达,0.02m,，表面粗糙度,Ra,值达,1.25,0.1m,。超声波加工广泛用于各种超硬脆材料，特别是不导电的非金属材料的加工。,2,图,14,7,超声波加工原理图,1,超声波发生器,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,）激光加工,激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、蒸发和气化而予以去除的高能束加工。,2,16.2,计算机辅助设计与制造技术,16.2.1,计算机辅助设计与制造,2,1.,计算机辅助设计（,CAD,）,计算机辅助设计（,CAD,）是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。,1,、二维设计,2,、线框造型,3,、曲面造型,4,、实体造型,1,、几何建模功能,2,、工程分析和计算功能,3,、机构设计与分析功能,1,、有限元分析,2,、优化设计,3,、可靠性设计,4,、自动绘图功能,2,2.,计算机辅助工艺规程设计（,CAPP,）,计算机辅助工艺规程设计方法,1,、派生式,2,、创成式,3,、综合式,派生式计算机辅助工艺规程设计原理,1,、零件编码矩阵化,2,、零件组特征的矩阵化,3,、主样件设计,4,、零件上各种形面的数字化,5,、工序工步名称编码,6,、综合加工工艺路线的数字化,7,、工序工步内容矩阵,1,、,工艺信息数字化,2,、,CAPP,数据库,特征矩阵文件,综合工艺路线,工序、工步文件,工艺数据文件,2,从广义的角度讲，,CAM,指利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动，包括计算机辅助生产计划、计算机辅助工艺设计、计算机数控编程、计算机控制加工过程等内容。,而从狭义的角度讲，,CAM,仅指数控程序的编制，包括刀具路径的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及,NC,代码的生成等,3.,计算机辅助制造（,CAM,）,在市场上比较成熟的,CAD/CAM,系统有,Pro/engineer,系统和,Master CAM,系统。,前者是一体化的,CAD/CAM,系统，其内部是统一的数据格式，能直接调用,CAD,系统中的图形数据。,后者是,CAD,模块与,CAM,模块的无缝集成，其系统内部通过中性文件获取其它,CAD,系统的图形信息。,2,16.2.2,快速成形技术,1.,快速成形技术的概念,快速成形技术,（,RP,Rapid Prototyping,）是运用堆积成形法，由,CAD,模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。,RP,技术的成形原理,不同于常规制造的去除法（切削加工、电火花加工等）和变形法（铸造、锻造等），而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学等方式，有选择地固化（或粘结）液体材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要的原型零件。,快速成形技术,是综合利用,CAD,技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。,2,2.,快速成形技术的工艺方法,RP,技术的具体工艺有很多种，根据采用的材料和对材料的处理方式不同，选择其中,3,种方法的工艺原理进行介绍。,(1),选择性液体固化,又称光固化法，光固化法是目前应用最广的快速成形制造方法。其主要特点是：制造精度高、表面质量好、原材料利用率接近,100%,；能制造形状复杂及特别精细的零件；能使用成形材料较脆、材料固化伴随一定收缩率的材料制造所需零件。,2,(2),选择性层片粘结,选择性层片粘结,又称分层实体制造、叠层制造法,叠层法的主要特点,是：不需要制作支撑；激光只作轮廓扫描，而不需填充扫描，成形率高；运行成本低；成形过程中无相变且残余应力小，适合于加工较大尺寸零件；但材料利用率较低，表面质量差。,(3),选择性粉末熔结,/,粘结,选择性粉末熔结,/,粘结又称烧结法,激光选区烧结法的主要特点,是：不需要制作支撑；成形零件的机械性能好，强度高；粉末较松散，烧结后精度不高，,Z,轴精度难以控制。,2,3.,快速成形技术的特点和用途,(1),主要特点,1,）高度柔性；,2,）技术的高度集成；,3,）设计制造一体化；,4,）快速性；,5,）自由成形制造,(Free Form Fabrication,，,FFF),；,6,）材料的广泛性。,(2),用途,1,）产品设计评估与功能测验；,2,）快速模具制造；,3,）医学上的仿生制造；,4,）艺术品的制造；,5,）直接制造金属型。,2,2,2,16.3,制造自动化技术,163.1,工,业,机器人,1.,工业机器人的定义,工业机器人（,Industrial Robot,简称,Robot,）是一种可重复编程的、自动控制的、多自由度的、机体独立的自动操作机械。,2.,工业机器人的组成,（,1,）执行系统,（,2,）驱动系统,（,3,）控制系统,（,4,）检测系统,（,5,）智能系统,2,11.4,工业机器人,3.,工业机器人的分类,按系统功能分类：,专用机器人、通用机器人、示教再现机器人、智能机器人,按结构形式分类：,直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人。,按驱动方式分类：,气压传动机器人、液压传动机器人、电力传动机器人。,按承担工作任务性质可分为：,搬运机器人和作业机器人。,虽然工业机器人品种繁多，但从设计与使用角度出发，工业机器人的主要技术性能参数包括：,运动自由度、工作空间、工作负荷、运动速度、位置精度。,2,4.,工业机器人的应用,工业机器人的最初应用主要是对人体有危险或危害的操作环境。,今天，在现代制造业中，利用机器人能扩大机械制造系统的功能和范围，以及提高自动化程度，是实现柔性自动化的基本设备。,用于生产中 的工业机器人有：铸造机器人、焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人、搬运机器人等。此外，高压作业线、服装剪裁、管道作业、擦玻璃的机器人也发挥着巨大的作用。,2,16.3.2,柔性制造系统,传统的专用机床,和,“,刚性,”,自动生产线虽然有很高的生产效率，但其加工的零件形状和尺寸单一，难以改变，这对于大批大量生产是合适的。为满足多品种、小批量、产品更新换代周期短的要求，,20,世纪,70,年代以来，随着微电子技术，特别是计算机技术、传感技术的发展，一种以机械加工为主的柔性制造技术得到迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。,1.,柔性制造单元,FMC,（,Flexible Manufacturing Cell,）是在加工中心的基础上，增加了贮存工件的自动料库、输送系统所构成的自动加工系统。,FMC,适于,多品种、小批量工件的生产。,FMC,具有规模小、成本低，便于扩展等优点。但,FMC,的信息系统自动化程度较低，加工柔性不高，只能完成品种有限的零件加工。,2,2.,柔性制造系统,（,1,）,FMS,（,Flexible Manufacturing System,）的定义和组成,FMS,是在,FMC,的基础上扩展而成的一种高效率、高精度、高柔性的加工系统。,对柔性制造系统直观的定义,：,“,柔性制造系统至少是由两台数控加工设备、一套物料储运系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统。,从上述定义可以看出，,FMS,主要由以下三部组成：,1,）加工系统,2,）物料储运系统,3,）信息系统,除上述三个主要组成部分外，,FMS,还包括冷却系统、排屑系统、刀具监控和管理等附属系统。,（,2,）,FMS,的优点和效益,1,）能接受各种不同零件加工,2,）生产周期短、成本低,3,）使加工质量得到保证,4,）对企业的竞争力和资金周转十分有利,2,16.4,现代制造系统,16.4.1,计算机集成制造系统,1.CIMS(Comouter Integrated Manufacturing System),的基本概念,CIMS,是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动有关的各种分散的自动化系统有机地集成起来，并适合于多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。,CIMS,必须有包括以下两个特征：,（,1,）在功能上，,CIMS,包含了一个工厂的全部生产经营活动。,（,2,）,CIMS,涉及的自动化是有机的集成。,2,2.CIMS,的构成,（,1,）经营管理信息系统,（,2,）工程设计自动化系统,（,3,）制造自动化系统,（,4,）质量保证系统,（,5,）数据库系统,（,6,）计算机网络系统,2,16.4.2,绿色制造技术,20,世纪,90,年代提出绿色制造（）又称清洁生产（），或面向环境的制造（,MFE,）。绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中节约资源和能源，不产生环境污染或使环境污染最小化。,联合国环境保护署对绿色制造技术的定义是：“将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险”。,2,绿色制造包括制造过程和产品两个方面,:,对于制造过程而言，绿色制造涵盖从原材料投入到产品产出全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒原材料，将一切排放物的数量与有害性削减在离开生产过程之前，对报废产品的回收与再利用；对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料提取到产品的最终处置，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、消费及报废等，以减少对人类和环境的不利影响。,图,14-12,绿色制造的内容,1.,绿色制造内容,2,2.,绿色制造过程,绿色制造过程主要包括三个方面的内容：减少制造过程中的资源消耗；避免或减少制造过程对环境的不利影响以及报废产品的再生与利用。,2,3.,绿色产品,绿色产品要求在制造过程中节省资源；在使用中节省能源、无污染；产品报废后便于回收和再利用。,