机械制造技术第9章 先进制造技术.ppt

1、本章要点本章要点:先进制造技术的内涵先进制造技术的内涵特种加工技术特种加工技术制造业信息化制造业信息化现代制造系统技术现代制造系统技术教学重点教学重点：了解特种加工技术的原理与应用了解特种加工技术的原理与应用了解数字化设计与制造技术的应用成果了解数字化设计与制造技术的应用成果了解现代制造系统技术的发展方向了解现代制造系统技术的发展方向先进制造技术主要包括以下几个方面：先进制造技术主要包括以下几个方面：1）由信息技术、检测技术、精密运动控制技术与制造技）由信息技术、检测技术、精密运动控制技术与制造技术相结合形成的精密微细特种加工技术；术相结合形成的精密微细特种加工技术；2）由信息技术、计算机技术

2、和制造技术相结合形成的数）由信息技术、计算机技术和制造技术相结合形成的数字化设计制造技术；字化设计制造技术；3）由自动化技术、信息技术、计算机技术等与制造技术）由自动化技术、信息技术、计算机技术等与制造技术相结合形成的现代制造系统技术等。相结合形成的现代制造系统技术等。特征加工是指对不属于传统的切削加工及成形加工以外的特征加工是指对不属于传统的切削加工及成形加工以外的一些新型加工方法的总称。特种加工工艺是直接利用各种能量，一些新型加工方法的总称。特种加工工艺是直接利用各种能量，如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等形如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等形式，施加在

3、工件上，实现材料的去除、改性、变形等。式，施加在工件上，实现材料的去除、改性、变形等。主要包括电火花加工、电火花线切割加工、点解成形加工、主要包括电火花加工、电火花线切割加工、点解成形加工、复合电解磨削、超声加工、激光加工等加工方法。复合电解磨削、超声加工、激光加工等加工方法。加工方法尺寸精度/mm主要适用范围电火花加工电火花线切割加工 从数微米的孔、槽到数米的超大型模具、工件等。如圆孔、异形孔、螺纹孔、微型孔、深孔以及冲模、锻模、塑料模、拉丝模等。还可刻字、表面强化、涂敷、磨削等加工 切割各种冲模、塑模模、片类零件、样板、喷丝板异形孔、磁钢、贵重稀有材料，也可切割半导体或非半导体 从微小零件

4、到超大型工件，如仪表微型小轴、涡轮叶片、炮管膛线、螺旋花键孔、各种异型孔、各种模具、抛光、切割、去毛刺等 难加工硬质合金刀具、细长杆件、量具小孔等磨削，还可进行深孔、超光整研磨珩磨 任何导电的金属材料。如：硬质合金、不锈钢、钛合金、耐热合金等电解成形加工复合电解磨削极小且可补偿不损耗无 防腐蚀装置、环境保护措施可加工材料工具损耗率/特殊要求材料去除率3/minmm0.16.30.43.20.10.80.020.81503030000.0050.050.0020.0220200100100000.030.10.0010.021501100表面粗糙度Ra/m表表9-1 常用特种加工方法的性能指标和

5、应用范围常用特种加工方法的性能指标和应用范围 表表9-1 常用特种加工方法的性能指标和应用范围常用特种加工方法的性能指标和应用范围续续 加工方法尺寸精度/mm主要适用范围 加工硬脆材料、如玻璃、云母、石英、宝石、金刚石等；还可进行深孔、超光整研磨珩磨超声加工 任何脆性非金属及金属材料无 精密加工小孔、窄缝及成形切割、刻蚀、焊接、热处理等；可加工各种金属、半导体和非半导体材料；可加工金刚石拉丝模、仪表宝石轴承；可在钛、铜、硅、石棉、玻璃等材料上打孔；切割贵重金属材料、复合材料、玻璃、石棉、木革等 在各种难加工材料上打微孔、镀膜、焊接、曝光、切缝、蚀刻 对零件表面进行超精加工、超微量加工、抛光、蚀

6、刻、注入、涂敷等焊接切割激光束加工电子束加工离子束加工等离子弧加工任何材料不损耗大功率激光管真空装置 瞬时去除率很高；受功率限制，平均去除率不高很低最高0.01最小为0.006粗可加工材料工具损耗率/特殊要求材料去除率3/minmm0.10.40.16.31500.0050.030.0010.010.110150001.5表面粗糙度Ra/m9.1.1 电火花加工电火花加工 电火花加工（电火花加工（Electrical Discharge Machining，简称，简称EDM），又称放），又称放电加工、电蚀加工、电脉冲加工，是在加工过程中，工具电极和工件之间电加工、电蚀加工、电脉冲加工，是在加工

7、过程中，工具电极和工件之间不断产生脉冲火花放电，利用瞬时火花放电所产生的局部高温蚀除金属材不断产生脉冲火花放电，利用瞬时火花放电所产生的局部高温蚀除金属材料。因为放电过程中可见到火花出现，故称为电火花加工。料。因为放电过程中可见到火花出现，故称为电火花加工。1电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理 电火花加工的原理是利用工件电极与工具电极之间脉冲性火花放电所电火花加工的原理是利用工件电极与工具电极之间脉冲性火花放电所产生的瞬时局部高温蚀除多余的金属，完成零件成形。电火花加工过程是产生的瞬时局部高温蚀除多余的金属，完成零件成形。电火花加工过程是电力、磁力、热力和流体动力等综合作用的过程。电火花

8、加工的原理如图电力、磁力、热力和流体动力等综合作用的过程。电火花加工的原理如图9-1所示。所示。图图9-1 电火花加工原理图电火花加工原理图 电火花腐蚀金属的四个微观过程：电火花腐蚀金属的四个微观过程：1）极间介质的电离、击穿、形成放电通道；）极间介质的电离、击穿、形成放电通道；2）介质热分解、电极材料溶化、汽化热膨胀；）介质热分解、电极材料溶化、汽化热膨胀；3）电极材料的抛出；）电极材料的抛出；4）极间介质的消电离这四个连续的阶段。）极间介质的消电离这四个连续的阶段。实现电火花加工的基本条件如下：实现电火花加工的基本条件如下：1）工具和工件之间要有一定的间隙。这个间隙通常为几微米到几百微）工

9、具和工件之间要有一定的间隙。这个间隙通常为几微米到几百微米，并能维持这一距离。米，并能维持这一距离。2）脉冲放电必须有足够大的能量密度。即放电通道要有很大的电流密）脉冲放电必须有足够大的能量密度。即放电通道要有很大的电流密度，一般为度，一般为105106A/cm2。3）放电应是短时间的脉冲放电。脉冲放电的持续时间为）放电应是短时间的脉冲放电。脉冲放电的持续时间为10-710-3s，放，放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部位，使金属表面局部熔化、烧伤。电所产生的热量来不及传导扩散到其余部位，使金属表面局部熔化、烧伤。4）脉冲放电需要在不同地点多次重复进行。避免发生局部烧伤。）脉冲放电需要在不同

10、地点多次重复进行。避免发生局部烧伤。5）电火花加工必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。）电火花加工必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。2电火花加工方法分类电火花加工方法分类 按照工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火按照工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工可分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨花加工可分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭加工、电火花高速小孔加工、电火削和镗磨、电火花同步共轭加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化和刻字加工六大类。前五类属于电火花成形、尺寸花表面强化和刻字加工六大类。前五类属于电火花成形

11、、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属于表加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属于表面加工方法，用于改善或改变零件表面物理性质。其中，电火面加工方法，用于改善或改变零件表面物理性质。其中，电火花穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。花穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。表表9-2简要介绍了各类加工方法的主要特点和用途。简要介绍了各类加工方法的主要特点和用途。表表9-2 电火花加工工艺方法的主要特点和用途电火花加工工艺方法的主要特点和用途 类别工艺方法特 点用 途 电火花穿孔成形加工1工具和工件间主要只有一个相对的伺服进给运动2工具为成形电极，与被加工表面有相同的截面

12、和相反的形状1型腔加工：加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件2穿孔加工：加工各种冲模、挤压模、粉末冶金模、各种异形孔及微孔等 电火花线切割加工1工具电极为顺电极丝方向移动着的丝状电极2工具与工件在两个水平方向同时具有相对伺服进给运动1切割各种冲模及具有直纹的零件2下料、截割及窄缝加工 电火花内孔、外圆及成形磨削1工具与工件有相对的旋转运动2工具与工件间有径向和轴向进给运动1加工高精度、表面粗糙度值小的孔，如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、钻套等2加工外圆、小模数滚刀等I II III 表表9-2 电火花加工工艺方法的主要特点和用途电火花加工工艺方法的主要特点和用途续续 类别工艺方法特 点用 途 电

13、火花同步共轭回转加工1成形工具与工件均作旋转运动，但二者角速度相等或成整数倍，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度2工具相对工件可作纵、横向进给运动 以同步回转、展成回转、倍角速度回转等不同方式，加工各种复杂型面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规，高精度、高对称度、表面粗糙度值小的内、外回转体表面等 电火花高速小孔加工1采用细管（直径大于0.3mm）电极，管内充入高压水基工作液2细管高速旋转3穿孔速度较高1线切割穿丝预孔2深径比很大的小孔，如喷嘴等 电火花表面强化、刻字1工具在工件表面上振动2工具相对工件移动1模具刃口，刀、量具刃口表面强化和镀覆2电火花刻字、打印记IV V VI 3电

14、火花成形加工设备及加工基本条件电火花成形加工设备及加工基本条件 常见的电火花加工机床组成包括：机床本体、电源箱、工作液循环过常见的电火花加工机床组成包括：机床本体、电源箱、工作液循环过滤系统等几个部分。滤系统等几个部分。（1）机床本体）机床本体 机床本体由床身、立柱、主轴头、工作台等部件组成。机床本体由床身、立柱、主轴头、工作台等部件组成。（2）脉冲电源）脉冲电源 把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流。对电火花加工的生把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流。对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程稳当性和工具电极损耗等技术经济产率、表面质量、加工精度、加工过程稳当性和工具电

15、极损耗等技术经济指标有很大影响。指标有很大影响。（3）工作液循环过滤系统）工作液循环过滤系统4电火花加工的特点电火花加工的特点（1）适用于任何难切削材料的加工）适用于任何难切削材料的加工（2）可加工特殊或复杂形状的表面和零件）可加工特殊或复杂形状的表面和零件（3）生产率低）生产率低（4）易于实现自动控制）易于实现自动控制（5）工件表面存在电蚀硬层）工件表面存在电蚀硬层（6）存在电极损耗）存在电极损耗 与传统加工相比，电火花加工具有很多优点，因此，已广泛应用于机械、宇航、与传统加工相比，电火花加工具有很多优点，因此，已广泛应用于机械、宇航、电子、精密机械、仪器仪表等行业，用于解决难加工材料、复杂

16、形状零件以及微细电子、精密机械、仪器仪表等行业，用于解决难加工材料、复杂形状零件以及微细加工问题。目前，加工范围已从几微米的小轴、孔、窄缝扩大到几米的超大模具的加工问题。目前，加工范围已从几微米的小轴、孔、窄缝扩大到几米的超大模具的加工。加工。9.1.2 电火花线切割加工电火花线切割加工1电火花线切割加工原理电火花线切割加工原理 加工的原理也是直接利用电能、热能蚀除金属。它是采用细的电极丝加工的原理也是直接利用电能、热能蚀除金属。它是采用细的电极丝（钼丝或铜丝）对工件进行切割成形。图（钼丝或铜丝）对工件进行切割成形。图9-2为电火花线切割工艺及装置示为电火花线切割工艺及装置示意图。它是利用移动

17、的细钼丝作电极进行切割的，传动轮意图。它是利用移动的细钼丝作电极进行切割的，传动轮7使钼丝作正反向使钼丝作正反向交替运动，加工能量由脉冲电源交替运动，加工能量由脉冲电源3提供。在电极丝和工件之间浇注工作液，提供。在电极丝和工件之间浇注工作液，工作台在水平面的两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状工作台在水平面的两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给运动，从而合成各种曲线轨迹，将工件切割成形。态作伺服进给运动，从而合成各种曲线轨迹，将工件切割成形。图图9-2 电火花线切割工艺电火花线切割工艺 2线切割加工的特点线切割加工的特点（1）效率高、自动化程度高、材料利用率

18、高）效率高、自动化程度高、材料利用率高 加工以切缝的形式按轮廓加工，蚀除量少，不仅生产率高，材料利用加工以切缝的形式按轮廓加工，蚀除量少，不仅生产率高，材料利用率也高。率也高。（2）不必考虑电极丝的损耗）不必考虑电极丝的损耗（3）能加工出精密细小、形状复杂的零件）能加工出精密细小、形状复杂的零件（4）一般采用水质工作液，安全可靠，避免发生火灾）一般采用水质工作液，安全可靠，避免发生火灾 电火花线切割的缺点是不能加工盲孔及纵向阶梯表面。电火花线切割的缺点是不能加工盲孔及纵向阶梯表面。3数控线切割机床数控线切割机床图图9-3 快走丝线切割机床的组成快走丝线切割机床的组成 图图9-4 慢走丝线切割机

19、床的组成慢走丝线切割机床的组成（2）脉冲电源）脉冲电源 脉冲电源是数控线切割机床最重要的组成部分之一，是决定线切割加脉冲电源是数控线切割机床最重要的组成部分之一，是决定线切割加工工艺指标的关键装置。数控线切割加工的切割速度，被加工表面的表面工工艺指标的关键装置。数控线切割加工的切割速度，被加工表面的表面粗糙度、尺寸和形状精度及线电极的损耗等，都将受到脉冲电源性能的影粗糙度、尺寸和形状精度及线电极的损耗等，都将受到脉冲电源性能的影响。响。图图9-5 脉冲电源的组成脉冲电源的组成（3）工作液循环系统）工作液循环系统 工作液循环系统的作用是保证连续、充分地向加工区供给清洁的工作工作液循环系统的作用是

20、保证连续、充分地向加工区供给清洁的工作液，及时从加工区排出电蚀产物，并对电极丝和工件进行冷却，以保持脉液，及时从加工区排出电蚀产物，并对电极丝和工件进行冷却，以保持脉冲放电过程稳定而连续地进行。冲放电过程稳定而连续地进行。工作液的循环与过滤装置一般由工作液泵、油箱、过滤器、管道和流工作液的循环与过滤装置一般由工作液泵、油箱、过滤器、管道和流量控制阀等组成。量控制阀等组成。图图9-6 工作液循环系统工作液循环系统 9.2.1 制造业信息化的内涵制造业信息化的内涵1制造业信息化的定义制造业信息化的定义 中国电子信息产业发展研究院的专家认为，制造业信息化是制造业利中国电子信息产业发展研究院的专家认为

21、，制造业信息化是制造业利用计算机、通信和网络为核心的现代信息技术，进行有效整合，提高制造用计算机、通信和网络为核心的现代信息技术，进行有效整合，提高制造业运行和资源利用、特别是信息资源深入广泛利用的效率，进而提高制造业运行和资源利用、特别是信息资源深入广泛利用的效率，进而提高制造业的核心竞争力的过程。制造业信息化的形态特征，表现在制造业作业、业的核心竞争力的过程。制造业信息化的形态特征，表现在制造业作业、管理、经营三个层面，实现设计自动化、生产自动化、办公自动化、决策管理、经营三个层面，实现设计自动化、生产自动化、办公自动化、决策辅助自动化和电子商务等制造业运行的全面自动化。辅助自动化和电子商

22、务等制造业运行的全面自动化。中国工程院院士、清华大学教授吴澄：中国工程院院士、清华大学教授吴澄：工业或制造业的信息化就是要围绕市场竞争，从产品的各个环节做工业或制造业的信息化就是要围绕市场竞争，从产品的各个环节做起，设计、制造、管理、营销、资源的优化利用都要有信息化。所以应该起，设计、制造、管理、营销、资源的优化利用都要有信息化。所以应该包括设计过程的信息化、管理的信息化、车间的信息化、加工生产线的信包括设计过程的信息化、管理的信息化、车间的信息化、加工生产线的信息化和自、动化、制造业内部的信息集成和制造业之间的信息集成，即基息化和自、动化、制造业内部的信息集成和制造业之间的信息集成，即基于网

23、络的供需链或电子商务。于网络的供需链或电子商务。制造业通过管理信息化带来的效益可以归纳为五点：制造业通过管理信息化带来的效益可以归纳为五点：降低成本的重要举措：以联想为例，降低成本的重要举措：以联想为例，2000年联想公司通过信息化建年联想公司通过信息化建设使库存周转天数、应收账周转天数、积压损失率由设使库存周转天数、应收账周转天数、积压损失率由72天、天、28天和天和2隆至隆至22天、天、14天和天和0.19，每年节约资金约，每年节约资金约10亿元；亿元；增强市场应变能力的必要条件；增强市场应变能力的必要条件；解决数据真实准确的可靠工具；解决数据真实准确的可靠工具；堵塞采购、销售环节管理漏洞

24、的有效手段；堵塞采购、销售环节管理漏洞的有效手段；实现组织机构扁平化的技术保障实现组织机构扁平化的技术保障。2制造业信息化的组成制造业信息化的组成（1）设计数字化）设计数字化 设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化，缩短了产设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化，缩短了产品的开发周期，加快了新产品进入市场的时间。品的开发周期，加快了新产品进入市场的时间。常用的平面设计软件是常用的平面设计软件是AutoCAD，二维设计逐渐被三维设计所取代。，二维设计逐渐被三维设计所取代。如日本丰田公司的模具设计已全部采用三维实体设计。如日本丰田公司的模具设计已全部采用三维实体设计。（2）

25、制造装备数字化）制造装备数字化 制造装备数字化以各种数控设备为代表，研究的重点应为新型数控系制造装备数字化以各种数控设备为代表，研究的重点应为新型数控系统的研究、高速运动控制平台研究与开发、高速、高精、智能化驱动部件统的研究、高速运动控制平台研究与开发、高速、高精、智能化驱动部件和控制技术、数控机床精度强化工程、数控设备群智能管理、控制技术及和控制技术、数控机床精度强化工程、数控设备群智能管理、控制技术及系统。系统。（3）生产过程数字化）生产过程数字化 1）生产计划管理数字化。如物料需求计划）生产计划管理数字化。如物料需求计划MRP（Material Require Planning）、制造资

26、源计划（）、制造资源计划（Manufacturing Resource Planning）系统（记）系统（记为为MRPII）。）。2）工艺管理数字化。即所谓的计算机辅助编制工艺规程）工艺管理数字化。即所谓的计算机辅助编制工艺规程CAPP（Computer Aided Process Planning）。）。3）制造资源管理数字化。即）制造资源管理数字化。即MRPII和和ERP的部分功能。的部分功能。4）生产现场管理数字化。即制造执行系统）生产现场管理数字化。即制造执行系统MES（Manufacturing Excecution System）。）。（4）管理数字化）管理数字化 管理数字化技术实

27、现制造业内外部管理的数字化和最优化，能够提高管理数字化技术实现制造业内外部管理的数字化和最优化，能够提高制造业管理水平。制造业管理水平。（5）制造业数字化）制造业数字化 制造业数字化技术实现了全球化环境下制造业内外部资源的集成和最制造业数字化技术实现了全球化环境下制造业内外部资源的集成和最佳利用，促进制造业的业务过程、组织结构与产品结构的调整，能够提高佳利用，促进制造业的业务过程、组织结构与产品结构的调整，能够提高产品和工艺质量、降低成本和加快上市时间，提升我国制造业、区域和行产品和工艺质量、降低成本和加快上市时间，提升我国制造业、区域和行业的竞争能力。业的竞争能力。9.2.2 CAD/CAP

28、P/CAM1计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称简称CAD）（1）CAD技术的产生和发展技术的产生和发展 1）第一次）第一次CAD技术革命技术革命贵族化的曲面造型系统。贵族化的曲面造型系统。2）第二次）第二次CAD技术革命技术革命生不逢时的实体造型技术。生不逢时的实体造型技术。3）第三次）第三次CAD技术革命技术革命 一鸣惊人的参数化技术。一鸣惊人的参数化技术。4）第四次）第四次CAD技术革命技术革命更上一层楼的变量化技术。更上一层楼的变量化技术。（2）CAD系统的分类与应用系统的分类与应用 二维二维CAD系统：将产品和工程设计图纸看成是系统：将产品

29、和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文点、线、圆、弧、文本本”等几何元素的集合，系统记录了这些图素的几何特征。等几何元素的集合，系统记录了这些图素的几何特征。三维三维CAD系统：核心是产品的三维模型。模型中包括了产品几何结构系统：核心是产品的三维模型。模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息，更能反映实际产品的构造或加工制造的有关点、线、面、体的各种信息，更能反映实际产品的构造或加工制造过程。过程。2计算机辅助工艺计划（计算机辅助工艺计划（Compter Aided Process Planning,简称简称CAPP）（1）CAPP的发展的发展 工艺设计是优化配置工艺资源，合理

30、编排工艺过程的一门艺术。它是工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门艺术。它是生产准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。随着机械生产准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。随着机械制造生产技术的发展及多品种小批量生产的要求，特别是制造生产技术的发展及多品种小批量生产的要求，特别是CAD/CAM系统系统向集成化、智能化方向发展，传统的工艺设计的方法，已远远不能满足要向集成化、智能化方向发展，传统的工艺设计的方法，已远远不能满足要求，计算机辅助工艺过程设计求，计算机辅助工艺过程设计(CAPP)也就应运而生。也就应运而生。（2）CAPP系统分类系统分类 1）基于自

31、动化思想的修订）基于自动化思想的修订/创成式创成式CAPP系统。系统。2）基于计算机化思想的实用化）基于计算机化思想的实用化CAPP系统。系统。基于基于Word/Excel/AutoCAD及其他图形系统的工艺卡片填写系统。及其他图形系统的工艺卡片填写系统。基于结构化数据的基于结构化数据的CAPP系统。系统。（3）当前）当前CAPP应用中存在的不足与问题应用中存在的不足与问题 1）应用范围偏窄。）应用范围偏窄。CAPP的应用集中在机械加工工艺的设计，的应用集中在机械加工工艺的设计，CAPP在企业的应用缺乏应有的广度。在企业的应用缺乏应有的广度。2）应用水平偏浅。目前绝大部分企业）应用水平偏浅。目

32、前绝大部分企业CAPP的应用停留在工艺卡片的的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面。编辑、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面。3）与三维）与三维CAD的集成技术有待突破。的集成技术有待突破。4）CAPP系统与其他应用系统的集成。系统与其他应用系统的集成。5）CAPP与产品数据管理（与产品数据管理（Product Date Management，简称，简称PDM）中的管理功能的冲突。中的管理功能的冲突。（4）CAPP的发展趋势的发展趋势 1）面向产品全生命周期的）面向产品全生命周期的CAPP系统。系统。CAPP的数据是产品数据的重的数据是产

33、品数据的重要组成部分，要组成部分，CAPP与与PDM/PLM的集成是关键。基于的集成是关键。基于PDM/PLM支持产品支持产品全生命周期的全生命周期的CAPP系统将是重要的发展方向。系统将是重要的发展方向。2）基于知识的）基于知识的CAPP系统。系统。3）基于三维）基于三维CAD的的CAPP系统。系统。4）基于平台技术、可重构式的）基于平台技术、可重构式的CAPP系统。开放性是衡量系统。开放性是衡量CAPP的一的一个重要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，个重要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，CAPP必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台

34、技术、具有必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的二次开发功能、可重构的CAPP系统将是重要的发展方向。系统将是重要的发展方向。3计算机辅助制造（计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,简称简称CAM）在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配备，自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程，简称、检测和包装等制造过程，简称CAM。CAM的侠义概念指的是从产品设计到加工制造的一切生产准备活的侠义概念指的是从产

35、品设计到加工制造的一切生产准备活动，它包括动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的修订、资源需编程、工时定额的计算、生产计划的修订、资源需求计划的制订等，这是最初求计划的制订等，这是最初CAM系统的侠义概念。到今天，系统的侠义概念。到今天，CAM的侠义概的侠义概念甚至进一步缩小为念甚至进一步缩小为NC编程的同义词，编程的同义词，CAM被作为一个专门的子系统，被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRP/ERP系统来完成。系统来完成。CAM的广义概念包括的内容则广泛得多，除了

36、上述的广义概念包括的内容则广泛得多，除了上述CAM侠义定义所侠义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（价格、包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（价格、装配、检验、存储、输送）的监视、控制和管理。装配、检验、存储、输送）的监视、控制和管理。（1）CAM的发展概况的发展概况 1952年成功研制数控机床，不同零件的加工只需更换年成功研制数控机床，不同零件的加工只需更换NC程序即可实程序即可实现，有效地解决了工序自动化的柔性问题。现，有效地解决了工序自动化的柔性问题。1955年在通用计算机上成功应用年在通用计算机上成功应用APT语言的自动编程系统，实现了

37、语言的自动编程系统，实现了NC程序编制的自动化。程序编制的自动化。1958年研制成功了自动换刀的镗铣加工中心，能在一次装夹终中完成年研制成功了自动换刀的镗铣加工中心，能在一次装夹终中完成多个工序的集中加工，进一步提高了多个工序的集中加工，进一步提高了NC机床的生产效率。机床的生产效率。1962年在年在NC机床技术的基础上研制成功了第一台工业机器人，实现机床技术的基础上研制成功了第一台工业机器人，实现了物料搬运的柔性自动化。了物料搬运的柔性自动化。1966年出现了用一台大型计算机集中控制多台年出现了用一台大型计算机集中控制多台NC机床的直接控制系机床的直接控制系统（统（Direct Numeri

38、cal Control，简称，简称DNC），从而降低了机床），从而降低了机床NC装置的制装置的制造成本，提高了工作的可靠性。造成本，提高了工作的可靠性。（2）CAM的应用领域的应用领域 1）机械产品的零件加工（切削、冲压、铸造、焊接、测量等）、部件组装、）机械产品的零件加工（切削、冲压、铸造、焊接、测量等）、部件组装、整机装配、验收整机装配、验收、包装入库、包装入库、自动仓库控制和管理。、自动仓库控制和管理。2）电子产品的元件器件老炼、测试、筛选。包括元件器件自动插入印制电路）电子产品的元件器件老炼、测试、筛选。包括元件器件自动插入印制电路板，波峰焊接，装置板、机箱布线的自动绕接，部件、整件和

39、整机的自动测试等工板，波峰焊接，装置板、机箱布线的自动绕接，部件、整件和整机的自动测试等工作都可以由作都可以由CAM系统控制完成。系统控制完成。3）各种机电产品的成品检验、质量控制。能完成人工方法不能完成的复杂产）各种机电产品的成品检验、质量控制。能完成人工方法不能完成的复杂产品（如飞机发动机、超大规模集成电路、电子计算机等）的大量测试工作。品（如飞机发动机、超大规模集成电路、电子计算机等）的大量测试工作。9.2.3 虚拟制造（虚拟制造（Virtual Manufacturing，简称，简称VM）1虚拟制造的概念和功能虚拟制造的概念和功能（1）虚拟制造的概念）虚拟制造的概念 虚拟制造是对真实产

40、品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不虚拟制造是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。它具有建模和仿真环境，在真实产品消耗物理资源的模拟制造软件技术。它具有建模和仿真环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。前瞻性的决策和优化实施方案。（2）虚拟制造的分类）虚拟制造的分类 1）以设计为中心的）以设计为中心的VM。2）以生产为中心的）以生产为中心的VM。3）以控制为中心的）以控制为中心的VM。2虚拟制造的核心技术虚拟制造

41、的核心技术（1）建模技术）建模技术 虚拟制造系统虚拟制造系统VMS（Virtual Manufacturing System)是现实制造系是现实制造系统统RMS（Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射，在虚拟环境下的映射，VMS的建模应的建模应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。1）生产模型。）生产模型。2）产品模型。）产品模型。3）工艺模型。）工艺模型。（2）仿真技术）仿真技术 仿真的基本步骤为：研究系统仿真的基本步骤为：研究系统收集数据收集数据建立系统模型建立系统模型确定仿真确定仿真算法算法建立

42、仿真模型建立仿真模型运行仿真模型运行仿真模型输出结果并分析。输出结果并分析。（3）虚拟现实技术）虚拟现实技术VRT（Virtual Reality Technology）虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）提供沉浸感觉的备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）提供沉浸感觉的技术。技术。3VM在制造业的应用在制造业的应用（1）虚拟企业）虚拟企业 为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地

43、域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司，称为虚拟公源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司，称为虚拟公司，或者叫作动态联盟。司，或者叫作动态联盟。虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造；计算机网络技术。制造；计算机网络技术。（2）虚拟产品设计）虚拟产品设计 在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高

44、设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品的设计。例如美国波音公司投资设计中的问题，从而优化产品的设计。例如美国波音公司投资40亿美元研亿美元研制波音制波音777喷气式客机，从喷气式客机，从1990年年10月开始到月开始到1994年年6月仅用了月仅用了3年零年零8个月个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给

45、企察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益。业带来的效益。（3）虚拟产品制造）虚拟产品制造 应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化制造过程，提高加工效缺陷，提前发现装配时出现的问题，

46、从而能够优化制造过程，提高加工效率。率。（4）虚拟生产过程）虚拟生产过程 产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生产周期，降低成本意义重

47、大。产周期，降低成本意义重大。9.3.1 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统（柔性制造系统（Flexible Manufacturing System,FMS）是由数控加工）是由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统。它包括多设备、物流储运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整。适用个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整。适用于多品种、中小批量生产。于多品种、中小批量生产。1柔性制造系统的结构原理柔性制造系统的结构原理 1）加工设备。包括立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心

48、、）加工设备。包括立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心、数控铣床、数控车床等。数控铣床、数控车床等。2）装配设备。例如，由装配站和机器人组成的装配单元。）装配设备。例如，由装配站和机器人组成的装配单元。3）检测设备。有清洗机、三坐标测量仪、测量用机器人等。）检测设备。有清洗机、三坐标测量仪、测量用机器人等。4）输送装置。有输送带、堆垛机、有轨运输车（）输送装置。有输送带、堆垛机、有轨运输车（Rail Guided Vehicle,RGV）、自动导向运输车（）、自动导向运输车（Automated Guided Vehicle,AGV）等。）等。5）交换装置。如托盘交换器（）交换装置。如托盘交

49、换器（Automated Pallet Changer,APC）、）、上料机器人等。上料机器人等。6）装卸站。毛坯安装到托盘上，工件从托盘上取下来，这一过程通）装卸站。毛坯安装到托盘上，工件从托盘上取下来，这一过程通常由人在装卸站完成。常由人在装卸站完成。7）保管装置。如托盘缓冲站（平面仓库）、立体自动仓库等。）保管装置。如托盘缓冲站（平面仓库）、立体自动仓库等。8）信息管理及控制装置。它由计算机网络系统和）信息管理及控制装置。它由计算机网络系统和FMS管理与控制软管理与控制软件组成。是管理件组成。是管理FMS的信息，控制的信息，控制FMS各设备协调一致工作的网络系统。各设备协调一致工作的网络

50、系统。图图9-7 FMS的结构的结构 2.柔性制造系统的分类与应用柔性制造系统的分类与应用 1）柔性制造单元（）柔性制造单元（FMC）。柔性制造单元由主机、工具交换装置）。柔性制造单元由主机、工具交换装置（Automated Tool Changer,ATC）、托盘交换装置（）、托盘交换装置（Automated Pallet Changer,APC）三部分组成。）三部分组成。一类由加工中心配上自动托盘交换系统：这类柔性制造单元以托盘一类由加工中心配上自动托盘交换系统：这类柔性制造单元以托盘交换系统为特征，一般具备五个以上的托盘，组成环形或直线形的托盘库。交换系统为特征，一般具备五个以上的托盘，