第8章先进制造技术_图文.ppt

• 设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人 进行设计作业；
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
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第二章
2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
产品的造型建模技术 • 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表
结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信
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逻辑维
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第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求；
• 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； • 技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产
品及其零部件的具体结构； • 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说
明书编写等。
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第二章
3）优化设计的步骤
• 设计对象的分析 • 设计变量和设计约束条件的确定 • 目标函数的建立、 • 合适的优化计算方法的选择 • 优化结果分析
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第二章
常用优化求解方法
一维搜索法
黄金分割法 多项式逼近法
梯度法（最速下降法）
无约束 非线性 规划算
法
间接法 直接法
目标函数
使极小化函数f(x1,x2, …..,xn)
满足约束条件
不等式约束条件
gu(x1,x2,…..,xn)≤0 hv(x1,x2,…..,xn)=0
(u=1,2,…m)
(v=1,2,…p)
等式约束条件
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第二章
（1）设计变量

19子线分析
手段：优化加工方法；开发和研制新型刀具材料；研
制超精密机床；对加工精度进行监控。
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21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进
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（2）切削加工速度迅速提高
刀具材料发展。
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20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，切削速度不超 过10m/min；
、电火花、激光切割；
• 堆积成形 将材料有序地合并 堆积成形，如快速原形制造、焊 接等。
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二、先进制造工艺的产生和发展
先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上发展来的， 优化后的工艺和新型加工方法。是核心和基础。
（1）制造加工精度不断提高
18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。
1900
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普通加工
加工设备 车床,铣床
精密车床 磨床
测量仪器 卡尺
百分尺 比较仪
精密加工
坐标镗床 坐标磨床
气动测微仪 光学比较仪
金刚石车床 光学磁尺
精密磨床
电子比较仪
超精密加工
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
1920 1940
代 码
名称
0
1
2
3
4
5
6
7 89
中类名称
0 铸造
砂型铸造 特种铸造
1 压力加工
锻造
轧制
冲压 挤压 旋压 拉拔

• 设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人 进行设计作业；
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
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第二章
2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
产品的造型建模技术 • 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表
结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信
•
① CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成；
•
② CAD/ERP--与管理系统集成；
•
③ 异地、异构系统企业间CAD集成，如全
球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。
标准化技术
目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES
（Initial Graghical Exchange System)图形交
关 学
自然科学
科
政治经济
与 技
文化社会科学 术
市场营销学
……….
应用技术 支撑技术 主体技术 基础技术
各产品领域知识与技术 现代设计方法学 可信性设计技术 设计试验技术
计算机辅助设计技术
传统设计理论 与方法
现代设计技术体系结构框图
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第二章
2.2 计算机辅助设计技术
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念 2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
材料特征分为整体材料特征、表面处理特征及
局部处理特征，整体材料特征作为零件的属性，包
括材料种类代号、性能、热处理方法等，表面处理
特征作为表面的属性，包括表面淬火、渗碳、渗氮
等。
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给出定义： “ 先进制造技术是制造业不断吸收机 械、电子、信息 ( 计算机与通信、控制理论、人工智能
等 ) 、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、
服 务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的
适应能力和竞争能力的制造技术的总称”。
高效、优质、低耗、及时和洁净的日标。
制造自动化技术的发展历程有如下几个阶段：
第一阶段：刚性自动化，包括自动单机和刚性自动线。
本阶段在20世纪40—50年代已相当成熟。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床和组合机床、
自动单机或自动化生产线进行大批量生产。其特征是高生产率和刚性结构
第二阶段：数控加工，包括数控 (NC) 和计算机数控 (CNC) 。
生产：包括商务在内的全过程。制造和生产的概念已经很模糊了。
Production
四．先进制造技术的基本问题
1 ．加工工序的最佳化
加工工序的最佳化是一个优化过程，包括选定优化准则，确定目标函数，找出约束条件，求最优解。优化准
则包括 1）最高生产率准则, 2）最低成本准则 ,3 ）最大利润率准则。约束条件包括 1 ）刀具使用寿命约束 ,2 ）
程序校验。
2 ．手工编程
手工编程使用一般的计算工具以各种数学方法人工进行运算和编制指令，速度慢。手工编程方法比较简单，
容易掌握，适应性较大，但手续比较繁琐，需要特别细心，否则易于出错。适合于简单及中等复杂程度，计
算量不大的数控编程。
3 ．计算机辅助编程（自动编程）
计算机辅助数控编程有两方式：数控语言自动编程、 CAD/CAM 系统数控编程。 （ 1 ）数控语言自动编程。为实现自动编程，数控自动编程语言和数控程序系统是两个重要的组成部分。如 图： 数控语言 数控程序系统 接口 零件图形 零件图样 定和工工艺艺过参程数 零件源程序 源程序介质 电子计算机 零件加工程序单 数控介质 修改 ATP 语言是一种典型的数控编程语言。 APT(Automatically Programmed Tools)是50年代中期由美国麻省理工学 院研究开发的数控自动编程系统。目前使用的 APT 系统有 APT Ⅱ、 APT Ⅲ、 APT Ⅳ。其中 APT Ⅱ适用于曲 线自动编程， APT Ⅲ适用于 3 ～ 5 坐标立体曲面自动编程， APT Ⅳ适用于自由曲面自动编程。 经过数控程序系统处理后输出的程序就是控制数控机床的零件加工程序。 （ 2 ） CAD/CAM 系统数控编程。 它直接利用 CAD 造型所生成的三维几何实体，采用人机交互的，指定被加工的部位，输入切削参数和刀具参 数，最后由系统自动进行刀具轨迹的计算和处理，生成刀位文件。经过后置处理后生成数控加工程序。 其主要特点是： 1 ）将零件数控加工编程过程中的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等过程结合在一起，弥补了数 控语言编程的不足。不用编制零件的源程序。 2 ）有利于实现系统的集成。产品设计（ CAD ）、数控编程（ NCP ）、工艺设计（ CAPP ）。 三．机床数控技术发展趋势 1 ．性能发展方面 高速高精高效化、柔性化、工艺复合化和多轴化、实时智能化。 2 ．功能发展方面 用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内置高性能 PLC 。 3 ．体系结构的发展 集成化、模块化、网络化、开放式闭环控制模式。

第一章先进制造技术概述
2、先进制造技术的特点 （2）. 先进制造技术是面向新世纪的技术系统，它的目的很 明确，即提高制造业的综合效益（包括经济效益、社会效益 和环境生态效益），赢得激烈的国际市场竞争。 （3）.先进制造技术并不抛弃传统技术，而是不断用科技新 手段去研究它，并运用科技新成果去改造它，充实它。特别 是利用先进技术研究传统工艺的成形原理，建立数学模型， 并利用优化设计技术进行传统工艺方法的优化。
第一章先进制造技术概述
2、先进制造技术的特点 （7）.先进制造技术不是一项具体技术，它是利用系统工程 技术将各种相关技术集成的一个有机整体。 （8）. 先进制造技术特别强调环境保护，既要求其产品是所 谓的“绿色商品”，又要求产品的生产过程是环保型的。
第一章先进制造技术概述
3. 先进制造技术特点的具体体现 （1）.高效率 在提高生产效率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方 向。近些年来，计算机数控（CNC）、计算机辅助设计与制 造（CAD∕CAM）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成 制造系统（CIMS）发展非常迅速。各种新理论层出不穷， 如敏捷制造、快速原型制造、并行工程、及时生产、虚拟制 造，集成相关信息和资源，其本质均是实现高效率、自动化 生产的思想。就应用于实践的CNC、FMC、FMS来看，已 有力地显示出其有柔性化、自动化、资源共享和高效率的强 大生命力。
第一章先进制造技术概述
（2） 、高精度
在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这是世界 各主要工业发达国家致力发展的方向。例如，超大规模集成电 路、导弹火控系统、惯导陀螺、精密仪器、精密雷达、精机 床等都需要采用超精密加工技术。众所周知，在飞机、潜艇等 军事设施中使用的精密陀螺、复印机的磁鼓、大型天文望远镜 以及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工 技术的支持。精密加工是指加工精度在0.1-1µm之间，表面粗 糙度Ra在0.1µm以下的加工方法；而加工精度控制在0.1µm 以下，表面粗糙度Ra在0.02µm以下的加工方法则称为超精密 加工。

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3. FMF柔性制造工厂
FMF是FMS扩大达到全厂范围内的生产管理过程。机械加工过程和物料 储运过程全盘自动化。它的主要特点是： （1）分布式多级计算机系统，生产计划、日生产进度计划的生产管理 的主计算机，它与CAD/CAM系统相联，以取得自动编制加工用的数控程 序数据。 （2）FMF全部的日程计划进度和作业可以由主计算机和各级计算机通 过在线控制系统进行调整，并可以进行无人化加工。 （3）CNC机床的数量一般在十几台到几十台。可以是各种形式的加工 中心、车削中心、CNC机床等。 （4）系统可以全自动地加工各种形状、尺寸和材料的工件。全部刀具 可以自动交换、自动检测磨损或损坏的刀具，能自动更新废旧刀具。 （5）物料储运系统必须包括自动立体仓库，以满足存取为数众多的工 件和刀具的需求。系统可以从自动立体仓库中提取所需的坯料，并以 最有效的途径实现物流和进行加工。
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。
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数控编程的内容与步骤
进行工艺处理 数值计算 编制工件的数控加工程序 制备控制介质 校核加工程序
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7.2 成组技术（GT）
市场竞争日趋激烈，产品更新换代越来越快，产品品种 增多，而每种产品的生产数量却并不很多。世界上75％~80％ 的机械产品是以中小批生产方式制造的。
码位组成，每一码位包括从0到9的10个特征项号，详见图
12-1和表12-1、12-2、12-3、12-4、12-5。
➢JLBM-1系统的特点是零件类别按名称类别矩阵划分，便于
检索，码位适中，又有足够的描述信息的容量。
➢202日1/6/本10 KK系统。

有液体静压导轨、空气静压导轨。
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铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
超塑性 气压成形
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精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高 精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。
椭圆凹模
圆角凹模
三种光洁冲裁凹模结构
倒角刃口
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精密冲裁
负间隙冲裁
带齿圈压板精冲
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辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率 高、质量好、材料消耗少。
辊锻轧制
辗环轧制
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气冲造型
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消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
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特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
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机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
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3.2.1 精密洁净铸造成形