1、 先進制造技術(shù)與其發(fā)展趨勢0 .前言31. 先進制造技術(shù)的概述32. 先進制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)43. 先進制造技術(shù)的現(xiàn)狀54. 先進制造的發(fā)展趨勢75. 柔性制造技術(shù)105.1柔性105.2柔性制造技術(shù)115.2.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）115.2.2 柔性制造單元（FMC）125.2.3 柔性制造線（FML）125.2.4 柔性制造工廠（FMF）126 .計算機集成制造系統(tǒng)136.1 CIMS 系統(tǒng)的功能組成136.2 CIMS 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢分析146.2.1 保障和提高了新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量146.2.2 縮短了新產(chǎn)品的上市周期156.2.3 經(jīng)營管理科學(xué)化, 同時降低了產(chǎn)品的成本157 超

2、精密加工技術(shù)157.1 超精密加工的技術(shù)疇167.2 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)177.2.1 主軸177.2.2 直線導(dǎo)軌177.2.3 傳動系統(tǒng)187.2.4 超精密測控技術(shù)187.2.5 微進給技術(shù)197.2.6 超精密環(huán)境控制技術(shù)207.2.7 加工原理217.3 結(jié)論218 結(jié)語220 .前言制造業(yè)是現(xiàn)代國民經(jīng)濟和綜合國力的重要支柱, 在國民經(jīng)濟建設(shè)、社會進步、科技發(fā)展與國家安全中占有重要戰(zhàn)略地位, 其生產(chǎn)總值一般占一個國家國生產(chǎn)總值的20% 55%。世界各國經(jīng)濟實力的競爭, 主要是先進制造技術(shù)的競爭, 其競爭能力又體現(xiàn)在所生產(chǎn)產(chǎn)品的市場占有率上。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展以與顧客需求和市場環(huán)境的

3、不斷變化, 這種競爭日趨激烈, 因而各國政府都非常重視對先進制造技術(shù)( advancedmanufactuing technology, 先進制造技術(shù))的研究。1.先進制造技術(shù)的概述先進制造技術(shù), 往往用先進制造技術(shù)來概括由于微電子技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)等給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說, 先進制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果, 并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程, 以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn), 提高對動態(tài)多變的市場的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比, 當(dāng)代的先進制造技術(shù)以

4、其高效率、高品質(zhì)和對于市場變化的快速響應(yīng)能力為主要特征。先進制造技術(shù)是生產(chǎn)力的主要構(gòu)成因素, 是國民經(jīng)濟的重要支柱。它擔(dān)負著為國民經(jīng)濟各部門和科學(xué)技術(shù)的各個學(xué)科提供裝備、工具和檢測儀器的重要任務(wù), 成為國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)賴以生存和發(fā)展的/ 土壤0。尤其是一些尖端科技, 如航空、航天、微電子、光電子、激光、分子生物學(xué)和核能等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展, 如果沒有先進制造技術(shù)作為基礎(chǔ), 是根本不可能的。2.先進制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)先進制造技術(shù)主要包括以下3個技術(shù)群(圖1):a) 主體技術(shù)群: 這是制造技術(shù)的核心, 它包括兩個基本部分: 有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)和工藝技術(shù)。1) 面向制造的設(shè)計技術(shù)群。面向制造的設(shè)計技術(shù)

5、群系指用于生產(chǎn)準(zhǔn)備的工具群和技術(shù)群。設(shè)計技術(shù)對新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)費用、產(chǎn)品品質(zhì)以與新產(chǎn)品上市時間都有很大影響。產(chǎn)品和制造工藝的設(shè)計可以采用一系列工具, 例如計算機輔助設(shè)計( CAD) 以與工藝過程建模和仿真等, 生產(chǎn)設(shè)施、裝備和工具, 甚至整個制造企業(yè)都可以采用先進技術(shù)進行有效地設(shè)計。2) 制造工藝技術(shù)群( 制造技術(shù)環(huán)境)。制造工藝技術(shù)群是指用于物質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程與設(shè)備。制造工藝技術(shù)群是有關(guān)加工和裝配的技術(shù), 也是制造技術(shù)的傳統(tǒng)領(lǐng)域。b) 支撐技術(shù)群: 支撐技術(shù)群是指支持設(shè)計和制造工藝兩方面取得進步的基礎(chǔ)性的核心技術(shù)。基本的生產(chǎn)過程需要一系列的支撐技術(shù), 如: 測試和檢驗、物料搬運、生產(chǎn)計劃的控制

6、以與包裝等。它們也是用于保證和改善主體技術(shù)的協(xié)調(diào)運行所需的技術(shù), 是工具、手段和系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)技術(shù)。支撐技術(shù)群包括:1) 信息技術(shù): 接口和通信、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、集成框架、軟件工程人工智能、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策支持系統(tǒng);2) 標(biāo)準(zhǔn)和框架: 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、3) 機床和工具技術(shù);4) 傳感器和控制技術(shù): 單機加工單元和過程的控制、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和傳感器組合、生產(chǎn)作業(yè)計劃;5) 其他。c) 制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施: 制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施是指為了管理好各種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)群的開發(fā)并鼓勵這些技術(shù)在整個國家制造行業(yè)推廣應(yīng)用而采取的各種方案和機制。制造技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施是使先進的制造技術(shù)與企業(yè)組織管理體制

7、和使用技術(shù)的人員協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)工程, 是先進制造技術(shù)不可分割的一個組成部分。圖1 AM T 體系結(jié)構(gòu)3.先進制造技術(shù)的現(xiàn)狀先進制造技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)和工業(yè)創(chuàng)新的集成和典, 是國家制造業(yè)水準(zhǔn)的主要標(biāo)志, 是國家工業(yè)的基礎(chǔ)和支柱。目前, 世界各工業(yè)發(fā)達國家已充分認識到發(fā)展先進制造技術(shù)的重要性和緊迫感, 紛紛對此進行廣泛深入的研究, 展開了激烈的競爭。各種創(chuàng)新成果和先進技術(shù)不斷涌現(xiàn)。它們主要包括: 計算機集成制造系統(tǒng)( computer integrated manufacturing system,CIMS), 敏捷制造( agile manu factur ing, AM), 并行工程( concu

8、rrent engineer ing, CE ), 虛擬制造( virtua lmanufactur2ing, VM)以與可持續(xù)發(fā)展技術(shù)等等。a) CIMS是現(xiàn)代信息技術(shù)條件下的新一代制造系統(tǒng)。它以計算機來輔助制造系統(tǒng)的集成, 以充分的、與時的信息交流或信息共享將企業(yè)的設(shè)計、工藝、生產(chǎn)車間以與供銷和管理部門集成為一個有機的整體, 使他們相互協(xié)調(diào)地運作,以提高產(chǎn)品品質(zhì), 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期, 提高生產(chǎn)效率, 確保企業(yè)的整體效益, 提高企業(yè)的競爭能力和生存能力。b) CE是對產(chǎn)品與其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、一體化設(shè)計的一種系統(tǒng)化的工作模式。在傳統(tǒng)的串行開發(fā)過程中, 設(shè)計中的問題或

9、不足, 要分別在加工、裝配或售后服務(wù)中才能被發(fā)現(xiàn), 然后再修改設(shè)計,改進加工、裝配或售后服務(wù)(包括維修服務(wù))。而CE就是將設(shè)計、工藝和制造結(jié)合在一起, 利用計算機互聯(lián)網(wǎng)并行作業(yè), 大大縮短生產(chǎn)周期(圖2)。圖2 串、并行工程時序的比較c) AM 是指企業(yè)實現(xiàn)敏捷生產(chǎn)經(jīng)營的一種制造哲理和生產(chǎn)模式。AM包括產(chǎn)品制造機械系統(tǒng)的柔性、員工授權(quán)、制造商和供應(yīng)商關(guān)系、總體品質(zhì)管理與企業(yè)重構(gòu)。AM是借助于計算機網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu), 構(gòu)造有多個企業(yè)參加的/ VM0環(huán)境, 以競爭合作的原則, 在虛擬制造環(huán)境下動態(tài)選擇合作伙伴, 組成面向任務(wù)的虛擬公司, 進行快速和最佳生產(chǎn)。d) VM是虛擬現(xiàn)實( virtu

10、al reality, VR) 技術(shù)在制造中的應(yīng)用。VM實際上是一種計算機科學(xué)技術(shù), 以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、VR 技術(shù)為支柱, 在產(chǎn)品設(shè)計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前, 就能使人體會到或感覺到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài), 從而可以做出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。VM 技術(shù)是對真實制造過程的動態(tài)模擬、仿真, 是在計算機上制造數(shù)字化產(chǎn)品, 在VM環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進行試驗, 對其性能和可制造性進行預(yù)測和評價, 從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期, 降低產(chǎn)品的開發(fā)成本, 提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場變化的能力。VM技術(shù)是CE, AM, 精益生產(chǎn)的支撐技術(shù), 是品質(zhì)工程實現(xiàn)的有力保證。e) 可持

11、續(xù)設(shè)計是在生態(tài)哲學(xué)的指導(dǎo)下, 將設(shè)計行為納入/ 社會2經(jīng)濟2環(huán)境2人類0的系統(tǒng)中, 既實現(xiàn)社會價值又保護人與自然的共同繁榮, 旨在平衡環(huán)境、社會、經(jīng)濟三方面的設(shè)計實踐和設(shè)計管理?？沙掷m(xù)設(shè)計包含并超越了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計, 并代表了人類對傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的新思考, 是產(chǎn)品設(shè)計學(xué)科的新的發(fā)展方向。目前可持續(xù)設(shè)計并不成熟, 主要設(shè)計工具有生命周期評價( LCA); 面向環(huán)境的設(shè)計(DFE ); 面向材料選擇的設(shè)計(DFMS); 面向拆裝的設(shè)計(DFD); 面向回收的設(shè)計(DFR) 等, 可持續(xù)設(shè)計可以說是人類文明的巨大進步。4.先進制造的發(fā)展趨勢先進制造業(yè)追求的目標(biāo)是: 高品質(zhì)、高效率、高柔性、低成本、低勞

12、動力、低消耗、品種多和規(guī)格全的產(chǎn)品, 因此,ATM的發(fā)展趨勢應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個方面:a) 制造技術(shù)向自動化與智能化方向發(fā)展: 隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展, 推動了制造技術(shù)向更深層次發(fā)展?；贑AD /CAM技術(shù)的CIMS是制造業(yè)自動化的一個重要方向。CIMS 通過CAX ( CAD, CAPP,CAE, CAM)系統(tǒng)和PDM 系統(tǒng), 進行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計、仿真, 并結(jié)合數(shù)字化制造設(shè)備, 進行自動加工。并采用MRPII /ERP系統(tǒng), 對整個企業(yè)的物流、資金流、管理信息流和人力資源進行數(shù)字化管理。智能制造技術(shù)( IMT )是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié), 通過模擬人類專家的智能活

13、動, 取代或延伸制造系統(tǒng)中的部分腦力勞動, 在制造過程中系統(tǒng)能自動監(jiān)測其運行狀態(tài), 在外界干擾或部激勵下能自動調(diào)整其參數(shù), 以達到最佳狀態(tài)和具備自組織能力。例如機器人加工就是將機床與機器人、傳感器、控制器組合而成的智能制造系統(tǒng), 它具有信息處理和知覺反饋、決策能力, 可同時控制指揮多種操作, 從而能提高效率、保證品質(zhì)和降低成本。b) 精密成形與加工: 精密加工、超精密加工技術(shù)、微型機械是先進制造技術(shù) 發(fā)展的方向之一。精密和超精密加工技術(shù)包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以與特種加工和復(fù)合加工(如機械化學(xué)研磨、超聲磨削和電解拋光等) 三大領(lǐng)域。超精密加工技術(shù)己向納米技術(shù)發(fā)展。納米技術(shù)已

14、在納米機械學(xué)、納米電子學(xué)和納米材料技術(shù)得到了應(yīng)用。c) 新型特種加工方法的形成: 特種加工亦稱非傳統(tǒng)加工或現(xiàn)代加工方法, 泛指用電能、光能、熱能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能與特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法。它包括激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束加工技術(shù)、等離子加工技術(shù)、電加工技術(shù)等。今后, 特種加工將從實際出發(fā), 在融合傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)上大力開發(fā)特種加工領(lǐng)域中的新方法, 包括微細加工和復(fù)合加工。d) 制造業(yè)中廣泛應(yīng)用VM 技術(shù)和柔性制造技術(shù): 制造過程中的VM 是指面向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的模擬和檢驗。VM的核心是計算機仿真, 通過仿真軟件來模擬真實系統(tǒng), 以保證產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品工

15、藝的合理性, 保證產(chǎn)品制造的成功和生產(chǎn)周期, 發(fā)現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)中不可避免的缺陷和錯誤。所謂柔性, 是指一個制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力, 它與系統(tǒng)方案、人員和設(shè)備有關(guān)。系統(tǒng)方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務(wù), 完成數(shù)量和時間要求的適應(yīng)能力。設(shè)備柔性是指機床能在短期適應(yīng)新零件的加工能力。e) 網(wǎng)絡(luò)化和全球化: 隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展和普與, 企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、零件制造、市場開拓與產(chǎn)品銷售等都可以異地或跨越國界進行。此外, 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展, 加速技術(shù)信息的交流、加強產(chǎn)品開發(fā)的合作和經(jīng)營管理的學(xué)習(xí), 推動了企業(yè)向著既競爭又合作的方向發(fā)展。因

16、此制造業(yè)發(fā)展的必然是由網(wǎng)絡(luò)化迅速向全球化邁進。f) 實施無污染綠色制造: 綠色制造是通過綠色生產(chǎn)過程、綠色設(shè)計、綠色材料、綠色設(shè)備、綠色工藝、綠色包裝、綠色管理等生產(chǎn)出綠色產(chǎn)品, 產(chǎn)品使用完以后再通過綠色處理后加以回收利用。采用綠色制造能最大限度地減少制造對環(huán)境的負面影響, 同時使原材料和能源的利用效率達到最高。對于目前世界資源緊, 環(huán)境惡化的現(xiàn)狀以與人類的持續(xù)發(fā)展的要求來講, 綠色制造是必然的趨勢。5. 柔性制造技術(shù)5.1柔性柔性可以表述為兩個方面。第一方面是系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力，可用系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度來衡量；第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)部變化的能力，可用在有干擾(如機器出現(xiàn)故障)情況下，

17、系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比來衡量?！叭嵝浴笔窍鄬τ凇皠傂浴倍缘模瑐鹘y(tǒng)的“剛性”自動化生產(chǎn)線主要實現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。其優(yōu)點是生產(chǎn)率很高，由于設(shè)備是固定的，所以設(shè)備利用率也很高，單件產(chǎn)品的成本低。但價格相當(dāng)昂貴，且只能加工一個或幾個相類似的零件，難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時代正逐漸被適應(yīng)市場動態(tài)變化的生產(chǎn)所替換，一個制造自動化系統(tǒng)的生存能力和競爭能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開發(fā)周期，生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。柔性已占有相當(dāng)重要的位置。柔性主要包括：機器柔性。當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時，機器隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程

18、度。工藝柔性。一是工藝流程不變時自身適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力；二是制造系統(tǒng)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。產(chǎn)品柔性。一是產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；二是產(chǎn)品更新后，對老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力。維護柔性。采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進行的能力。生產(chǎn)能力柔性。當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)也能經(jīng)濟地運行的能力。對于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng)，這一點尤為重要。擴展柔性。當(dāng)生產(chǎn)需要的時候，可以很容易地擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個更大系統(tǒng)的能力。運行柔性。利用不同的機器、材料、工藝流程來生產(chǎn)一系列產(chǎn)品的能力和同樣的產(chǎn)品，換用不同工序

19、加工的能力。5.2柔性制造技術(shù)柔性制造技術(shù)是對各種不同形狀加工對象實現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的總和。柔性制造技術(shù)是技術(shù)密集型的技術(shù)群，我們認為凡是側(cè)重于柔性，適應(yīng)于多品種、中小批量(包括單件產(chǎn)品)的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)。目前，按規(guī)模大小劃分為：5.2.1柔性制造系統(tǒng)（FMS）FMS 包含2 臺以上具有自動刀具交換和自動工件托盤交換裝置的數(shù)控機床，以加工中心為核心設(shè)備，配有自動物料傳遞和管理系統(tǒng)，如有軌運輸小車或自動導(dǎo)引運輸小車，并在中央計算機統(tǒng)一控制和管理下，動態(tài)地平衡資源地有效利用，具有生產(chǎn)調(diào)度和對加工過程的實時監(jiān)控能力，可動態(tài)地實現(xiàn)多種零件族的自動加工。5.2.2柔性制造單元（

20、FMC）FMC 可視為一個規(guī)模最小的FMS，是FMS 向廉價化與小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它由12 臺加工中心、工業(yè)機器人、數(shù)控機床與物料運送存貯設(shè)備構(gòu)成，其特點是實現(xiàn)單機柔性化與自動化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性，現(xiàn)已進入普與應(yīng)用階段。5.2.3柔性制造線（FML）FML 是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS 之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC 機床，亦可采用專用機床或NC 專用機床，對物料搬運系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS) 為代表，其特點是實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化與自動化，

21、其技術(shù)已日臻成熟，現(xiàn)已進入實用化階段。5.2.4柔性制造工廠（FMF）FMF 是將多條FMS 連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機系統(tǒng)進行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計、加工、裝配、檢驗、運送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）投入實際，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化與自動化，進而實現(xiàn)全廠圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工與物料貯運進程的全盤化。FMF 將制造、產(chǎn)品開發(fā)與經(jīng)營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)（IMS）為代表，其特點是實現(xiàn)工廠柔性化與自動化。6 .計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufactu

22、ring Systems,簡稱CIMS), 是隨著計算機輔助設(shè)計與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。它借助于計算機的硬件、軟件技術(shù), 綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)。對企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)、管理、計劃、調(diào)度、經(jīng)營、銷售等整個生產(chǎn)過程中的信息進行統(tǒng)一處理, 并對分散在產(chǎn)品設(shè)計制造過程中各種孤立的自動化子系統(tǒng)的功能進行有機地集成,并優(yōu)化運行, 從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本。它是工廠自動化的發(fā)展方向, 未來制造業(yè)工廠的模式, 是當(dāng)代生產(chǎn)自動化領(lǐng)域的前沿學(xué)科, 也是集中多種高新技術(shù)為一體的現(xiàn)代化制造技術(shù)。6.1CIMS 系統(tǒng)的功能組成一般CIMS 有六部分組成(1)管理信息

23、系統(tǒng)(MIS): 具有生產(chǎn)計劃與控制、經(jīng)營管理、銷售管理、采購管理、財務(wù)管理等功能, 處理生產(chǎn)任務(wù)方面的信息。(2)工程設(shè)計應(yīng)用分系統(tǒng)(CAD&CAPP): 由計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工藝編制和數(shù)控程序編制等功能組成, 用以支持產(chǎn)品的設(shè)計和工藝準(zhǔn)備, 處理有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的信息。(3)車間管理與自動化應(yīng)用分系統(tǒng)(CAM): 也可以稱為計算機輔助制造分系統(tǒng), 它包括各種不同自動化程度的制造設(shè)備和子系統(tǒng), 用來實現(xiàn)信息流對物流的控制和完成物流的轉(zhuǎn)換。它是信息流和物流的接合部, 用來支持企業(yè)的制造功能。(4)計算機輔助質(zhì)量保障分系統(tǒng)(CAQ): 具有制訂質(zhì)量管理計劃、實施質(zhì)量管理、處理質(zhì)量

24、方面信息、支持質(zhì)量保證等功能。(5)數(shù)據(jù)庫存管理分系統(tǒng): 用以管理整個CIMS 的數(shù)據(jù), 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與共享。(6)計算機與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng): 用以傳遞CIMS 各分系統(tǒng)之間和分系統(tǒng)部的信息, 實現(xiàn)CIMS 的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能。它們的聯(lián)接關(guān)系如圖1 示:6.2CIMS 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢分析6.2.1保障和提高了新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量CIMS(包括并行工程和虛擬制造技術(shù)等)使企業(yè)提高了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的深度, 大大有利于提高企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量。CIMS 建立了企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理全方位的計算機集成制造環(huán)境, 做到了企業(yè)信息流、物流、資金流的集成。市場綜合反饋信息在CIMS(MIS部分: 管理

25、信息分系統(tǒng))的支持下, 迅速反饋到CIMS程設(shè)計自動化分系統(tǒng)(CAD/CAPP /CAM/CAE), 產(chǎn)品設(shè)計人員在PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)、CAD 等系統(tǒng)支持下, 綜合產(chǎn)品過去設(shè)計成果與各項信息(包括零部件明細、價格、供貨質(zhì)量、生產(chǎn)加工能力等), 在MIS 過來的市場綜合反饋信息地推動下, 就能不斷設(shè)計出更加滿足市場需求的高爭論、低成本、適銷對路的產(chǎn)品6.2.2縮短了新產(chǎn)品的上市周期CIMS 是一個集成化的生產(chǎn)模式, 覆蓋了市場分析、經(jīng)營決策、新產(chǎn)品研制、工程設(shè)計、加工制造、庫存供應(yīng)、質(zhì)量保證、銷后服務(wù)等整個制造業(yè)的活動, 并力圖實現(xiàn)三流集成。在這種環(huán)境支持下, 通過企業(yè)信息的快速流動, 加速

26、了產(chǎn)品的設(shè)計周期。同時, 由于在設(shè)計時參考了產(chǎn)品的可制造性等特性, 在MIS 與制造自動化系統(tǒng)的支持下, 也極提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售分派效率, 這些都保證了企業(yè)新產(chǎn)品上市周期的顯著改善。6.2.3經(jīng)營管理科學(xué)化, 同時降低了產(chǎn)品的成本在經(jīng)營管理方面, 使企業(yè)的經(jīng)營決策和生產(chǎn)管理趨于科學(xué)化。使企業(yè)能夠在市場競爭中, 快速、準(zhǔn)確地報價, 贏得時間; 在實際生產(chǎn)中,解決“瓶頸”問題, 減少再制品, 同時, 降低了庫存資金的占用。調(diào)查材料表明, 采用計算機集成制造系統(tǒng)后, 企業(yè)新產(chǎn)品的各項因素發(fā)生了明顯的變化,。7 超精密加工技術(shù)超精密加工是在超精密機床設(shè)備上利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴格約束的相對

27、運動對材料進行微量切削，以獲得極高形狀精度和極低表面粗糙度的加工過程，其精度從微米到亞微米，乃至納米。它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。而且，超精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進了機械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測量技術(shù)以與材料科學(xué)的發(fā)展。7.1 超精密加工的技術(shù)疇由于加工技術(shù)水平的發(fā)展，超精密加工劃分的界限逐漸向前推移，但在具體數(shù)值上沒有固定的界定。根據(jù)目前技術(shù)水平與國外專家的看法，對中小型零件的加工形狀誤差和表面粗糙度Ra的數(shù)量級可分為以下檔次。精密加工: =1.00.1 m，Ra=0.10.03 m；超精密加工： =0.10.01 m，Ra=0.03

28、0.005 m；納微米加工： <0.01 m，Ra<0.005 m。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工技術(shù)日趨成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微細加工、超精密計量等，并向更高層次發(fā)展。超精密加工的影響因素很多，只有廣泛研究和綜合采用各種新技術(shù)，并在各方面精益求精，才能突破目前常規(guī)加工技術(shù)不能達到的精度界限。實現(xiàn)超精密切削加工的條件主要包括超精密加工機床、超精密切削刀具、超精密加工環(huán)境、超精密加工的工件材質(zhì)、超精密加工用夾具和超精密測控技術(shù)等多項技術(shù)。超精密加工技術(shù)實際上就是這些技術(shù)的綜合應(yīng)用。7.2 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)7.2.1主軸機床的主軸在加工過程中直接

29、帶動工件或刀具運動，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度。現(xiàn)在超精密加工機床中精度最高的主軸采用的是空氣靜壓軸承，其實用精度可達0.05 m，但還不能滿足納米級加工的要求。近年來磁懸浮軸承的發(fā)展非常迅速，有望在未來有所突破，但目前還達不到空氣靜壓軸承的精度。而提高空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度的途徑之一是提高軸與軸套的圓度，因為理論上這兩者是成正比的。另外，還要想辦法提高氣孔供氣的平穩(wěn)性。通過多孔粉末冶金材料的小孔供氣是理想的供氣形式，有待進一步研究。此外，還可以利用控制技術(shù)以補償?shù)男问絹頊p小或消除回轉(zhuǎn)誤差。7.2.2直線導(dǎo)軌總的來說，從精度角度看，空氣導(dǎo)軌是現(xiàn)在最好的導(dǎo)軌。雖然它沒有液體靜壓導(dǎo)軌的

30、剛性大，但氣浮導(dǎo)軌優(yōu)點也很明顯，如無需進行油溫控制，對環(huán)境沒有污染。此外，納米級精度加工機床的負荷和行程沒有那么大，所以應(yīng)優(yōu)先考慮空氣導(dǎo)軌。目前，空氣導(dǎo)軌的直線度可達（0.10.2）m/250 mm，國303所也可做到0.1 m/200 mm的水平。納米水平的機床導(dǎo)軌行程比上述要短，通過補償技術(shù)還可進一步提高導(dǎo)軌的直線度。國防科技大學(xué)利用二維微進給裝置補償導(dǎo)軌直線度，取得了較好的效果，可補償?shù)?.1 m/300 mm 的精度水平。在導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計上還有潛力可挖，如采用多根導(dǎo)軌并聯(lián)來加強氣膜的誤差勻化作用，加大氣墊式導(dǎo)軌跨度來縮小直線度誤差等。由于空氣導(dǎo)軌的氣膜厚度大概只有10 m，在使用過程中

31、防塵顯得很重要，若不保證潔凈的環(huán)境，導(dǎo)軌有可能因為灰塵而受損傷，這種損傷常常是難以修復(fù)的。7.2.3傳動系統(tǒng)傳統(tǒng)進給裝置的主要任務(wù)之一是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，主要使用滾珠絲杠。與軸承一樣，為了克服摩擦引起的爬行和反向間隙現(xiàn)象，出現(xiàn)了靜壓絲杠。由于介質(zhì)膜的均化作用，目前的空氣靜壓絲杠分辨率可達到0.01 m，進給精度比C0級滾珠絲杠高2個數(shù)量級，但剛度有所欠缺。所以，又出現(xiàn)了傳動原理類似齒輪齒條傳動的摩擦傳動，它能夠?qū)崿F(xiàn)無反向間隙的傳動，同時因為結(jié)構(gòu)非常簡單，彈性變形因素較小。目前，已有的摩擦傳動分辨率能達到1.25 nm，定位精度能達到0.1 m，而根據(jù)其原理，采用高分辨率的電機還可以使這

32、兩個數(shù)值進一步減小。微進給機構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它一般被用作補償工具。用壓電瓷驅(qū)動、彈性鉸鏈支撐的微位移機構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。7.2.4超精密測控技術(shù)在距離的測量儀器中，雙頻激光干涉儀測量精度高、測量圍大，但對環(huán)境的要求過高，在使用中有很多困難。近年來，微光學(xué)器件的發(fā)展使光柵技術(shù)有了很大的進步。德國Heidenhain 的超精密光柵尺被世界各超精密設(shè)備廠家選用。在小距離的測量儀器中，電容式、電感式測微儀仍是主要的設(shè)備，光纖測微儀也發(fā)展很快。在更小測量圍的測量儀器中有掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡，這些儀器可進行納米級的測量，常用于表面質(zhì)量檢測。測量儀器的穩(wěn)定

33、性和可靠性也是超精密測量中的一項十分重要的指標(biāo)。7.2.5微進給技術(shù)微進給機構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它一般被用來微進給或作補償工具。壓電瓷材料具有較好的微位移特性和可控制性。以壓電瓷為驅(qū)動器的基于彈性鉸鏈支撐的微位移機構(gòu)目前是用得最多的。美國LODTM機床上用的快速刀具伺服機構(gòu)（FTS）在±1.27 m圍分辨率達2.5 nm，頻響可達100 Hz，可進行主軸回轉(zhuǎn)誤差的補償（轉(zhuǎn)速在150 r/min 以下）。日本東京工業(yè)大學(xué)用壓電瓷微進給機構(gòu)補償氣浮導(dǎo)軌運動直線度，可將直線度提高到0.14 m/600 mm。國防科技大學(xué)利用自研的二維微進給刀具進行二坐標(biāo)工作臺定位誤差的補償，獲

34、得了較好的效果。在機床跟蹤半徑50 mm的圓時，定位誤差從0.7 m 提高到0.033 m。這種微進給機構(gòu)在行程是5 m時分辨率可達5 nm。目前希望解決的是提高這種機構(gòu)的頻響和剛度，對于主軸回轉(zhuǎn)誤差的補償來說100 Hz的頻響是不夠的。開環(huán)控制可提高系統(tǒng)的頻響，但會犧牲剛性和精度。利用補償技術(shù)來提高機床的精度是一種有效的手段。7.2.6超精密環(huán)境控制技術(shù)為了適應(yīng)超精密加工的需要，達到微米甚至納米級的加工精度，必須對它的支撐環(huán)境加以嚴格的控制，主要包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動環(huán)境、聲環(huán)境和磁環(huán)境等?？諝猸h(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)是潔凈度，一般超精密加工要求的潔凈度在1 000100級，即每立方米空間

35、0.5 m大小的塵埃不多于35×1 00035×100個(1ft3的空間0.5 m大小的塵埃不多于1 000100個)。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，對空氣潔凈度提出了更加苛刻的要求，美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209D上增加了1級和10級的潔凈度級別。熱環(huán)境與加工精度有密切關(guān)系，熱環(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)為溫度和濕度。普通金屬在溫度變化1 時的熱膨脹量約為1.6 m，所以為進行亞微米精度的加工，溫度變動圍應(yīng)控制在±0.05 ，相對濕度控制在35%45%為宜。目前，實用的溫度控制技術(shù)最高水平為美國的恒溫油噴淋技術(shù)，可實現(xiàn)20±0.002 5 的溫度控制。振動是影響超精密加工精度的又一重要因素。利用良好的隔振地基和空氣隔振墊，可以隔離絕大部分“常時振動”，是目前應(yīng)用較多的隔振手段。另外，還應(yīng)考慮設(shè)備運動件的動平衡或振動隔離，消除或減少部振源，盡量遠離外部振源。通過綜合努力，70 Hz以下的振動幅度小于1 m，滿足超精密加工的要求。7.2.7加工原理超精密加工的精度要求越來越高，機床相對工件的精度裕度已很小。在這種情況下，只是靠改進原來的技術(shù)是很難提