第十二章特種加工、工業(yè)機(jī)器人及

塑料成形第一節(jié)特種加工一、電火花加工1.電火花加工加工原理電火花加工(ElectricalDischargeMachining，簡稱EDM)又稱電腐蝕加工。電火花加工其實就是一個電蝕過程，該過程的四個階段是絕緣液體介質(zhì)電離→火花放電通道形成→金屬熔化或汽化→金屬微粒脫離工件表面。電火花加工工作原理如圖12-1（a）所示。每次火花放電后，工件表面就形成一個微小的凹坑。此過程連續(xù)不斷，周而復(fù)始，隨著工具電極不斷向工件送進(jìn)，結(jié)果在工件表面重疊起無數(shù)個電蝕出的小凹坑(如圖12-1（b）)，從而將工具電極的輪廓形狀精確地“復(fù)印”在工件電極上，獲得所需尺寸和形狀的表面。2.工藝特點及應(yīng)用電火花加工是特種加工中應(yīng)用最為廣泛的，主要特點是加工適應(yīng)性強(qiáng)，任何硬、脆、軟的材料和高耐熱材料，只要導(dǎo)電都能加工，電火花加工的主要應(yīng)用在以下幾個方面。①電火花穿孔加工適用于型孔(圓孔、方孔、多邊孔、異形孔)、深孔、斜孔、彎孔以及小孔和微孔加工。②電火花型腔加工主要用于鍛造模、擠壓模、壓鑄模等模具型腔的加工，其加工尺寸范圍大(小至汽車齒輪、大至汽車曲軸用的鍛造模)。電火花型腔加工還包括型面加工和電火花表面雕刻等。③電火花鏜削、電火花磨削、電火花表面強(qiáng)化等。圖12-2電火花加工應(yīng)用實例二、線切割加工1.線切割加工的原理電火花線切割加工是在電火花成形加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其成形原理是利用細(xì)金屬絲(多用φ0.02mm～φ0.03mm的鉬絲)作工具電極，電極由數(shù)控裝置控制按預(yù)定軌跡進(jìn)行脈沖放電切割加工，故又稱線切割。左圖原理圖。電火花線切割機(jī)床的分類快走絲電火花線切割機(jī)床2.線切割加工的特點及應(yīng)用電火花線切割加工的特點：（1）輪廓加工所需加工的余量少，有效地節(jié)約貴重的材料。（2）采用乳化液或去離水的工作液，不必?fù)?dān)心發(fā)生火災(zāi)，可以晝夜無人連續(xù)加工。（3）無論被加工工件的硬度如何，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的材料都能實現(xiàn)加工。（4）可無視電極絲損耗，加工精度高。（5）依靠微型計算機(jī)控制電極絲軌跡和間隙補(bǔ)償功能，同時加工凹凸兩種模具時，間隙可任意調(diào)節(jié)。（6）任何復(fù)雜開頭的零件，只要能編制加工程序就可以進(jìn)行加工，因而很適合小批零件和試制品的生產(chǎn)加工，加工周期短，應(yīng)用靈活。電火花線切割機(jī)床的分類慢走絲電火花線切割機(jī)床三、電解加工1.電解加工原理電解加工(ElectrochemicalMachining，簡稱ECM)是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)腐蝕原理，將工件加工成形的，所以又稱電化學(xué)加工。電解加工(ECM)（如圖12-4（a）），即工件陽極失去電子而工具陰極得到電子，使工件陽極表面金屬迅速溶解。隨著工具陰極連續(xù)緩慢向工件陽極送進(jìn)，工件則不斷地按工具輪廓形狀溶解(如圖12-4（b）)，電解腐蝕物被高速流動的電解液沖走，最終工具的形狀就“復(fù)印”在工件上。圖12-4電解加工2.工藝特點及應(yīng)用電解加工對工件材料的適應(yīng)性強(qiáng)，不受強(qiáng)度、硬度、韌性的限制，可以加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼和耐熱合金等高強(qiáng)度、高硬度和高韌性的導(dǎo)電材料；加工過程中無機(jī)械力，加工表面不會產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變，也沒有飛邊毛刺，故表面質(zhì)量好。電解加工是繼電火花加工之后發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種新工藝。其主要應(yīng)用表現(xiàn)在幾個方面。①電解穿孔加工，它可以方便地加工深孔、彎孔、狹孔和各種型孔(如圖12-5（a))

②電解型腔加工，生產(chǎn)中大多數(shù)模具的型腔形狀復(fù)雜、工作條件惡劣、損耗嚴(yán)重，所以常用硬度、強(qiáng)度高的材料制成，此時若采用電火花加工，雖加工精度容易控制，但生產(chǎn)率較低。近年來，對于加工精度要求不太高的礦山機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)所需鍛模的型腔常采用電解加工（如圖12-5（c）。③電解成形加工的典型實例有汽輪機(jī)葉片、傳動軸與葉片一體（如圖12-5（e）的葉輪等。④電解加工還常用于切割、套料（如圖12-l4（b）、（d））以及深孔的擴(kuò)孔和拋光等。四、超聲加工1.超聲加工原理超聲加工(UltrasonicMachining，簡稱USM)有時也稱超聲波加工。超聲波是指頻率超過16000Hz的振動波(入耳能感受到的聲波的頻率為16Hz～16000Hz)。超聲波加工是將工件置于有磨料的懸浮液中，利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種成形方法，加工原理如圖12-6所示。圖12-6超聲波加工示意圖2.工藝特點及應(yīng)用超聲波加工適宜加工各種硬脆材料，尤其適宜加工用電火花和電解難以加工的不導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料，如寶石、瑪瑙、金剛石、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬硬脆材料；(如圖12-7所示)。此外，超聲加工還常用于焊接和清洗中。圖五、激光加工1.激光加工原理激光是激光器發(fā)射出的光束。激光也是一種光，除了具有一般光(如太陽光、燈光)的共性(如反射、折射等)還具有自身的特性。激光加工是用激光為熱源，對材料進(jìn)行熱加工。激光的主要特性之一是可以通過聚焦產(chǎn)生巨大的功率密度(105W／cm2～1013W／cm2)，焦點處溫度高達(dá)1萬度以上。激光加工(LaserBeamMachining，簡稱LBM)正是利用了該特性，將高能激光束照射在工件的被加工處(圖12-8)來完成加工的。其加工過程如下圖所示：圖圖12-8激光加工原理示意圖圖2.工藝特點及應(yīng)用自20世紀(jì)60年代初，世界上發(fā)明了第一臺紅寶石激光器以來，激光加工逐漸成為機(jī)械加工中最有競爭力的重要加工方法之一。激光加工在制造業(yè)中的應(yīng)用主要有以下幾種。①激光打孔，利用激光幾乎可以在任何材料上打微型小孔，最典型的應(yīng)用實例是金剛石拉絲模孔、鐘表上寶石軸承孔、化學(xué)纖維噴絲頭的小噴孔、火箭及柴油發(fā)動機(jī)的噴油嘴孔等的加工。激光打孔加工效率很高，在直徑為Ф100mm的噴絲板上，用數(shù)控激光加工只要2h～3h就能打出1萬多個直徑為Ф0.06mm的小孔。在金剛石拉絲模上用機(jī)械方法打孔所需24h完成的工作，用激光打孔只需2s，提高工效43200倍。適用于自動化和流水作業(yè)線生產(chǎn)。圖②激光切割，激光是一種高質(zhì)量、高速度切割的有效工具。激光切割加工原理與激光打孔相同，是一種熱切割方法，其切縫窄(0.1mm～0.5mm)，熱影響區(qū)小。③激光表面強(qiáng)化處理，這是一項新的表面處理技術(shù)，通過對金屬制品表面的強(qiáng)化，可以顯著地提高材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，從而大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和附加值，成倍延長產(chǎn)品壽命和降低生產(chǎn)成本，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。。④激光焊接，它是利用激光束“轟擊”焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的一種熔焊方法。焊接所需加熱時間(即激光照射時間)極短，約為1／100秒左右。焊接過程迅速，熱影響區(qū)小，焊縫質(zhì)量高。第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展，是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)。它是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)。在我國，工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了，已經(jīng)基本實現(xiàn)了試驗、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。一、機(jī)器人的定義及分類1984年末著名科學(xué)家錢學(xué)森指出：“所謂機(jī)器人，就是指那些有特定功能的自動機(jī)，它是機(jī)電一體化的，具有人工智能因素的80年代高技術(shù)，是新技術(shù)革命的重要內(nèi)容之一?！边@是最有權(quán)威和精辟歸納的定義，也為20年來的實踐所證實其遠(yuǎn)見卓識。根據(jù)機(jī)器人的不同用途，可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等多種類型。機(jī)械制造自動化生產(chǎn)線上常用的機(jī)器人主要是工業(yè)機(jī)器人，如焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。汽車裝配機(jī)器人

空間機(jī)器人

水下掃雷機(jī)器人

偵察機(jī)器人

保安機(jī)器人

娛樂機(jī)器人

導(dǎo)游機(jī)器人

二、工業(yè)機(jī)器人1.工業(yè)機(jī)器人的定義

全世界對“機(jī)器人”這個術(shù)語有各種各樣的定義。由美國工業(yè)機(jī)器人學(xué)會提供的定義是：工業(yè)機(jī)器人是一種可以重復(fù)編程的多功能機(jī)械手，主要用來搬運(yùn)材料、傳送工件和操作工具；也可以說它是一種可以通過改變動作和程序來完成各種工作的特殊裝置。ISO曾于1987年對工業(yè)機(jī)器人給出定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制操作和移動功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)采用此定義。ISO的定義也與美國工業(yè)機(jī)器人學(xué)會(RIA)的定義相近。其實工業(yè)機(jī)器人也是一類機(jī)器人的總稱。依具體應(yīng)用的不同以其主要用途命名。例如到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的焊接機(jī)器人，包括點焊和電弧焊機(jī)器人，裝配機(jī)器人，噴漆機(jī)器人，搬運(yùn)、上下料、碼垛機(jī)器人等等。2.工業(yè)機(jī)器人的組成圖12-9工業(yè)機(jī)器人基本組成框圖目前使用的工業(yè)機(jī)器人多用于代替人上肢的部分功能，按給定程序、軌跡和要求，實現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)和操作。工業(yè)機(jī)器人由兩大部分組成：一部分是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也稱為機(jī)器人操作機(jī)，它完成機(jī)器人的操作和作業(yè)；另一部分是機(jī)器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個機(jī)器人系統(tǒng)的管理等功能。圖12-9是工業(yè)機(jī)器人的基本組成框圖。圖12-10是一個工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的示意圖，這個系統(tǒng)主要的組成部分有。(1)執(zhí)行系統(tǒng)。①手部。②腕部。③臂部。④立柱用來支撐并帶動臂部作回轉(zhuǎn)、升降和俯仰運(yùn)動，擴(kuò)大臂部的活動范圍，是機(jī)器人的基本支撐件。⑤行走機(jī)構(gòu)的作用是可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動空間，實現(xiàn)整機(jī)運(yùn)動。（a）系統(tǒng)外形（b）結(jié)構(gòu)示意圖控制系統(tǒng)機(jī)器人操作機(jī)周邊設(shè)備行走系統(tǒng)機(jī)座機(jī)身手臂臂部腕部驅(qū)動系統(tǒng)圖12-10工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)（2）驅(qū)動系統(tǒng)。它是用來為操作機(jī)及各部件提供動力和運(yùn)動的裝置。（3)控制系統(tǒng)。它是用來控制驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行系統(tǒng)按照預(yù)定的要求進(jìn)行工作。(4)檢測機(jī)構(gòu)。它是利用各種檢測器、傳感器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度、方向、作用力及溫度等進(jìn)行監(jiān)視和檢測，并反饋給控制系統(tǒng)以判斷運(yùn)動是否符合要求。(5)周邊設(shè)備。這里泛指工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)所能到達(dá)的工作環(huán)境，協(xié)助機(jī)器人完成工作任務(wù)，或者對機(jī)器人正常工作產(chǎn)生影響的各種設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)器人的關(guān)鍵和核心部分，它類似于人的大腦，控制著機(jī)器人的全部功能。機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要完成以下四件事情：（1)告訴機(jī)器人要做什么。（2)機(jī)器人接受命令，形成作業(yè)過程的控制策略。（3)完成作業(yè)任務(wù)。（4)保證正確完成作業(yè)，并通報作業(yè)已經(jīng)完成。3.工業(yè)機(jī)器人的控制原理圖12-11機(jī)器人控制的基本原理圖

4.工業(yè)機(jī)器人的分類以下六種方法中任意一種均可作為工業(yè)機(jī)器人分類的標(biāo)準(zhǔn)：(1)手臂的幾何形狀，(2)驅(qū)動方式，(3)控制系統(tǒng)，(4)運(yùn)動軌跡，(5)用途，(6)智能化程度。表12-1是控制系統(tǒng)對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行分類。圖12-12是機(jī)器人手臂動作形態(tài)分類的。（a）圓柱坐標(biāo)型（b）球坐標(biāo)型（c）直角坐標(biāo)型普通型仿人型（d）關(guān)節(jié)型機(jī)器人連桿型上臂肘圖12-12機(jī)器人分類示意圖

5.工業(yè)機(jī)器人語言及編程人們心目中理想的機(jī)器人應(yīng)該能像人一樣自主地進(jìn)行運(yùn)動，但機(jī)器人是機(jī)器，而不是人。工業(yè)機(jī)器人和計算機(jī)一樣，只能做預(yù)先告之的工作，即人是通過程序來告訴機(jī)器人該做什么和怎么做，這和計算機(jī)編制程序的概念是一致的。

早期的機(jī)器人編程是人通過手把手地示教方式進(jìn)行的，示教時用多通道記錄儀記錄下機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動(角度、速度、力矩)信號，然后將信號輸給機(jī)器人讓它重復(fù)(即再現(xiàn))與各個關(guān)節(jié)運(yùn)動相同的運(yùn)動。這個過程很像用攝像機(jī)攝像后再重放的過程。這種方式在機(jī)器人術(shù)語中叫做示教再現(xiàn)(teachingplay-back)。后來，一種用來描述機(jī)器人運(yùn)動的形式語言出現(xiàn)了，這就是機(jī)器人語言(robotlanguage)。

6.工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用美國從20世紀(jì)50年代后期就大力開發(fā)工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人廣泛使用的主要原因是：將操作人員從骯臟、危險和單調(diào)的工作中解放出來，且使用安全；提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)省材料和能源，從而降低成本；提高產(chǎn)品的一致性和可靠性，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的自動化，使之獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。焊接系統(tǒng)機(jī)器人圖12-13典型弧焊機(jī)器人

圖12-14電動噴涂機(jī)器人第三節(jié)塑料成形

1.注射成型注射成型是使熱塑性或熱固性模塑料先在加熱料筒中均勻塑化，而后由柱塞或移動螺桿推擠到閉合模具的模腔中成型的一種方法（如圖12-15所示）。其工藝過程是粉狀或粒狀的塑料原料經(jīng)料斗流入料筒，并在其內(nèi)加熱至熔融狀態(tài)。前面