现代铸造技术.pptx

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1、1.1 1.1 快速原型技术1.1.1 1.1.1 快速原型技术简介1.1.2 1.1.2 快速原型工艺1.1.3 1.1.3 快速原型技术在热加工中的应用 第1页/共70页1.1.1 1.1.1 快速原型技术简介 1.1.快速原型技术的概念 快速原型（RP&MRP&M）技术是由CADCAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维实体零件技术的总称。RP&MRP&M技术的成形原理不同于传统制造的去除法（切削加工、电火花加工等）和变形法（铸造、锻压等），而是一种分层制造的材料累加方法。从成形角度看，零件可视为“点”或“面”叠加而成。RP&MRP&M技术从CADCAD三维模型中离散得到点、面的几何信息，

2、再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据CADCAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。第2页/共70页2.2.快速原型技术的特征 RP&MRP&M技术是CADCAD技术、数控技术、激光技术以及材料科学技术的高度集成，在成形概念上以离散、堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大的柔性为目标。CADCAD技术实现零件的曲面和实体造型，能够进行精确的计算和复杂的数据交换；数控技术使精确的运动控制、能量传输控制、材料转移控制等成为可能；激光的极高能量密度和极小光斑直径的特性是实现

3、切割、烧结、聚合反应等工艺的保证；材料科学则提供满足各种性能要求的材料，如光敏材料、热敏材料等。此外RP&MRP&M技术还有以下特征：第3页/共70页 （l l）高度柔性。它取消了专用工具，在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件。（2 2）设计制造一体化。RP&MRP&M技术采用了离散、堆 积 分 层 制 造 工 艺，能 够 克 服 传 统 的CAD/CAMCAD/CAM技术中成型思想的局限性，很好地将CAD/CAMCAD/CAM一体化。（3 3）快速性。RP&MRP&M技术中，从CADCAD设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时，比传统的成型方法速度要快得多，适合于新产品的开发与

4、管理。第4页/共70页 （4 4）自由成形制造。RP&MRP&M技术的这一特点是基于自由成形制造的思想。自由的含义有两个方面：一是指根据零件的形状，不受任何专用工具（或模腔）的限制而自由成形；二是指不受零件任何复杂程度的限制。（5 5）材料的广泛性。由于各种RP&MRP&M工艺的成形方式不同，因而材料的使用也各不相同，如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速原型领域已有很好的应用。第5页/共70页 因此RP&MRP&M技术与传统加工技术相比，有如下优势：（l l）从设计角度可以设计制造任意复杂的三维几何实体，不用考虑毛坯形状、工装卡具、时间和成本的限制；减少零件数量，不受刀具

5、加工能力的限制，同时用于精度、装配的时间减少。目前已发展出多种多样的RP&MRP&M方法。各种RP&MRP&M方法工艺过程基本相同（图10.1.110.1.1），先由CADCAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，然后根据工艺要求，将其按照一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），再将分层后的数据进行一定的处理，加入工艺参数，产生数控代码；最后数控系统以平面加工方式有序地加工出每个薄层并使它们自动粘结而成形。第6页/共70页 （2 2）从制造角度CADCAD模型直接驱动，成形过程无需人干预或较少干预；通用成形设备无需专用夹具或工具；减少材料浪费，降低原材料

6、储存运输费用等；参数化设计、参数化制造，零件一致性好。图10.1.1 10.1.1 快速原型工艺基本过程 第7页/共70页 （3 3）从市场和用户角度 避免传统方法中复杂的中间加工制造环节和设计失误造成的损失，实时地根据市场需求低成本、少风险地改变产品；产品多样化，面向订单生产。第8页/共70页1.1.2 1.1.2 快速原型工艺 发展新型的先进成形工艺是RP&MRP&M的核心。目前市场上推出的RP&MRP&M成形方法已有十余种，并还在迅速发展，常见的有立体平版印刷法、逐层轮廓成形法以及选择性激光烧结法、光掩膜法、熔化堆积法和直接制模铸造法等。第9页/共70页1.1.激光烧结（SLSSLS）法

7、 SLSSLS法的基本原理是依靠CADCAD软件，在计算机中建立三维实体模型及其表面，由COCO2 2激光器发出的光束在计算机的控制下，根据几何形体各层横截面的坐标数据对材料粉末层进行扫描，在激光照射的位置上，粉末熔化并凝固在一起。再铺上一层新的粉末，再用激光扫描、烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起，最后就可制造出所需零件。第10页/共70页 SLSSLS法与立体平版印刷法生产过程相似，只是将液态激光固化树脂换成在激光照射下可烧结成形的粉末烧结材料。其工艺过程如图10.1.210.1.2所示，用红外线板将粉末烧结材料加热至恰好低于烧结点的温度，然后用计算机控制激光束，按零件的截面形状扫描平

8、台上的粉末烧结材料，使其受热熔化烧结，继而平台下降一个厚层，用滚子将粉末烧结材料均匀地分布在烧结层上，再用激光烧结，如此反复进行，逐层烧结成形。第11页/共70页 SLSSLS技 术 所 用 的 材料除金属粉末外，还可以使用聚合物和陶瓷，从而使所成形的模样性能符合设计要求，适应不同的需要，也可以制造出高强度的零件。因为粉末是经过压实的，所以SLSSLS技术不需要支撑。但是SLSSLS模型是一种烧结技术产品，烧结过程中单位面积的吸收功率要非常准确，控制有一定难度，此外模型表面相对粗糙，要进行适当的焙烧固化并经打磨处理。当粉末粒径为0.1mm0.1mm以下时，SLSSLS法成形后的模样精度可达11

9、。图10.1.2 10.1.2 选择性激光烧结法工艺原理 2.2.光掩膜（光掩膜（SGCSGC）法）法第12页/共70页 SGCSGC是 立 体 平版印刷法的扩展，与立体平版印刷法激光直接在树脂液面扫描成形不同，而是让激光通过一个可编程的光掩膜照射树脂成形。如图10.1.310.1.3所示，光掩膜上的图形是掩膜机在模型片层参数的控制下，利用电传照相技术在平板玻璃上调色或静电喷涂而成零件断面图形，零件截面部分可透过紫外光。SGCSGC法采用高能紫外激光器，成形速度快，可以省去支撑结构。SGCSGC法的模型精度可达00l l。图10.1.310.1.3光掩膜法 第13页/共70页 FDMFDM技术

10、是在SLSSLS技术的基础上发展起来的新型成形技术。FDMFDM技术不采用激光，而采用一个加热头将热塑性材料细丝加热成半液态，计算机控制下的FDMFDM喷嘴根据CADCAD模型所确定的几何信息将半液态的热塑性材料挤出，沉积成薄层，层层堆积，将零件的几何设计变成真实零件。3.3.熔化堆积（FDM)FDM)法第14页/共70页 FDMFDM的大致工作过程如图1.1.41.1.4所示，FDMFDM喷嘴在计算机的控制下作零件堆砌所需的运动，而整个过程中所需的成型材料则由喷嘴以半熔融状态挤压出来。通过正确控制成型材料的熔化温度和成型的工作环境温度，使从喷嘴中挤压出的半熔融状态的成型材料在离开喷嘴的瞬间开

11、始凝固，即当喷嘴离开成型位置后，成型位置处留下的是已（或接近）凝固的成型材料。经过喷嘴以一定的厚度填充出一个个截面的薄层，然后在高度方向堆砌出成型零件的三维实体。由于液流非常细小，所以固化十分迅速，不会发生流淌。第15页/共70页图1.1.4 1.1.4 熔化堆积法工艺原理 第16页/共70页 FDMFDM技术可以最大限度地利用成型材料，但由于必须使喷嘴按一定的轨迹运动，所以成型时间较长。同时，由于喷嘴有一定的质量，运动时有惯性，其动态性能与运动速度有关，这在很大程度上限制了成型速度的提高。FDMFDM技术做出的模型，从材料的性能以及外观上都非常接近实际，制得的石蜡模样可以直接用作熔模铸造的蜡

12、模，所以在制造概念模型和验证产品功能方面有独特的优势，其应用范围越来越广泛。第17页/共70页4.4.直接制模铸（DSPCDSPC）DSPCDSPC法 得 到 的是一个型腔形状、尺寸与零件一致的陶瓷模壳，可直接用来浇注，因此又称 为 陶 瓷 壳 法。DSPCDSPC法首先把零件的CADCAD模型输人模壳设计装置，选择零件的铸造收缩率、铸造圆角、加工余量等.图10.1.5 DSPC10.1.5 DSPC法工艺过程 第18页/共70页 设计各个模壳的模腔数和浇注系统类型等，模壳设计装置就产生一个达到规定厚度、需要时配有模芯的模壳组件的电子模型；把模壳的电子模型输人模壳制造装置，由电子模型驱动制成固

13、体的三维陶瓷模壳。陶瓷模壳的制造过程如图10.1.510.1.5所示，先涂敷一层陶瓷粉末，喷头在计算机控制下根据零件截面形状喷粘结剂（印刷一次），形成一层凝结粉末层，没有喷到粘结剂的粉末仍为分散状在成形部分间起支撑作用，一层一层重复循环，最终粘结形成一个三维实体，即直接得到一个陶瓷壳，烧结后即可用于浇注（再构成机器造型的模板）。第19页/共70页1.1.31.1.3快速原型技术在热加工中的应用 RP&MRP&M技术自2020世纪8080年代初问世以来得到迅速发展，成为先进制造技术的重要组成部分，并得到广泛应用。目前RP&MRP&M技术的应用领域已遍及机械、电子、汽车、医疗、建筑等行业。RP&M

14、RP&M技术在热加工中的应用主要有以下几方面：第20页/共70页 （1 1）直接制造形状复杂的单个零件 快速原型工艺制作树脂模样或石蜡原型，可用熔模铸造或实型铸造方法直接浇注铸件，例如航空航天工业中特种铸造产品的生产，或新产品试制。（2 2）中小批量生产时利用原型翻制模具后再制造零件 快速原型工艺制作的原型采用熔模铸造、石膏型铸造或砂型铸造等方法翻制母模，然后制蜡模或直接浇注成铸件。美国克莱斯勒公司用选择性激光烧结法制成蜡模，生产形状很复杂的汽车进排气管。第21页/共70页 （3 3）批量生产时利用原型模样制造模具 利用快速原型技术制得的模具原型直接铸造出金属模具，也可以将低熔点合金喷涂在原型

15、表面用作熔模铸造压蜡模具。此外，利用陶瓷壳法制作的陶瓷型可直接用来浇注金属模具。美国福特汽车公司采用逐层轮廓成形法制造长685mm685mm的汽车曲轴陶瓷原型，将先后制作的三部分拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精度达到0.13mm0.13mm第22页/共70页 传统模具制造往往是靠切削加工和特种加工的方法，有时还需要钳工修整，费时耗资，且精度不高，尤其是形状复杂的薄壁铸件，例如涡轮发动机的叶片、船用螺旋浆、汽车拖拉机的缸体、缸盖等。采用数控机床、仿型铣等先进设备加工模具的周期长。与之相比，快速原型技术以较低的费用迅速由图纸直接得到零件的实物原型，并能方便地进行修改，使模具开模制造的风险降低到最低限

16、度。第23页/共70页1.2 1.2 材料成形计算机技术绪论10.2.1 10.2.1 模拟技术10.2.2 10.2.2 专家系统 10.2.3 10.2.3 热加工CADCADCAMCAM 第24页/共70页 材料成形的生产工艺过程复杂，与冷加工相比，不仅要保证机器零部件的形状和尺寸，而且要保证机器零部件所需的力学性能和物理化学性能。如转子锻件的生产包括熔炼一铸锭一锻造一热处理等过程，这些过程均在高温下进行，经历复杂的化学、物理、热学、力学和金属学的变化。此外材料成形过程的劳动条件恶劣，以焊接为例，有时要在预热到200200的球罐或容器内、采油平台深水处或原子反应堆辐射条件下施焊。现代制造

17、工业向高精度、高质量、低成本、快速度的发展趋势，不断向热成形产品提出新的要求。热成形必须利用计算机与信息技术，发展生产过程及产品质量控制技术。绪论第25页/共70页1.2.1 1.2.1 模拟技术 近年来，模拟技术在热成形中得到广泛应用，使热成形由过去依赖于“试验”和“经验”的状态，开始进入“定量分析”阶段。这一突破对热加工逐步从经验走向科学具有十分重要的意义。1.1.模拟技术的概念 模拟技术主要包括数值模拟和物理模拟。（1 1）数值模拟 是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数的变化关系，利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。数值模拟能提供整个计算域内所有有关变量完整而详尽的数据。实验

18、方法一般只能获得有限点上的测值，且难以避免由传感器以及整个测量系统所带来的误差。第26页/共70页 （2 2）物理模拟 是指采用缩小或放大比例简化条件，或代用材料的试验模型来代替对原型的研究。物理模拟要求模型与原型保证在物理本质上的一致性，即满足相似条件。如铅在室温条件下也有变形再结晶的过程，与钢在高温（锻造温度）类似，因此常用铅来模拟研究钢在高温下的变形规律。数值模拟的普遍性和可靠性基于数学模型控制方程的合理性，同时数值模拟的合理性、可靠性也要靠物理模拟的定量测量结果来检验。物理模拟的准确性和普遍性依赖于严格满足模拟的相似条件。数值模拟和物理模拟各有特长和局限性，只有将两者有机地结合起来才能

19、得到完善的结果。第27页/共70页2.2.模拟技术在热成形中的应用 热成形工艺过程发生在高温下，过程开放性差，具有不可视性和工艺过程测试的困难，因而对工艺过程缺乏直观了解，对出现的缺陷缺乏科学解释和定量描述。计算机软硬件技术的飞速发展，为热成形模拟技术的发展提供了技术保障。目前，模拟技术在热成形领域中应用日益广泛，如塑性成形过程，铸型的充填和铸件的凝固过程，焊接热过程，焊接接头凝固过程，焊接应力及应变过程。第28页/共70页 焊 接 熔 池尺寸，热处理过程，重大装备及其部件的应力分析等。图10.2.110.2.1为锻造成形过程中数值模拟和实际生产中锻件的流线和缺陷比较。图 10.2.210.2

20、.2为 125125吨钢锭凝固过程的数值模拟结果。（a a）和数值模拟 （b b）的比较图10.2.1 10.2.1 锻造成型过程中结构和缺陷实际结果 第29页/共70页 传统的工艺研究方法是大量的工艺试验，解剖产品分析工艺方案是否合理，不仅费用大，周期长，而且所得结果只是某一具体产品在特定情况下工艺与性能的关系，难以获得工艺过程变化的全面规律，更不可能探索更为普遍的问题。与之相比，计算机模拟技术不仅能预测某特定工艺所能得到的性能质量的最终结果，而且能显示出工艺过程中的变化情况；有些参数如铸件凝固过程中液态金属的流动速度、合金元素的成分分布等，目前只有通过数值模拟才能对其进行定量分析；第30页

21、/共70页 计 算机 模 拟 技 术 使 人们 对 工 艺 过 程 变化 规 律 有 更 深 人的 了 解，从 而 制定 工 艺 不 只 是 单凭 经 验 而 是 建 立在 更 为 科 学、更为可靠的基础上，大 大 减 少 试 制 费用和周期；同时，由 于 计 算 机 速 度快、成 本 低，对优 化 工 艺、采 用新 技 术 和 开 发 新产 品 起 到 巨 大 的推动作用。图10.2.2 12510.2.2 125吨钢锭凝固过程的数值模拟结果 第31页/共70页 数学模型建立在试验研究的基础上。热成形过程中控制对象比较复杂，多数情况不能仅仅根据过程的物理本质建造出一个完善的模型，只有通过试验

22、研究热加工的基本规律、各种工艺装备和工艺过程以及系统的静态、动态特性，才能不断完善所建立的模型。第32页/共70页1.2.2 1.2.2 专家系统 1.1.专家系统的概念 专家系统是一种计算机软件，它把有关领域的专家知识表示成计算机能够利用的形式。传统程序通过一套算法处理数据，以达到在有限步骤内解决问题的目的。与之不同，专家系统利用产生式结构来解决问题，产生式结构包括，包含事实的知识库、规则和如何应用规则的推理机构。一般专家系统包括知识获取模块、知识库、推理机构及人机接口四个核心部分（图10.2.310.2.3）。图10.2.3 10.2.3 专家系统结构第33页/共70页 1 1）知识获取模

23、块 实现专家系统的自学习，使专家系统的“业务水平”进一步提高。2 2）知识库 存储领域专家提供的专门知识，含有与领域问题相关的理论知识、常识性知识和专家凭经验得到的启发性知识。3 3）推理机构 是在一定的控制策略下针对当前问题的信息，识别、选取、匹配知识库中的产生式规则，以得到问题求解结果的一种机制。4 4）人机接口 将专家和用户的输入信息翻译成系统可接收的内部形式，同时把系统向专家或用户的输出信息转换为人类易于理解的形式。其中，知识库是整个专家系统的重要支柱。知识库的建立是通过收集、整理、归纳和提炼现有的生产数据和专家经验的基础上，补充发展新的信息，使其形成一种资源。建立尽可能完整、丰富的知

24、识库，就可以使计算机专家系统对所遇到的问题进行全面、综合的分析，并可从浩渺的数据海洋中得到人工分析不可能得出的有用的结果。知识库水平的高低，在很大程度上决定专家系统的知识水平和工作能力。第34页/共70页 专家系统分为诊断型、规划设计型和实时控制型等类型。它们分别解决生产故障、废品分析与改进；生产状况与产品的预测和规划、生产工艺过程的优化与设计；生产过程的自动控制与监测等任务。专家系统与人类专家相比，具有以下特点：1 1）在知识的广度方面，一个专家系统只是人类专家知识极为有限的一部分，并且在求解方面基本上还是以模仿的方式进行，而对于其他领域则一无所知。另外，系统的知识获取主要靠人工输入，现有的

25、专家系统自学能力有限。2 2）在知识的深度方面，专家系统缺乏对基本原理的理解，知识层次不够，所以有些专家系统尽管在限定范围内问题求解的性能上达到专家水平，但仍不能称其实现专家思维的高度模拟。3 3）在速度和精度方面，在一些需要结合大量数据处理或多因素协调控制的问题领域，专家系统能在速度和精度方面克服人类专家的不足，还可以克服人类专家的遗忘、疲劳、紧张、粗心，以及各种外界干扰和心理因素的偏见等不利影响。随着专家系统技术的逐步成熟，目前已在医疗诊断、化学工程、资源勘探、工程技术、语音识别、图像处理、金融决策、军事科学等领域中研制了大量的专家系统，有的在性能上已达到、甚至超过同领域人类专家的水平。第

26、35页/共70页2.2.专家系统在热加工中的应用 国内研制的“型砂质量管理专家系统”，可处理大批量砂型铸造铸铁件生产裂安全评定专家系统结构框图中，型砂质量的各种问题。其功能，一是分析由于型砂质量引起的各种铸造缺陷产生的原因；二是根据当前及以前型砂性能的数据，分析得出当前型砂状况的结论，以及应注意的问题。“铸件质量分析专家系统”可根据铸造生产中各种缺陷的特征，分析该缺陷的类型，并由此提出该缺陷产生的原因和防止措施。图10.2.410.2.4为焊接结构断它由无损检测、材料性能分析和应力分析等部分组成。图10.2.410.2.4焊接结构断裂安全评定专家系统结构框图第36页/共70页 热成形工艺过程复

27、杂，许多生产环节至今还难以找到全部的影响因素，难于建立准确的定量模型，单纯依靠理论或数值计算仍然不能满足全面的要求。许多问题，如铸件缺陷的产生与防止，金属材料力学性能与合金元素的关系，以及焊接熔池中冶金因素对焊缝强度的影响等，都还停留在半定量、甚至是经验的分析上。因此，发展热成形专家系统，总结和提炼热成形专家的知识和工作经验，去解决实际生产中的这些既复杂、又难以定量描述的问题，具有重要的意义。第37页/共70页1.2.3 1.2.3 热加工CADCADCAMCAM 1.1.铸造工艺CADCAD CAD CAD（计算机辅助设计）一般是指在计算机硬件与软件的支撑下，通过对产品的描述、造型、系统分析

28、、优化、仿真和图像处理的研究，使人完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图形。铸造工艺CADCAD不同于一般CADCAD的概念，是铸件凝固数值模拟、铸造工艺计算机分析图形学（几何模拟）和数据库等技术的综合。铸造工艺CADCAD利用计算机辅助铸造工作者优化铸造工艺，预测铸件质量，确定铸造工艺方案，估算铸件成本，显示并绘制铸造工艺图、工艺卡等技术文件。第38页/共70页图10.2.510.2.5“大型铸钢件铸造工艺CADCAD”系统示意图第39页/共70页 CAMCAM（计算机辅助制造）是由计算机为数控（NCNC）机床编制零件加工的 NCNC程序。NCNC程序通过介质（穿孔纸带、磁盘

29、等）或者直接传送给NCNC机床来控制机床的工作。将CADCAD的结果通过CAPPCAPP（计算机辅助工艺规划）直接传送给 CAMCAM的系统就叫做 CAD/CAMCAD/CAM。CAD/CAMCAD/CAM集成技术将CADCAD与CAMCAM彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，使这两个不同的功能模块的数据和信息相互传递和共享，用电子信息代替传统的工程图样联结设计和制造这两个部门，实现信息处理的高度一体化，如图10.2.610.2.6所示。2.2.热加工CAD/CAMCAD/CAM系统图10.2.6 CAD/CAM10.2.6 CAD/CAM集成系统模式第40页/共70页 CAD/CAM

30、CAD/CAM焊接系统是利用计算机辅助设计的结果，控制计算机和数控切割机或焊接机器人进行切割或焊接。图10.2.710.2.7所示为由计算机数控焊接机器人组成的CAD/CAMCAD/CAM焊接系统。图10.2.7 CAD/CAM10.2.7 CAD/CAM焊接系统第41页/共70页 模具行业是 CAD/CAMCAD/CAM技术能充分发挥其优势的领域之一。模具 CAD/CAMCAD/CAM技术从2020世纪7070年代开始进人实际应用以来，得到了迅速发展，在冲模、锻模、挤压模、注塑模和压铸模等方面均得到成功应用。图10.2.810.2.8表示了锻模CAD/CAMCAD/CAM的一般流程，它由图形

31、输入、工艺过程设计、模具结构设计以及CAPP/CAMCAPP/CAM四大模块组成。第42页/共70页 传统模具设计用手工，模具制造主要靠钳工，设计制造周期长、加工精度低、成本高、使用寿命短，这些都大大地影响了产品的质量和保证制造工艺的实现，不能适应工业产品及时更新换代和提高质量的要求。模具 CAD/CAMCAD/CAM技术将 CADCAD得到的模具图传递到 NCNC机床直接进行加工，提高模具生产率，缩短模具交货周期，提高模具质量。采用 CADCADCAMCAM技术是模具发展的一个显著特点。目前，CADCADCAMCAM已经成为模具设计与制造的主力，而且是柔性制造系统图10.2.8 10.2.8

32、 模具CAD/CAMCAD/CAM流程示意图和计算机集成制造系统中的一个中心环节。第43页/共70页图10.2.8 10.2.8 模具CAD/CAMCAD/CAM流程示意图第44页/共70页1.3 1.3 材料成形自动设备及系统1.3.1 1.3.1 工业机器人1.3.2 1.3.2 热加工CNCCNC及FMS FMS 1.3.3 1.3.3 热加工自动生产线 第45页/共70页1.3.1 1.3.1 工业机器人 1.1.工业机器人的概念 机器人技术是在控制工程、计算机科学、人工智能和机构学等多种学科基础上发展起来的一种综合性技术。工业机器人是一种可重复编程的多自由度的自动控制操作机。虽然外表

33、看起来与人完全不一样，但它具有人的手和脚的运动功能，能够完成人所做的某些工作。如图10.3.110.3.1所示，工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几部分组成：第46页/共70页 1 1）执行机构 反映机器人的性能特征，并向机器人提供各种运动功能。执行机构又由手部、腕部和臂部等几个主要部分组成。2 2）控制系统 支配机器人按照规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度等），同时按照其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。图10.3.110.3.1工业机器人的组成和运动自由度1.1.执行结构；2.2.驱动系统3.3.控制系统a.a.手部b.

34、b.腕部c.c.臂部d.d.机身A A往复旋转；B B垂直俯仰；C C径向伸缩；D D腕部弯曲；E E手部偏摆第47页/共70页 3 3）驱动系统 按照控制系统发来的指令进行信息放大，驱动执行机构运动。常用的有液压、气压、电气和机械等四种传动形式。4 4）位置检测机构 通过力、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便执行机构以一定的精度到达设定的位置。2.2.工业机器人在热加工中的应用 第一台机器人于2020世纪6060年代初问世，到19931993年底全世界机器人已超过6060万台。目前工业机器人在焊接、铸造、压力加工等机械热加工行业中得到了广泛的应

35、用（图10.3.210.3.2），极大促进了热成形行业向自动化、柔性化方向发展。第48页/共70页图10.3.210.3.2工业机器人在机械制造中的应用 图10.3.3 10.3.3 弧焊机器人第49页/共70页 点焊机器人已在汽车工业中得到普遍应用，而且从过去较为简单的运动控制向精确控制轨迹的多自由度发展。电弧焊是连续轨迹操作，被焊工件形状各异，焊缝的曲线及长短都不相同，故要求焊接轨迹及工艺参数的控制具有柔性。图10.3.310.3.3为一台用于自动焊接钢管的弧焊机器人，由五个运动自由度，焊条夹持器（即机器人的手部）除了能保证X X、Y Y、Z Z三个坐标轴移动外，还能完成SWSW主 轴的转

36、动，从而保证焊炬能沿两根钢管的焊缝运转一圈完成焊接工作。第50页/共70页 目前最为常见的是采用“示教再现”控制系统的机器人。它采用示教法进行编程，即由操作者通过手动控制机器人做一遍操作示范，完成全部动作过程以后，其存储装置便能记忆所有这些工作的顺序。此后，机器人能“再现”操作者交给它的动作。焊接过程要产生热变形，工件装配有随机误差，这会导致焊偏等质量事故，因此要求机器人智能化。第51页/共70页 智能机器人具有视觉、听觉、触觉等各种感觉功能，能够通过比较识别做出决策，自动进行反馈补偿，完成预定的工作。图10.3.410.3.4所示为一能识别环境并随时精确跟踪轨迹及调节焊接工艺参数的智能焊接机

37、器人系统，两个摄像机一个安装在电弧前方，可以观察焊接坡口的中心线方向及间隙大小，另一个安装在电弧后方，用以观察焊接熔池的情况。两图像经计算机处理后，可对焊接方向及焊接工艺参数进行实时闭环控制。第52页/共70页 工业机器人之所以得到如此广泛的应用，主要由于它具有如下优点：造价越来越低；适宜长时间工作，特别是重复性工作；可在危险、有毒、有害的环境中使用，避免人在这种环境下伤亡的可能性；工作性能稳定，不受情绪等因素的影响，易于保证产品质量；适应的产品和作业范围广，当产品型号和产量变更时，能迅速适应生产线的变更。图10.3.4 10.3.4 智能焊接机器人 第53页/共70页 随着计算机科学和传感技

38、术的发展，机器人智能化水平正在逐步提高，并在柔性制造系统、计算机集成制造系统和其他机电一体化的系统中获得广泛应用，成为现代制造系统不可缺少的组成部分。尽管如此，机器人永远不可能完全取代人脑，完成人脑“等同”的劳动。第54页/共70页1.3.2 1.3.2 热加工CNCCNC及FMSFMS 先进的电子技术和计算机技术的应用，使热加工装备向机电一体化和机电仪一体化方向发展。热加工单机自动化得到广泛应用，实现对单机工艺过程工艺参数的自动检测、自动显示及自动控制。第55页/共70页 数控加工技术在热成形工业特别是板料冲压中得到迅速发展。从19551955年世界上第一台数控（NCNC）冲孔压力机出现起，

39、已开发出 CNCCNC（计算机数控）压力机、CNCCNC弯板机、CNCCNC液压弯管机、CNCCNC剪板机等设备，并在生产中得到应用。图10.3.510.3.5所示为一台数控冲模回转头压力机。它通过存放在回转头上的模具以及板料相对滑块中心沿工作轴方向移动定位，完成圆孔、长孔、方孔、异形孔、圆周分布孔、栅格孔、直线或圆弧排孔、直线或圆弧槽孔和中心孔等工序的加工。目前CNCCNC压力机朝着高速度（步冲频率10001000次/min/min工作台移动速度105m/min105m/min）、高精确度（定位精度为0.01mm0.01mm）和高自动化程度方向发展。第56页/共70页 压力机带有可同时换4

40、4副模具的模架、模具自动选择及装模高度自动设定装置。机器人为示教型，用来上下料。机器人有四个活动度，最大合成速度为2.25m/s2.25m/s。坯料供给装置将托架上的板料送到机器人的抓料位置。一个托架上可堆放6 6垛板料，每个堆垛处都有升降机构，以保证机器人的吸盘能吸到板料。吊车将仓库中的模架运送到换模装置上，再由换模装置将模架搬送到压力机上装好。工作台上的模架可按相反的过程送回仓库的架子上。这个FMSFMS冲压系统主要用来加工强电控制器的零件，适用于批量为200200400400件，工序种类包括冲孔、修边、精压和弯曲，工序数1 13 3道工序的生产。第57页/共70页l l压力机2 2搬用机

41、器人3 3压力机操作盘4 4坯料供给装置操作盘5 5坯料供给装置6 6装载料垛托架7 7换模装置操作盘8 8吊车9 9模具库1010模架存放架1111模座放置台1212碎屑托架1313碎屑运出传送带1414工件托架1515工件运出传送带1616换模装置图10.3.6 10.3.6 冲压FMSFMS平面布置图 第58页/共70页 在图10.3.710.3.7所示锻造FMSFMS中，机器人有手臂伸缩、俯仰摆动以及手爪旋转、俯仰与开闭等动作，在程序控制下顺序完成手臂手爪的各个动作，自动按程序要求从加热炉中抓取锻件，将锻件放置在锻锤模膛中，或在锻造完成后，将锻件从模膛中取出；配置光电高温计，图10.3

42、.7 10.3.7 锻造FMSFMS示意图 第59页/共70页 以测量锻件温度，同时还用来判断机器人是否已经将锻坯送入模膛，或是否及时将坯料取走；设置有多种非接触式接近开关，以检测各液压缸、气缸中活塞的运动状况，以及上、下锻模的闭合高度。国外锻造 FMSFMS表明，它与原人工操作系统相比，对于0.90.922.7kg22.7kg重的锻件而言，使生产率提高4343100100，节省原材料14142525，节省人力50507575，减少机械加工量约6767。第60页/共70页1.3.3 1.3.3 热成形自动生产线 在热成形生产过程中应用计算机、电子技术等高技术是热加工生产自动化的主要趋势。目前，

43、单机自动化正在向生产线全盘自动化方向发展。如一些先进铸造厂的制芯车间已实现全部工艺流程自动化，从混砂、射芯、质量控制、去毛刺、上涂料烘干到砂芯组装、浇注、下芯等全部工序由计算机按时、按量准确地提供必要的物料，并按预先设定值进行操作。下级的计算机负责各工序的检测、控制和调整，上级的计算机则负责物流的组织和材料的跟踪。各系统之间的数据通信，不仅保证整个系统的运转，而且自动考虑最优化的经济效果和生产组织方式。第61页/共70页 图1.3.8所示为典型的铸造自动生产线示意图，其组成部分具有如下特点：l l）熔化工部 炉料的配料和加料过程用交叉作用反馈控制，熔炼好的液态金属按流量、时间、液面高度可控制的

44、自动浇注机进行浇注。2 2）造型工部 微机控制造型线的所有动作，故障自动显示。3 3）制芯工部 采用高度集成的制芯中心或制芯一组芯中心。4 4）砂处理工部 采用计算机进行型砂质量预防性控制，预先根据所生产铸件的砂用量及芯砂混入量计算出应补充的膨润土等附加物重量，以保持周转型砂系统的动态平衡，利用型砂性能在线检测实现闭环控制。5 5）清理和检验工部 自动进行铸件的清理及尺寸、硬度、渗漏和裂纹检验等。第62页/共70页图1.3.8 1.3.8 铸造自动生产线示意图 第63页/共70页 冲压自动生产线由主机和附设机构组成。主机是指完成冲压工序的各类压力机和必要的其他加工机床。附设机构是完成自动线各种

45、辅助工作所需的机械装置和检测装置，主要包括折垛装置、上料装置、下料装置、翻转器，工件传送装置，检测和联锁保护装置如图10.3.910.3.9所示汽车覆盖件冲压自动生产线，由六台压力机组成，一台双动压力机作为拉延用，五台压力机作为成形、冲孔、修边等工序用。这种形式的排列有利于安排生产，生产率较高，通常每小时可生产600600700700个零件，既可以刚性联系也可以柔性联系。如果联机控制，全线只需要2 23 3人操作。第64页/共70页图10.3.910.3.9汽车覆盖件冲压自动生产线1 1开垛送料器 2 2取力轴 3 3翻料器 4 4双动压力机下料器5 5上料器 6 6组合式上下料器 7 7单动

46、压力机下料器 第65页/共70页 图10.3.1010.3.10所示汽车曲轴锻造自动生产线选用了一台加热设备、五台锻造和校正设备。辊锻主要是使坯料体积分布符合锻件要求。模锻时把曲拐按一定方向布置，使分模简单，模具制造方便，再经过扭转机把曲拐扭向不同方向。每一台锻造设备都配备一台机械手，部分设备之间还配有传送带，模锻压力机上还配有模具清理与喷雾润滑装置，成品锻件将通过悬挂式输送链送入下道热处理工序。第66页/共70页图10.3.10 120000kN10.3.10 120000kN热模锻压力机自动线l l感应加热机床 2 2传送带3 3辊锻机 4 4、7 7、1212、1717机械手5 5、13

47、13分料架 6 6斜楔式热模锻压力机 8 8中央控制台 9 9模具清理与喷雾装置 1010带随行小车的传送带 1111切边压力机 1414曲拐压力机 1515校正压力机 1616链式传送带 1818悬挂式输送机 第67页/共70页 热加工生产自动化的发展方向是集成化，即计算机集成制造系统（CIMSCIMS）。CIMSCIMS是一种新的制造业发展模式，是应用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术于一体的系统工程，其目的是以合适的质量和数量在合适的时间和地点生产出合格的产品。CIMSCIMS不同于FMSFMS，其核心在于集成，即企业内的人、生产经营和技术这三者之间的信息集成，以便在信息集成的基础上使企业组成一个统一的整体，保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻。第68页/共70页习题与思考题1.1.快速原型技术的特征有哪些？2.2.快速原型工艺有哪些？各有什么特点和优点？3.3.快速原型技术在热加工中的应用有哪些？4.4.何谓模拟技术？在热加工中应用有哪些？5.5.何谓专家系统？在热加工中应用有哪些？6.6.何谓工业机器人？在热加工中应用有哪些？第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页