【正文】 5. 微型化 微型化和微細結(jié)構(gòu)是當代技術(shù)世界的關(guān)鍵詞，微機電系統(tǒng) MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)是 20世紀 80年代后期國際上興起的一項新技術(shù) , 涉及到微電子學、機械科學、自動控制、材料學、光學、力學、生物醫(yī)學、聲學和電磁學等多種工程技術(shù)和學科，是一門多學科交叉的前沿性研究領(lǐng)域。 MEMS系統(tǒng) 具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、機電一體化、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，因此在航天、航空、汽車、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域有著十分廣闊的應用前景 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 微型車床的外觀與硬幣的比較圖 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 由微型機床組成的微型桌面工廠如圖所示。它由一臺微型車床、微型銑床、微型壓力機、微型機械手組成。從圖中可見，操作者借助兩個操縱桿、面對顯示屏在操作微型機床。 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 6. 新型的機床結(jié)構(gòu) —— 并聯(lián)機床 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 ? 并聯(lián)機床 (Parallel Machine Tools)，又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床 (Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床 (Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲 (Hexapods)。 ? 并聯(lián)機床是基于空間并聯(lián)機構(gòu) Stewart平臺原理 開發(fā)的，是近年才出現(xiàn)的一種新概念機床，它是并聯(lián)機器人機構(gòu)與機床結(jié)合的產(chǎn)物，是空間機構(gòu)學、機械制造、數(shù)控技術(shù)、計算機軟硬技術(shù)和 CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。它克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構(gòu)刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工。自其 1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是 “ 21世紀的機床 ” ，成為機床家族中最有生命力的新成員。 ? 傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)機床，是屬于數(shù)學簡單而機構(gòu)復雜的機床，而相對的，并聯(lián)機構(gòu)機床則機構(gòu)簡單而數(shù)學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數(shù)學運算，因此虛擬軸并聯(lián)機床是一種知識密集型機構(gòu)。 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 聯(lián)機床具有如下優(yōu)點： ? 結(jié)構(gòu)簡單 、 價格低 。 機床機械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少 ， 主要由滾珠絲杠 、 虎克鉸 、 球鉸 、 伺服電機等通用組件組成 ， 這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn) ， 因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機床低得多 ， 容易組裝和搬運 。 ? 結(jié)構(gòu)剛度高。 由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu) (closedloop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)負荷流線短，而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應力與變形都最大，兩端插入(buildin)次之，再來是兩端簡支撐 (simplysupported)，其次是受壓的二力結(jié)構(gòu)，應力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu)，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床。 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 ? 加工速度高 ， 慣性低 。 如果結(jié)構(gòu)所承受的力會改變方向 ， (介于張力與壓力之間 )， 兩力構(gòu)件將會是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu) ， 而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅(qū)動 ， 因此機器很容易高速化 ， 且擁有低慣性 。 ? 加工精度高 。 由于其為多軸并聯(lián)機構(gòu)組成 ， 六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用 ， 因而不存在傳統(tǒng)機床 (即串聯(lián)機床 )的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象 ， 甚至還有平均化效果 (averaging effect)；其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計 ， 因此熱變形較??；故它具有高精度的優(yōu)點 。 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 ? 多功能靈活性強 。 由于該機床機構(gòu)簡單控制方便 ， 較容易根據(jù)加工對象而將其設(shè)計成專用機床 ， 同時也可以將之開發(fā)成通用機床 ， 用以實現(xiàn)銑削 、 鏜削 、 磨削等加工 ， 還可以配備必要的測量工具把它組成測量機 ， 以實現(xiàn)機床的多功能 。 這將會帶來很大的應用和市場前景 ， 在國防和民用方面都有著十分廣闊的應用前景 。 ? 使用壽命長 。 由于受力結(jié)構(gòu)合理 ， 運動部件磨損小 ， 且沒有導軌 ， 不存在鐵屑或冷卻液進入導軌內(nèi)部而導致其劃傷 、 磨損或銹蝕現(xiàn)象 。 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 圖 2 DCB510并聯(lián)機床 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 五、本課程的教學方法 基于 PBL的 機械裝備項目 1）以知識點的講授為基礎(chǔ)； 2) 給定題目，學生在老師指導下，學習“發(fā)掘問題、分析問題、解決問題”。 3) 根據(jù) “ 問題 ” 自行搜集資料， 學到必要知識。 優(yōu)點： 印象深刻，記憶較長，培養(yǎng)解決問題能力，訓練較強，適合終身學習的需要。 缺點： 知識較零散，師資及資源需求較多。 《 機械制造裝備設(shè)計 》 3學分 本學期 《 機械裝備項目 》 2學分 《 生產(chǎn)實習 》 4學分 緒 論 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 基于 PBL的 機械裝備項目 項目 以 課題 任務(wù)的方式下達， 強調(diào)在上第一節(jié)課的時候布置給學生； 課堂講授的全部知識點 ， 學生結(jié)合課題任務(wù) ， 用設(shè)計實踐取代常規(guī)作業(yè) ， 輔以必要的實驗 。 學生按照自己的興趣或 自身發(fā)展 的需要組成不超過 4人的 小組， 跟 隨課程的 內(nèi)容 開展 學習研究 ，強調(diào)全員參與 。 強調(diào)主動學習 ， 以能力訓練為主 。 裝備項目以答辯評定成績 。 什么是 PBL ? 問題導向?qū)W習 (Problembased Learning, PBL) PBL機械裝備項目的流程圖： 緒 論 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 分成小班進行現(xiàn) 場教學： 針對實驗設(shè)備和教學模具 ， 介紹機械裝備的機械控制系統(tǒng) 、 傳動方式 、 驅(qū)動結(jié)構(gòu) ， 機械裝置的功能 、 性能及其與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)和工藝 ，性能參數(shù)測試技術(shù)等 。 實驗 1403 實驗 1411 實驗 2108 具體實施教學的資料參看 《 基于 PBL的機械裝備項目任務(wù)書 》 緒 論 分小班進行現(xiàn)場教學 ,詳細 安排由各班任課老師布置。 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 ? 裝備制造技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位和作用。 ? 制造技術(shù)、先進制造技術(shù)及其裝備的內(nèi)涵是什么？ ? 先進制造技術(shù)裝備有哪些要求？ ? 簡述裝備制造技術(shù)的發(fā)展歷程。 ? 試述二十一世紀制造科學與技術(shù)發(fā)展趨勢。 本授課單元思考題、討論題： 緒 論 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論 現(xiàn)場教學時間安排及要求 ? 第一周 周四 2節(jié) ? 8點 25在實驗一號樓門口集中 ? 第一節(jié)課： 3班在 實驗 2108 ? 4班實驗 1403，實驗 1411 ? 第二節(jié)課：兩個班對調(diào) 機制裝備及設(shè)計 ——緒 論