【正文】 策虛擬管理制造基于網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境下的設(shè)計和制造制造過程和制造系統(tǒng)中的控制科學(xué)問題 這些內(nèi)容是制造科學(xué)和信息科學(xué)基礎(chǔ)融合的產(chǎn)物構(gòu)成了制造科學(xué)中的新分支 制造信息學(xué) 22 微機械及其制造技術(shù)研究 微型電子機械系統(tǒng) MEMS 是指集微型傳感器微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路接口電路通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng) MEMS 技術(shù)的目標是通過系統(tǒng)的微型化集成化來探索具有新原理新功能的元件和系統(tǒng) MEMS 的發(fā)展將極大地促進各類產(chǎn)品的袖珍化微型化成數(shù)量級的提高器件與系統(tǒng)的功能密度信息密度與互聯(lián)密度大幅度地節(jié)能節(jié)材它不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本而且還可以完 成許多大尺寸機電系統(tǒng)無法完成的任務(wù)例如用尖端直徑為 5μ m 的微型鑷子可以夾起一個紅細胞制造出 3mm 大小能夠開動的小汽車可以在磁場中飛行的像蝴蝶大小的飛機等 MEMS 技術(shù)的發(fā)展開辟了技術(shù)全新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點因此在制造業(yè)航空航天交通通信農(nóng)業(yè)生物醫(yī)學(xué)環(huán)境監(jiān)控軍事家庭以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景 微機械是機械技術(shù)與電子技術(shù)在納米尺度上相融合的產(chǎn)物早在 1959 年就有科學(xué)家提出微型機械的設(shè)想 1962年第一個硅微型壓力傳感器問世 1987年美國加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直 徑為 60120μ m 的硅微型靜電電動機顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛力微機械技術(shù)有可能像 20世紀的微電子技術(shù)那樣在 21世紀對世界科技經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)產(chǎn)生巨大的影響近 10 年來微機械的發(fā)展令人矚目其特點如下相當數(shù)量的微型元器件 微型結(jié)構(gòu)微型傳感器和微型執(zhí)行器等 和微系統(tǒng)研究成功體現(xiàn)了其現(xiàn)實的和潛在的應(yīng)用價值多種微型制造技術(shù)的發(fā)展特別是半導(dǎo)體微細加工等技術(shù)已成為微系統(tǒng)的支撐技術(shù)微型機電系統(tǒng)的研究需要多學(xué)科交叉的研究隊伍微型機電系統(tǒng)技術(shù)是在微電子工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展的多學(xué)科交叉的 前沿研究領(lǐng)域涉及電子工程機械工程材料工程物理學(xué)化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等多種工程技術(shù)和科學(xué) 目前對微觀條件下的機械系統(tǒng)的運動規(guī)律微小構(gòu)件的物理特性和載荷作用下的力學(xué)行為等尚缺乏充分的認識還沒有形成基于一定理論基礎(chǔ)之上的微系統(tǒng)設(shè)計理論與方法因此只能憑經(jīng)驗和試探的方法進行研究微型機械系統(tǒng)研究中存在的關(guān)鍵科學(xué)問題有微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)物理特性和生化特性等微系統(tǒng)的研究正處于突破的前夜是亟待深入研究的領(lǐng)域 23 材料制備／零件制造一體化和加工新技術(shù)基礎(chǔ) 材料是人類進步的里程碑是制造業(yè)和高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)每一種重要新材料的成功制備和應(yīng) 用都會推進物質(zhì)文明促進國家經(jīng)濟實力和軍事實力的增強 21 世紀中世界將由資源消耗型的工業(yè)經(jīng)濟向知識經(jīng)濟轉(zhuǎn)變要求材料和零件具有高的性能以及功能化智能化的特性要求材料和零件的設(shè)計實現(xiàn)定量化數(shù)字化要求材料和零件的制備快速高效并實現(xiàn)二者一體化集成化材料和零件的數(shù)字化設(shè)計與擬實仿真優(yōu)化是實現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質(zhì)制備／制造及二者一體化集成化制造的關(guān)鍵一方面通過計算機完成擬實仿真優(yōu)化后可以減少材料制備與零件制造過程中的實驗性環(huán)節(jié)獲得最佳的工藝方案實現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質(zhì)制備／制造另一方面根據(jù)不同材料性能的要求如彈性模量熱膨脹 系數(shù)電磁性能等研究材料和零件的設(shè)計形式進而結(jié)合傳統(tǒng)的去除材料式制造技術(shù)增加材料式覆層技術(shù)等研究多種材料組分的復(fù)合成形工藝技術(shù)形成材料與零件的數(shù)字化制造理論技術(shù)和方法如快速成形技術(shù)采用材料逐漸增長的原理突破了傳統(tǒng)的去材法和變形法機械加工的許多限制加工過程不需要工具或模具能迅速制造出任意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維實體模型或零件 24 機械仿生制造 21 世紀將是生命科學(xué)的世紀機械科學(xué)和生命科學(xué)的深度融合將產(chǎn)生全新概念的產(chǎn)品 如智能仿生結(jié)構(gòu) 開發(fā)出新工藝 如生長成形工藝 和開辟一系列的新產(chǎn)業(yè)并為解決產(chǎn)品設(shè)計制造過程 和系統(tǒng)中一系列難題提供新的解決方法這是一個極富創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的前沿領(lǐng)域 地球上的生物在漫長的進化中所積累的優(yōu)良品性為解決人類制造活動中的各種難題提供了范例和指南從生命現(xiàn)象中學(xué)習(xí)組織與運行復(fù)雜系統(tǒng)的方法和技巧是今后解決目前制造業(yè)所面臨許多難題的一條有效出路仿生制造指的是模仿生物器官的自組織自愈合自增長與自進化等功能結(jié)構(gòu)和運行模式的一種制造系統(tǒng)與制造過程如果說制造過程的機械化自動化延伸了人類的體力智能化延伸了人類的智力那么 仿生制造 則可以說延伸了人類自身的組織結(jié)構(gòu)和進化過程 仿生制造所涉及的科學(xué)問題是生物的 自組 織 機制及其在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用問題所謂 自組織 是指一個系統(tǒng)在其內(nèi)在機制的驅(qū)動下在組織結(jié)構(gòu)和運行模式上不斷自我完善從而提高對于環(huán)境適應(yīng)能力的過程仿生制造的 自組織 機制為自下而上的產(chǎn)品并行設(shè)計制造工藝規(guī)程的自動生成生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)重組以及產(chǎn)品和制造系統(tǒng)的自動趨優(yōu)提供了理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)條件仿生制造屬于制造科學(xué)和生命科學(xué)的 遠緣雜交 它將對 21 世紀的制造業(yè)產(chǎn)生巨大的影響 仿生制造的研究內(nèi)容目前有兩個方面 241 面向生命的仿生制造 研究生命現(xiàn)象的一般規(guī)律和模型例如人工生命細胞自動機生物的信息處理技巧生物智能生物型的組 織結(jié)構(gòu)和運行模式以及生物的進化和趨優(yōu)機制等 242 面向制造的仿生制造 研究仿生制造系統(tǒng)的自組織機制與方法例如基于充分信息共享的仿生設(shè)計原理基于多自律單元協(xié)同的分布式控制和基于進化機制的尋優(yōu)策略研究仿生制造的概念體系及其基礎(chǔ)例如仿生空間的形式化描述及其信息映射關(guān)系仿生系統(tǒng)及其演化過程的復(fù)雜度計量方法 機械仿生與仿生制造是機械科學(xué)與生命科學(xué)信息科學(xué)材料科學(xué)等學(xué)科的高度融合其研究內(nèi)容包括生長成形工藝仿生設(shè)計和制造系統(tǒng)智能仿生機械和生物成形制造等目前所做的研究工作大多屬前沿探索性的工作具有鮮明的基礎(chǔ)研究的特點如果抓 住機遇研究下去將可能產(chǎn)生革命性的突破今后應(yīng)關(guān)注的研究領(lǐng)域有生物加工技術(shù)仿生制造系統(tǒng)基于快速原型制造技術(shù)的組織工程學(xué)以及與生物工程相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)等 3 現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨勢 20世紀 90年代以來世界各國都把制造技術(shù)的研究和開發(fā)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)進行優(yōu)先發(fā)展如美國的先進制造技術(shù)計劃 AMTP 日本的智能制造技術(shù) IMS 國際合作計劃韓國的高級現(xiàn)代技術(shù)國家計劃 G7 德國的制造 2021 計劃和歐共體的ESPRIT 和 BRITEEURAM 計劃 隨著電子信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展市場需求個性化與多樣化未來現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的 總趨勢是向精密化柔性化網(wǎng)絡(luò)化虛擬化智能化綠色集成化全球化的方向發(fā)展 當前現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨勢大致有以下九個方面 1 信息技術(shù)管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊密結(jié)合現(xiàn)代制造生產(chǎn)模式會獲得不斷發(fā)展 2 設(shè)計技術(shù)與手段更現(xiàn)代化 3 成型及制造技術(shù)精密化制造過程實現(xiàn)低能耗 4 新型特種加工方法的形成 5 開發(fā)新一代超精密超高速制造裝備 6 加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué) 7 實施無污染綠色制造 8 制造業(yè)中廣泛應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù) 9 制造以人為本 The new advanced manufacturing technology development Abstract This paper has presented the problems facing todays manufacturing technology advanced man。 015 鋼 青銅 鋁合金 H8 以下的孔孔距公差為177。 0008 M5 34 14 46 14 13 55 55 18 圖 12 長快換鉆套結(jié)構(gòu) Fig12 Long trades quickly drills a set of structure 3 鉆套高度和鉆套與工件距離 a 鉆套高度 鉆套高度由孔距精度工件材料孔加工深度刀具耐用度工件表面形狀等因素決定一般材料強度高鉆頭剛度低鉆頭懸伸長度直徑與直徑之 比大于 15 和在斜面上鉆孔時采用長鉆套 鉆一般的螺釘孔銷子孔工件孔距精度在 025mm 或是自由尺寸公差時鉆套的高度取鉆套內(nèi)徑采用基軸制 F8 的公差 加工 IT6IT7 級精度孔徑在 12mm 以上的孔或加工加工工件孔距精度要求在010～ 015mm 時鉆套的高度取鉆套內(nèi)徑采用基軸制 G7 的公差 加工 IT7IT8 級精度的孔孔距精度要求在 006～ 010 時鉆套的高度取 參見表 4 可知具體選擇方法 表 4 鉆套高度和鉆套端部與工件表面的距離 Tab4 Drills a set of altitude and drills a set of nose and the work piece surface distance 簡圖 加工條件 鉆套高度 加工材料 鉆套與工件間的距離 一般孔銷孔孔距公差為 鑄鐵 H7 以上的孔孔距公差為177。 為螺紋牙型半角 176。 螺紋中徑之半 mm 螺旋副的當量摩擦角 176。 m 單個螺旋夾緊產(chǎn)生的夾緊力 N 螺桿端部與工件間的當量摩擦半徑 mm 其值視螺桿端部的結(jié)構(gòu)形式而定 作用力臂 螺桿端部與工件間摩擦角176。 34369 截面上的扭矩為 101206 抗彎截面系數(shù) 01 5832 抗扭截面系數(shù) 02 11664 截面上的彎曲應(yīng)力 59 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 87 彎曲應(yīng)力幅度 59 Nmm2 彎曲平均應(yīng)力 0 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等即 44 c 確定影響系數(shù) 軸的材料為 45 號鋼調(diào)質(zhì)處理由表查得 600 275 140 軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù)根據(jù) 118＝ 0056 2018＝ 11 由表經(jīng)插值后可得 165 119 尺寸系數(shù)根據(jù)軸截面為圓截面查圖得 10 098 表面質(zhì)量系數(shù) 根據(jù) 600 和表面加工方法為精車查圖得 088 材料彎曲扭轉(zhuǎn)的特性系數(shù)取 01 05＝ 005 由上面結(jié)果可得 ＝ 4063 ＝ 862 ＝ 940 查表中的許用安全系數(shù) []可知該軸安 全 2 專用夾具設(shè)計 1 工件的加工工藝性分析 因采用式鉆床待加工孔處于位置若設(shè)平行于待加工孔的面分別為頂面和底面則使多孔那面為底面即定位基準面以基準面上的直徑為的兩孔以及基準面定位 鉆模板應(yīng)垂直與定位基準面鉆套中心線與待加工孔中心線同軸夾緊件由工件頂面向定位基準面夾緊采用螺旋夾緊機構(gòu) 2 定位元件的選擇與設(shè)計 21 定位元件的選擇 工件在夾具中位置的確定主要是通過各種類型的定位元件實現(xiàn)的在機械加工中雖然被加工工件的種類繁多和形狀各異但從它們的基本結(jié)構(gòu)來看不外乎是由平面圓柱面圓錐面及各種成形面所組 成工件在夾具中定位時可根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特點和工序加工精度要求選擇其上的平面圓柱面圓錐面或它們之間的組合表面作為定位基準為此在夾具設(shè)計中可根據(jù)需要選用各類型的定位元件 在夾具設(shè)計中常用于圓孔表面的定位元件有定位銷剛性心軸和錐度心軸等工件以圓孔表面定位時使用定位銷定位套類零件為了簡化定心裝置常常采用剛性心軸作為定位元件為消除工件與心軸的配合間隙提高定心定位精度在夾具設(shè)計中還可選用小錐度心軸在此次設(shè)計中根據(jù)泵體的結(jié)構(gòu)特點采用位在夾具中工件以圓孔表面定位時使用的定位銷一般有固定式和可換式兩種在大批量生產(chǎn)中由于定位銷磨 損較快為保證工序加工精度需定期維修更換此時常采用便于更換的可換式定位銷 圖 1 所示為常用的固定式定位銷的典型結(jié)構(gòu)當被定位工件的圓孔尺寸較小時可選圖中 a 所示的定位銷結(jié)構(gòu)這種帶有小凸肩的定位銷結(jié)構(gòu)與夾具體連接時穩(wěn)定牢靠當被定位工件的圓孔尺寸較大時選用圖中 b 所示的結(jié)構(gòu)即可若被定位工件同時以其上的圓柱孔和端面組合定位時還可選用帶有支撐墊圈的定位銷結(jié)構(gòu)支撐墊圈與定位銷可做成整體式的也可做成組合式的為保證定位銷在夾具上的位置精度一般與夾具的連接采用過盈配合 可換式定位銷如圖 2 所示為了便于定期更換在定位銷與夾 具體之間裝有襯套定位銷與襯套內(nèi)徑的的配合采用間隙配合而襯套與夾具體則采用過度配合由于這種定位銷與襯套之間存在裝配間隙故其位置精度較固定式定位銷低 為了便于工件的順利裝入上述定位銷的定位端頭部均加工成的大倒角各種類型定位銷對工件圓孔定位時限制的度應(yīng)視其與工件定位孔的接觸長度而定一般選用長定位銷時限制四個度短定位銷時則限制兩個度若采用削邊銷則分別限制兩個或一個度當采用圖 所示的錐面定位銷定位時則相當于三個支撐點限制三個度 圖 1 固定式定位銷 Fig2 Stationary positioning pin 圖 3 可換式定位銷及錐面定位銷 Fig2 The replacing positioning pin and the conical surface positioning pin 在固定式和可換式中為適應(yīng)以工件上的兩孔一起定位的需要應(yīng)在兩個定位銷中采用一個邊定位銷直徑為 350mm 的削邊定位銷都做成菱形 22 定位誤差的分析 夾具的作用首先是要保證工序加工精度在設(shè)計夾具選擇和確定工件的定位方案時根據(jù)工件定位原理選用相應(yīng)的定位元件外還必須對選定的工件定位方案能否滿足工序加工精度要求作出判斷為此就需對可能 產(chǎn)生的定位誤差進行分析和計算 定位誤差是指由于定位不準而造成某一工序在工序尺寸通常指加工表面對工序基準的距離尺寸或位置要求方面的加工誤差對某一定位方案經(jīng)分析計算其可能產(chǎn)生的定位誤差只要小于工件有關(guān)尺寸或位置公差的一般即認為此定位方案能滿足該工序的加工精度要求 工件在夾具中的位置是由定位元件確定的當工件上的定位表面一旦與夾具上的定位元件相接觸或相配合作為一個整體的工件的位置也就確定了但對于一批工件來說由于在各個工件的有關(guān)表面之間彼此在尺寸及位置上均有著在公差范圍內(nèi)的差異夾具定位元件本身和各定位元件之間也具有一 定的尺寸和位置公差這樣一來工件雖已定位但每個被定位工件的某些具體表面都會有自己的位置變動量從而