机械制造自动化与仪器仪表制造自动化的发展――快速成型系统及3D打印机

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Abstract：mechanical CAD，CAPP，CAM ，CIM S，RP and 3D printers and other related technologiesof manufacture automation are described。

Key words：CAD CAPP CIM S RP 3D priate沣 ：卞TF岗，原北 京市 自动化 系统 成套工程公 司总工程 师。

1前言我国 十二五”规则第10章培育发展战略性新兴产业中，把 高端装备制造产业”作为7大战略性产业之-，并将 智能制造装备”与航空装备、卫星及应用、轨道交通装备、海洋工程等并列为重点发展方向。我们多对 高端智能装备”这些机械产品应该是什么样的进行探讨，对相应配套的智能化仪器仪表应该是什么样的进行研究，而对这些机械产品和智能仪表本身的制造技术如何创新的问题，疏于讨论。当然在仪器仪表行业 十二五”发展规则中，也提到发展 离散制造用控制系统和仪器仪表”，具体指发展PLC、嵌入式专用控制系统，新型传感器，开展典型离散控制项目的示范应用等。

但对机械制造业本身的改革、创新和调整产业结构，以满足 高端装备制造产业及其它战略性新产业”之需要，使我国由制造大国”转变成 制造强国”，这类课题值得我们倾注极大热情来热议。

这些年来，机械加工的先进制造技术，有了很大发展，特别是最近几年，快速成型 (原型)技术及三维打愈的兴起，引起了广泛的关注。本文将涉及这方面的内容。

19本期主题·机械制造自动化与仪器仪表 CHINAINSTRUMENTATION中阅饺嚣镢表2机械制造自动化之路(1)上世纪5ot代独立的电动机及减速箱传动的车、铣、钻、刨、磨等机床-出现，60年代、70年代之后，数控机床也已出现，之后又推广了加工中心，实际加工中心是带有刀库和自动换刀装置的适用于复杂零件加工的-种数控机床，并且具有根据不同工序自动选刀或换刀功能，能在工件-次装夹后对其两个以上的表面完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等多种工序的加工，使生产效率和自动程度大大提高。简单地说，数控机床加工是-个工序自动化，加工中心是实现零件部分和全部机械加工过程自动化 。

(2)数控机床和加工中心必须有产品设计自动化、工艺设计自动化或CAD、CAPP、CAM、CIMS等配合，才能完成机械制造自动化的任务。若前者为硬件，后者就是软件。

1)CAD(Compuer aided design)计算机辅助设计，兴起于70年代，目前已取代手工出图，逐步将设计、绘图、分析、仿真、加工等-系列功能集成于- 个系统内，不但想到产品的机械模型，还想到产品的结构分析，运动机构分析和生产加工处理，突破了传统的制图方法即二维视图描述三维实体，找到了更为合理的三维设计手段，而且使CAD与CAE，及PDM，CIMS融为-体。CAE(ComputerAided Engineering)称计算机辅助工程或计算机辅助分析，就是把CAD设计或组织好的模型，用计算机辅助分析软件对原设计进行仿真设计成品分析，通过反馈的数据，对原CAD设计或模型进行反复修正，以达到最佳效果。在三维CAD应用和普及方面，如-汽集团于2002年开始应用PRO/E设计出具有世界水平的J6重卡，哈工大，清华等大学对本科生开设三维CAD相关课程等。为了实现机械产品设计自动化，新-代的CAD还提出了产品的协同设计、设计信息的交换与共享，协同设计中的冲突管理，协同设计中的网络应用技术等，其中并行工程、敏202013年 第8期捷制造、产品数据管理 (PDM)、产品数据交换标准STEP(Standard for exchange of product modeldata)及STEP中I生交换机制，都是技术热点。

2)CAPP(Computer aided process planning)计算机辅助工艺过程设计，利用计算机，完成工艺设计中的各项任务，如选择定位基准、拟订零件工艺络线、确定各工序的加工余量、计算工艺尺寸和公差、选择加工设备和工艺装置、确定切削用量、确定重要工序的质量检测项目和检测方法、计算机工时定额、编写各类工艺文件等，最后生成产品生产所需的各种工艺文件和数控加工所需的相关数据信息，作为数控加工程序的编制、生产管理与运行控制系统执行的基础信息。CAPP是产品设计 (CAD)与加工制造(CAM)的接口。它虽然复杂繁琐，但它是机械制造自动化不可或缺的-部分。我国80年代也有了这方面的成果，出现-批CAPP系统，按原理分有派生式CAPP系统、创成式CAPP系统、CAPP专家系统。经过40多年发展，可以看出如下趋势，即集成化、智能化、并行化、工具化，最终将提高CAPP系统的通用性和柔性。目前推广的成组技术，把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成-个个零件族，按零件族制订工艺进行生产制造，为多品种、小批生产经济效益的提高开辟了途径。

3)CAM (Computer Aided Manufacturing)计算机辅助制造，广义cAM是指利用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程，其中包括直接制造过程和间接制造过程。狭义CAM是指制造过程中某个环节应用计算机，它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容，其输出信息是刀具加工时的运动轨迹 (刀位文件)和数控程序，主要工作内容有T艺分析和加工参数设置；几何分析，从得到图形的-些特征参数，刀位轨迹生成；加工仿真，以避免加工中刀具与工件、夹具等的碰撞干涉，优化刀具路径等；后置处理，以产生所用数控机床的数控程序。

CAM中工装设计主要是指夹具和刀具系统，刀具的储存、交换和运送中，经常通过换刀机械手来完成，中阅儇凭便是CHINA INSTRUMENTATION2013年 第8期本期主题·机械制造自动化与仪器仪表其它还有机器人，运输小车等。

4)CIMS(Computer integrated manufacturingsystem)计算机集成制造系统，CIMS是通过计算机应用软件，综合运用现代管理技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并运行的复杂的大系统。目前-般CIMS系统由4个应用分系统和2个支持分系统组成，即管理信息分系统 (MIS)、工程信息分系统 (EIS)、柔性制造分系统 (FMS)、质量信息分系统 (QIS)，及数据库管理分系统和计算机通信网络分系统。-般工厂CIMS为递阶控制结构，即5层结构：工厂层控制系统、车间层控制系统、单元层控制系统、工作站层控制系统、设备层控制系统。我国在实施 863”计划以来，CIMS有了很大发展，我国经历了信息集成、过程集成和企业集成的研究和实践，提出现代集成制造系统的新概念，并提出企业重构是企业实现过程集成和企业集成的有效手段。

(3)机械制造自动化在大批量生产领域的生产线，称为刚性自动化生产线。而占75%的单件小批量生产的自动化，就要依靠柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)，它出现于20世纪80年代，现仍为现代制造技术的主流。从硬件方面看，有数控机床和加工中心及其它辅助加工设备，包括测量机、清洗机和各种特种加工设备，还有自动装卸的运储系统，包括刀具的运储与工件原材料的运储，具体结构可采用传送带，自动导引小车、搬运机器人、交换工作站、自动化仓库等。从软件看主要包括：FMS的运行控制，FMS的建模和仿真，FMS的数据管理和网络通信。除此以外，还包含冷却系统、排屑系统、刀具监控和管理附属系统等。

FMS递阶控制结构中，设备层和单元层、工作站均可用PLC，-般为接受信号去监控启动各种工作站的输入/输出队列，包括用于零件加工、检测、清洗和别的功能的单个工作站，用在装卸和装夹站、队列站、自动存储/检索系统和碎屑冷却回收系统。为了保证托盘运输之类的功能，系统中每个PLC可编程逻辑控制器与主机之间进行信号传输。

我国在准柔性制造系统 (Pseudo-FMS)方面，已做出成效，做到了成本低、投产快、操作方便、可靠实用。

(4)在世纪之交，我国在传统制造业改造的基础上，大力发展先进制造技术，除文章上述内容外，还有纳米/微米技术 (超精密加工技术)，虚拟制造技术、工业机器人技术、快速原型或快速成形技术等，这些技术在近10年内得到了很大发展，特别是研发新产品方面如何适应市场的需求的问题得到了解决的途径，而且快速成形技术有别于以往的零件制造过程是对毛坯余量进行切削加工。

3快速成型技术及三维打愈3.1 RP(Rapid Prototyping)快速成型技术它于20世纪80年代起源于美国，90年代初，清华大学、西安交大、华中理工大学等单位相继进行了成型理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究。RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于-体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化-层层液态树脂 (或切割-层层的纸，或烧结-层层的粉末材料)，或喷射源选择性地喷射-层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面，逐步叠加成三维产品。对应的三维打愈(3DPrinter，3DP)，与运行CAD/CAM等软件的PC机或工作站相连，类似于传统打愈，而只是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料，通过喷射粘结剂或挤出等方式，实现层层堆积叠加形成三维实体。

快速成型技术和三维打愈自动快速地将设计思想物化为具有-定结构和功能的原型或直接制造零件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。

21本期主题·机械制造 自动化与仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION中阅诹嚣豫丧3.2 目前已有十多种成型系统，较成熟有下列4种(1)SLA(光固化成型法stere0lith0graphy)或称立体印刷，成型材料为液态光敏树脂，制件性能相当于工程塑料或蜡模，主要用于高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

(2)SLS(激光选区烧结法)或称选择性激光烧结法 (selected laser sintering)成型材料为工程塑料粉末，制件性能相当于工程塑料、蜡模、砂型，主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

(3)LOM (叠层实体制造法laminated objectmanufacturing)成型材料为涂敷有热敏胶的纤维纸，制件性能相当于高级木材，主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

(4)FDM (熔融沉积法fu Sed dePO Sitionmodeling)成型材料为固体丝状工程塑料，制件性能相当于工程塑料或蜡模，主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

3-3快速成型工艺流程如下(1)三维模型构造：用UG、Pro/E、I-DEAS或其他三维CAD软件设计；或将已有产品二维视图转换成三维模型；或在逆向工程中，用流量仪对已有产品实体扫描，得到数据点，进行三维重构。

(2)三维模型的近似处理，主要对不规则的自由曲面进行近似处理。对应得mjSTL格式文件。

(3)三维模型的分层 (sLicing)处理，间隔范围为0.05-0.5mm，常用0.1mm。

(4)截面加工，RP系统中的成型头 (如激光扫描头)由数控系统控制，在X.Y平面内按截面轮廓扫描，固化液态树脂 (或切割纸，烧结粉末材料、喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料)，得到-层层截面。

(5)截面叠加，每层截面形成之后，下-层材料被送至已成形的层面上，然后进行后-层的成形，并与前-层面相粘结，从而将-层层的截面叠合在-起，最终形成三维产品。

(6)后处理，成形机成型完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或放进高温炉中烧结，进-步提高其222013年 第8期强度。对于SLS212艺，将工件放入高温炉中烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属处理。

3.4关于市场情况90年代末全球约销售出1500台快速原型成型机，2003年后三维打愈销售逐步扩大，价格也开始下降，目前全球已有3万多台。Makerbot公司在201 1年卖出1万台三维打愈，StratasysHObjet公司在2011年推出售价为5000美元的三维打愈 (入门级桌面3D打愈)，对应3D印刷服务或3D印刷品设计师的收入有可能在201 1年超过100万美元。目前3Dsystems公司将在2011年推出面向消费者的3D印刷服务，另外至少有5家面向消费者的3D印刷公司在201 1年成立。微软将在201 1年收购Dassault Systems公司，成为3D领域的巨头，因为Dassault Systems的3DVia软件将很快成为常规的 3D阅读器”，该公司在B2B工程和3D建模软件方面具有雄厚的实力。

又3D建模软件供应商将提供 低配”版的3D印刷产品，让更多人体会到3D印刷的神奇之处。

总之，三维打愈等将在性价比和人才培训等方面有所突破，面向更多的行业。这些行业，目前除机械制造业外，汽车、航空航天、工业设计、工程和施工、土木工程、建筑、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、珠宝、服装等都在其列。

4结束语在流程工业 自动化 (或称仪控)早已实现的直接数字控制”(DDC)，在机械制造自动化中，正在逐步完成直接数字制造”(DDM)，而且在小批量、单件生产、创新开发新产品、客制化服务、企业动态联盟等方面也将走到前面～机械制造业的自动化、数字化、智能化与第三次工业革命挂钩，也未为不可。