先进制造技术实验指导书.docx
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先进制造技术实验指导书
先进制造技术
快速成型技术
实验指导书
江苏大学工业中心机制实验室
二00六年一月
实验一熔融挤压原型制造
实验二快速原型制造—选择性激光烧结
实验三加工中心操作与编程
实验四工业机器人的应用
实验五FMS现场操作
实验六数控机床原理及应用
实验七AGV小车在系统中的应用
实验八Mini-Factory的集成化实验
实验一熔融挤压原型制造
一、实验目的：
通过实验使学生能够了解熔融挤压快速成型（MEM）技术的基本原理、基本方法和应用，了解MEM-350快速成型系统的基本结构，掌握熔融挤压快速成型系统的简单操作，加深对快速原型制造方法的了解。
二、实验内容:
了解快速原型制造的基本工艺及后续处理工艺，并学会用MEM-350熔融挤压快速成型机制作规定零件。
三、实验原理：
MEM,熔融挤压成形（类似于美国FDM工艺），是RPM家族中的后起之秀。
该工艺以ABS和蜡等热熔融性材料为原材料，在其熔融温度下靠自身的粘接性逐层堆积成形。
在该工艺中，材料连续地从喷嘴挤出，零件是由丝状材料的受控积聚逐步堆积成形。
该工艺示意图如下：
。
图1－1MEM工艺原理
四、实验设备：
MEM-350系统组成：
✧系统主框架
✧XYZ扫描运动系统
✧喷头及送丝机构
✧加热及温控系统
✧数控系统
系统结构框图
主要参数：
系统配置
主机
操作系统
Windows98、2K、XP
工艺
MEM---熔融挤压成形
材料
ABS
扫描速度
0-80mm/s
成形空间
350mm（长）×350mm（宽）×350mm（高）
精度
±0.2mm/100mm
电源
4KW,200-240VAC,50/60Hz
主机尺寸
900mm（长）×1200mm（宽）×1800mm（高）
重量
约500公斤
机械结构
MEM-350Z向结构MEM-350XY扫描系统
控制原理：
MEM-350控制系统由两部分组成：
运动控制系统和温度控制系统。
在系统中，计算机（PC）通过数控卡控制XYZ扫描运动系统，喷头及送丝机构也通过数控卡进行控制。
控制系统原理图如下：
控制软件（Cark）
运行Cark的执行程序，进入MEM控制软件（Cark）。
启动应用程序后，系统显示右图界面。
Cark是一个具有Windows风格的软件。
使用简单方便，工作界面由三部分构成。
上部为菜单和工具条，左侧为工作区，显示工艺参数及系统信息等；右侧为图形窗口，显示二维CLI模型。
Cark菜单栏的功能是进行各种命令操作，设定工艺参数，设备参数，变换模型坐标，设定显示模式等。
控制软件（Cark）主窗口
Cark菜单栏中部分功能介绍：
系统初始化：
系统将自动测试各电机的状态；X、Y轴回原点；自动装载变量文件和运动控制文件等PMAC文件。
只有系统初始化后，才可以进行造型。
打开新文件不需重新进行系统初始化，关闭数控按钮后需要重新进行系统初始化。
命令行：
本窗口是为维修调试工程师而准备的。
可以向数控卡发送其可接受的任何命令，并回显PMAC卡的返回字符串。
学生不得使用该命令，以免错发命令，对数控系统造成损害。
控制面板：
该窗口分为三个区域，XY轴扫描区域为向八个方向的箭头，点击任一方向XY轴即可向该方向运动；喷头区域为控制喷头出丝；工作台区域为对工作台（Z轴）的运动控制，点击左侧的向上或向下箭头可使工作台向上或向下运动；右侧的箭头为调整工作台的运动速度；对高的功能是使工作台自动完成对高动作。
造型：
单击“造型>造型……”，系统弹出是否加热和选择造型层确认对话框，“选择造型层”可以设定造型的起始层和结束层。
选择确定后，弹出造型对话框。
用“Start”按钮启动造型过程。
“Pause”，按钮暂停造型，“Stop”按钮停止造型，XY轴电机回零点。
关闭系统:
系统将自动关闭温控系统及数控系统。
自动关机:
在原型制作完毕后以及造型过程中系统出现故障时，自动关机以保护系统。
系统菜单
系统工艺参数栏系统参数栏
设定系统参数须输入密码，该参数必须由维修工程师设定
五、实验方法及步骤：
（一）数据准备
1、零件三维CAD造型，生成STL文件（使用Pro/E、UG、SolidWorks、AutoCAD2000软件）
2、选择成型方向，添加支撑结构（使用Daphne数据处理软件）
3、参数设置（分层厚度0.15mm,偏置半径0.2mm,填充间距0.5mm等）
4、对STL文件进行分层处理，生成CLI文件（使用Daphne数据处理软件）
5、退出Daphne数据处理软件系统
（二）、制造原型
1、成形准备工作
（1）打开电源、计算机。
（2）材料及成形室预热，以50℃为一升温梯度，将成型材料逐步升温至220℃；以10℃为一升温梯度，将成型室温度逐步升温至55℃。
（3）运行Cark控制软件，读出CLI文件。
对数控系统初始化。
注意事项：
A）尽量少开关数控按钮。
关闭数控按钮后，应至少间隔1分钟后才能再次打开数控按钮。
B）一定要先启动计算机，再按下数控按钮。
C）开关数控按钮后一定要进行数控系统初始化。
（4）挤丝
材料温度到达220℃后，按下“喷丝”按钮，将喷头中老化的丝材吐完，直至ABS丝光滑。
（5工作台水平校准
用控制面板上的软按钮移动喷头至工作台的支承处，用调平量块通过调平螺母调节高度校准水平升降工作台时一定要小心，低速，微调，注意喷头不能与量块相撞，如果相撞会损坏喷头。
（6）工作台高度校准
将喷头移动到工作台中部，上升工作台，使之上表面接近喷嘴，微调工作台，使之间隙大约为0.1毫米，完成高度校准。
调高时严禁喷头与台面距离过小，或喷嘴扎进底板的情况发生，这样可能会使喷头堵死。
2、造型
（1）设定参数
成形参数参考表一
薄壁零件
普通零件
大型零件
运动速度
单位mm/s
喷头参数
无单位
运动速度
单位mm/s
喷头参数
无单位
运动速度
单位mm/s
喷头参数
无单位
轮廓
轮廓
轮廓
轮廓
轮廓
轮廓
填充
填充
填充
填充
填充
填充
支撑
支撑
支撑
支撑
支撑
支撑
跳转
200
跳转
200
跳转
200
（2）造型
输入起始层和结束层的层数。
单击“Start”，系统开始估算造型时间。
接着系统开始扫描成型原型。
（估算造型时间应放在底板对高前，以免喷头烤到底板）
3、后处理
后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤。
（1）设备降温
原型制作完毕后，如不继续造型。
即可将系统关闭，为使系统充分冷却，至少于10分钟后再关闭散热按钮和总开关按钮。
（2）零件保温
零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内，薄壁零件保温15~20分钟大型零件20～30分钟，过早取出零件会出现应力变形。
（3）模型后处理
用小铲子小心取出原型。
去除支撑，避免破坏零件。
用砂纸打磨台阶效应比较明显处。
用小刀处理多余部分。
用填补液处理台阶效应造成的缺陷。
如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光。
六、实验报告
完成思考题：
实验二快速原型制造—选择性激光烧结
一、实验目的:
通过实验使学生能够了解激光选区烧结快速成型（SLS）技术的基本原理、基本方法和应用，了解HRPS-III快速成型系统的基本结构，掌握HRPS-III快速成型系统的简单操作，对快速原型制造方法有较全面的了解。
二、实验内容:
了解快速原型制造的基本工艺及后续处理工艺，并学会用激光选区烧结快速成形技术制作三层空心小球。
三、实验原理:
快速成形技术是快速制造的核心，能在几小时或几十小时内直接从CAD三维实体模型制作出原型，比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体.
快速原型制造是一种离散/堆积的加工技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标轴进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成形材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。
选择性烧结工艺（SLS）是利用粉末状材料成形的。
SLS成型过程见图，首先根据产品的三维CAD模型，经过数据处理变成面化的模型，然后通过计算机“切片”将面化模型切成一系列的横截面。
成型过程开始，铺粉滚筒将粉末均匀的铺在工作台上，数控激光束按照每一层的截面信息进行扫描烧结，一层扫描完成后，工作台下降一层的距离，铺粉滚筒再次将
粉末铺平后，激光束开始依照新的一层截面信息扫描，同时新的形成层也烧结在前一层上。
如此反复，经层层叠加后，一个三维实体就制造出来了
四、实验设备:
HRPS-III激光粉末烧结系统简介:
『基本组成』
HRPS系统由三部分组成：
计算机控制系统、主机、激光器冷却器。
如图1.1所示。
1．计算机控制系统
由高可靠性计算机、性能可靠的各种控制模块、电机驱动单元、各种传感器组成，配以HRPS‘2002软件。
该软件用于三维图形数据处理，加工过程的实时控制及模拟。
2．主机
该主机由六个基本单元组成：
可升降工作缸、落粉桶、浦粉辊装置、聚焦扫描单元、加热装置、机身与机壳。
它主要完成系统的加工传动功能。
3．激光器冷却器
由可调恒温水冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，提高激光能量稳定性，保护激光器。
『硬件』
1、扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速（最大扫描速度为
4m/s）和高精（激光定位精度小于50um）的特点；
2、激光器采用美国CO激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳
定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭恨温水循环冷却系统；
3、新型送粉系统（专利）可使烧结辅助时间大大减少；
4、排烟除尘系统能及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响；
5、全封闭式的工作腔结构，可防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响。
『软件』
功能强大的HRPS’2002软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的
模块化结构，国际标准输入输出接口。
具有以下功能：
1、切片模块：
具有HRPS-STL（基于STL文件）和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块；
2、数据处理：
具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能；
3、工艺规划：
具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）；
4、安全监控：
设备和烧结过程故障自诊断，故障自动停机保护。
『技术参数』
五、实验方法及步骤:
1．准备工作
1）用吸尘器清除工作台面及加热辊上粉尘；
2）检查保护镜是否被污染，若不干净，先用吸耳球吹一吹保护镜，再用镊子夹带丙酮的脱脂棉轻轻擦洗镜片；
3）冷器中的水箱是否水充足，若不够则补充水进去。
2．三层空心小球的制作
1）用pro/E软件绘制三层空心小球的三维CAD模型；
2）快速成型机开机，将粉桶内的粉末装满，来回运动铺粉滚筒将粉层铺平、铺匀；
3）输出小球的STL文件到快速成型机；
4）运行HRPS2002软件,并打开该STL文件，依次点击打开激光、风扇、振镜；
5）将粉末预热，中缸温度达到95度，左右两缸温度达到85度；
6）设置激光功率50%，扫描速度2000mm/s，单层厚度0.15，扫描间距0.2；
7）预热90分钟后进行成型制造；
8）烧结完成后将激光、振镜、风扇关闭，并保持小球在成型舱内缓慢冷却到室温；
9）小球完全冷却后取出，用刷子和鼓风机将残余粉末清除干净；
10）将小球放在干燥箱内干燥30分钟，干燥箱温度设为40度；
11）配置环氧树脂溶胶，具体配方为E-42环氧树脂a克，二乙烯三胺a*（103.17/5）*0.42克，稀释剂若干；
12）将混合物搅拌均匀，用小刷子蘸取溶胶均匀的涂敷在小球上，保证小球被渗透，涂敷完全；
13）将小球放在空气中4小时，然后将小球放入干燥箱内30分钟，干燥箱温度设置为100度；
14）从干燥箱内取出小球，在空气中缓慢冷却，制作结束。
六、实验报告
完成思考题：
1．写出几种快速成型的工艺方法；并阐述所使用的快速成型工艺的优缺点。
实验三加工中心操作与编程
一、实验目的和要求
1、了解FadalVMC4020立式加工中心的组成结构和刀库结构；
2、熟悉加工中心的操作面板和控制软件；
3、熟悉加工中心手动程序输入和调试方法；
4、掌握典型多工序零件在加工中心上的加工方法。
要求具备一定的机械制造工艺和数控编程基础知识，熟悉常见的G、M代码和刀具补偿指令的含义。
二、实验设备和工具
1、FadalVMC4020立式加工中心一台；
2、刀柄：
BT40带拉钉7：
24锥度刀柄；
3、刀具：
φ50mm面铣刀、φ6mm麻花钻、φ6mm立铣刀；
4、夹具：
平口钳；
5、量具：
游标卡尺、深度尺、千分尺；
6、毛坯：
六个平面经过粗加工的铝块：
长60mm×宽40mm×高30mm。
三、实验内容
1、FadalVMC4020组成
123456
1、X-Y数控工作台2、刀库3、变频主轴4、Z轴伺服电机5、护线架6、操作面板
图1FadalVMC4020立式加工中心外形图
FadalVMC4020立式加工中心采用Fadal104/D控制系统，能够控制X、Y和Z三坐标轴的联动（包括移动量及进给速度，能进行直线、圆弧的插补加工控制）；电气开关量控制（包括主轴正、反转、急停和定位，进给轴重启、暂停和超程保护控制、刀库驱动和换刀）；主轴采用变频器无级调速控制；采用21把刀具的斗笠式刀库、采用气动换刀方式。
中空内冷却滚珠丝杆传动机构更加保证了工作台移动精度和重复定位精度。
该机床能完成铣削、钻、扩、铰、镗孔、攻丝、开槽等复合工序，还可以完成各类曲面轮廓粗、精铣削，通过精确的三轴联动程序控制，可以加工空间曲面零件。
Fadal104/D数控系统功能强大，可以兼容FANUC和SIEMENS数控系统，通过配置数控回转工作台，可以实现四轴和五轴联动加工。
如图1为FadalVMC4020立式加工中心的组成结构示意图。
2、刀库和自动换刀结构（ATC）
图2自动换刀动作示意图
FadalVMC4020立式加工中心采用斗笠式刀库结构，刀库容量为21把，采用顺序选刀方式，1号刀已设置好，其它刀号依次类推。
安装一把新的刀具步骤如下（以装1号刀具为例，其它操作类似）：
通过MDI（手动数据输入），输入指令M6T1，利用手摇脉冲发生器（MPG），按下TOOLOUT，将刀柄对准主轴锥孔内，轻轻放入，按下TOOLIN，刀具自动被拉紧，安装完毕。
再输入指令M6T2，可以进行第二把刀具的安装。
3、操作面板简介
图3操作面板简介
主要按钮和开关介绍如下：
h（JOG）：
利用此按钮实现手动模式，借用手摇脉冲发生器，可以对X、Y、Z轴快速或慢速移动操作，常利用此功能试切零件和进行对刀调整操作。
g（MANUAL）：
手动切换键，进入ENTERNEXTCOMMAND<模式后，按下此键，可以进入MDI模式，再按此键，进入JOG模式。
e、i：
为主轴和各个伺服轴的倍率控制开关，用它们来配合新程序的调试。
k（SIDEHOLD）：
程序运行中，如有异常或需要中断运行，按下此按钮。
如果继续运行，按START后，接着继续运行下一行程序。
显然，为了操作的方便，在面板和MPG上设置了相同的按照，比如急停按钮（a）、刀具装卸（b）和启动运行（j）等。
右下角为软驱和USB通讯口，对于复杂零件的数控程序，可以通过三维模型设计后，由CAM软件生成的CNC程序直接输入到本系统的程序编辑界面。
4、工作状态显示界面
进入正常运行程序时，操作主界面如图4所示，可以比较全面地显示切削加工各个参数，如绝对和相对坐标值、加工跟随误差、主轴转速、进给速度、加工功率和当前使用的G代码等。
图4工作状态显示界面
5、程序编写举例
N1O8801（DRILLPROGRAM）………..程序名（4个数字）
N2G0H0Z0………..回到换刀原点
N3M6T1………..自动换1号刀
N4G0G90X10.Y20.E1M3S1500………..快速移到零件加工孔轴心线，同时主轴正转
N5Z5.H1………..Z轴移动到零件上表面一定距离
N6M8………..冷却液开启
N7G1Z-10.F200.………..钻孔深度10mm
N8G1Z5.F800.………..退回到零件上表面
N9G0H0Z0M9………..回到换刀原点，关冷却液
N10M2………..程序结束
注意：
1、数字后加圆点，代表数字单位为毫米，否则系统认为是微米；
2、E代表夹具偏置号，在COMMAND模式下，输入DF，通过系统提示，根据加工零件尺寸基准需要进行设置。
3、H代表刀具补偿号，在COMMAND模式下，输入DT，通过系统提示，一般以加工零件上表面进行对刀，根据加工轮廓形状的不同，分别设置刀具长度方向和直径方向的补偿量。
6、固定循环简介
Fadal104/D数控系统提供了丰富的宏指令、固定子程序和固定循环功能，大大提高了编程的效率和质量，下面仅举一列常用的固定循环功能加以说明。
L9601R0R1R2R3用于逆时针扩铣矩形槽，其中：
R0：
进给速率，单位毫米/分钟；
R1：
刀尖圆角半径；
R2：
X方向尺寸全长；
R3：
Y方向尺寸全长；
四、实验步骤
1、确定零件的加工要求
图5实验加工零件
如图5所示，材料为铸铝合金，毛坯尺寸长×宽×高为60×40×22mm，因此需要分析该零件在此加工中心的加工工艺，确定装夹方案、加工顺序和刀具路径，编制刀具选用卡、加工工艺卡和编写加工程序清单。
2、零件工艺分析
本零件由平面、孔和长方形槽组成，其顶面粗糙度Ra1.6，需要采用粗、精铣，其它可以一次切削成形。
零件底面垫平，直接采用平口钳按图示方向夹紧。
3、确定加工顺序
按照先面后孔，先粗后精的原则确定加工顺序：
粗铣上表面留余量→精铣上表面→铣长方形凹槽→钻φ10mm孔→钻4个φ6mm孔。
查阅机械加工工艺手册，确定每道工序所用的切削刀具和切削用量，包括主轴转速、进给量，填入相应的刀具选用卡和工序卡片中（格式参考实验报告）。
4、正常启动机床，检查机床有无回到原点，装夹好工件。
5、按MANUAL键，进入MDI界面，输入换刀指令，通过手摇脉冲发生器，按刀具顺序分别安装在主轴锥孔内。
6、在XOY平面内确定以工件中心为工件原点，Z方向以工件表面为工件原点，建立好工件的坐标系。
采用手动对刀方法，按照步骤分别确定好夹具偏值和刀具长度和直径补偿值。
至此，根据上述工艺参数和加工路径，手工编制好加工中心加工程序。
7、回到COMMAND模式，输入PA，进入程序输入界面，加工程序输入后仔细检查，有必要进行加工仿真模拟操作。
8、按下AUTO和START，开始按程序自动切削零件，结束后退出程序，拆卸下零件，测量并作好实验记录。
9、清理切屑、整理好工量器具。
五、实验报告
1、简述FadalVMC4020立式加工中心是如何实现自动换刀的？
2、写出上图5零件详细的数控加工程序清单和加工工序卡（仅列出参考格式）。
学院
班级
编制人
零件名称
零件图号
日期
工步
号
工步内容
刀具选用
切削用量
刀
号
刀长
补偿
直径补偿
夹具偏置
S
（rpm）
F
（mm/min）
切深
（mm）
1
粗铣零件上表面，达到表面粗糙度要求
φ50端面铣刀
3000
800
1
（根据余量）
T1
H1
H1
E1
六、实验注意事项
1、实验前仔细阅读本加工中心操作规程，特别需要熟悉正常开机和关机操作；
2、程序输入后，必须经过指导老师的核对后，才能启动自动加工操作；
3、手动和自动加工过程中，如出现异常情况，请按“急停”按钮。
4、关机退出界面之前，必须进行回零（参考点）操作，保证下次操作安全。
实验四工业机器人的应用
一、实验目的和要求
1、综合训练计算机集成制造系统有关单元技术的原理，巩固和加强对理论的认识和理解
2、熟悉实验装置的基本结构和原理，并通过对实验装置的操作和对实验现象的观察，使学生掌握一定的基本实验技能，积累一些感性认识
3、通过对实验项目的设计和操作，培养学生的创新思维和动手能力，处理一般工程技术问题的初步能力及实事求是的科学态度
二、实验内容
1、了解机器人的基本结构及其原理
2、熟悉工业机器人的基本操作方法
三、实验仪器及器材
1、FESTO制造生产的MPS（模块化生产系统）；
2、三菱公司生产的RV-2AJ五轴机器人
四、实验操作步骤
（一）工业机器人的示教盒操作，了解工业机器人的三种坐标运动模式。
机器人的示教盒
1、运动模式介绍：
Joint:
关节坐标系，机械手的每个关节可以单独运动
X-Y-Z:
世界坐标系，机械手的抓取点（爪手中心点）按照笛卡尔坐标运动
Tool:
工具坐标系，将机械手的抓去点（爪手中心点）作为笛卡尔坐标系原点
-JOINTjogoperation
-XYZjogoperation
-TOOLjogoperation
2、操作方法（先使能示教盒）：
①左手托住示教盒，并按下示教盒下方的DeadmanSwitch（通电开关），同时按住面板表面的ServOn按键，持续一段时间，听到机器人伺服电机开的声音，并在以后的操作过程中一直保持这两个按键不放开。
②同时按下面板上的XYZ按键，当显示屏上显示为XYZ坐标时，操作机器人做X方向，Y方向，和Z方向的运动，熟悉其运动姿态。
③转换运动坐标系，在①的基础上同时按下面板上的JOINT按键，当显示屏上显示为JOINT坐标时，操作机器人做J1，J2，J3，J5，J6五个自由度的运动，熟悉其运动姿态。
④转换运动坐标系，在①的基础上同时按下面板上的TOOL按键，当显示屏显示为TOOL坐标时，操作机器人TOLL方式的运动，并熟悉其运动姿态。
（二）熟悉机器人的控制器的操作。
控制器面板介绍
操作方法：
①熟悉工业机器人控制器操作面板上的各个按键的功能，并特别注意操作模式转换开关和急停按钮（大红色）的作用。
②把模式转换开关打到最左边，使用控制器来控制机器人运动。
按CHNGDISP改变显示到程序名下，选择要求机器人运动的程序名称
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