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7.2.5微进给技术19
7.2.6超精密环境控制技术20
7.2.7加工原理21
7.3结论21
8结语22
0.前言
制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱,在国民经济建设、社会进步、科技发展与国家安全中占有重要战略地位,其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。
世界各国经济实力的竞争,主要是先进制造技术的竞争,其竞争能力又体现在所生产产品的市场占有率上。
随着经济的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化,这种竞争日趋激烈,因而各国政府都非常重视对先进制造技术（advancedmanufactuingtechnology,先进制造技术）的研究。
1.先进制造技术的概述
先进制造技术,往往用先进制造技术来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。
具体地说,先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果,并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
与传统的制造技术相比,当代的先进制造技术以其高效率、高品质和对于市场变化的快速响应能力为主要特征。
先进制造技术是生产力的主要构成因素,是国民经济的重要支柱。
它担负着为国民经济各部门和科学技术的各个学科提供装备、工具和检测仪器的重要任务,成为国民经济和科学技术赖以生存和发展的/土壤0。
尤其是一些尖端科技,如航空、航天、微电子、光电子、激光、分子生物学和核能等技术的出现和发展,如果没有先进制造技术作为基础,是根本不可能的。
2.先进制造技术的体系结构
先进制造技术主要包括以下3个技术群（图1）:
a）主体技术群:
这是制造技术的核心,它包括两个基本部分:
有关产品设计技术和工艺技术。
1）面向制造的设计技术群。
面向制造的设计技术群系指用于生产准备的工具群和技术群。
设计技术对新产品开发生产费用、产品品质以及新产品上市时间都有很大影响。
产品和制造工艺的设计可以采用一系列工具,例如计算机辅助设计（CAD）以及工艺过程建模和仿真等,生产设施、装备和工具,甚至整个制造企业都可以采用先进技术进行有效地设计。
2）制造工艺技术群（制造技术环境）。
制造工艺技术群是指用于物质产品生产的过程及设备。
制造工艺技术群是有关加工和装配的技术,也是制造技术的传统领域。
b）支撑技术群:
支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。
基本的生产过程需要一系列的支撑技术,如:
测试和检验、物料搬运、生产计划的控制以及包装等。
它们也是用于保证和改善主体技术的协调运行所需的技术,是工具、手段和系统集成的基础技术。
支撑技术群包括:
1）信息技术:
接口和通信、数据库技术、集成框架、软件工程人工智能、专家系统和神经网络、决策支持系统;
2）标准和框架:
数据标准、产品定义标准、工艺标准、3）机床和工具技术;
4）传感器和控制技术:
单机加工单元和过程的控制、执行机构、传感器和传感器组合、生产作业计划;
5）其他。
c）制造技术基础设施:
制造技术基础设施是指为了管理好各种适当的技术群的开发并鼓励这些技术在整个国家制造行业内推广应用而采取的各种方案和机制。
制造技术的基础设施是使先进的制造技术与企业组织管理体制和使用技术的人员协调工作的系统工程,是先进制造技术不可分割的一个组成部分。
图1AMT体系结构
3.先进制造技术的现状
先进制造技术是现代技术和工业创新的集成和典范,是国家制造业水准的主要标志,是国家工业的基础和支柱。
目前,世界各工业发达国家已充分认识到发展先进制造技术的重要性和紧迫感,纷纷对此进行广泛深入的研究,展开了激烈的竞争。
各种创新成果和先进技术不断涌现。
它们主要包括:
计算机集成制造系统（computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS）,敏捷制造（agilemanufacturing,AM）,并行工程（concurrentengineering,CE）,虚拟制造（virtualmanufactur2ing,VM）以及可持续发展技术等等。
a）CIMS是现代信息技术条件下的新一代制造系统。
它以计算机来辅助制造系统的集成,以充分的、及时的信息交流或信息共享将企业的设计、工艺、生产车间以及供销和管理部门集成为一个有机的整体,使他们相互协调地运作,以提高产品品质,缩短产品开发周期,提高生产效率,确保企业的整体效益,提高企业的竞争能力和生存能力。
b）CE是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。
在传统的串行开发过程中,设计中的问题或不足,要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现,然后再修改设计,改进加工、装配或售后服务（包括维修服务）。
而CE就是将设计、工艺和制造结合在一起,利用计算机互联网并行作业,大大缩短生产周期（图2）。
图2串、并行工程时序的比较c）AM是指企业实现敏捷生产经营的一种制造哲理和生产模式。
AM包括产品制造机械系统的柔性、员工授权、制造商和供应商关系、总体品质管理及企业重构。
AM是借助于计算机网络和信息集成基础结构,构造有多个企业参加的/VM0环境,以竞争合作的原则,在虚拟制造环境下动态选择合作伙伴,组成面向任务的虚拟公司,进行快速和最佳生产。
d）VM是虚拟现实（virtualreality,VR）技术在制造中的应用。
VM实际上是一种计算机科学技术,以信息技术、仿真技术、VR技术为支柱,在产品设计或制造系统的物理实现之前,就能使人体会到或感觉到未来产品的性能或者制造系统的状态,从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。
VM技术是对真实制造过程的动态模拟、仿真,是在计算机上制造数字化产品,在VM环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。
VM技术是CE,AM,精益生产的支撑技术,是品质工程实现的有力保证。
e）可持续设计是在生态哲学的指导下,将设计行为纳入/社会2经济2环境2人类0的系统中,既实现社会价值又保护人与自然的共同繁荣,旨在平衡环境、社会、经济三方面的设计实践和设计管理。
可持续设计包含并超越了传统的产品设计,并代表了人类对传统产品设计的新思考,是产品设计学科的新的发展方向。
目前可持续设计并不成熟,主要设计工具有生命周期评价（LCA）;
面向环境的设计（DFE）;
面向材料选择的设计（DFMS）;
面向拆装的设计（DFD）;
面向回收的设计（DFR）等,可持续设计可以说是人类文明的巨大进步。
4.先进制造的发展趋势
先进制造业追求的目标是:
高品质、高效率、高柔性、低成本、低劳动力、低消耗、品种多和规格全的产品,因此,ATM的发展趋势应体现在以下几个方面:
a）制造技术向自动化与智能化方向发展:
随着电子技术、信息技术和计算机技术的发展,推动了制造技术向更深层次发展。
基于CAD/CAM技术的CIMS是制造业自动化的一个重要方向。
CIMS通过CAX（CAD,CAPP,CAE,CAM）系统和PDM系统,进行产品的数字化设计、仿真,并结合数字化制造设备,进行自动加工。
并采用MRPII/ERP系统,对整个企业的物流、资金流、管理信息流和人力资源进行数字化管理。
智能制造技术（IMT）是将人工智能融入制造过程的各个环节,通过模拟人类专家的智能活动,取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动,在制造过程中系统能自动监测其运行状态,在外界干扰或内部激励下能自动调整其参数,以达到最佳状态和具备自组织能力。
例如机器人加工就是将机床与机器人、传感器、控制器组合而成的智能制造系统,它具有信息处理和知觉反馈、决策能力,可同时控制指挥多种操作,从而能提高效率、保证品质和降低成本。
b）精密成形与加工:
精密加工、超精密加工技术、微型机械是先进制造技术发展的方向之一。
精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特种加工和复合加工（如机械化学研磨、超声磨削和电解抛光等）三大领域。
超精密加工技术己向纳米技术发展。
纳米技术已在纳米机械学、纳米电子学和纳米材料技术得到了应用。
c）新型特种加工方法的形成:
特种加工亦称非传统加工或现代加工方法,泛指用电能、光能、热能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。
它包括激光加工技术、电子束加工技术、离子束加工技术、等离子加工技术、电加工技术等。
今后,特种加工将从实际出发,在融合传统技术和现代技术的基础上大力开发特种加工领域中的新方法,包括微细加工和复合加工。
d）制造业中广泛应用VM技术和柔性制造技术:
制造过程中的VM是指面向产品生产过程的模拟和检验。
VM的核心是计算机仿真,通过仿真软件来模拟真实系统,以保证产品设计和产品工艺的合理性,保证产品制造的成功和生产周期,发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。
所谓柔性,是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力,它与系统方案、人员和设备有关。
系统方案的柔性是指加工不同零件的自由度。
人员柔性是指操作人员能保证加工任务,完成数量和时间要求的适应能力。
设备柔性是指机床能在短期内适应新零件的加工能力。
e）网络化和全球化:
随着网络通讯技术的迅速发展和普及,企业的产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售等都可以异地或跨越国界进行。
此外,网络通讯技术的快速发展,加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习,推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。
因此制造业发展的必然是由网络化迅速向全球化迈进。
f）实施无污染绿色制造:
绿色制造是通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品,产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。
采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响,同时使原材料和能源的利用效率达到最高。
对于目前世界资源紧张,环境恶化的现状以及人类的持续发展的要求来讲,绿色制造是必然的趋势。
5.柔性制造技术
5.1柔性
柔性可以表述为两个方面。
第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；
第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。
“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。
其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。
但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种中小批量的生产。
随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。
柔性已占有相当重要的位置。
柔性主要包括：
①机器柔性。
当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。
②工艺柔性。
一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；
二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。
③产品柔性。
一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；
二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。
④维护柔性。
采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。
⑤生产能力柔性。
当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。
对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。
⑥扩展柔性。
当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。
⑦运行柔性。
利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。
5.2柔性制造技术
柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。
柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加工技术都属于柔性制造技术。
目前，按规模大小划分为：
5.2.1柔性制造系统（FMS）
FMS包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备，配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中央计算机统一控制和管理下，动态地平衡资源地有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工。
5.2.2柔性制造单元（FMC）
FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物，它由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性，现已进入普及应用阶段。
5.2.3柔性制造线（FML）
FML是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。
其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床，亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。
它以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统（DCS）为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，现已进入实用化阶段。
5.2.4柔性制造工厂（FMF）
FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。
它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统（CIMS）投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。
FMF将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统（IMS）为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。
6.计算机集成制造系统
计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems,简称CIMS）,是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。
它借助
于计算机的硬件、软件技术,综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。
对企业的生产作业、管理、计划、调度、经营、销售等整个生产过程中的信息进行统一处理,并对分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统的功能进行有机地集成,并优化运行,从而缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。
它是工厂自动化的发展方向,未来制造业工厂的模式,是当代生产自动化领域的前沿学科,也是集中多种高新技术为一体的现代化制造技术。
6.1CIMS系统的功能组成
一般CIMS有六部分组成
（1）管理信息系统（MIS）:
具有生产计划与控制、经营管理、销售管
理、采购管理、财务管理等功能,处理生产任务方面的信息。
（2）工程设计应用分系统（CAD&
CAPP）:
由计算机辅助设计、计算机
辅助工艺编制和数控程序编制等功能组成,用以支持产品的设计和工艺准备,处理有关产品结构方面的信息。
（3）车间管理与自动化应用分系统（CAM）:
也可以称为计算机辅助
制造分系统,它包括各种不同自动化程度的制造设备和子系统,用来实现信息流对物流的控制和完成物流的转换。
它是信息流和物流的接合部,用来支持企业的制造功能。
（4）计算机辅助质量保障分系统（CAQ）:
具有制订质量管理计划、实
施质量管理、处理质量方面信息、支持质量保证等功能。
（5）数据库存管理分系统:
用以管理整个CIMS的数据,实现数据
的集成与共享。
（6）计算机与网络分系统:
用以传递CIMS各分系统之间和分系统
内部的信息,实现CIMS的数据传递和系统通信功能。
它们的联接关
系如图1示:
6.2CIMS系统的技术优势分析
6.2.1保障和提高了新产品开发的质量
CIMS（包括并行工程和虚拟制造技术等）使企业提高了产品创新
设计的深度,大大有利于提高企业产品的技术含量。
CIMS建立了企业从产品设计、生产制造、经营管理全方位的计算机集成制造环境,做到了企业信息流、物流、资金流的集成。
市场综合反馈信息在CIMS（MIS部分:
管理信息分系统）的支持下,迅速反馈到CIMS~程设计自动化分系统（CAD/CAPP/CAM/CAE）,产品设计人员在PDM（产品数据管理）、CAD等系统支持下,综合产品过去设计成果及各项信息（包括零部件明细、价格、供货质量、生产加工能力等）,在MIS过来的市场综合反馈信息地推动下,就能不断设计出更加满足市场需求的高争论、低成本、适销对路的产品
6.2.2缩短了新产品的上市周期
CIMS是一个集成化的生产模式,覆盖了市场分析、经营决策、新
产品研制、工程设计、加工制造、库存供应、质量保证、销后服务等整个制造业的活动,并力图实现三流集成。
在这种环境支持下,通过企业信息的快速流动,加速了产品的设计周期。
同时,由于在设计时参考了产品的可制造性等特性,在MIS及制造自动化系统的支持下,也极大地提高了产品的生产及销售分派效率,这些都保证了企业新产品上市周期的显著改善。
6.2.3经营管理科学化,同时降低了产品的成本
在经营管理方面,使企业的经营决策和生产管理趋于科学化。
使
企业能够在市场竞争中,快速、准确地报价,赢得时间;
在实际生产中,解决“瓶颈”问题,减少再制品,同时,降低了库存资金的占用。
调查材料表明,采用计算机集成制造系统后,企业新产品的各项因素发生了明显的变化,。
7超精密加工技术
超精密加工是在超精密机床设备上利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和极低表面粗糙度的加工过程，其精度从微米到亚微米，乃至纳米。
它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节。
而且，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。
7.1超精密加工的技术范畴
由于加工技术水平的发展，超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有固定的界定。
根据目前技术水平及国内外专家的看法，对中小型零件的加工形状误差△和表面粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。
精密加工:
Δ=1.0~0.1μm，Ra=0.1~0.03μm；
超精密加工：
Δ=0.1~0.01μm，Ra=0.03~0.005μm；
纳微米加工：
Δ<
0.01μm，Ra<
0.005μm。
随着科学技术的飞速发展，超精密加工技术日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等，并向更高层次发展。
超精密加工的影响因素很多，只有广泛研究和综合采用各种新技术，并在各方面精益求精，才能突破目前常规加工技术不能达到的精度界限。
实现超精密切削加工的条件主要包括超精密加工机床、超精密切削刀具、超精密加工环境、超精密加工的工件材质、超精密加工用夹具和超精密测控技术等多项技术。
超精密加工技术实际上就是这些技术的综合应用。
7.2超精密加工的关键技术
7.2.1主轴
机床的主轴在加工过程中直接带动工件或刀具运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。
现在超精密加工机床中精度最高的主轴采用的是空气静压轴承，其实用精度可达0.05μm，但还不能满足纳米级加工的要求。
近年来磁悬浮轴承的发展非常迅速，有望在未来有所突破，但目前还达不到空气静压轴承的精度。
而提高空气轴承主轴回转精度的途径之一是提高轴及轴套的圆度，因为理论上这两者是成正比的。
另外，还要想办法提高气孔供气的平稳性。
通过多孔粉末冶金材料的小孔供气是理想的供气形式，有待进一步研究。
此外，还可以利用控制技术以补偿的形式来减小或消除回转误差。
7.2.2直线导轨
总的来说，从精度角度看，空气导轨是现在最好的导轨。
虽然它没有液体静压导轨的刚性大，但气浮导轨优点也很明显，如无需进行油温控制，对环境没有污染。
此外，纳米级精度加工机床的负荷和行程没有那么大，所以应优先考虑空气导轨。
目前，空气导轨的直线度可达（0.1~0.2）μm/250mm，国内303所也可做到0.1μm/200mm的水平。
纳米水平的机床导轨行程比上述要短，通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度。
国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度，取得了较好的效果，可补偿到0.1μm/300mm的精度水平。
在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采用多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。
由于空气导轨的气膜厚度大概只有10μm，在使用过程中防尘显得很重要，若不保证洁净的环境，导轨有可能因为灰尘而受损伤，这种损伤常常是难以修复的。
7.2.3传动系统
传统进给装置的主要任务之一是把旋转运动转化成直线运动，主要使用滚珠丝杠。
与轴承一样，为了克服摩擦引起的爬行和反向间隙现象，出现了静压丝杠。
由于介质膜的均化作用，目前的空气静压丝杠分辨率可达到0.01μm，进给精度比C0级滚珠丝杠高2个数量级，但刚度有所欠缺。
所以，又出现了传动原理类似齿轮齿条传动的摩擦传动，它能够实现无反向间隙的传动，同时因为结构非常简单，弹性变形因素较小。
目前，已有的摩擦传动分辨率能达到1.25nm，定位精度能达到0.1μm，而根据其原理，采用高分辨率的电机还可以使这两个数值进一步减小。
微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，它一般被用作补偿工具。
用压电陶瓷驱动、弹性铰链支撑的微位移机构得到了广泛的应用。
7.2.4超精密测控技术
在距离的测量仪器中，双频激光干涉仪测量精度高、测量范围大，但对环境的要求过高，在使用中有很多困难。
近年来，微光学器件的发展使光栅技术有了很大的进步。
德国Heidenhain的超精密光栅尺被世界各超精密设备厂家选用。
在小距离的测量仪器中，电容式、电感式测微仪仍是主要的设备，光纤测微仪也发展很快。
在更小测量范围的测量仪器中有扫描隧道显微镜（STM）、扫描电子显微镜、原子力显微镜，这些仪器可进行纳米级的测量，常用于表面质量检测。
测量仪器的稳定性和可靠性也是超精密测量中的一项十分重要的指标。
7.2.5微进给技术
微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，它一般被用来微进给或作补偿工具。
压电陶瓷材
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