胡凱明

（濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，山東 濱州 256600）

0 引言

進入現(xiàn)代之后，機械設(shè)備的制造工藝已經(jīng)進一步更新?lián)Q代，基于計算機和柔性加工單元的機械設(shè)備集成制造系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。此外，在零件加工方面，精細化程度已經(jīng)從“精密”提升至“超精密”程度?；诖?，圍繞現(xiàn)代機械制造工藝及精密加工技術(shù)展開研究具有時代意義，必須予以重視。

1 現(xiàn)代機械柔性制造工藝簡析

1.1 機械柔性制造系統(tǒng)的組成及原理

在全球范圍內(nèi)，機械加工制造已經(jīng)進入新的歷史階段，即“柔性時期”。全球各國對這一機械加工制造時期的定義大同小異。例如，我國“國家軍用標準”圍繞武器裝備的柔性制造給出的定義是，柔性制造系統(tǒng)（FMS）是由數(shù)字化控制加工設(shè)備、物料運輸儲存裝置、計算機控制系統(tǒng)等共同組成的自動化制造系統(tǒng)，其中包括多個柔性制造單元，能夠根據(jù)制造任務(wù)、生產(chǎn)環(huán)境的變化，迅速完成生產(chǎn)制造工藝、控制程序的調(diào)整，從而能夠?qū)Χ鄠€品種的機械設(shè)備或零部件進行中小批量的生產(chǎn)。按照美國制造工程師協(xié)會（SME）的定義，機械柔性制造是指使用計算機、柔性加工單元和集成物料儲存運輸裝置，完成對零件族的某一工序、一系列工序的一種集成制造系統(tǒng)。

機械柔性制造系統(tǒng)的組成如圖1 所示。具體如下：①加工子系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)任意順序自動加工制造多種工件，且可以自動更換工件和刀具。在實際作業(yè)期間，如果需要增加制造功能，則在該功能增加后，還可以實現(xiàn)工件的自動清洗和測量。②物流系統(tǒng)。能夠滿足可變動節(jié)拍生產(chǎn)的物料自動識別、存儲、輸送、交換等要求，達到對刀具的預(yù)調(diào)和管理目的。③控制與管理子系統(tǒng)。能夠?qū)庸ぷ酉到y(tǒng)和物流子系統(tǒng)進行自動控制，對相關(guān)作業(yè)進行協(xié)調(diào)。此外，還可以對有關(guān)資料進行在線自動采集和處理，模擬新的運行方案（仿真），針對故障進行自動診斷并找出引發(fā)故障的原因。

圖1 機械柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 機械柔性制造系統(tǒng)的類型及應(yīng)用

現(xiàn)階段，全球范圍內(nèi)主要形成了3 種類型的機械柔性加工制造系統(tǒng)，如圖2 所示。具體如下。

圖2 3 種機械柔性制造系統(tǒng)類型

（1）互替式（圖2a）。相對而言，這種機械柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)制造柔性、生產(chǎn)率、技術(shù)利用率均偏低，系統(tǒng)整體可靠性及投資強度比較高。此種類型的機械柔性制造系統(tǒng)一般由多個構(gòu)造相同或是能夠互相替換的數(shù)控機床組成，例如，最經(jīng)典的構(gòu)成為8 臺加工中心、一個貯料系統(tǒng)、一條往復(fù)式物料運輸線、計算機控制設(shè)備。系統(tǒng)進行生產(chǎn)制造作業(yè)時，工件可以被送到任意適合加工制作作業(yè)的加工中心之中，且由計算機根據(jù)各臺機床的任務(wù)量以及實時運行狀態(tài)，完成對機床加工零件的分配。每一臺機床都設(shè)有自動換刀裝置，均能夠根據(jù)需要，部分或全部完成加工工序?？傮w來看，這種互替式的機械柔性制造系統(tǒng)的最大優(yōu)點是，當某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)只需對出現(xiàn)故障的設(shè)備（或電路）進行停機或切斷即可，不會影響其他設(shè)備的正常運行。然而由于具有適配性的機床種類較為單一，有可能導(dǎo)致機械加工制造能力無法達到預(yù)期或是造價過高[1]。

（2）互補式（圖2b）。生產(chǎn)柔性和技術(shù)利用率中等，生產(chǎn)率較高，但系統(tǒng)可靠性和投資強度比較低。此種類型的機械柔性制造系統(tǒng)可以通過物料運輸系統(tǒng)，將多臺不同的數(shù)控機床連接到同一系統(tǒng)中。通過這種方式，具有不同生產(chǎn)制造功能的數(shù)控機床可實現(xiàn)能力互補。在具體加工制造中，工件會經(jīng)由安裝站進入系統(tǒng)之中，之后在存儲在計算機之中、預(yù)先編制好的程序控制算法的作用下，使工件按照特定的順序，進入一個又一個工作站，完成相應(yīng)的加工生產(chǎn)。每一臺機床設(shè)備在單位時間內(nèi)能夠完成的工序數(shù)量，取決于工件的設(shè)計和所采用的機械加工工藝，且不同類型的零件需要被不同的機床加工。這種類型的機械柔性生產(chǎn)系統(tǒng)適用的機械加工工藝較多，但一旦某個設(shè)備出現(xiàn)故障之后，系統(tǒng)的加工能力便有可能受到影響，情況嚴重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機?；诖耍绻捎眠@種類型的機械柔性加工系統(tǒng)，應(yīng)該準備后備機床，在某機床設(shè)備出現(xiàn)故障時迅速替換，避免影響正常生產(chǎn)制造。

（3）混合式（圖2c）。生產(chǎn)柔性和技術(shù)利用率較高，生產(chǎn)率、系統(tǒng)可靠性、投資強度比均為中等。具體來說，在同一個機械柔性生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，容納了不同類型的機床，且每一類機床都不止一臺，可同時存在多臺設(shè)備。在實際生產(chǎn)制造機械時，多種類型機床彼此之間具備互補能力，且能夠避免單臺設(shè)備出現(xiàn)故障時導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的情況，但在控制層面的復(fù)雜程度也會相應(yīng)地提升。

1.3 機械柔性制造系統(tǒng)中的子系統(tǒng)

1.3.1 加工子系統(tǒng)

上文對機械柔性加工制造系統(tǒng)的構(gòu)成進行了介紹，本段將對各個子系統(tǒng)的設(shè)計要求展開分析。首先是加工子系統(tǒng)。作為機械柔性加工制造系統(tǒng)的基本組成部分，加工子系統(tǒng)耗資最多，擔(dān)任將原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的任務(wù)。具體的要求主要集中在以下方面：①加工工序必須集中，目的是減輕物流層面的負擔(dān)，盡量減少裝夾次數(shù)。②加工子系統(tǒng)本身應(yīng)該具有較強的控制功能，且擴展空間應(yīng)該盡量較大，從而在變更加工制造工藝的時候，加工子系統(tǒng)中能夠直接加入新的機床設(shè)備并迅速按照新的工藝作業(yè)。③加工子系統(tǒng)的剛度、精度、速度均應(yīng)較高，且應(yīng)當具有較強的自保護性和自維護性。④加工子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間，經(jīng)濟性應(yīng)當較強，否則會進一步增大成本支出。

1.3.2 物流子系統(tǒng)

物流子系統(tǒng)的具體構(gòu)成如下：①工件裝卸站。需要設(shè)置在柔性制造系統(tǒng)的入口處，通過人工作業(yè)，完成工件物料的裝卸。②托盤緩沖站。是一類工件中間存儲站，具有緩沖物料的作用，避免物料在運輸?shù)倪^程中受到較大的沖擊。③物料存儲裝置。主要包括自動化倉庫、自動料架、緩沖料架。④物料運送裝置。需要設(shè)置在機床、自動化倉庫以及托盤緩沖站之間，用于搬運物料。

對其他工具的要求如下：①傳送帶，用于對小型零件進行短程傳送，由于占據(jù)的空間較大，作業(yè)頻繁程度較高，故十分容易磨損。因此，機械加工制造單位應(yīng)該制定周期性檢查計劃，發(fā)現(xiàn)傳送帶出現(xiàn)磨損情況之后，應(yīng)及時評估傳送帶是否依然能夠完成物料工件運輸作業(yè)。若結(jié)果是“不能”，則應(yīng)立刻更換。②自動運輸小車，分為有軌小車和無軌小車。③搬運機器人，應(yīng)具有較高的自動化控制水平[2]。

1.3.3 控制管理子系統(tǒng)

當前應(yīng)用的機械柔性制造系統(tǒng)中的控制管理子系統(tǒng)一般設(shè)計成“遞階控制結(jié)構(gòu)”，從而將復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)置成分層分模塊形式，每一層相對獨立，從而便于系統(tǒng)的開發(fā)和維護。這種遞階控制結(jié)構(gòu)的特點是，越接近底層，實時性便應(yīng)該越強；越接近上層，則處理的信息量便應(yīng)越大，對實時性的要求便越小。具體的層級結(jié)構(gòu)如下：①系統(tǒng)管理與控制層，即為單元控制層。主要用于從上級控制系統(tǒng)接受任務(wù)，制訂系統(tǒng)整體作業(yè)計劃并分配到每一個機床端，并監(jiān)控系統(tǒng)的整體運行情況。②過程協(xié)調(diào)與監(jiān)控層，即為工作站層。主要用于分配具體的加工程序、協(xié)調(diào)工件的流動、對運行狀態(tài)進行采集、監(jiān)控，向上一級控制層反饋監(jiān)控信息。③設(shè)備控制層。主要用于控制設(shè)備的工作循環(huán)過程，執(zhí)行上層傳遞的控制指令，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行反饋。

2 現(xiàn)代機械精密加工技術(shù)

2.1 機械精密及超精密機械加工技術(shù)的技術(shù)指標

現(xiàn)階段，根據(jù)機械加工的技術(shù)指標，精密程度可作如下劃分：①精密加工。精度為0.1～1μm，工件表面的粗糙度值應(yīng)該控制在Ra0.03～0.3μm。②超精密加工。精度為0.01～0.1μm，工件表面的粗糙度值可以達到Ra0.005～0.03μm。基于此，超精密加工又被稱為亞微米加工。③納米加工。精度需要進一步高于0.03μm，工件表面粗糙度值需要小于Ra0.005μm[3]。

2.2 機械精密和超精密加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

在過去相當長的一段時間內(nèi)，精密加工、超精密加工僅在國防（軍工）等少數(shù)領(lǐng)域中得到運用。但最近十幾年來，精密、超精密機械加工開始廣泛應(yīng)用于民用商品領(lǐng)域。例如，近年來，最為人們耳熟能詳?shù)脑~匯包括芯片、光刻機等。以我國為例，華為等高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)自主研發(fā)了芯片的制程原理，在這方面具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，但若要做到對高精度芯片的大批量生產(chǎn)，必須借助光刻機設(shè)備，才能完成納米級的芯片加工。綜合來看，芯片這種超精密、納米級的機械加工產(chǎn)品在當前及未來具有極其廣泛的應(yīng)用空間，人們能夠想到的所有智能設(shè)備（智能手機、電腦、汽車、智能機器人等）的智能化程度若要進一步提高，那么芯片便是必不可少的重要工件。

2.3 機械超精密加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

當前的機械精密和超精密加工主要集成在3 個領(lǐng)域：①超精密切削。通過使用超精密金剛石刀具，完成對工件的切削。這種超精密加工方式主要用于對各種鏡面進行加工，已經(jīng)從根本上解決了高精度陀螺儀、激光反射鏡、某些大型反射鏡的加工精度不足問題，從而使相關(guān)設(shè)備的精細化程度得到了極大的提升。②精密和超精密磨削研磨。這種精密加工技術(shù)已經(jīng)解決了大規(guī)模集成電路基片、高精度磁盤、高精度硬盤的加工需求問題，使這些機械工件的薄厚程度更小，在設(shè)備中占據(jù)的空間更低，全面提升了設(shè)備的性能。③精密特種加工。主要用于電子束、離子束等加工。如很多國家的超大規(guī)模集成電路線寬已經(jīng)控制到0.1μm 的精度[4]。

2.4 機械超精密加工技術(shù)中的金剛石刀具及超精密切削機制

基于金剛石刀具的超精密切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于兩個方面，分別為單件大型超精密零件的切削加工、大量生產(chǎn)的中小型零件超精密切削加工。以后者為例，除了上文所述的磁盤、鏡面之外，還包括感光鼓、球面、非球面激光反射鏡等多種工件。具體的加工精度如下：①激光光學(xué)零件的平均表面粗糙度為Ra0.005～0.01μm，形狀精度為0.1μm。②磁頭的平均表面粗糙度最大值為0.02μm，平面度為0.04μm，尺寸精度為±2.5μm。③多面鏡的表面粗糙度為0.01～0.02μm，反射率為85%～90%，平面度應(yīng)為0.04μm。

若要實現(xiàn)上述精密、超精密切削加工目標，金剛石刀具極其重要。決定金剛石刀具性能的因素中，鏡面的選擇以及研磨質(zhì)量（刃口半徑）的重要性最高，會對切削變形以及最小切削厚度造成影響，進而對加工表面質(zhì)量造成影響。在超精密切削加工過程中，刀刃的實際切削厚度與名義上的切削厚度之間存在一個差值，故前者又被稱為“有效切削厚度”。如果切削厚度低于一定標準時，便無法正常進行切削。若要確保切削的穩(wěn)定度，必須保證最小切削厚度滿足“最小有效切削厚度”的要求，這取決于金剛石刀具的刃口半徑，即該刃口半徑的數(shù)值越小，最小切削厚度也會越小，切削加工的精密程度便會越高[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，機械柔性加工正在朝著深度智能化發(fā)展，所加工的機械設(shè)備或零部件整體具有極高的精度，遠非傳統(tǒng)的人力加工和簡單的自動化制造可比。而在加工精密程度方面，由于使用了金剛石等刀具，搭配日益提升的切削機制，加工水平已經(jīng)從“精密”提升至“超精密”程度?？傊?，現(xiàn)代柔性機械制造以及超精密加工技術(shù)的運用，在機械加工制造領(lǐng)域具有劃時代的意義，在整體提升機械設(shè)備精度方面能夠產(chǎn)生積極作用，故必須予以重視。