现代制造系统思考题

25、精密和超精密机床的导轨结构、床身设计及其使用材料有哪些基本要求？

超精密机床床身结构因所用材料不同而异，过去床身和导轨材料都用铸铁，现在多用花岗岩等新材料， 优质耐磨铸铁；花岗岩；人造花岗岩花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨和不生锈等。人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成的新材料。但美国Moore和瑞士SIP公司仍使用铸铁床身导轨，他们认为花岗岩有吸湿性，会导致微量变形，降低机床的精度，反不如铸铁好。

26、简述精密和超精密机床设计中对温度和热变形以及抗震性等有哪些基本要求？ 尽量恒温，热变形很小，防震、

1)整个机床采用了盒式结构，加工区域形成封闭空间，自成系统，不受 外界影响。

2)采用热对称结构、石材等低热变形复合材料，从结构上抑制热变形； 3)采用冷却液淋浴、恒温冷却液循环、热源隔离等措施，以保证整个机 床处于恒温状态，形成局部恒温环境，再将机床安装在恒温室内，可达 到更好的恒温效果。

4)整个机床本身有隔振结构，放在防振地基上，可获更好的防振效果。 27、简述离线检测、在位检测、在线检测的含义。并分析各自的特点。 （a）离线检测

工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检测室中进行检测，就是离线检测。离线检测只能检测加工后的结果，不一定能反映加工时的实际情况，也不能连续检测加工过程的变化，但检测条件较好，不受加工条件的限制，可充分利用各种测量仪器，测量的精度比较高。 （b）在位检测

工件加工完毕后，在不卸下工件的情况下进行检测，称之为在位检测。

在位检测也是检测加工后的结果，不一定能反映加工时的实际情况，通常也不能连续检测加工过程的变化，但可免除离线检测时由于定位基准变换所带来的误差。

与离线检测相比，其检测结果更接近实际加工情况。如果检测后发现工件某些尺寸不合格，可以及时

进行修补加工；（在离线检测情况下，很可能因为再次装夹所造成的误差而使得余量不够）。在精密加工和超精密加工时，在位检测的应用比较广泛；检测仪器的选用、安装和检测方法等需倍加注意 （c）在线检测

工件在加工过程中的同时进行检测，称之为在线检测，也有称之为主动检测、动态检测。 其主要特征有：

1)能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差分布和发展，从而为实时误差补偿和控制创造了条件；

2)检测结果能反映实际加工情况。如工件在加工过程中的热变形情况等，(离线、在位检测是加工后冷态下的精度)；

3)在线检测大都用非接触传感器，性能要求较高；

4)在线检测一般应是自动运行检测系统（误差信号的采集、传输、处理和输出与误差补偿控制系统的连接）；

5)在线检测的传感器安置会受到加工中的一些条件限制。

28、试举例说明误差修正、误差校正、误差抵消、误差均化、误差钝化和误差分离的含义。 答：误差修正(校正)是指对测量、计算、预测所得的误差进行修正(校正)；误差分离是指从综合测量所得的 误差中分离出所需的单项误差；误差抵消足指两个或更多个误差的相互抵消；而误差补偿应该是指对—定 尺寸、形状、位置相差程度(差值)的补足。

29、试述综合误差补偿、多维误差补偿、预报型误差补偿的含义和意义。

多维误差补偿是在多坐标上进行的误差补偿，其难度和工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿技术。

对工件尺寸、形状和位置误差同时进行综合补偿，其中包括对尺寸、形状和位置一种误差中的多项误差进行综合补偿，如圆度和圆柱度的同时补偿。实现了多加工过程的误差补偿。

预报型补偿利用在线随机建模理论、先进的传感技术、计算机技术、微位移技术等。可以对随机误差进行建模和预报，对动态误差进行实时补偿。它是时间序列分析、预报与控制在制造技术中的应用。

综合误差补偿——是指同时补偿几项误差；比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。

多维误差补偿——是在多坐标上进行误差补偿；（如三坐标测量机），其难度和工作量较大，是发展方向。

① 预报型补偿：误差的检测与补偿在时间上的滞后，目前，在动态数据系统(Dynamic Data System—DDS)建模方法的基础上，创立了预报补偿控制(Fore-casting Compensatory Control—FCC)技术，利用在线随机建模理论、先进的传感技术、计算机技术和微位移技术等，对随机误差进行建模和预报，对动态误差进行实时补偿。

② 综合型补偿：一般误差补偿技术是加工过程中，出现的尺寸误差、形状误差和位置误差中的单项误差进行补偿控制。现在已开展同时多项进行综合补偿，其中包括对尺寸、形状和位置一种误差中的多项误差进行综合补偿。

30、简述光成型技术（快速成型技术）的基本原理、发展及其关键技术。

激光快速成型技术的原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软件分层、每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体、粉末或薄片材料，加工出要求形状的薄层，逐层积累形成实体模型。

（a） 光刻成型的扫描方式(b) 曝光方式：（c） 液态薄层（膜）形成方式(d) 扫描运动方式

美国3DSyetems公司1988年生产出世界上第一台SLA250型光固化快速造型机，开创了激光快速成型技术迅速发展和推广的新纪元。美国在设备研制、生产销售方面占全球主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和日本也不甘落后，纷纷进行相关技术研究和设备研发。香港和台湾比内地起步早，台湾大汛拥有LOM设备，台湾各单位及军方安装多台进口SL系列设备。香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有RP设备，其重点是有关键技术的应用与推广。

国内自20世纪90年代初开始进行研究，现有西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司多所研究单位自主开发了成型设备并实现产业化。其中，西安交通大学生产的紫外光CPS系列光固化成型系统快速成型机等新技术，引起了国内外的高度重视等等。 激光快速成型技术正在发生巨大的变化，主要体现在新技术、 新工艺及信息网络化等方面，其未来发展方向包括： ⑴ 研究新的成型工艺方法,在现有的基础上，拓宽激光快速成型技术的应用，开展新的成型工艺的探索。

⑵ 开发新设备和开发新材料。LRP 设备研制向两个方向发展：自动化的桌面小型系统，主要用于原型制造；工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研发及应用是目前LRP技术的研究重点之一。发展全新材料，特别是复合材料，如纳米材料、 非均质材料、 功能材料是当前的研究热点。激光快速成型技术是多学科交叉融合一体化的技术系统，正在不断研究开发和推广应用中，与生物科学交叉的生物制造、 与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系统等为它集成制造提供了广阔的发展空间。随着科学技术和现代工业的发展，它对制造业的作用日益重要并趋向更高的综合。

31、试述激光束、电子束、离子束加工各自拥有的特点和应用范围。 （5）激光束加工 LBM(Laser Beam Machiming)： 精密加工小孔、窄缝及成型切割、刻蚀。如金刚石拉 丝模、钟表宝石轴承、化纤喷丝头、不锈钢板上打小 孔，切割钢板、石棉、纺织品、纸张，还可焊接、热 处理。

（6）电子束加工 EBM(Elcho Beam Machining)： 在各种难加工材料上打微孔、切缝、蚀刻，光以及焊 接等，现常用于制造中、大规模集成电路微电子器件 （7）离子束加工 IBM(Ion Beam Machining)：对零 件表面进行超精密、超微量加工、抛光、刻蚀、掺 杂、镀覆等。

32、简述高压水射流加工的特点及应用范围。

利用高速液流对工件的冲击作用来去除材料的工艺方法。

液体通常是水或含有添加剂的水，其冲击速度通常高达3倍音速，在一 定压力下通过“喷嘴”（宝石、金刚石；喷口孔径：0.075～0.4 ）， 功率密度高达10＋6eW/mm2。 工艺参数：水束直径及其变化量； 喷射流压力；流速；(磨料流速类型) 应有范围：石材(25)；玻璃(12)；胶 合玻璃(10)；蜂窝结构铝件(25)；胶 合板(6)；环氧玻璃钢(5)；石墨环氧 树脂(10)；高密度聚乙烯(5)；聚丙 烯(40)；ABS塑料(5);棉纱尼龙织物 (50层)；聚丙烯玻璃纤维(6)；皮革(

33、试述精密加工和微细加工的关系及各自的特点。

1、半导体加工时微细加工的典型代表。 2、数控机床是精密加工的典型代表。 3、普通机床是传统的加工的典型代表。

微细加工主要体现在电脑芯片的制作加工上，精度在微米、纳米的级别上。

精密加工体现在手表制造业和数控机械加工行业（电火花加工也在该范围内），其精度在0.1到1微米级别。

传统的机械加工泛指车、铣、刨、磨、镗、钳等这些传统机械加工，其精度大部分在毫米到0.01毫米之间。

34、简述微细加工和超精密加工对环境的要求有哪些？

主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境、光环境和电场、电磁环境等。 35、试从系统工程的角度分析精密和超精密加工的关键技术及其能实现高质量的原因。 36、分别试述精益生产和敏捷制造的基本概念。

37、先进生产模式下自动化制造系统有哪些主要特征? 38、简述并行工程实施中的系统思想。

并行工程的本质是改变传统产品开发过程中设计、制造、 销售的串行工作和相互脱节的组织生产模式，

通过对产品从设计到销售整个生命周期中信息的双向流动， 及时发现和处理设计、制造、销售及服务各环节的问题，达 到既能确定产品对市场的快速响应性，又能取得很高的产品 质量和市场信誉度。

其核心是：在开发过程中，信息的相互交叉、并行处理和人 机协同工作，实现人、技术和经营决策的集成，由设计者通 过模拟仿真技术——提高产品设计一次成功率和经营预测； 引导制造过程，实现设计的可制造性和可装配性； 引导管理和销售，以提高管理水平和对市场的快速响应以及 经营决策的可靠性。

39、精益生产的基本思想是什么？

“精益生产”的主导思想就是：以“人”为核心，以“简 化”为基本手段，以“尽善尽美”为最终目标。

40、简述CIMS中“C”的含义变更所显示的现代制造的基本思想。 作为现代制造工程的CIMS的迅速发展给机械制造业带来了希 望，但是，对其集成度的认识也是不同的。

80年代中期，英国曼彻斯特大学针对以计算机集成处理为基础 的CIMS提出了批评：认为它把“人”变成了附属于“系统”的“机 械组元”，扼杀了生产者——人的聪明才智，

应该建立以“人”为核心的集成系统。其基本思想是： 结合计算机的应用，将在生产过程中，可处理不同环节而信息 共享程度较高的人员集成在一起，减少大量的信息传递带来的 浪费，以此来满足“人”的自我价值的实现要求，从而合理的进 行“人机一体化”。所以，美欧日各国在80年代中后期以来，对 CIMS的集成度、集成要素及其构成等内容进行了探讨，并提出 了各自的研究成果，但其核心均是强调“人”的能动性。这一点 是非常值得注意的发展趋势。