超精密桌面微细铣削机床的研 制.pdf

1 1 O 机械 设 计 与 制造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 1 期 2 0 1 4年 1月 超精密桌面微细铣削机床的研制 张升 ， 程祥 ， 杨先海 ， 代玉娟 山东理工大学 机械_T程学院， 山东 淄博2 5 5 0 4 9 摘要 研制了一台适用于微细加工的三轴联动超精密微细铣削桌面机床， 采用立式结构， 总体尺寸为 6 1 0 6 5 0 6 3 0 mm。 从机械结构的整体设计和控制系统搭建两方面对设计的超精密微细铣削机床进行了介绍，并应用有限元对机床进行 了 分析。机床控制系统采用P C加运动控制器的开放式控制系统， 配以高精度直线电机以及高分辨率光栅尺构成了全闭环 控制系统。最后使用直径 5 0 1． z m螺旋角度为6 O 。 的端铣刀在不锈钢 3 0 4表面上进行的z ． Y - 实验， 验证 了研发的桌面铣床 的 实际加工性能。 关键词 微细加工； 桌面机床； 开放式数控系统； 有限元分析； 直线电机； 全闭环控制 中图分类号 T H1 6 ； T G 5 4 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 1 0 l 1 0 0 3 De v e l o p me n t o f A De s k t o p Ul t r a - Pr e c i s i o n Mi c r o Mi l l i n g Ma c h i n e Z H A N G S h e n g ， C H E N G X i a n g ， Y A N G X i a n - h a i ， D A I Y u - j u a n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， S h a n d o n g Z i b o 2 5 5 0 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t A s i m u l t a n e o u s t h r e e c E s d e s k t ap u l t r a - p r e c i s i o n mi c r o m i l l i n g m a c h i n e a p p r o p r i a t e f o r m i c r o m ach i n i n g i s d e v e l o p e d ． T h i s m a c h i n e a d apt s a v e r t i c a l s t r u c t u r e ． T h e o v e r a l l s i z e i s 6 1 0 x 6 5 0 x 6 3 0 m r r t The d e s k t ap m ach i n e i s i n t r o d u c e d i n t w o aspe c ∞ t h e g e n e r a l d e s i g n a n d t h e c o n t r o l l i n g s y s t e m．Th e d e s k t o p mac h i n e t o o l is a n aly z e d t h r o u g h t h e n i t e e l e me n t anal y s is ． o p e n C N C c o n t r o l s y s t e m c o n s i s t i n g o fP C and m o t i o n c o n t r o l l e r c o m p o s e s t h e b a s i c c o n t r o l l i n g s y s t e m ． T h e c lo s e d - l o o p c o n t r o l is mal t e d b y衄 p r e c i s i o n l i n e a r m o t o r s a n d h U g h r e s o l u t i o n l i n e a r s c a l e s ． Mi c r o mi l l i n g e x p e d me n o n s t a i n l e s s s t e e l 3 0 4 usi n g a b a l l e n d m i l l w i t h t h e d i a m e t e r of5 O L L m and s p i r a l ang l e of6 0 。 h a v e v e r ifie d t h e d e v e l o p e d d e s k t o p m a c h i n e t o o l Ke y W o r d s Mi c r o M a c h i n i n g ；De s k t o p M a c h i n e To o l ；Op e n CNC Co n t r o l S y s t e m ； Fi n i t e - El e me n t An a l y s i s ； Li n e a r M o t o r ； Cl o s e d - Lo o p Co n t r o l 1引言 近年来， 产品小型化由于其在节能、 高效等方面的优 已经成 为一种趋势， 采用小型化技术制作的产品在航空、 航天、 汽车、 生物 医学、 环境监控、 军事等领域中都有着十分广阔的应用前景 。而 这种产品小型化的发展离不开微小尺寸零件加工， 因此机械设备 及机械零件的微型化成为目前制造技术的一个大的发展趋势。 目前微细加工方法主要包括微细切削／ 磨削加工、微细电火 花加工、 微细电解加工、 高性能激光加工、 快速成型加工 、 超声波 加工、 高压水射流加工等[3 1 。但在各个微细加工方法中， 微细机械 加工作为一种高效率、 高精度的微细加工工艺， 可应用于不同的 复杂三维结构、 曲面特征小型工件的加工， 且适用于包括金属合 金、 复合材料 、 塑料、 陶瓷等多种材料的加工， 所以微细机械加工 越来越得到社会的重视， 成为微细加工技术研究的热点课题 。 基于目前微细机械加工技术发展的需求，研发了一台尺寸 为 6 1 0 6 5 O 6 3 0 mm的微细铣削机床 ， 此机床对于提高微细加 工技术， 改善微细加工性能， 促进微细加工设备的发展具有重要 意 义。 2机床整体结构设计 微细铣削加工高精度需求，对超精密微细铣削机床的结构 性能提出了很高的要求。设计的微细机床采用立式结构， 三轴均 采用高精度的直线电机驱动， 主轴采用空气高速主轴 ， 并安装高 精度的光栅尺位置反馈装置， 保证其运动精度。为了保证所设计 的机床的结构性能， 应用有限元分析软件对其进行了结构性能的 验证。机床三个直线 、 l ， 、 z轴的工作行程均为 1 0 0 mm。其中 Y 轴放置于床身上， 工件放置于 l ， 轴上 ， 轴放置于机床门架上 ， z 轴放置于x轴之上带动主轴运动。考虑到天然大理石相比常规 尺寸机床的铸铁材质 ， 热膨胀系数小， 弹性模量大， 不易变形 ， 刚 性好且具有很好的震动一致性， 场位稳定的特点同 ， 机床床身采用 天然泰山大理石材质， 导轨采用 S P 级的高精度直线导轨。 研制的 三轴联动超精密微细铣削桌面机床 3 A S 1 0 0 ， 如图 1 所示。微细 加工对于主轴的要求较高，不仅要有较高的转速还要有亚微米级 的径向跳动和轴向窜动。 由于气动主轴采用空气静压轴承与气动涡 轮驱动， 工作过程中温升小， 适合长期满载工作以及减小因温度因 素带来的误差。因此， 选用了日本 N S K的最高转速达 8 0 0 0 0 r ／ m i n 来稿日期 2 0 1 3 0 6 1 4 基金项目 山东省自然基金 Z R 2 0 1 1 E E M 0 1 0 ； 山东理工大学青年教师发展支持计 4 0 7 2 1 1 0 0 3 0 作者简介 张升， 1 9 8 9 一 ， 男， 山东淄博人， 硕士研究生， 主要研究方向 微细T ． 5 2 艺； 程祥， 1 9 7 5 一 ， 男， 山东泰安人， 工学博士， 副教授， 主要研究方向 超精密加工装备 1 1 2 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 4 的高频电磁波和高 频率脉冲， 为驱动器提供了 平滑和稳 定的电 6 流。控制电路主回路的电路原理图， 如图5 所示。 图5控制电路主回路的电路原理图 Fi g ．5 Th e Ma i n C o n t r o l Ci rcu i t 5切削实验 在这里研制的微细铣削机床上，采用直径为5 0 1x m螺旋角度 为 6 0 的硬质合金端铣刀在不锈钢3 0 4表面上进行铣削实验， 获得 形状为山东理工大学的英文简写“ S D U T ” 的字样， 其中字样的各个 字母的长度和高度分别为 1 5 0 l- m和 2 5 0 m， 字样总长度和高度分 别为6 1 5 1x m和2 5 0 1 m 。 其主要加工参数为刀具进给率为 2 5 m／ s ， 轴向切深为5 0 z m，通过数码显微镜拍摄的实验过程及结果实物 图， 如图 6 所示。 桌面铣床成功铣削出了设定的微小图案， 验证了机 床机械本体的坐标轴各轴的垂直度小于2 m，在行程范围内各轴 直线度小于 1 v m 。字样大小一致， 四个字母两两之间的间距一致， 直线、圆弧走刀轨迹平滑证明主轴及床身的刚度达到了预期效果。 通过对于微小尺寸的加工， 验证了本机床的实际加卫I生能。 图 6实验过程 及结果 F i g ．6 T h e Ex p e r i me n t a l S e t u p a n d Re s u l t 结论 研制了一台桌面超精密微细铣削机床，采用直线电机驱动 与高精密光栅尺反馈，运用开放式数控系统实现了全闭环控制， 可以实现亚微米级的加工精度， 为后续其他类型微细加工装备的 研发、 微细铣削机理及工艺研究打下了基础。 参考文献 [ I ] 马欣涛， 周建忠， 戴亚春．微型磨具及微成形技术的发展[ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 5 1 2 1 5 2 1 5 3 ． Ma X i n t a o ． Z h o u J i a n z h o n g ． D a i Ya c h u n ．T h e d e v e l o p me n t o f mi c r o m o l d a n d m i c r o f o r m i n g t e c h n o l o g y [ J 1 ． M a c h i n e r y D e s i g n ＆M a n u f a c t u r e ． 2 0 0 5 1 2 1 5 2 1 5 3 ． [ 2 J R o b e r t M． P a n a s ． D e s i g n o f p i e z o r e s i s t i v e - b a s e d ME MS s e n s o r s y s t e m s f o r p r e c i s i o nm i c r o s y s t e m s [ J j ．P r e c i s i o nE n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 3 6 4 4 - 5 4 ． 1 3 J D ． Do r n f e l d ． Re c e n t a d v a n c e s i nme c h a n i c a l mi c r o m a c h i n i n g l J J ． A n n a l s o f t h e C I R P ， 2 0 0 6 5 5 7 4 5 7 6 0 ． [ 4 j C h e n g X i a n g ， Hu a n g Y u - me i ， Z h o u S h u a n g - j i e ． S t u d y o n t h e g e n e r a t i v e d e s i g n me t h o d a nd e r r o r b u d g e t o f a n o v e l d e s k t o p mu l t i 一 i s l a s e r m a c h i n e fo r m i c r o t o o l f a b ri c a t i o n s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n al o f A d v anc e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ， 6 0 5 5 4 5 5 5 2 ． [ 5 ] 徐宏伟， 张广鹏， 黄玉美．大理石机床床身对主轴箱温度场分布的影响 研究[ J1． 中国机械工程， 2 0 1 1 ， 2 2 1 1 1 2 7 3 1 2 7 5 ． Xu H o n g - w e i ， Z h a n g G u a n g - p e n g ， H u a n g Y u - me i ． S t u d y o n i n f l u e n c e s o f ma r b l e ma c h i n e t o o l s b e d o n d i s t r i b u t i o n o f t e mp e r a t u r e f i e l d s o f t h e h e a d s t o c k [ J ] ． C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 l ， 2 2 1 1 1 2 7 3 - 1 2 7 5 ． [ 6 ] 耿艳彪， 姜万生， 亢海龙． 永磁直线同步电机驱动的开放式数控工作台 设计[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 1 0 9 1 3 6 1 3 7 ． G e n g Ya n - b i a o ， J i a n g Wa n - s h e n g ， K a n g H a l l o n g ．D e s i g n o f a n o p e nN C w o r k t a b l e d r i v e d b y p e r ma n e n t ma g n e t l i n e a r s y n c h r o n o u s mo t o r l J j ． Ma c h i n e r yD e s i g n Ma n u f a c t u r e ． 2 0 1 0 9 1 3 6 - 1 3 7 ． [ 7 ] 闫占 辉 王大宇．数控机床伺服进给系统的死区误差[ J ] ． 机械研究与应 用 ， 2 0 1 1 6 5 8 - 5 9 ． Ya n Z h an h u i ．Wa n g D a - y u ． B l a n k z o n e e rr o r o f N C ma c h i n e t o o l s e r v o - f } e d s y s t e m l J J ． Me c h a n i c al R e s e a r c hA p p l i c a t i o n ，2 0 1 1 6 5 8 5 9 ． [ 8 ] 蔡一， 郝双晖， 郑伟峰． 交流伺服直线位移平台高速定位控制[ J ] ． 机械 设计与制造， 2 0 1 0 6 8 8 9 0 ． C a i Y i ， Ha o S h u a n g - h u i ， Z h e n g We i - f e n g ． H i g h - s p e e d p o s i t i o n c o n t r o l for b e e l i n e d i s p l a c e me n t p l a t f o r m[ J j ． Ma c h i n e ry De s i g nMa n u f a c t u r e ， 2 0 1 0 6 8 8 9 0 ． 上接 第 1 0 9页 [ 4] L i L， Wo n g Y ．S ． ， F u h J ．Y．H， L uL ．烧结方法 T i C ／ 铜基复合电极 的电火花 加工性能[ J ] ． 材料和设计， 2 0 0 1 ， 2 2 8 6 6 9 6 7 8 ． L i L ． ， Wang Y ． S ． ， F u h J ．Y．H， L u L ．． E D M p e r f o r ma n c e o f T i C ／ c o p p e r b a s e d s i n t e r e d e l e c t r o d e s l J j ． Ma t e r i a l s a n d D e s i g n ，2 0 0 1 ， 2 2 8 6 6 9 6 7 8 ． [ 5 ] 雍耀维， 唐博． 电极材料对极间放电电压及加工特性影响[ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 1 2 6 1 0 3 1 0 6 ． Y o n g Y a o e i ． T a n g B o ．S t u d y o n i n fl u e n c e o f e l e c t r o d e m a t e ri a l o n i n t e r e l e c t r o d e d i s c h a r g e v o l t a g e a n d m a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c s l J j ． M a c h i n e r y D e s i g n ＆M a n u f a c t u r e ． 2 0 1 2 6 1 0 3 1 0 6 ． [ 6 ] 邱彦， 林彬， 高波． T i B ／ C u 复合材料的电火花加工电极[ J ] ． 新技术新工 艺 ， 2 0 0 6 4 l 1 0 1 1 2 ． Q i u Ya n ， L i n B i n ， G a o B o ．U s i n g T i B 2 ／ C u a s e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g e l e c t r o d e m a t e ri a l[ J j _N e w T e c h n o l o gyN e w P r o c e s s ， 2 0 0 6 ， 4 1 1 0 1 1 2 ． [ 7 ] 高波 ， 林彬． 应用于电火花加工电极材料的 T i B ] C u 复合材料[ J j ．西安 工程大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 3 3 2 4 - 3 2 8 ． G a o B o ， L i n B i n ．E x p e ri me n t a l s t u d y o n T i B 2 p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e d c o p p e r ma t r i x c o m p o s i t e s a p p l i e d i n E D M e l e c t r o d e ma t e ri a l s [ J ] ．J o u rna l o f Xi ’ a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， 2 0 0 8 ， 2 2 3 3 2 4 3 2 8 ． [ 8 ] 曹明让， 梁静波．铜铬复合电极电火花小孔加工机理及实验研究[ J ] ． 航 天制造技术， 2 0 1 1 5 2 7 3 0 ． C a o Mi n g - r a n g ， L i a n g J i n g _ b 0 ． Me c h a n i s m a n d e x p e ri me n t a l s t u d y o n C u C r c o mp o s i t e e l e c t r o d e for s ma l l h o l e E DM d ri l l i n g [ J ] ． A e r o s p a c e Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o gy， 2 0 1 1 5 2 7 - 3 0 ． [ 9 ] 李明辉． 电火花加工理论基础[ M] ．北京 国防工业出版社， 1 9 8 9 8 8 ． L i Mi n g h u i ． T h e o r e t i c a l B a s i s o f E D M [ M] ．B e ij i n g N a t i o n a l D e f e n s e I n d u s t ry P r e s s ， 1 9 8 9 8 8 ． [ 1 O ] 刘晋春， 赵家齐， 赵万生． 特种加工[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 2 0 ． L i u J j n _ c h u n ， Z h a o J i a - -q i ， Z h a o Wa n - s h e n g ． N o n - T r a d i t i o n a l Ma c h i n i n g 『 M] ． B e i j i n g ．Me e h a n i c a l I n d u s t ryP r e s s ， 2 0 0 5 2 0 ．