微型數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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微型立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 專業(yè)、 班級(jí)： 學(xué) 生 姓 名： 指導(dǎo)教師（職稱）： 完 成 日 期： 微型立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師： 評(píng) 閱 人： 完成時(shí)間： I摘 要微細(xì)切削加工技術(shù)作為重要的軍民兩用技術(shù)，己經(jīng)成為現(xiàn)代科技研究的前沿課題之一。微細(xì)切削加工技術(shù)區(qū)別于 MEMS 技術(shù)和超精密加工技術(shù)，是利用傳統(tǒng)加工方式針對(duì)微米級(jí)以下小零件進(jìn)行高效率、高精度的微細(xì)制造。為了降低機(jī)床成本、提高加工效率、減少能耗，國(guó)內(nèi)外正在發(fā)展微型機(jī)床和微型工廠。本文在大量查閱國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析和比較，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一臺(tái)專用于微細(xì)銑削加工的微型立式數(shù)控銑床系統(tǒng)。完成了微型數(shù)控銑床總體方案設(shè)計(jì)，確立了機(jī)床的整機(jī)結(jié)構(gòu)、總體布局以及關(guān)鍵部件(控制系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、精密臺(tái)鉗系統(tǒng)、刀具冷卻系統(tǒng)、加工環(huán)境系統(tǒng)、夾具體和機(jī)床底座等)的選型與設(shè)計(jì)，研發(fā)出采用陶瓷球軸承油氣潤(rùn)滑高速電主軸、直線電機(jī)十精密光柵尺的進(jìn)給伺服系統(tǒng)以及基于 IPC 的三軸運(yùn)動(dòng)控制的微型立式數(shù)控銑床。微型銑床整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)加工精度影響顯著，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響整個(gè)微型銑床的加工精度。本文對(duì)微型數(shù)控銑床的主要部件進(jìn)行選型分析，對(duì)整機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能否滿足加工精度設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了校驗(yàn)，成功設(shè)計(jì)了一臺(tái)微型立式數(shù)控銑床。結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的微型銑床能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)的進(jìn)給，能夠滿足后續(xù)微細(xì)銑削加工的研究。關(guān)鍵詞：微型銑床；進(jìn)給系統(tǒng)；立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3DIIABSTRACTThe applications of micro-cutting technique on precision machining of three-dimensional small parts have created a great technology revolution of the micro-cutting field. Different from MEMS technique and ultra-precision machining technique, micro-cutting technique is an efficient method to carry out high productivity and high precision micro manufacture for micron and meso scale miniaturized parts with traditional machining methods. Ultra-precision machine tool is an important equipment to conduct micro-cutting. However, the domestic development on custom machine used for micro-cutting is still at the initial stage and there is a lack of embed research from machinery system design to micro-cutting mechanism analysis. Based on the extensive referring to domestic and external information, After analysis and comparison,a 3-axis linked miniature CNC milling machine tool system was successfully constructed for manufacturing of micro products. The overall scheme design of the micro NC milling machine is completed and the whole structure of the machine tool, the overa layout, also the selections and design of the key components(control system, spindle system, feeding system, precision bench vice system, tool cooling system, the processing environment system, fixture and machine base, etc) are established. Milling machine tool which uses the feed servo system of “high-speed spindle of ceramic ball bearings and oil lubrication, Linear Motor +precision grating scale“ scheme and the IPC-based three-axis motion control CNC system is developed. The whole structure design of the micro-machine tool has a significant effect on machining accuracy and the structure design of the whole machine can directly affect the machining precision of the whole micro-milling machine tool.In this paper, the selection and design of the micro milling machine key parts has been done, and whether the whole machine's structural design can meet the machining precision requirement ischecked.Successful design of a micro-vertical CNC milling machine, the results show that the developed micro-milling machine can achieve micron-level feed and meet the following study of micro-milling machining.IIIKey Words：Micro-milling machine; Feeding system; Vertical structure design ;3DI目 錄摘 要 ⅠABSTRACT.Ⅱ1 緒論 11.1 微型機(jī)床研究背景及意義 11.2 微型機(jī)床國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 11.3 本課題研究的主要內(nèi)容 62 微型立式數(shù)控銑床的總體設(shè)計(jì)方案 72.1 微型立式數(shù)控銑床的基本參數(shù) 72.2 微型立式數(shù)控銑床的布局形式 82.3 微型立式數(shù)控銑床的整體結(jié)構(gòu)方案 93 微型立式數(shù)控銑床各系統(tǒng)選型及配置 .113.1 電主軸子系統(tǒng) 113.2 工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng) 133.3 精密臺(tái)鉗子系統(tǒng) 163.4 刀具冷卻子系統(tǒng) 174 微型立式數(shù)控銑床各部件的校核與設(shè)計(jì) .194.1 夾具體設(shè)計(jì)與校核 204.2 銑床防護(hù)罩的設(shè)計(jì) 22II4.3 銑床底座的設(shè)計(jì) 235 其他輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì) .255.1 隔離振動(dòng)方案系統(tǒng) 255.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 256 微型立式數(shù)控銑床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .277 結(jié)論 29致 謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄 A：外文翻譯 32附錄 B：外文原文 38微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 1 -1 緒論1.1 研究的背景意義隨著航空航天、國(guó)防工業(yè)、微電子行業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展，精密/超精密三維微小零件(尺寸特征在微米到毫米級(jí))的需求日益迫切。其結(jié)構(gòu)形狀的特異化、零件材料的多樣化、尺寸及表面質(zhì)量的高精度化成為三維微小零件及其微型裝置設(shè)備的顯著特征，在使用功能、材料特性、結(jié)構(gòu)形狀、可靠性等方面的要求也越來(lái)越高。微細(xì)加工就是一種介于普通宏觀機(jī)床加工和 MEMS 制造之間的一種技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，微細(xì)加工就是用微型機(jī)床來(lái)加工微小零件，被加工零件的尺寸在100μm 和 lOmm 之間，利用微型機(jī)床加工微小零件在結(jié)構(gòu)成型和材料多樣性方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。微型機(jī)床不僅有助于提高空間利用率和降低成本，而且由于慣性減小，從而容易達(dá)到高速加工和高精度運(yùn)動(dòng)控制。目前許多由金屬材料制成的精密三維微小零件，都是利用常規(guī)尺寸的精密與超精密機(jī)床加工成的。這些機(jī)床主要用于加工高精度的宏觀幾何尺寸零件，而對(duì)生產(chǎn)微小零件則成本高、效率低、靈活性差。因此，微型機(jī)床及其組成的系統(tǒng)日益成為解決上述矛盾的一項(xiàng)新技術(shù)。因此，對(duì)微型機(jī)床及微細(xì)銑削加工技術(shù)的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用前景。1.2 微型機(jī)床的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀微型機(jī)械制造系統(tǒng)被譽(yù)為 20 世紀(jì) 10 大關(guān)鍵技術(shù)之首。MMT 是屬于微小型機(jī)械制造系統(tǒng)的重要組成部分，是連接微觀和宏觀制造領(lǐng)域的技術(shù)橋梁，是 21 世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展方向，受到世界各國(guó)的高度重視。日本、美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量的人力、物力和財(cái)力開展 MMT 方面的研制與開發(fā)。日本是較早開發(fā)微小型加工單元的國(guó)家。1990 年，日本通產(chǎn)省機(jī)械技術(shù)研究所(MEL)首先提出了桌面微工廠(DesktopMicro-factory)的概念，并于1999 年制成了世界上第一套桌面微工廠(圖 1.1)，由車床、銑床、沖壓床、微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 2 -搬運(yùn)機(jī)械手和裝配用機(jī)械手組成。桌面式微工廠的概念強(qiáng)調(diào)體積小巧并可以應(yīng)用先進(jìn)的制造技術(shù)加工微小零件的能力，特別具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是綠色制造的發(fā)展方向之一。圖 1.1 日本通產(chǎn)省機(jī)械技術(shù)研究所的桌面微工廠日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)于 1998 年主導(dǎo)進(jìn)行 Micro Factory 開發(fā)計(jì)劃(投入 250 億日元)開發(fā)出當(dāng)時(shí)世界上最小的車床，2000 年“科學(xué)技術(shù)周”期間又展示了手提式微小型加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是集車削、磨削、鉆削、沖壓及搬運(yùn)機(jī)械手于一體的桌面式微小零件制造系統(tǒng)，驗(yàn)證了“微小機(jī)床加工微小零件”的可行性，日本 NANO 株式會(huì)社于 2005 年研制成 NANOWAVE 超小型精密 CNC 機(jī)床(圖 1.2)。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 3 -圖 1.2 日本 NANO 株式會(huì)社研制成 NANOWAVE 超小型精密 CNC 機(jī)床美國(guó) WTEC (Word Technology Evaluation Center, Inc.)和NSF（National Science Foundation)等機(jī)構(gòu)于 2002 年共同出資，針對(duì)國(guó)際上 Non-MEMS 微型加工技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)組成考察團(tuán)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，并于 2005 年形成分析報(bào)告，調(diào)查分析報(bào)告指出，Non-MEMS 微制造技術(shù)將成為 21 世紀(jì)重要的新技術(shù)，它是連接微觀與宏觀制造領(lǐng)域的橋梁技術(shù)，是改變傳統(tǒng)加工理念(加工時(shí)間、地點(diǎn)、方式)的技術(shù)，是改變生產(chǎn)力分配方式的技術(shù)(微制造可成為家庭手工業(yè))，它是增強(qiáng)美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略性技術(shù)。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、密西根大學(xué)、威斯康辛大學(xué)等都針對(duì)微小制造系統(tǒng)開展了廣泛的研究，一些研究成果已成功用于航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。西北大學(xué)和伊利諾伊斯大學(xué)研制的微小型車床，其主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到 200, 000 rpm。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 4 -圖 1.3 美國(guó)西北大學(xué)研制的微小車床圖 1.4 威斯康辛大學(xué)研制的微小車床微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 5 -圖 1.5 美國(guó)密西根大學(xué)研制的微小車床我國(guó)微型機(jī)械研究的起步并不算晚, 1988 年國(guó)家自然科學(xué)基金委批準(zhǔn)東南大學(xué)靜電微馬達(dá)方面研究的基金申請(qǐng)，從此開始了微型機(jī)械某些領(lǐng)域的研究。南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空精密機(jī)械研究所、清華大學(xué)等針對(duì)微小型機(jī)床都開展了積極研究。時(shí)至今日，在微小型制造、微小型切削技術(shù)方面國(guó)內(nèi)一些單位的研究工作卓有成效，取得了可喜的成就。北京航空航天大學(xué)的邱時(shí)前等開發(fā)了一臺(tái)由高速電主軸、精密轉(zhuǎn)臺(tái)、精密直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和基于 PC 的 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡組成的五坐標(biāo)微銑削機(jī)床，并開發(fā)了可編輯和執(zhí)行 G 代碼程序的數(shù)控系統(tǒng)；利用該機(jī)床進(jìn)行了薄壁、直槽和牙冠體加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)薄壁和直槽加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。如圖 1.6 所示，機(jī)床本體尺寸為 900mm×700mm×800mm 有用大理石底座。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三軸超高精度直線運(yùn)動(dòng)軸和兩軸直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)組成，XYZ 各軸的行程為102mm，分辨率為 100nm，定位精度士 0.5um。電主軸型號(hào)為 NSKE402-N40，最大輸出功率 210w，轉(zhuǎn)速范圍為 2000～40000r/min，最大力矩 6.9 ，Ncm?跳動(dòng)量小于 O.lum。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 6 -圖 1.6 北京航空航天大學(xué)研制的微型機(jī)床上海交通大學(xué)振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與機(jī)械系統(tǒng)和美國(guó)密西根大學(xué)吳賢銘先進(jìn)制造中心在分析微細(xì)銑削加工要求和成形條件的基礎(chǔ)上，共同設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)三自由度介觀尺度微型銑床，如圖 1.7 所示，系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)，總體尺寸為 270mm×190mm×220mm，加工范圍為 30×30×30mm3;，具有系統(tǒng)剛度高和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。其定位系統(tǒng)為傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)絲杠定位，定位精度達(dá)1.62um，分辨率可達(dá) 50nm，重復(fù)定位精度 0.313um，工作行程為 30mm，X 向直線度士 0.159 um，Y 向直線度士 0.328 um，系統(tǒng)采用氣動(dòng)馬達(dá)，主軸跳動(dòng)度在 1 um 以內(nèi)，最高轉(zhuǎn)速為 120kr/min。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 7 -圖 1.7 上海交通大學(xué)研制的微型機(jī)床綜合國(guó)內(nèi)外桌面式微小機(jī)床的研究情況，當(dāng)代微小機(jī)床的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：1)微切削應(yīng)用技術(shù)包括微型零件切削加工裝備關(guān)鍵技術(shù)，主要是高速主軸系統(tǒng)，精密工作臺(tái)的定位、運(yùn)動(dòng)及控制技術(shù)復(fù)合微切削加工設(shè)備與技術(shù)；微切削刀具材料和道具制作技術(shù)；微切削刀具、工件的快速裝夾、測(cè)試及微切削加工過(guò)程的監(jiān)控技術(shù)。2)微切削機(jī)理主要是熱—力藕合應(yīng)力作用下的微切削不均勻變形場(chǎng)，微尺度下工件材料的本構(gòu)方程，微切削變形區(qū)的尺寸效應(yīng)、不均勻應(yīng)變、位錯(cuò)等對(duì)剪切變形應(yīng)力和剪切變形能的影響；最小切削厚度對(duì)切屑形態(tài)、已加工表面形成、切削力、切削溫度等的影響，及工件材料微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)表面粗糙度和次表面損傷的影響，微切削加工理論和技術(shù)體系；多尺度微細(xì)切削模擬仿真技術(shù)。3)微切削工藝研究包括各種新材料如鋼鐵、鈦合金、不銹鋼、鋁合金、陶瓷和其他非金屬材料以及各種復(fù)合材料的微切削加工工藝，微切削 CAD/CAM 技術(shù)。4)實(shí)用化微制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理方法與相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容1)微型立式數(shù)控銑床主要技術(shù)參數(shù)的確定。2)設(shè)計(jì)研究滿足微細(xì)銑削加工要求和成形條件的微型機(jī)床系統(tǒng)，包括對(duì)微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 8 -系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各子系統(tǒng)設(shè)備選型與研發(fā)，最后完成了微型數(shù)控銑床的搭建。3)微型立式數(shù)控銑床的電主軸夾具體校核、分析。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 9 -2 微型立式數(shù)控銑床的總體設(shè)計(jì)方案2.1 微型立式數(shù)控銑床的基本參數(shù)機(jī)床設(shè)計(jì)的初始，首先需確定有關(guān)參數(shù)，它們是傳動(dòng)設(shè)計(jì)和進(jìn)給設(shè)計(jì)的依據(jù)，影響到產(chǎn)品是否能滿足所需要的功能要求，因此，參數(shù)擬定是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。機(jī)床參數(shù)有主要參數(shù)和基本參數(shù)。主參數(shù)是最重要的，它直接反映機(jī)床的加工能力、特性、決定和影響其他基本參數(shù)的數(shù)值。如銑床的工作臺(tái)寬度等?；緟?shù)是一些與加工工件尺寸、機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性有關(guān)的參數(shù)?？蓺w納為：尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。立式微型數(shù)控銑床的技術(shù)參數(shù)如表 1 所示：110mm×165mm×190mm表 2.1 微型立式數(shù)控銑床參數(shù)表項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù) 技術(shù)指標(biāo)床身本體結(jié)構(gòu)加工能力微型銑床整體尺寸立式三軸聯(lián)動(dòng)540mm×460mm×550mm進(jìn)給伺服系統(tǒng)行程（工作空間）最大速度定位精度重復(fù)定位精度分辨率110mm×110mm×190mm50mm/s1μm0.2μm20nm微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 10 -電主軸最高轉(zhuǎn)速?gòu)较蛱鴦?dòng)動(dòng)平衡精度軸承形式140000r/min0.2μmG0.4陶瓷球軸承，油氣潤(rùn)滑2.2 微型立式數(shù)控銑床的布局形式立式數(shù)控銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應(yīng)用范圍也最為廣泛。微型數(shù)控銑床一般都采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降及主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式，與普通立式升降臺(tái)銑床結(jié)構(gòu)相似；中型立式數(shù)控銑床一般采用縱向和橫向工作臺(tái)移動(dòng)方式，且主軸沿垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型立式數(shù)控銑床，因要考慮到擴(kuò)大行程、縮小占地面積及剛性等技術(shù)問(wèn)題，往往采用龍門架移動(dòng)式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前 3 坐標(biāo)立式數(shù)控銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行3 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行 3 坐標(biāo)中的任意 2 個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞 X, Y, Z 坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的 4 坐標(biāo)和 5 坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍及可選擇的加工對(duì)象也越多。但隨之而來(lái)的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程的難度更大，設(shè)備的價(jià)格也更高。圖 2.1 所示是立式數(shù)控銑床常見(jiàn)的三種布局形式。由溜板和工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)平面上 X, Y 兩個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)，主軸箱沿立柱導(dǎo)軌上下實(shí)現(xiàn) Z 坐標(biāo)移動(dòng)。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 11 -（a） （b） (c)圖 2.1 立式微型銑床的常用布局形式綜上所述，考慮微型銑床應(yīng)用的廣泛性以及所作相關(guān)的項(xiàng)目的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用的是(a)所示的工作臺(tái) X, Y 軸相互疊加移動(dòng)，電主軸在 Z 軸方向上移動(dòng)的布局形式。為了實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)進(jìn)給精度的銑刀銑削加工 3D 微小金屬零件，通過(guò)調(diào)研，微型立式數(shù)控銑床選用了基于商品化的六個(gè)子系統(tǒng):1)微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)；2)基于旋轉(zhuǎn)刀具的主軸系統(tǒng)；3)工件的進(jìn)給系統(tǒng)；4)加持工件的精密臺(tái)鉗子系統(tǒng)；5)刀具冷卻子系統(tǒng)；6)加工環(huán)境控制子系統(tǒng)等。這六大子系統(tǒng)通過(guò)分析最終確定其型號(hào)。2.3 微型立式數(shù)控銑床的整體結(jié)構(gòu)方案數(shù)控銑床應(yīng)滿足以下要求：良好的靜、動(dòng)剛度；較小的熱變形；機(jī)床各進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有良好的低速性能；機(jī)床結(jié)構(gòu)布局應(yīng)有良好的人機(jī)關(guān)系（如面板、操作臺(tái)位置布局等）和較高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。這里設(shè)計(jì)的三軸數(shù)控微小銑床的總體結(jié)構(gòu)布局應(yīng)按上述要求，既能滿足機(jī)床性能、加工適應(yīng)范圍等內(nèi)部因素考慮確定各機(jī)構(gòu)位置，同時(shí)亦滿足從外觀、操作、管理到人機(jī)關(guān)系等外部因素考慮安排機(jī)床總體布局。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 12 -在微細(xì)銑削過(guò)程中，銑削需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)即刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。微細(xì)銑削必須能夠加工不同厚度的微小零件，這就需要微小銑床的主軸能夠在垂直方向上可以調(diào)整，水平方向有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；垂直方向上采用主軸的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于水平方向相對(duì)于主軸的運(yùn)動(dòng)是為了實(shí)現(xiàn)一定的加工長(zhǎng)度，這可以用工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，再加上主軸的自身的旋轉(zhuǎn)，所以整個(gè)微小銑床需要有四個(gè)自由度，分別為 X 方向、Y 方向、Z 方向和主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) n。圖 2.2 為微小銑床運(yùn)動(dòng)模型圖。X主Y主 Z主n主圖 2.2 微型立式銑床運(yùn)動(dòng)模型圖本設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是構(gòu)建一臺(tái)適用于微小零件微細(xì)銑削的微型數(shù)控銑床，機(jī)床采用立式三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)配置，X,Y 二維工作臺(tái)帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn) X,Y 兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)；垂直布置的 Z 向工作臺(tái)帶動(dòng)安裝于其上的高速銑削電主軸子系統(tǒng)作上下的直線運(yùn)動(dòng)，互不干擾。為了提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度，在保證靜剛度的前提下，選擇阻尼系數(shù)大的材料——人造花崗巖作為微型銑床的底座材料。為了減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量，三軸工作臺(tái)的外殼均選用比重小的鋁合金材料作為運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)材料。三軸伺服電機(jī)及電主軸的采用簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，縮短了傳動(dòng)鏈，提高了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 13 -鑒于所采用的電主軸尺寸和重量較小，被加工零件的尺寸、重量以及加工時(shí)的切削力也較小，故該微型銑床設(shè)計(jì)成水平 X,Y 工作臺(tái)疊加的進(jìn)給平臺(tái)結(jié)構(gòu)，刀具安裝在電主軸上，隨 Z 軸一起上下移動(dòng)。按照結(jié)構(gòu)示意圖 2.3 所示的結(jié)構(gòu)，須保證 X,Y,Z 三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸相互正交，主軸的回轉(zhuǎn)精度平行于 Z 軸。ZXY圖 2.3 立式微型數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)示意圖微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 14 -3 微型立式數(shù)控銑床各系統(tǒng)選型及配置3.1 電主軸子系統(tǒng)考慮到微細(xì)銑削加工過(guò)程中的銑刀、零件尺寸和切削力都較小，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制和高效率的加工，在選擇微細(xì)銑床組件的過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些新的問(wèn)題。比如，采用直徑 O.5mm 的銑刀銑削硬鋁，常用的每齒進(jìn)給量約為 5μm，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在 60000r/min 以上時(shí)，此時(shí)進(jìn)給速度應(yīng)為 10mm/s～20mm/s，因此選擇何種主軸技術(shù)以達(dá)到超高轉(zhuǎn)速的同時(shí)保證較小的主軸跳動(dòng)量，是實(shí)現(xiàn)微細(xì)銑削的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)研究需要和微細(xì)銑削加工的特點(diǎn)，其所選用的主軸需要很高的轉(zhuǎn)速，較高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。本設(shè)計(jì)采用高速電主軸作為該銑床的主軸。電主軸技術(shù)，即:機(jī)床主軸與電機(jī)軸合二為一，近些年數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新技術(shù)。電主軸技術(shù)的關(guān)鍵在于將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，動(dòng)力傳遞不再使用齒輪傳動(dòng)副或皮帶。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小、重量輕、動(dòng)態(tài)特性好、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，電主軸的產(chǎn)生和應(yīng)用，改善了機(jī)床的動(dòng)平衡，減少了機(jī)床振動(dòng)和噪聲，在超高速高精密數(shù)控加工中應(yīng)用廣泛。遵循高回轉(zhuǎn)精度、高剛度、高轉(zhuǎn)速、小尺寸和低成本的選型原則，微型數(shù)控銑床選用瑞士 IBAG 公司生產(chǎn)的具有剛性好的陶瓷球軸承支撐小型電主軸，其型號(hào)為 HF42S120C，如圖 3.1 所示，其主要性能參數(shù)如表 3.1 所示。 微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 15 -圖 3.1 HF42S120C 型電主軸表 3.1 HF42S120C 型電主軸性能參數(shù)另外，該電主軸配有油氣潤(rùn)滑冷卻裝置，可保證其在高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下順利運(yùn)行，并能帶走因摩擦所產(chǎn)生的熱量，同時(shí)，還配有冷卻水冷卻電主軸裝置，通過(guò)水循環(huán)帶走電主軸產(chǎn)生的熱量。另外，電主軸配有 ER8 的夾頭，可裝夾刀柄直徑為 1-5mm 的刀具，該夾頭具有較高的接觸剛度和重復(fù)定位精度，微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 16 -并具有良好的高速鎖緊性。其油氣潤(rùn)滑和噴注潤(rùn)滑原理如圖 3.2、圖 3.3 所示。主主主 主主主 主 主主主主主 MMM主主主主主主主 主主主主主主主 主主主主主主主主主圖 3.2 油氣潤(rùn)滑原理 圖 3.3 噴注潤(rùn)滑原理3.2 工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)于銑床進(jìn)給系統(tǒng)，由于刀具尺寸的縮小和主軸轉(zhuǎn)速的提高，實(shí)際加工中走刀軌跡復(fù)雜程度提高，要求驅(qū)動(dòng)單元具有較高的加工速度和加減速度，傳統(tǒng)的滾珠絲杠加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式顯然難以滿足需要，直線電機(jī)省略了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，采用電磁力推動(dòng)，加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)高速精確跟蹤，不失為一種較好的驅(qū)動(dòng)方式。直線電機(jī)具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、靈敏度高、工作穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)敞開性好，散熱效果較好、有精密的定位和自鎖能力、行程長(zhǎng)度不受限制等特點(diǎn)，所以選用直線電機(jī)作為微型銑床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于直流電機(jī)易于調(diào)速，以往直線電機(jī)用作伺服電機(jī)主要是采用直流電機(jī)。但是交流直線電機(jī)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)電刷磨損、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，隨著交流伺服技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、矢量控制技術(shù))的發(fā)展，交流直線電機(jī)近年來(lái)在直線運(yùn)動(dòng)單元中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 17 -目前在直線運(yùn)動(dòng)單元上應(yīng)用的主流是感應(yīng)式直線交流伺服電機(jī)和永磁式直線交流伺服電機(jī)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。表 3.2 給出了兩種直線電機(jī)的主要性能比較。表 3.2 感應(yīng)式和永磁式直線電機(jī)的主要特性對(duì)比電機(jī)類型 永磁式 感應(yīng)式單位面積電磁推力 大 小效率 高 低磁極位置傳感器 要 不要運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 好 較好可控性 好 較差動(dòng)力制動(dòng) 可能 無(wú)對(duì)氣隙的要求 低 高永磁式直線電機(jī)在單位面積推力、效率、功率因素、可控性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、位置精度等方面均優(yōu)于感應(yīng)式直線電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)采用三相永磁無(wú)刷電機(jī)。本設(shè)計(jì)的微型銑床的 X、Y 軸定位系統(tǒng)選用臺(tái)灣大銀科技公司生產(chǎn)的 XY線性馬達(dá)平臺(tái)，如圖 3.4 所示，該線性馬達(dá)平臺(tái)具有高速度、高加速度、精確性高且定位快速、無(wú)摩擦損耗、運(yùn)動(dòng)平順、可靠度高、耐久使用、維護(hù)簡(jiǎn)微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 18 -單、小型化設(shè)計(jì)所需空間小、單軸上可有復(fù)數(shù)動(dòng)子等特性，完全可以滿足微型立式數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)要求。其性能參數(shù)如表 3.3 所示。圖 3.4 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20 XY 線性馬達(dá)平臺(tái)表 3.3 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20 型 XY 線性馬達(dá)平臺(tái)性能參數(shù)本設(shè)計(jì) Z 軸方向驅(qū)動(dòng)平臺(tái)選用科爾摩根公司生產(chǎn)的 PLATINUM-DDL 系列的直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，型號(hào)是 ICD10-030，如圖 3.5 所示。根據(jù)以往銑削加工的經(jīng)驗(yàn)，銑削的加速度一般都小于 2m/s2，該型號(hào)的直線電機(jī)的峰值推力為 340N，持續(xù)推力為 104N，在微型銑床的最大承載力為 20kg 的情況下，垂微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 19 -直軸的加速度為： 。由此可知，此型號(hào)電機(jī)完22104/5.//ams??全滿足微型銑床的要求。其具體性能參數(shù)如表 3.4 所示。圖 3.5 ICD10-030 型直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)表 3.4 ICD10-030 型直線電機(jī)性能參數(shù)微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 20 -為了保證機(jī)床實(shí)際加工的精度符合要求，三個(gè)方向的加工平臺(tái)均采用了MicroE 的線性光柵進(jìn)行位置反饋，如圖 3.6 所示，其分辨率為 0.1μm，線位移測(cè)量分辨率為 2nm，完全可以滿足本微小機(jī)床的精度。微 型 立 式 數(shù) 控 銑 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 21 -圖 3.6 MicroE 線性光柵3.3 精密臺(tái)鉗子系統(tǒng)臺(tái)鉗是用來(lái)夾持被加工工件的裝置，要求對(duì)被加工工件夾持后，能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位，保障足夠的直角度和平行度，并要求夾持牢靠無(wú)滑動(dòng)。本微型數(shù)控銑床選用了日本 JAM 公司 WS80 精密臺(tái)鉗，如圖 3.7 所示,WS80 型臺(tái)鉗采用 SKS 材料，硬度可達(dá) 60HRC。該精密臺(tái)鉗采用獨(dú)特的扳手鎖扣型設(shè)計(jì)，通過(guò)在 45°下前方向施加夾持力防止工件浮起，確保了夾持定位可靠滑移。規(guī)格參數(shù)如表 3.5 所示。圖 3.7 WS80 精密臺(tái)鉗系統(tǒng)