微型数控铣床结构设计

微型立式数控铣床结构设计学 院： 专业、 班级： 学 生 姓 名： 指导教师（职称）： 完 成 日 期： 微型立式数控铣床结构设计指导教师： 评 阅 人： 完成时间： I摘 要微细切削加工技术作为重要的军民两用技术，己经成为现代科技研究的前沿课题之一。微细切削加工技术区别于 MEMS 技术和超精密加工技术，是利用传统加工方式针对微米级以下小零件进行高效率、高精度的微细制造。为了降低机床成本、提高加工效率、减少能耗，国内外正在发展微型机床和微型工厂。本文在大量查阅国内外资料的基础上，经过分析和比较，设计并构建了一台专用于微细铣削加工的微型立式数控铣床系统。完成了微型数控铣床总体方案设计，确立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件(控制系统、主轴系统、进给系统、精密台钳系统、刀具冷却系统、加工环境系统、夹具体和机床底座等)的选型与设计，研发出采用陶瓷球轴承油气润滑高速电主轴、直线电机十精密光栅尺的进给伺服系统以及基于 IPC 的三轴运动控制的微型立式数控铣床。微型铣床整机结构设计对加工精度影响显著，整机结构设计将直接影响整个微型铣床的加工精度。本文对微型数控铣床的主要部件进行选型分析，对整机在结构设计上能否满足加工精度设计要求进行了校验，成功设计了一台微型立式数控铣床。结果证明所设计的微型铣床能够实现微米级的进给，能够满足后续微细铣削加工的研究。关键词：微型铣床；进给系统；立式结构设计；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 machines 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 录摘 要 ABSTRACT.1 绪论 11.1 微型机床研究背景及意义 11.2 微型机床国内外发展现状 11.3 本课题研究的主要内容 62 微型立式数控铣床的总体设计方案 72.1 微型立式数控铣床的基本参数 72.2 微型立式数控铣床的布局形式 82.3 微型立式数控铣床的整体结构方案 93 微型立式数控铣床各系统选型及配置 .113.1 电主轴子系统 113.2 工作台驱动子系统 133.3 精密台钳子系统 163.4 刀具冷却子系统 174 微型立式数控铣床各部件的校核与设计 .194.1 夹具体设计与校核 204.2 铣床防护罩的设计 22II4.3 铣床底座的设计 235 其他辅助系统设计 .255.1 隔离振动方案系统 255.2 在线监测系统 256 微型立式数控铣床总体结构设计 .277 结论 29致 谢 30参考文献 31附录 A：外文翻译 32附录 B：外文原文 38微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 1 -1 绪论1.1 研究的背景意义随着航空航天、国防工业、微电子行业、现代医学以及生物工程技术的发展，精密/超精密三维微小零件(尺寸特征在微米到毫米级)的需求日益迫切。其结构形状的特异化、零件材料的多样化、尺寸及表面质量的高精度化成为三维微小零件及其微型装置设备的显著特征，在使用功能、材料特性、结构形状、可靠性等方面的要求也越来越高。微细加工就是一种介于普通宏观机床加工和 MEMS 制造之间的一种技术。简单来说，微细加工就是用微型机床来加工微小零件，被加工零件的尺寸在100m 和 lOmm 之间，利用微型机床加工微小零件在结构成型和材料多样性方面有独特的优势。微型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制。目前许多由金属材料制成的精密三维微小零件，都是利用常规尺寸的精密与超精密机床加工成的。这些机床主要用于加工高精度的宏观几何尺寸零件，而对生产微小零件则成本高、效率低、灵活性差。因此，微型机床及其组成的系统日益成为解决上述矛盾的一项新技术。因此，对微型机床及微细铣削加工技术的研究具有重要的理论意义和实际应用前景。1.2 微型机床的国内外发展现状微型机械制造系统被誉为 20 世纪 10 大关键技术之首。MMT 是属于微小型机械制造系统的重要组成部分，是连接微观和宏观制造领域的技术桥梁，是 21 世纪的重点发展方向，受到世界各国的高度重视。日本、美国和欧洲等发达国家都投入了大量的人力、物力和财力开展 MMT 方面的研制与开发。日本是较早开发微小型加工单元的国家。1990 年，日本通产省机械技术研究所(MEL)首先提出了桌面微工厂(DesktopMicro-factory)的概念，并于1999 年制成了世界上第一套桌面微工厂(图 1.1)，由车床、铣床、冲压床、微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 2 -搬运机械手和装配用机械手组成。桌面式微工厂的概念强调体积小巧并可以应用先进的制造技术加工微小零件的能力，特别具有节能、环保等优势，是绿色制造的发展方向之一。图 1.1 日本通产省机械技术研究所的桌面微工厂日本产业技术综合研究所(AIST)于 1998 年主导进行 Micro Factory 开发计划(投入 250 亿日元)开发出当时世界上最小的车床，2000 年“科学技术周”期间又展示了手提式微小型加工系统，该系统是集车削、磨削、钻削、冲压及搬运机械手于一体的桌面式微小零件制造系统，验证了“微小机床加工微小零件”的可行性，日本 NANO 株式会社于 2005 年研制成 NANOWAVE 超小型精密 CNC 机床(图 1.2)。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 3 -图 1.2 日本 NANO 株式会社研制成 NANOWAVE 超小型精密 CNC 机床美国 WTEC (Word Technology Evaluation Center, Inc.)和NSF（National Science Foundation)等机构于 2002 年共同出资，针对国际上 Non-MEMS 微型加工技术研究发展现状与趋势组成考察团进行详细调研，并于 2005 年形成分析报告，调查分析报告指出，Non-MEMS 微制造技术将成为 21 世纪重要的新技术，它是连接微观与宏观制造领域的桥梁技术，是改变传统加工理念(加工时间、地点、方式)的技术，是改变生产力分配方式的技术(微制造可成为家庭手工业)，它是增强美国竞争优势的战略性技术。美国佐治亚理工学院、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、密西根大学、威斯康辛大学等都针对微小制造系统开展了广泛的研究，一些研究成果已成功用于航空航天、生物医疗等领域。西北大学和伊利诺伊斯大学研制的微小型车床，其主轴转速可达到 200, 000 rpm。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 4 -图 1.3 美国西北大学研制的微小车床图 1.4 威斯康辛大学研制的微小车床微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 5 -图 1.5 美国密西根大学研制的微小车床我国微型机械研究的起步并不算晚, 1988 年国家自然科学基金委批准东南大学静电微马达方面研究的基金申请，从此开始了微型机械某些领域的研究。南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所、清华大学等针对微小型机床都开展了积极研究。时至今日，在微小型制造、微小型切削技术方面国内一些单位的研究工作卓有成效，取得了可喜的成就。北京航空航天大学的邱时前等开发了一台由高速电主轴、精密转台、精密直线运动平台和基于 PC 的 PMAC 运动控制卡组成的五坐标微铣削机床，并开发了可编辑和执行 G 代码程序的数控系统；利用该机床进行了薄壁、直槽和牙冠体加工实验，对薄壁和直槽加工实验结果进行了分析。如图 1.6 所示，机床本体尺寸为 900mm700mm800mm 有用大理石底座。进给驱动系统由三轴超高精度直线运动轴和两轴直接驱动转台组成，XYZ 各轴的行程为102mm，分辨率为 100nm，定位精度士 0.5um。电主轴型号为 NSKE402-N40，最大输出功率 210w，转速范围为 200040000r/min，最大力矩 6.9 ，Ncm跳动量小于 O.lum。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 6 -图 1.6 北京航空航天大学研制的微型机床上海交通大学振动国家重点实验室与机械系统和美国密西根大学吴贤铭先进制造中心在分析微细铣削加工要求和成形条件的基础上，共同设计制造了一台三自由度介观尺度微型铣床，如图 1.7 所示，系统采用卧式结构，总体尺寸为 270mm190mm220mm，加工范围为 303030mm3;，具有系统刚度高和定位精度高等优点。其定位系统为传统电动机丝杠定位，定位精度达1.62um，分辨率可达 50nm，重复定位精度 0.313um，工作行程为 30mm，X 向直线度士 0.159 um，Y 向直线度士 0.328 um，系统采用气动马达，主轴跳动度在 1 um 以内，最高转速为 120kr/min。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 7 -图 1.7 上海交通大学研制的微型机床综合国内外桌面式微小机床的研究情况，当代微小机床的研究主要集中于以下几个方面：1)微切削应用技术包括微型零件切削加工装备关键技术，主要是高速主轴系统，精密工作台的定位、运动及控制技术复合微切削加工设备与技术；微切削刀具材料和道具制作技术；微切削刀具、工件的快速装夹、测试及微切削加工过程的监控技术。2)微切削机理主要是热力藕合应力作用下的微切削不均匀变形场，微尺度下工件材料的本构方程，微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形能的影响；最小切削厚度对切屑形态、已加工表面形成、切削力、切削温度等的影响，及工件材料微观组织结构对表面粗糙度和次表面损伤的影响，微切削加工理论和技术体系；多尺度微细切削模拟仿真技术。3)微切削工艺研究包括各种新材料如钢铁、钛合金、不锈钢、铝合金、陶瓷和其他非金属材料以及各种复合材料的微切削加工工艺，微切削 CAD/CAM 技术。4)实用化微制造系统的设计原理方法与相关应用技术的研究。1.3 本课题研究的主要内容1)微型立式数控铣床主要技术参数的确定。2)设计研究满足微细铣削加工要求和成形条件的微型机床系统，包括对微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 8 -系统的结构设计和各子系统设备选型与研发，最后完成了微型数控铣床的搭建。3)微型立式数控铣床的电主轴夹具体校核、分析。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 9 -2 微型立式数控铣床的总体设计方案2.1 微型立式数控铣床的基本参数机床设计的初始，首先需确定有关参数，它们是传动设计和进给设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数拟定是机床设计中的重要问题。机床参数有主要参数和基本参数。主参数是最重要的，它直接反映机床的加工能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值。如铣床的工作台宽度等。基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数。可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数。立式微型数控铣床的技术参数如表 1 所示：110mm165mm190mm表 2.1 微型立式数控铣床参数表项目 技术参数 技术指标床身本体结构加工能力微型铣床整体尺寸立式三轴联动540mm460mm550mm进给伺服系统行程（工作空间）最大速度定位精度重复定位精度分辨率110mm110mm190mm50mm/s1m0.2m20nm微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 10 -电主轴最高转速径向跳动动平衡精度轴承形式140000r/min0.2mG0.4陶瓷球轴承，油气润滑2.2 微型立式数控铣床的布局形式立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。微型数控铣床一般都采用工作台移动、升降及主轴转动方式，与普通立式升降台铣床结构相似；中型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型立式数控铣床，因要考虑到扩大行程、缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标立式数控铣床仍占大多数。一般可进行3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意 2 个坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕 X, Y, Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的 4 坐标和 5 坐标立式数控铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。图 2.1 所示是立式数控铣床常见的三种布局形式。由溜板和工作台实现平面上 X, Y 两个坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨上下实现 Z 坐标移动。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 11 -（a） （b） (c)图 2.1 立式微型铣床的常用布局形式综上所述，考虑微型铣床应用的广泛性以及所作相关的项目的实际情况，本设计采用的是(a)所示的工作台 X, Y 轴相互叠加移动，电主轴在 Z 轴方向上移动的布局形式。为了实现亚微米级进给精度的铣刀铣削加工 3D 微小金属零件，通过调研，微型立式数控铣床选用了基于商品化的六个子系统:1)微型数控铣床控制系统；2)基于旋转刀具的主轴系统；3)工件的进给系统；4)加持工件的精密台钳子系统；5)刀具冷却子系统；6)加工环境控制子系统等。这六大子系统通过分析最终确定其型号。2.3 微型立式数控铣床的整体结构方案数控铣床应满足以下要求：良好的静、动刚度；较小的热变形；机床各进给运动有良好的低速性能；机床结构布局应有良好的人机关系（如面板、操作台位置布局等）和较高的环保标准。这里设计的三轴数控微小铣床的总体结构布局应按上述要求，既能满足机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各机构位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考虑安排机床总体布局。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 12 -在微细铣削过程中，铣削需要两个运动，主运动即刀具的旋转运动及进给运动。微细铣削必须能够加工不同厚度的微小零件，这就需要微小铣床的主轴能够在垂直方向上可以调整，水平方向有相对运动；垂直方向上采用主轴的升降来实现，而对于水平方向相对于主轴的运动是为了实现一定的加工长度，这可以用工作台的运动来实现，再加上主轴的自身的旋转，所以整个微小铣床需要有四个自由度，分别为 X 方向、Y 方向、Z 方向和主轴的旋转运动 n。图 2.2 为微小铣床运动模型图。X主Y主 Z主n主图 2.2 微型立式铣床运动模型图本设计主要目标是构建一台适用于微小零件微细铣削的微型数控铣床，机床采用立式三坐标结构配置，X,Y 二维工作台带动工件实现 X,Y 两个方向的直线运动；垂直布置的 Z 向工作台带动安装于其上的高速铣削电主轴子系统作上下的直线运动，互不干扰。为了提高结构的动刚度，在保证静刚度的前提下，选择阻尼系数大的材料人造花岗岩作为微型铣床的底座材料。为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量，三轴工作台的外壳均选用比重小的铝合金材料作为运动部件的结构材料。三轴伺服电机及电主轴的采用简化了传动系统，缩短了传动链，提高了机床的运动品质。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 13 -鉴于所采用的电主轴尺寸和重量较小，被加工零件的尺寸、重量以及加工时的切削力也较小，故该微型铣床设计成水平 X,Y 工作台叠加的进给平台结构，刀具安装在电主轴上，随 Z 轴一起上下移动。按照结构示意图 2.3 所示的结构，须保证 X,Y,Z 三个运动轴相互正交，主轴的回转精度平行于 Z 轴。ZXY图 2.3 立式微型数控铣床结构示意图微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 14 -3 微型立式数控铣床各系统选型及配置3.1 电主轴子系统考虑到微细铣削加工过程中的铣刀、零件尺寸和切削力都较小，同时为了实现高精度运动控制和高效率的加工，在选择微细铣床组件的过程中不可避免的会出现一些新的问题。比如，采用直径 O.5mm 的铣刀铣削硬铝，常用的每齿进给量约为 5m，当主轴转速在 60000r/min 以上时，此时进给速度应为 10mm/s20mm/s，因此选择何种主轴技术以达到超高转速的同时保证较小的主轴跳动量，是实现微细铣削的关键因素之一。针对研究需要和微细铣削加工的特点，其所选用的主轴需要很高的转速，较高的刚度和回转精度。本设计采用高速电主轴作为该铣床的主轴。电主轴技术，即:机床主轴与电机轴合二为一，近些年数控机床领域出现的一种新技术。电主轴技术的关键在于将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，动力传递不再使用齿轮传动副或皮带。电主轴具有结构紧凑、惯性小、重量轻、动态特性好、调速范围广等优点，电主轴的产生和应用，改善了机床的动平衡，减少了机床振动和噪声，在超高速高精密数控加工中应用广泛。遵循高回转精度、高刚度、高转速、小尺寸和低成本的选型原则，微型数控铣床选用瑞士 IBAG 公司生产的具有刚性好的陶瓷球轴承支撑小型电主轴，其型号为 HF42S120C，如图 3.1 所示，其主要性能参数如表 3.1 所示。 微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 15 -图 3.1 HF42S120C 型电主轴表 3.1 HF42S120C 型电主轴性能参数另外，该电主轴配有油气润滑冷却装置，可保证其在高转速的状态下顺利运行，并能带走因摩擦所产生的热量，同时，还配有冷却水冷却电主轴装置，通过水循环带走电主轴产生的热量。另外，电主轴配有 ER8 的夹头，可装夹刀柄直径为 1-5mm 的刀具，该夹头具有较高的接触刚度和重复定位精度，微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 16 -并具有良好的高速锁紧性。其油气润滑和喷注润滑原理如图 3.2、图 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图 3.2 油气润滑原理 图 3.3 喷注润滑原理3.2 工作台驱动子系统对于铣床进给系统，由于刀具尺寸的缩小和主轴转速的提高，实际加工中走刀轨迹复杂程度提高，要求驱动单元具有较高的加工速度和加减速度，传统的滚珠丝杠加旋转电机的驱动方式显然难以满足需要，直线电机省略了中间传动环节，采用电磁力推动，加工过程中可以实现高速精确跟踪，不失为一种较好的驱动方式。直线电机具有的结构简单、反应速度快、灵敏度高、工作稳定可靠，寿命长、结构敞开性好，散热效果较好、有精密的定位和自锁能力、行程长度不受限制等特点，所以选用直线电机作为微型铣床工作台驱动系统。由于直流电机易于调速，以往直线电机用作伺服电机主要是采用直流电机。但是交流直线电机有结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便等优点，随着交流伺服技术(变频调速技术、矢量控制技术)的发展，交流直线电机近年来在直线运动单元中得到越来越多的应用。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 17 -目前在直线运动单元上应用的主流是感应式直线交流伺服电机和永磁式直线交流伺服电机，它们各有优缺点。表 3.2 给出了两种直线电机的主要性能比较。表 3.2 感应式和永磁式直线电机的主要特性对比电机类型 永磁式 感应式单位面积电磁推力 大 小效率 高 低磁极位置传感器 要 不要运动平稳性 好 较好可控性 好 较差动力制动 可能 无对气隙的要求 低 高永磁式直线电机在单位面积推力、效率、功率因素、可控性、运动平稳、位置精度等方面均优于感应式直线电机，所以本设计采用三相永磁无刷电机。本设计的微型铣床的 X、Y 轴定位系统选用台湾大银科技公司生产的 XY线性马达平台，如图 3.4 所示，该线性马达平台具有高速度、高加速度、精确性高且定位快速、无摩擦损耗、运动平顺、可靠度高、耐久使用、维护简微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 18 -单、小型化设计所需空间小、单轴上可有复数动子等特性，完全可以满足微型立式数控铣床的设计要求。其性能参数如表 3.3 所示。图 3.4 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20 XY 线性马达平台表 3.3 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20 型 XY 线性马达平台性能参数本设计 Z 轴方向驱动平台选用科尔摩根公司生产的 PLATINUM-DDL 系列的直接驱动直线电机，型号是 ICD10-030，如图 3.5 所示。根据以往铣削加工的经验，铣削的加速度一般都小于 2m/s2，该型号的直线电机的峰值推力为 340N，持续推力为 104N，在微型铣床的最大承载力为 20kg 的情况下，垂微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 19 -直轴的加速度为： 。由此可知，此型号电机完22104/5./ams全满足微型铣床的要求。其具体性能参数如表 3.4 所示。图 3.5 ICD10-030 型直接驱动直线电机表 3.4 ICD10-030 型直线电机性能参数微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 20 -为了保证机床实际加工的精度符合要求，三个方向的加工平台均采用了MicroE 的线性光栅进行位置反馈，如图 3.6 所示，其分辨率为 0.1m，线位移测量分辨率为 2nm，完全可以满足本微小机床的精度。微 型 立 式 数 控 铣 床 结 构 设 计- 21 -图 3.6 MicroE 线性光栅3.3 精密台钳子系统台钳是用来夹持被加工工件的装置，要求对被加工工件夹持后，能够达到准确定位，保障足够的直角度和平行度，并要求夹持牢靠无滑动。本微型数控铣床选用了日本 JAM 公司 WS80 精密台钳，如图 3.7 所示,WS80 型台钳采用 SKS 材料，硬度可达 60HRC。该精密台钳采用独特的扳手锁扣型设计，通过在 45下前方向施加夹持力防止工件浮起，确保了夹持定位可靠滑移。规格参数如表 3.5 所示。图 3.7 WS80 精密台钳系统