微型立式数控铣床结构设计.doc

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总计：毕业论文： 49 页 表 格： 7 表 插 图： 26 幅 指导教师： 评 阅 人： 完成时间： 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；3DIABSTRACTThe 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 analysisand 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 ofamicro-vertical CNCmilling machine, the results show that the developed micro-milling machine can achieve micron-level feed and meet the following study of micro-milling machining.Key Words：Micro-milling machine; Feeding system; Vertical structure design ;3D10目 录摘 要ABSTRACT1 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224.3 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381 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、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)。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。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，跳动量小于O.lum。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。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。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。 （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