（机械制造及其自动化专业论文）微铣削机床改进设计及其数控系统的开发.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n m o d i f i e dd e s i g no f m i c r o - m i l l i n gm a c h i n e t o o l a n dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t b yx i es h u m i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h ij i a s h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：溯 捌敏 日期：zc j 口z 27 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年西 一年半口 学位论文作者签名：设寸树坎 签字日期： 加a7 巧 东北大学硕士学位论文 一塑 微铣削机床改进设计及其数控系统的开发 摘要 二十一世纪，随着科学技术的飞跃发展，微小零件在许多未来科技的发展领域中发 挥着非常重要的作用，特别在航空航天、生物医疗、电子通信、精密仪器、家用电器和 汽车自动化等领域存在巨大需求。微铣削技术是实现微小零件制备的一种重要加工工艺。 该技术柔性较大，在高效率、高精度、低成本方面具有优势，特别适合于具有复杂的三 维结构、曲面的微小零件和微小模具的加工，工件材料多样。微铣削加工技术以其在微 切削加工技术中具备的种种优势地位，拥有非常广阔的应用前景。 由于微零件结构的复杂性，有着曲面表面的微零件加工对微加工机床的多轴联动加 工功能提出了新的要求。为满足产品结构复杂化的需求，促进微铣削加工机理的实验研 究。本文结合实验室微铣削项目，在课题组研究成果的基础上，设计了具有车铣复合加 工功能的四轴联动微铣削机床，并开发了相应的数控系统，主要包括以下内容： ( 1 ) 在分析了四轴微铣削加工技术的特点和要求的基础上，应用直接图论的方法对 机床的构型进行了优化选择，对实验室原有的三轴微铣削加工机床进行了改进，设计了 适于四轴微铣削加工的机床，实现了机床的四轴联动加工。 ( 2 ) 利用a d a m s 软件对四轴微铣削机床动态特性中激振测试进行理论分析，在 a d a m s 软件中建立四轴微铣削机床的柔性体模型和振动模型，形成了具有刚柔耦合的 振动系统。该系统在受到一定激振力时产生位移响应，获得该机床激振测试特性，为该 机床进一步的结构改进提供参考。 ( 3 ) 根据四轴微铣削加工实验的要求，在分析了原有三轴微铣削机床数控软件操作 局限性的基础上，利用v b 重新开发了机床的数控软件，设计出便于操作的人机交互界 面。软件采用模块化设计思想，包含了通讯、参数设置、状态显示、手动加工和自动加 工等模块，能实现显微镜图像实时显示和系统状态显示，并拥有单步和连续执行四轴数 控加工程序的功能。 ( 4 ) 对原机床没有实现的g 代码和m 代码进行编译，将其转换为6 k 控制器语言 并传送给控制器，使四轴微铣削机床的数控系统数控加工功能更加完善和充分。 关键词：微铣削；微铣削机床；数控系统；g 代码编译 m o d i f i e dd e s i g no fm i c r o m i l l i n gm a c h i n e t o o la n d n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y a tt h et w e n t yf i r s tc e n t u r y , i i l i m a t u r i z e dc o m p o n e n t sp l a y e dg r e a t l yi m p o r t a n tr o l ei nm a n y f u t u r et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t a r e a s ，i n c r e a s i n 西yd e m a n df o re s p e c i a l l yi na e r o s p a c e ，b i o m e d i c i n e s ，e l e c t r o nc o m m u n i c a t i o n , p r e c i s i o ni n s t r u m e n t ，h o m ea p p l i a n c e sa n da u t o m o b i l ea n d s oo n m i c r o ，m i l l i n gi so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tm a c h i n i n gt e c h n i q u e s t h i st e c h n i q u ew h i c hi sg r e a t l ys u i tf o rt h ep r o c e s so f t h ec o m p l i c a t e dm i n i a t u r i z e dc o m p o n e n t sa n dm i n i a t u r i z e dm o u l d ，w h i c hh a s t h r e ed i m e n s i o n c o n f i g u r a t i o na n dc u r v e df a c e a n dt h et e c h n i q u eh a sb e t t e rf l e x i b l ea n dh a sa d v a n t a g ei nh i g h e f f i c i e n c y , h i g h p r e c i s i o n a n dl o wc o s t t h em a t e r i a lo ft h ew o r kp i e c ei sd i v e r s i t y m i c r o m i l l i n gh a sv e r yw i d e l ya p p l i c a b l ef o r e g r o u n db e c a u s eo ft h e d o m i n a n c es t a t u si n m i c r o m i l l i n gm a c h i n i n gt e c h n i q u e a st h er e a s o no fm i n i a t u r i z e dc o m p o n e n t so w n sc o m p l i c a t e d ，t h ep r o c e s s w h i c h m a c h i n i n gt h ec u r v ef a c en e e d sn e wr e q u i r e m e n tf o rm u l t i a x e sl i n k a g ep r o c e s sf u n c t i o n i n o r d e rt os a t i s f yt h en e e d sf o rt h ec o m p l i c a t i o no ft h ep r o d u c t i o nc o n f i g u r a t i o n , i m p r o v et h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o ft h em i c r o m i l l i n gm e c h a n i s m ，t h et e x tc o m b i n e sw i t ht h el a b m i c r o m i l l i n gi t e m ，a tt h ef o u n d a t i o no ft h er e s e a r c hf r u i tw i t hd i s c u s s i o ng r o u p ，w eh a v e d e s i g n e dt h e4 - a x i sl i n k a g em i c r o m i l l i n gm a c h i n et o o lw h i c hh a st h ec o m p o u n df u n c t i o no f c u t t i n ga n dm i l l i n g ，a n da l s od e v e l o p e dc o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lc o n t r o l ，a l lt h ec o n t e n ta l ea s f o l l o w s ： ( 1 ) a tt h ef o u n d a t i o no ff o u r - a xm i c r o m i l l i n gm a c h i n i n gt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e q u i r e m e n t sw h i c ha r ea l la n a l y z e d ，a p p l i e dd i r e c tg r a p ht h e o r yt os t r u c t u r es t y l eo fm a c h i n e a n dt h e ns e l e c tt h em o s to p t i m i z a t i o n ，i m p r o v eo nt h e3 - a x i sm i c r o m i l l i n gm a c h i n et o o l w h i c hl o c a t e di n l a b o r a t o r y , d e s i g nan e wm a c h i n et o o l w h i c hi ss u i t a b l ef o r4 - a x i s m i c r o m i l l i n g ，m a k et h e4 - a x i sl i n k a g ep r o c e s st r u e ( 2 ) a n a l y s i st h es h o c k e x c i t a t i o nt h e o r yo ft h ed y n a m i c si d e n t i t yi n4 - a x i sm i c r o m i l l i n g m a c h i n et o o l ，c o n s t r u c tf l e x i b l em o d e la n dv i b r a t i o nm o d e lo ft h e4 - a x i s m i c r o m i l l i n g m a c h i n et o o li na d a m s s o f t w a r e ，f o r ma nv i b r a t i o ns y s t e mw h i c hh a sr i g i da n df l e x i b l e t t t 东北大学硕士学位论文h b s t r a c tc o u p l i n gf e a t u r e t h es y s t e mp r o d u c e sd i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n da c q u i r e st e s tc h a r a c t e r i s t i co ft h em a c h i n et o o ls h o c ke x c i t a t i o n ，w h e nt h es y s t e mc o m eu n d e rs h o c ke x c i t a t i o nf o r c e ，a l lt h e s es u p p l yr e f e r e n c ef o rt h ef u t u r ei m p r o v ec o n f i g u r a t i o nw i t ht h em a c h i n et 0 0 1 ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n to ft h e4 - a x i sm i c r o - m i l l i n gp r o c e s s ，a f t e rt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z e dn u m e r i c a lc o n t r o ls o t t w a r eo ft h e3 - a x i sm i c r o - m i l l i n gm a c h i n et o o lw h i c hi si n h e r e d ，m a k eu s eo fv bt or e n e w a b l ye x p l o d e rt h en u m e r i c a ls o t v v v a r eo ft h em a c h i n et o o l ，d e s i g nt h em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v es y s t e mw h i c hi se a s yt om a n i p u l a t e d t h es o f t w a r et a k em o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni d e a ，w h i c hc o n t a i n sc o m m u n i c a t i o na n dp a r a m e t e rs e t t i n g ，s t a t ea p p e a r a n c e ，m a n u a la n da u t o m a t i cm a c h i n i n gm o d u l e t h es o f t w a r ec a ni m p l e m e n tr e a lt i m ev i s i o na n ds y s t e ms t a t ed i s p l a yo ft h em i c r o s c o p ei m a g e ，a n da l s oo w nt h e4 - a x i sn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s sf u n c t i o nw h i c hi se x e c u t e db ys i n g l es t e pa n dc o n t i n u o u ss t e p s ( 4 ) t r a n s l a t ea n de d i tt h ega n dmc o d ew h i c hi su n r e a l i z e df o rt h ef o r m e rm a c h i n et o o l ，t r a n s f e rt h e mt o6 kw h i c hi sa sc o n t r o l l e rl a n g u a g ea n dt h e nt r a n s m i ti tt oc o n t r o l l e r , m a k et h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o no f4 一a x i sm i c r o - m i l l i n gm o r ep e r f e c ta n ds u f f i c i e n c y k e y w o r d ：m i c r o - m i l l i n g ；m i c r o m i l l i n gm a c h i n et o o l ；n cs y s t e m ；gc o d et r a n s l a t i o ni v 目录 独创性声明l 摘要儿 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 微切削加工技术概况z 1 2 1 微切削机床的发展状况“z 1 2 2 微铣削数控技术的研究状况“8 1 3 车铣复合加工的发展概况9 1 3 1 车铣复合加工的特点”9 1 3 2 车铣复合加工机床概况1 0 1 4 课题来源及主要研究内容1 2 第2 章具有车铣复合加工功能的四轴微铣削机床结构设计1 3 2 1 四轴联动微铣削机床的总体要求1 3 2 1 1 三轴联动微铣削机床1 3 2 1 2 四轴微铣削机床的设计要求1 4 2 2 四轴微铣削机床构型设计和优化1 5 2 3 机床的改进2 1 2 3 1 四轴微铣削机床新型气动主轴单元的选择2 1 2 3 2 四轴微铣削机床新型测力仪的选择2 2 2 4 四轴微铣削机床回转工作台的设计2 3 2 4 1 铣削加工时回转工作台最高转速的确定2 3 2 4 2 回转工作台的构型设计2 5 2 5 四轴微铣削机床的p r o e 三维设计2 9 2 6 四轴微铣削机床的机床坐标系3 0 2 7 四轴微铣削机床回转工作台部件的配重和结构静力分析3 1 2 7 1 回转工作台部件对直线驱动平台使用寿命的影响3 1 一v 一 东北大学硕士学位论文目录一- - _ _ _ _ h 一2 7 2 对回转工作台的配重平衡和配重后的结构静力分析3 22 8 本章小结3 4第3 章四轴微铣削机床的激振测试3 53 1 激振测试理论基础3 53 2 四轴微铣削机床激振测试流程3 63 3a d a m s 2 0 0 5 软件应用3 63 4 四轴微铣削机床柔性体系统的建立3 73 5a d a m s v i b r a t i o n 模块介绍3 93 5 1a d a m s v i b r a t i o n 模块振动理论3 93 5 2a d a m s v i b r a t i o n 激励方法4 03 5 3 四轴微铣削机床振动仿真分析模型的建立4 03 5 4 四轴微铣削机床模态分析4 33 5 5 四轴微铣削机床激振仿真及其结果分析4 43 6 本章小结4 8第4 章四轴微铣削机床数控系统设计4 94 1 四轴微铣削机床数控系统控制要求分析4 94 2 四轴微铣削机床数控系统硬件设计4 94 3 四轴微铣削机床数控软件的设计5 14 3 1 基于6 k 控制器的微铣削数控软件5 14 3 2 四轴微铣削机床数控软件功能分析和软件功能模块的划分514 3 3 四轴微铣削数控功能模块的开发5 34 3 4g 代码和m 代码的扩充6 84 4 新增数控程序代码加工实验7 34 5 本章小结，q第5 章结论与展望7 55 1 结论7 55 2 展望7 5参考文献7 7致谢8 0v 1 东北大学硕士学位论文一一 篁! 主竺鱼 第1 章绪 论 1 1 课题研究背景及意义 随着科学技术的飞跃发展，现代制造业正以崭新的面貌出现在世人面前。当今，现 代制造技术正向着两个趋势发展，一方面向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向 发展，使制造技术形成一个系统，进行设计、工艺和生产管理的集成，统称为制造系统 自动化；另一方面寻求固有制造技术的自身微细加工的极限，即在现代制造技术中，能 够加工微小零件的微细尺寸极限是多少，所以微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加 工技术【1 1 。 粒子束加工 微细电腐蚀 加工 l i g a 技术【= (微细加工技术 集成机构制 造技术 m e m s 技术j 激光加工ji 超声波加工 微切削加工 技术 图1 1 微细加：i ：技术 f i g 1 1m i c r oc u t t i n gt e c h n o l o g y 微细加工技术的高速发展是由微零件在航空航天、生物医疗、电子通信、精密仪器、 家用电器和汽车自动化等领域的巨大需求推动的。这些微零件的出现能够更好的使微系 统实现缩小体积、减轻重量、降低功耗、提高稳定性的要求。目前大多数微小型化技术 的研究主要集中于微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 技术【2 1 。由 于微零件己经由二维扩展到了三维，材料延伸到了玻璃、聚合体、以及金属等许多其他 的材料，其应用范围己经扩展到了更为复杂的系统中。因此，许多研究者致力于应用许 多其他的微加工工艺来制造可以商业化的微零件，比如l i g a 技术( 一种基于同步加速 器的光刻技术) 、激光、超声波加工、粒子束加工、集成机构制造技术、微细电腐蚀加工 工艺以及微切削加工技术等3 ，4 ，5 1 ，见图1 1 。其中微切削加工技术是微细加工技术中一种 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 高效率、高精度的微加工方法，具有加工范围广，设备成本相对较低，相关基础技术研 究成熟等优点；可以用于具有复杂三维结构和曲面特征的小型工件的加工，工件材料包 括多种金属合金以及复合材料、塑料、陶瓷等非金属材料，所制作出的各种微型机械有 着日益广阔的应用前景。 东北大学先进制造及其自动化技术研究所依据目前此领域的发展趋势，结合自身实 际情况，在“9 8 5 工程 二期建设中，对微切削加工设备及控制系统做了初步的研究， 研制了三轴微铣削数控机床，并初步开发了三轴微铣削机床数控加工功能及控制软件。 目前已经进行了一些简单的微铣削加工实验，在微铣削加工方面积累了一定的经验及理 论基础。现有的三维微铣削机床已能加工较为复杂的三维结构微零件，可以实现三维空 间曲线轨迹的铣削加工。然而随着工业上对于微小零件的需求的不断增加，尤其是具有 复杂多维结构微小零件应用的日益广泛，三维微铣削机床的加工能力不足的缺点也凸显 出来。四轴联动加工铣床主要应用于加工具有较为复杂曲面的工件，例如双头螺杆、回 转凸轮等，与三轴联动加工相比，四轴联动加工可以加工出更高质量、更复杂的曲面， 主要适用于飞机、模具、汽车等行业的特殊加工。目前普通四坐标加工铣床已经普及， 但在微铣削领域四轴加工技术还没有得到深入的研究。因此要想用机械切削方法加工出 复杂曲面结构的微小零件，就必须研制出适合四轴微切削加工的机床。本文通过四轴联 动微铣削加工机床的改进设计，开发其数控系统，完善机床数控加工功能及控制软件， 可以更深入的研究微铣削的加工机理、数控技术，对微铣削机床的实用化以及生产微机 械产品有着重要的意义。 1 。2 微切削加工技术概况 1 2 1 微切削机床的发展状况 微零件的尺寸和质量取决于其微加工机床的性。h 匕$ t l 整体质量，尤其是它的综合精度 和动态特性。机床的整体性能是影响微小零件的精度、尺寸极限与尺寸重复度的关键因 素。精密的微切削机床往往需要配置高精密主轴、高精度的进给工作台及控制系统，这 主要包括机床的单元技术和整体蚪l lt ：厶匕f l g ，单元技术包括精密主轴、进给机构以及c n c 控 制系统等。微切削加工对所用的加工设备要求很高，其所用的加工设备应满足以下要求： ( 1 ) 高精度。包括高的静态精度和动态精度，其主要的性能指标有几何精度、运动 精度( 定位精度、重复定位精度) 和分辨率等，如主轴的回转精度、导轨运动精度，分 度精度。 ( 2 ) 高刚度。其中包括静刚度和动刚度，除零部件本身的刚度外，还应该注意接触 东北大学项士学位论文 第1 章绪论 刚度，同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统的刚度。微切削机床虽 然受到的切削力并不大，但是机床的受力变形将会造成精度上的很大影响。 ( 3 ) 高稳定性和保持性。加工设备在经过运输、仓储、安装调试后，在规定的工作 环境下，使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定地工作。因此，加工设备应具 有良好的耐磨性、抗振性以及热稳定性。 ( 4 ) 高度自动化。为了保证加工质量，减少人为因素的影响，现代精密微切削机床 应配置精密数控系统以实现自动控制，或采用计算机控制系统来适应控制、优化等以满 足零件的生产加工要求。 目前，绝大多数用于微加工的机床是工作在温度可控环境下的高刚度传统精密加工 机床( 图1 2 ) 。常规尺度的机床拥有许多优点，比如高刚度、良好的阻尼特性等等，并 且由于采用了精密的传感器和运动执行器，具备了精确定位的能力【6 ) 。可是为了实现加 工环境的精密控制却造成精密机床的大体积以及于此同时造成的大冲击载荷、高能耗 和高成本。另一方面，有许多研究机构和公司则致力于开发微小尺寸机床，微机床可队 在小尺寸机床部件的条件下实现需求的精度i ”i 。 嗜遮 琶劫毋 ( a ) d t - 1 0 0 【7 1 ( b ) w _ 0 8 m t ( c ) h y p e r 2 j 1 9 7 ( d ) k u g i c r 【。o l ( e ) k e 一“i ( f ) m 邮e i “。2 】 翻1 2 商业通用高精密加：机床 f i g12 c o m m e r c i a lu l t r a p r e c i s i o n m a c h i n e t o 口1 8 微小型化机床的概念是d u t t a 等人在1 9 7 0 年首次提出的，当时只是作为硅微细加工 制作的微电机一种应用，但是并没有被广泛地接受。1 9 9 0 年，日本通产省工业技术研究 3 一 羔燮苎主兰堡堡圭苎! 主竺堡院机械工程实验室( i v i e l ) 提出了微型制造系统即微型工厂概念，1 9 9 6 年开发了世界上第一台微型车床，体积3 2 x 2 5 x 3 0 5 m m 3 ，重量约l o o g 主轴电机额定功率1 s w ，如图1 3 所示”a 切削黄铜获得表面粗糙度r 1 5 9 m ，圊度2 5 u m ，加工出的最小外圊直径为6 0 岬。切削试验中的功率消耗低于普通车床的1 5 0 0 。该微型车床的成功开发验证了生产设备微小型化和微型工厂概念不仅是可行的，而且可以看出节省能源、空间和资源的效果。匿图13 日本e m l 实验室开发的微型车床f i g13 m i c r o l a t h e d e v e l o p e d b y e m l l a b o f ：a p a n1 9 9 9 年日本的l u 和y o n e y a m a 研制了一台长约2 0 0 m m 微型车床旧。主轴驱动电机功率05 w ，调节输入电压主轴转速变化范围3 0 0 0 1 5 0 0 0 r p m ，主轴用两个微型滚动轴承支承。x 、y 、z 三轴进给均由计算机控制的步进电机驱动，最小进给分辨率达4 r i m 。世界上第一台微铣削机床是由马德里高级工程技术学校( e s c u c i a t e e n i c as u p e r i o r d ei n g e l l i e r o sh a d u s t r i a l e s ，e t s l l ) 设计构建的【1 5 , 1 6 】，如图1 4 。它有2 5 个自由度，出一个主轴、三个进给驱动平台、一个运动控制器、一个测力仪和一个工件夹具组成。其主轴安装在z 轴进给驱动平台上，转速最高达1 2 0 0 0 0 p m 。日本先进工业科学与技术研究院( n a t i o n a l i n s t i t u t eo f a d v a n e e a i n d u s t r i a ls c i e n c e 蛐dt e c h n o l o g y ，a i s t ) 研制了两台采用电主轴的数控微铣床( 如图1 5 和图16 ) 。第一台本体尺寸为4 5 0 r m n x 3 0 0 n u n x 3 8 0 m m ，工作空间为6 0 m m x1 0 0 m m ，主轴转速2 0 0 0 0 0 r p m ，最高进给速度5 0 m m s ，采用分辨率0l 岬的全闭环数控，实现三维直线进给的同步运动控制，并加装了光学显微镜。第二台的主轴转速改进到了3 0 0 0 0 0 r p m l ”嘲。2 0 0 1 年美国国家科学基金会( n s f ) 资助了“m i c r o m e s o - s c a l e m a c h i n e t o o ls y s t e m s ”研究计划。图17 为该计划下所研制的两台微小型机床试验台，本体尺寸分别为2 5 0 m i n x l 5 0 m m x 2 0 0 m m 和6 0 m m x 9 0 m m 1 0 0 r a m ，主轴最高转速分别为1 5 0 0 0 0 p m 和3 2 0 0 0 0 r p m 。= 者都采用了闭环反馈控制，且装备了测力传感器测量微细切削力。前者4 一 东北太学硕士学住论丈 第1 章绪论 的加工试验结果表明，其能够用于微细铣削和钻削加工实验。 麴 四d 。 一筹 东北大学硕士学位论文第1 章绪论韩国釜山大学k a n g a 2 0 肄人建立了一套微小型铣削加工实验系统，其配各了高速空气涡轮主轴( 转速高达8 0 0 0 0 r p m ) 、精密切削测力仪和c c d 摄像头等装置，如图18 所示，其主要用于测量微细铣削切削力的研究。一“亡甓蕊图i8 微细铣削加工实验系统f i 9 1 8 m i c r o m i l l i n ge x p e r i m e n ts y s t e m2 0 0 7 年，韩国岭南大学设计并构建了一台三轴微铣削机床1 2 2 ，如图19 。机床尺寸1 5 0 m m x l 2 0 m m 2 2 0 r a m ，采用气动主轴，转速最高1 3 0 0 0 0 r p m 。x y 向进给行程1 5 r a m ，最大进给速度1 0 0 u 州s ；z 向进给行程1 5 m m ，最大进给速度7 0 l m s 。机床控制由一个用v i s u a lc + + 编制的可视化控制程序、一台p c 机和一块1 4 位的d a 卡负责完成。一凹19 微铣削机床照片f i g19p h o t o g r a p ho f t , h em i c r o m i l l i n g m a c h i n e韩国首尔国立大学y o u n g - b o n gb a n g 等研制了五轴微铣削机床2 “，机床采用立式结构，尺寸为2 9 4 m m x 2 2 0 m m 3 2 8 m m ，如图l1 0 ，( a ) 为机床实体，( b ) 标出了机床各轴的位置方向。机床的进给系统由3 个直线进给平台和两个旋转平台组成，平台由步进电6 一 东北大学项士学位论文 第1 章绪论 龋箩 函圄 型塑型兰燮墨! 主堑尺寸为5 0 m m 5 0 m m 2 0 m m ，全闭环驱动系统分辨率0 0 5 9 i n ，能实现亚微米级加工精度。机床采用高速空气静压电主轴，用永磁直线电机驱动工作台移动，配有c c d 显微镜进行观察，能实现三维复杂形面超精密微细切削加工要求。图l1 2 小型铣床及铣削加工实验刊昏j ，】2 m k f o - m f l l i n 窘皿a 曲面e 助d m 珊抽g 疆辨d l n f另外，国内的一些研究机构如上海冶金技术研究所、清华大学、长春光学精密机械研究所等单位在微型齿轮刻蚀、微型气轮机、静电微型马达等方面都取得了可喜的成果。1 2 2 微铣削数控技术的研究状况韩国岭南大学研制的三轴微铣削机床的控制系统如图11 3 所示。机床的进给运动是由压电陶瓷元件完成的，元件的移动量与施加在元件上的电压成线性正比关系。机床采用n c 嵌入f c 型开放式数控系统，以p c 为硬件平台，将d a 卡和频率计数卡插入p c总线插槽中。在p c 上运行的可视化互动数控程序和p c 机共同负责对运动命令的编译并输出到d a 卡，数控程序采用了v i 鲫缸c + 十软件编制。d a 卡将数字控制信号转换成模拟电压控制信号，输出电压范围为0 - 1 0 v 。d a 卡位数为1 4 位，可以同时控制三轴的运动。d a 卡输出4 通道电压到电压放大器上，将电压范围放大到0 - 1 0 0 v 并驱动压电陶瓷运动。一个分辨率为0 0 5 l m a 的光栅尺将压电陶瓷的微小位移检测出并反馈到频率计数卡上，通过频率计数卡转换成数字信号反馈回p c 机和控制程序。哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的微型铣床同样采用n c 嵌入f c 型开放式数控系统田 ，以p c 为硬件平台，将多轴运动控制器p a m c 插入p c 总线插槽中，通过接口连接伺服单元和f o 单元，控制平台三维运动。控制器具有轮廓插补能力，可以手工编程，也可利用c a d c a m 实现三维数控加工。南京航空航天大学构建的微型机床采用上位机+ 下位机的开放式数控系统，在工控机i p c 平台的基础上，基于d s p 构建的p m a c 多轴运动控制器构成主从式双微处理器_ 8 一 查苎苎芏塑兰苎堡查鱼主! ! 竺 结构。控制器采用w i n d o w s 系统平台进行数控编程、i i i i 审l 、仿真以及调试测试。 c o i n t ir 胁a h 霹 图i i3 微机床控制系统 f i gl 1 3 c o n 廿o ls v s i e mo f m e m i c r o m a c h i n i n ga p p m a t u s 北京航空航天大学研制的五坐标微铣削机床数控系统采用将多轴运动控制器p m a c 卡嵌入工业p c 机的形式，构成双c p u 的开放式数控系统。并且在w i n d o w s 平台上用 v i s u a lc + + 语言编写了数控软件，调用p c o n w n 3 2 动态链接库里相应功能的函数实现与 p m a c 通讯交换，编辑和执行o 代码程序，实时显示机床各坐标系的位置。 1 3 车铣复合加工的发展概况 1 _ 31 车铣复合加工的特点 车铣复台加工是二十世纪八十年代初在西方工业发达国家发展起来的一种全新的机 械加工方法，它不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上，而是把车床和铣 床的加1 1 - 艺，在一台机床上实现。复合加工中应用最广泛，难度昂大的就是车铣复合 加工- 车铣复合机床相当于一台数控车床和一台加工中心的复合，可以使工件在一次装 夹中完成车、铣、钻、镗等不同方法加工【2 4 1 。 车铣复合机床的形式有以车削为基础的复合加工机床，即以车床为基础，经过添加 铣削或磨削部件构成的复合加工机床，也有以铣削或者磨削为基础的复合加工机床等。 车铣复合机床主要是针对回转体类零件的复合加工，它能自动完成内外圆柱面、圆锥面、 平面、回转曲面、螺纹等工序的切削加工，对于些原本需要先后在车床和铣床上加工 的零件如图11 4 所示，将在一台机床j 。完成所有的加工丁序。 镬甲 l 霹聪 格骊 东北大学硕士学住论文第1 章绪论国圆图l1 4 适合车铣复合加工的零件h 11 4 p a r t s f i t f o r t u r n - m i l l i n g1 3 2 车铣复合加工机床概况在二十世纪7 0 年代，诞生了第一台3 轴( x 、z 、c ) 控制车削中心，这种车削中心的转塔刀架上装有可使铣刀、钻头、丝锥旋转的动力刀具，该机床能在一次装夹下对回转体类零件进行车、铣、钻、镗、攻丝等加工。9 0 年代以后，在车削中心基础上发展起来了5 轴控制( x 、y 、z 、b 、c ) 车铣复合加工中心1 4 ”。1 9 8 2 年，奥地利林茨机床公司( w f l ) 开发出了全世界第一台车铣专用数控机床一- w n c 5 0 0 s 车铣加工中心( 即后来的m 5 5 车铣加工中心) 。2 0 多年来经过不断努力，w f l 推出了新一代m 6 5 和m 4 0数控车铣复合机床( 如图1 1 5 ) 。m 6 5 卧式车铣复合加工机床具有一定的代表性，该机床总体采用传统卧式车床布局形式，床身采用高刚性的6 0 。斜式床身结构，导轨为特殊设计的大尺寸直线导轨，具有高刚性和优良的抗振性。床身左端为车削主轴箱，具备c 轴功能。右端为尾座装置。斜式床身上部是车、铣、镗主轴装置，可沿纵向( z 轴) 、横向( x 轴) 、径向( y 轴) 进行直线运动和b 轴的摆动回转运动。d ；乡l - b 轴还可以2 5 。为单位分度，具有进行旋风车铣粗加工的能力。斜式床身的下部是一个在纵向和横向均可机动控制的中心支架，用于端面和镗内孔加工不能使用尾座装置时支撑工件。幽l1 5m 6 5 卧式车铣复台) j t l a | i 机床f i 9 11 5 m 6 5h o n z o n m l m i l l t u m l n g m a c h i n e l e o l1 0 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 日本m a z a k 公司的i n t e g r e xe8 0 0 v s 卧式铣车复合加工机床是一种以铣削为 基础的车铣复合加工机床( 如图11 6 ) ，在五轴卧式加工中心的工作台上增加回转车削功 能，可以在一次装卡下对圆形盘类零件实现车、铣等工序的完全加工。在机床左右两端 各设一个带卡盘的回转主轴，右端卡盘可在轴向伸缩，可对长轴类零件进行顶卡加工， 也可在左右两端同时进行对两个短轴类零件的车、铣等工序的加工工作口”。 图i1 6 l n t e g r e x e 8 0 0 w s 式车铣复合加工机床 f i g11 6 n 卫g r e xe 8 0 0 v sh o r i z o n t a l m i l l - m i n i n g m a c h i n e t o o l 瑞士宝美技术有限公司( b u m o t e cs a ) 的s - 1 9 2 f t 复合铣车中心，是一种十分 典型的高精、高效、高刚性、高