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當前位置: 首頁 > 新聞頻道 > 專業論文 > 微型切削用數控機床的研發預設探討
微型切削用數控機床的研發預設探討
來源:中國數控機床網   發表時間:2018-9-15 13:37:00  瀏覽次數:
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20世紀80年代興起的基于硅半導體制造工藝的MEMS技術引起人們對微細加工的廣泛關注。為得到結構更加復雜、材料適應性更強的微小零件,不斷出現了多種微細加工技術,如粒子束加工、LIGA加工(微型鑄模電鍍工藝)、微細電火花加工(EDM)等。這些新技術的出現使得像微型GPS、微小型化醫療器械、微小型電機等一些新產品不斷發展更新。

近年來,采用傳統的機械加工方法而進行微細制造的研究越來越受到人們的重視,針對特征尺寸在10~10000μm的所謂meso尺度機械零件的微細切削制造成為一大研究熱點,原因是機加工的幾大優勢:生產效率高、靈活;能加工任意三維特征的零件;能加工包括鋼在內的多種材料。

然而微細切削加工所采用的設備主要還是常規尺寸的精密、超精密機床這對于生產微小尺寸零件還是缺少必要的柔性且成本高、效率低。

20世紀90年代中期以來,日本和歐美等發達國家從節省空間和提高加工精度的角度出發,廣泛開展微小零件加工機床的小型、輕型化研究,陸續研制了多種用于微小零件切削加工的小型精密、超精密機床,從而,桌面工廠、微型車間、便攜式工廠等新概念也不斷流行起來。

針對微細切削加工,本文介紹了一臺自主構建的小型超精密數控銑床其本體尺寸為300mm×400mm×500mm,xyz工作空間尺寸為50mm×50mm×20mm,主軸最高轉速9×104r/min,數控三軸聯動可實現三維復雜形面微細加工,全閉環反饋控制結合誤差補償技術最終可實現亞微米級加工精度。

1、機床結構設計及系統配置

為確保各坐標軸正常工作及運動穩定性,結構設計及系統配置主要遵循以下原則:高的結構剛度;優良的阻尼特性;幾何外形影響;熱變形影響;外界環境因素影響等。

111機床總體設計

采用立式三坐標結構,包括在水平方向上的x,y二維工作臺和垂直布置的z工作臺,高速銑削主軸布置在z軸上。

機床本體尺寸為:y向300mm、x向400mm、z向500mm,工作空間為50mm×50mm×20mm.

112關鍵部件配置關鍵零部件(主軸部件、伺服驅動、運動控制部件及監測系統等)的選擇及精度是實現微細切削加工的先決條件,具體配置如下:1)主軸及驅動系統主軸是超精密機床的關鍵部件,其運動誤差特性直接影響零件的表面質量和精度,同時為滿足微細切削所需的切削線速度,主軸應具有很高轉速。

通過計算,主軸跳動應在011μm以內,且至少應具有5×104r/min以上的轉速(如對直徑011mm的球頭銑刀)。

電主軸是近些年數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術,所具有的高速軸承技術、內裝式直接驅動技術、高速動平衡技術及高頻變頻裝置能夠實現高速高精加工。

常用的超精密機床主軸為氣體靜壓或液體靜壓主軸,其二者均具有高的運動精度和轉速。

考慮到空氣靜壓軸承具(新型軸承在牽引電機中的效用剖析)有轉動平穩、回轉精度高、高速轉動溫升小等特點,盡管其剛度稍低,結合本課題的具體應用場合,決定采用高精度空氣靜壓軸承高速電主軸。

其最高轉速可達9×104r/min,徑向跳動量小于015μm.

2)導軌及驅動裝置導軌采用超精密交叉滾柱支承的滑臺,其優點為剛性好,動作靈敏,不易引起振動,適于空間尺寸小,承受顛覆力矩的場合,該導軌直線度為±011μm/25mm.

承載工作臺的兩水平進給軸采用永磁直線電機直接驅動,并配置最高分辨率為0105μm的光柵尺作為全閉環數控系統位置反饋裝置。

直線電機進給伺服驅動技術的優點是能夠實現瞬時加、減速及高速準停運動;減少了中間環節,傳動剛度好,有效地提高了傳動精度及可靠性。

3)在線監測系統刀具在工件表面的快速精確定位、切削力的精確測定、轉速或進給量的測定及加工過程的可視化是微細加工的必備條件。

同時,微細加工和裝配過程中應盡量避免人為的介入和外界因素的影響,一般采用非接觸式無損測量。

光電圖像檢測技術是一種理想的方法,其核心元件是CCD攝像機,它可以在微細加工中對微細加工過程實時監控、作為微裝配過程的觀察和測量手段以及對零件三維幾何尺寸進行測量。

2、機床數控系統

機床進給機構的伺服控制特性直接影響著微細加工工藝及加工質量。

為了最大限度地減小或消除幾何誤差、傳動機構非線性及振動等不利因素對加工精度的影響,采用了全閉環控制方式;并結合運動控制器自身特點,在傳統的PID控制的基礎上開發了速度/加速度前饋?餡波濾波等控制環算法,其中,速度前饋用于減小由于微分增益的引入所引起的跟隨誤差,加速度前饋可以減小系統慣性所帶來的跟隨誤差,陷波濾波器主要用于由于系統存在滯后、靜摩擦、卷曲及回差等問題使系統產生機械諧振而破壞系統的特性;以及通過對誤差的測量及數控補償機制,進一步優化了控制精度。

1)硬件系統采用上位機?下位機的開放式數控系統,可實現多軸數控聯動加工的要求。

數控系統控制中心在工業控制機IPC平臺的基礎上,基于DSP構建的PMAC多軸運動控制器構成主從式雙微處理器結構。

其中,PMAC主要完成對機床軸運動、控制面板開關量的控制,IPC則主要實現系統的管理功能。

同時,根據需要擴展了相應的I/O口。

最終構成的數控系統硬件結構原理。

2)軟件系統控制器采用Windows系統平臺進行數控編程、加工控制、仿真、調試測試,具有輪廓控制能力,易實現實時數控插補,可以手工編程,也可以利用CAD/CAM軟件實現三維數控加工。

3、系統測定與調試

系統測定與調試工作主要包括幾何誤差測算、主軸運動精度檢查、微進給運動調試等,最終定位精度為015μm,能夠滿足亞微米級切削精度的要求。

4、切削試驗

采用直徑012mm、螺旋角30°的硬質合金二刃球頭端銑刀,對硬鋁LY12材料進行分層銑削,其主要工藝參數為:主軸轉速4。

2×104r/min,進給速度10mm/min,z方向吃刀量5~10μm,切削過程中不斷噴灑冷卻液。

根據測量結果,薄墻的平均厚度小于40μm,豎直槽部分平均深度大于500μm,實現了大深寬比結構的微細銑削加工。

5、結語

利用傳統機加工的靈活優勢并結合微細加工的特點,開發適用于微細切削的加工設備已成為微細加工領域的一大熱點。在自主構建的小型數控銑床的基礎上,進行了切削加工試驗,結果顯示,該銑床已經具備對meso尺度零件微細切削加工能力。今后,通過對微細切削加工的尺寸特征、工藝參數、材料特性及環境影響等相關因素的深入研究,逐漸摸索微細切削加工新工藝。

 
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