數(shù)控微細(xì)銑削機(jī)床系統(tǒng)構(gòu)建及性能研究.pdf

1、微細(xì)切削加工技術(shù)在精密三維微小零件制造中的應(yīng)用，引發(fā)了微細(xì)制造領(lǐng)域重大的技術(shù)變革。其區(qū)別于MEMS技術(shù)和超精密加工技術(shù)，是利用傳統(tǒng)機(jī)加工方式并針對微米和中間尺度微小零件進(jìn)行高效率、高精度微細(xì)制造的有效途徑。超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)微細(xì)切削加工技術(shù)的重要裝備，目前國內(nèi)在微細(xì)切削設(shè)備專用機(jī)床研發(fā)方面尚屬初期，欠缺對從系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建到性能評估的一系列深入研究，而國外雖已開發(fā)出實(shí)用系統(tǒng)，但多數(shù)仍處于試制階段且對我國技術(shù)保密。本文針對微細(xì)銑削加工，對數(shù)控微

2、細(xì)銑削機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究，并對影響加工精度的機(jī)床主要性能特點(diǎn)進(jìn)行評估和驗(yàn)證，主要創(chuàng)新性成果如下： 1) 設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一臺專用于微細(xì)銑削加工的小型三軸數(shù)控微細(xì)銑削機(jī)床系統(tǒng)。機(jī)床的本體尺寸為300mm×400mm×500mm，機(jī)床的工作空間尺寸為50mm×50mm×20mm，全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)分辨率為0.05μm，能實(shí)現(xiàn)亞微米級加工精度。關(guān)鍵部件采用高速空氣靜壓電主軸、精密滑臺、直線電機(jī)以及基于IPC的多軸運(yùn)動控

3、制卡，結(jié)合優(yōu)化的插補(bǔ)控制策略及誤差補(bǔ)償機(jī)制，能實(shí)現(xiàn)包括微直槽、微同心圓槽、薄壁、微齒輪及微球體的數(shù)控微細(xì)銑削加工，加工試驗(yàn)結(jié)果顯示，該銑床已經(jīng)具有加工三維大深寬比meso尺度三維零件的能力。 2) 對構(gòu)建的微細(xì)銑削機(jī)床機(jī)械本體結(jié)構(gòu)空間誤差特性進(jìn)行分析，運(yùn)用多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)理論和齊次變換矩陣，根據(jù)微銑床誤差特性，建立了微銑床空間綜合誤差模型。通過實(shí)際測量對微銑床空間誤差參數(shù)進(jìn)行辨識，并采用綜合動態(tài)補(bǔ)償方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償。 3)

4、 提出了利用機(jī)床空間誤差模型并基于損失模型的微銑床結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，為實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)學(xué)依據(jù)，運(yùn)用該法實(shí)現(xiàn)了在機(jī)床設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)空間誤差的最小化。 4) 對微細(xì)銑削系統(tǒng)直接驅(qū)動工作臺微進(jìn)給系統(tǒng)的伺服控制特性進(jìn)行研究，建立了直線電機(jī)直接驅(qū)動伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)分析了微細(xì)銑削系統(tǒng)單軸伺服控制特性，提出以PI控制算法為基礎(chǔ)，結(jié)合速度、加速度前饋和陷波濾波器相結(jié)合的的控制策略，達(dá)到滿意的控制性能。進(jìn)一步分析多軸

5、聯(lián)動輪廓誤差成因，提出采用交叉耦合輪廓控制方法提高直線電機(jī)驅(qū)動微進(jìn)給工作臺輪廓精度的控制策略，為微細(xì)銑削加工奠定了控制方面的基礎(chǔ)。 5) 對微細(xì)銑削機(jī)床系統(tǒng)的切削加工性能進(jìn)行研究，提出基于最小切削厚度理論的微細(xì)銑削加工機(jī)理分析過程。通過微細(xì)銑削表面粗糙度實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證該機(jī)理分析過程的正確性，并考察了重要切削工藝參數(shù)對微細(xì)銑削零件表面粗糙度的影響規(guī)律，為后續(xù)生產(chǎn)奠定了工藝方面的基礎(chǔ)。進(jìn)一步通過一系列微小零件的銑削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該微細(xì)銑