外文翻譯--低成本緊湊的模塊化小型的設(shè)計(jì)（cmss）數(shù)控車床 中文版

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　原 文 題 目： Design of low cost compact modular small scale(CMSS)-CNC lathe machine </p><p>　　原 文 來(lái) 源： INTERNATIONAL JOURNAL OF AP

2、PLIED ENGINEERING RESEARCH · MARCH 2013 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　所在院(系)部： 工業(yè)中心 </p><p>　　專 業(yè) 名 稱： 機(jī)

3、械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　低成本緊湊的模塊化小型的設(shè)計(jì)（CMSS） - 數(shù)控車床</p><p>　　國(guó)際雜志應(yīng)用工程研究 03/2013</p><p>　　羅尼Permana Saputra 廷頓彌散Atmaja</p><p>　　摘要

4、:新興的微型工廠的技術(shù)鼓勵(lì)發(fā)展數(shù)控機(jī)床成開發(fā)向小型化設(shè)計(jì)發(fā)展。它的目的是開發(fā)小型的機(jī)床，可以節(jié)省一些空間，降低生產(chǎn)成本，并降低能耗。在沒(méi)有降低其精度等級(jí)的前提下，這項(xiàng)研究進(jìn)行的數(shù)控車床的設(shè)計(jì)包括床頭箱，主軸，X-Z軸，床身，工具保持架，和X-Z電動(dòng)機(jī)執(zhí)行器組成。該設(shè)計(jì)采用三爪卡盤夾持方法和無(wú)刷直流電電機(jī)作為每個(gè)軸的電動(dòng)致動(dòng)器，額外的諧波齒輪用作傳輸系統(tǒng)。 在提供的329×483毫米緊湊設(shè)計(jì)中，模塊化設(shè)計(jì)組裝由幾個(gè)若干模塊組成，

5、并被認(rèn)為即使是在低成本模塊國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中都是具有高可用性的組件。有人算過(guò)這個(gè)緊湊型模塊化的解決小型數(shù)控車床精度能夠達(dá)到55.5納米。據(jù)認(rèn)為，這個(gè)設(shè)計(jì)將能夠支持特別適用于多行業(yè)的那些誰(shuí)需要小部分高精度低成本的生產(chǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，小規(guī)模，車床，結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化，低成本。</p><p><b>　　引言</b></p><p>

6、;　　微型工廠是在這十年二十年內(nèi)很多流行的新興發(fā)展的技術(shù)之一 [1-9]。這種普及是因?yàn)樾枰臋C(jī)械零部件是一個(gè)較小的尺寸，對(duì)于許多應(yīng)用達(dá)到微或納米尺度，如電子控制，汽車部件，醫(yī)用部件等[9]。</p><p>　　之前，大大小小的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)機(jī)械部件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的大型設(shè)備生產(chǎn)。大型設(shè)備意味著更大空間和更高的能量消耗[10]及增加新興生產(chǎn)的成本。日本是最早提出加工尺寸的減小正比于所產(chǎn)生的部件尺寸的國(guó)家之一[1,9]。這個(gè)建

7、議是為了降低生產(chǎn)成本，節(jié)省能耗，提高空間，并保持每個(gè)資源對(duì)應(yīng)生成[9]成分的初始大小。此外，該概念可以促進(jìn)更高的精度機(jī)制和更簡(jiǎn)單的設(shè)備比常規(guī)的機(jī)器。因此，這個(gè)概念適合用于高精度如行業(yè)對(duì)小型微型組件審查或微執(zhí)行機(jī)構(gòu) [9]。 本定義為降低生產(chǎn)成本的低成本微機(jī)械裝置。</p><p>　　在近幾十年中，許多研究已進(jìn)行開發(fā)了多個(gè)微機(jī)應(yīng)用，甚至是在academicals規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室[11-20]。在山中井野的文章中[12

8、]，它是關(guān)于使用不同的經(jīng)營(yíng)和根據(jù)加工生產(chǎn)一部分的規(guī)模來(lái)使用幾何精度車床的說(shuō)明。詳細(xì)說(shuō)明指出，當(dāng)機(jī)器的大小變化，精度也將被改變，并得出結(jié)論認(rèn)為，制作一個(gè)小小的組件比使用一個(gè)高精密機(jī)床是更有利的[11-12]。對(duì)大島等人來(lái)說(shuō) （2007）[21]，工具的位置的圖形計(jì)算是采用CCD照相機(jī)指向工具端部的方法。這種技術(shù)允許位置反饋給控制單元和車床任何可能產(chǎn)生立體干擾的檢測(cè)。由大島進(jìn)一步研究推出了采用電子顯微鏡和SEM（掃描電子顯微鏡）以提供更多的

9、細(xì)節(jié)和更高的精度。后來(lái)他們的研究[11]報(bào)告的定位誤差校正的6微米的量級(jí)和150微米的順序的切削深度。麥金托什考德?tīng)柡图s翰遜[22]還研究了生產(chǎn)植入組織工程與控制體系結(jié)構(gòu),可以滿足生物活性的要求和塑造需求。 Yarlagadda,Chandrasekharan Shyan[23]協(xié)助細(xì)胞附著和生長(zhǎng)在表面的相互作用。 Dunn等[24]討論的條款體外相互作用和體內(nèi)生物分布在一些動(dòng)物模型探討微植入藥物輸送。生物醫(yī)學(xué)目的是一款顯影段</

10、p><p>　　本文提出的設(shè)計(jì)是一個(gè)緊湊型模塊化小型（CMSS） - 數(shù)控車床兩軸和準(zhǔn)確的順序一根主軸模塊可達(dá)2微米。指定機(jī)器將在100-300微米[29]驗(yàn)證醫(yī)療建筑水平的可加工性。</p><p><b>　　數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　車床系統(tǒng)是一臺(tái)機(jī)器，使工件旋轉(zhuǎn)打擊工具，以產(chǎn)生圓柱形或圓錐形部件，也可以用于鉆井過(guò)程中或在

11、圓柱形零件[31-32]鏜孔。計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制（CNC）是控制在基于來(lái)自操作員的數(shù)值數(shù)據(jù)的車床加工用工具的每個(gè)馬達(dá)制動(dòng)器的位置和速度的一種方法。因此，數(shù)控車床是一個(gè)電腦數(shù)控車床系統(tǒng)的數(shù)控車床，主要由車頭，主軸，X-Z軸，床，工具保持架，和X-Z電動(dòng)機(jī)制動(dòng)器組成。</p><p><b>　　車頭</b></p><p>　　車頭是數(shù)控車床機(jī)的一部分，用于保持電動(dòng)馬達(dá)和

12、傳動(dòng)。它的作用是控制主軸和主軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　主軸</b></p><p>　　主軸是車床的一部分用來(lái)保持工件并與加工工件一起旋轉(zhuǎn)。主軸旋轉(zhuǎn)的角速度是通過(guò)傳輸系統(tǒng)搭載可調(diào)的電動(dòng)馬達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)的。工件有多種夾緊方式，即三個(gè)爪卡盤，夾頭，四爪卡盤（如圖在圖1）[31]。在目前的設(shè)計(jì)，使用夾緊工件的方式是三個(gè)爪卡盤，因?yàn)樗木哂袊?guó)內(nèi)市場(chǎng)的高可用性，簡(jiǎn)單

13、，定心過(guò)程更加容易的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　(a) (b) (c)</p><p>　　圖1.工作片保持車床的類型; （a）三爪卡盤;（b）夾頭;（c）四爪卡盤。</p><p><b>　　X軸和Z軸平臺(tái)</b></p><p>

14、;　　軸平臺(tái)是數(shù)控車床刀架的基礎(chǔ)組件，可移動(dòng)兩個(gè)軸為：x軸和z軸。兩個(gè)軸是通過(guò)電動(dòng)機(jī)在沿其相應(yīng)的軸線線性軌跡移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)每個(gè)軸的沿線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要調(diào)度從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器沿工作軸線線性平移。此外，還需要一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)更精確和更硬的運(yùn)動(dòng)。該軸使用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)動(dòng)。圖2是直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠組件。</p><p>　　(a)

15、 (b)</p><p>　　圖2.組件，用于將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€X-Z軸運(yùn)動(dòng)（a）滾珠絲杠; （b）直線導(dǎo)軌。</p><p><b>　　刀柄</b></p><p>　　刀架附著在X -Z軸平臺(tái)（滑架），用作本車床機(jī)上的切削工具的基體。這部分是沿著x z軸車床過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)。</p><p><b

16、>　　床身</b></p><p>　　這部分是支持部分，需要的數(shù)控車床機(jī)設(shè)計(jì)提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)來(lái)保存整個(gè)機(jī)器并消除任何可能的干擾振動(dòng)。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器</b></p><p>　　在CMSS-CNC車床的設(shè)計(jì)過(guò)程中，X軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)是從東方電機(jī)直流電機(jī)無(wú)刷供電。這種方法使用電機(jī)是因?yàn)樗欣奶卣?，即[

17、33]：</p><p>　　1）高效率，因?yàn)槭褂糜谰么盆F的轉(zhuǎn)子和具有較少二次損失</p><p>　　2）可還原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和高速響應(yīng)。</p><p>　　3）由于其高效率，所以可以降低電動(dòng)機(jī)的尺寸。</p><p>　　4）能力波動(dòng)其速度甚至輕微的負(fù)荷變化。</p><p>　　除了上述所有的技術(shù)考慮，實(shí)惠的價(jià)格也成

18、為首要考慮的問(wèn)題之一。根據(jù)所有這些特點(diǎn)，這種電機(jī)的價(jià)格與其他電機(jī)相比是算便宜的。表1示出在相同的馬達(dá)直流無(wú)刷電機(jī)步進(jìn)，以及馬達(dá)伺服的比較功率。</p><p>　　表1.電機(jī)無(wú)刷直流，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的比較</p><p><b>　　變速器（諧波齒輪）</b></p><p>　　連接到數(shù)控車床的X和Y軸，由馬達(dá)致動(dòng)器產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)傳輸系統(tǒng)

19、傳遞。傳輸系統(tǒng)作用是根據(jù)發(fā)射的功率，降低速度，增加扭矩，并升級(jí)沿Z軸的移動(dòng)精度。在此要使用的可能的傳輸類型設(shè)計(jì)是蝸輪，齒輪小齒輪，皮帶輪，和諧波齒輪。圖3示出這四個(gè)透射型的描述。諧波齒輪傳動(dòng)式之所以選擇這個(gè)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)，即更嚴(yán)格的，大比例小巧的體積，極低的反彈，低損失等。</p><p>　　(a) (b) (c) (d)<

20、;/p><p>　　圖3的傳輸系統(tǒng)的類型; （a）蝸輪; （b）小齒輪; （c）皮帶輪;（d）諧波齒輪。</p><p>　　CMS-CNC車床原型結(jié)果與討論</p><p>　　CMS-CNC車床目前的設(shè)計(jì)是產(chǎn)生了一個(gè)技術(shù)原型由車頭，主軸，X Z軸平臺(tái)，主軸電機(jī)，刀具定位馬達(dá)制動(dòng)器，工具架，和床身組成的車床。這CMSS-CNC車床的設(shè)計(jì)是基于模塊化概念匹配小規(guī)模的工廠

21、，能夠?qū)崿F(xiàn)微納米級(jí)精度。納米級(jí)精度由具有高剛性和緩慢的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　緊湊的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　CMSS-數(shù)控車床的緊湊設(shè)計(jì)意味著其維度優(yōu)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的工件尺寸的大小相兼容。在目前的設(shè)計(jì)中，CMSS-數(shù)控車床只有A4紙大小（330毫米×483毫米）。設(shè)計(jì)CMSS-數(shù)控車床的尺寸的詳細(xì)規(guī)格機(jī)示于表2中。</p>

22、;<p>　　表2. CMSS-數(shù)控車床的尺寸規(guī)格</p><p><b>　　模塊化設(shè)計(jì)</b></p><p>　　可以被描述的模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)模塊可以分成幾個(gè)較小的模塊，可以在不同的系統(tǒng)下獨(dú)立工作[34]。這種原型設(shè)計(jì)，其中可以容易地組裝到CMSS-數(shù)控車床的一個(gè)模塊的幾個(gè)單獨(dú)模塊。此外，本CMSS-數(shù)控車床的每個(gè)單獨(dú)的模塊可以由其它模塊取代，加電

23、時(shí)，可以擴(kuò)大，并且還可以配置服務(wù)于另一個(gè)不同的系統(tǒng)。圖4顯示了CMSS-CNC車床構(gòu)建的分解圖在它的復(fù)合材料部件。圖5示出從另一單元的另一配置用銑刀切削工具模塊更換主軸箱主軸單元，并能還與工件夾持器模塊更換刀架模塊。事實(shí)證明，重新配置可以升級(jí)這個(gè)CMS-CNC車床成多軸。圖6顯示了CNC的完整的技術(shù)原型車床。</p><p>　　圖4.CMSS-數(shù)控車床機(jī)系統(tǒng)的分解圖編譯單元</p><p&

24、gt;　　圖5.采用模塊化的CMSS-數(shù)控車床的另一種可能的配置設(shè)計(jì)成為3軸移動(dòng)銑床</p><p>　　圖6.數(shù)控車床完整的技術(shù)原型</p><p><b>　　小型解決方案</b></p><p>　　關(guān)于此CMSS-數(shù)控車床設(shè)計(jì)的最小移動(dòng)分辨率計(jì)算用公式（1）。表3顯示了CMSS-CNC組件的決議和比例規(guī)范。</p><

25、;p>　　Rm=MRxTRxCR (1)</p><p>　　其中：Rm=機(jī)器分辨率/機(jī)器精度（毫米）</p><p>　　MR=電機(jī)分辨率/馬達(dá)精密（RAD）</p><p>　　TR=傳動(dòng)比（弧度/ RAD）</p><p>　　CR =轉(zhuǎn)換率（毫米/弧度）</p><p>　　表3. CMSS-CNC

26、組件的規(guī)格</p><p>　　工作設(shè)計(jì)的CMS-數(shù)控車床機(jī)的分辨率可通過(guò)從表3進(jìn)入規(guī)格數(shù)據(jù)到等式（1）中得到：</p><p>　　這表明，從理論上說(shuō)，這個(gè)分辨率設(shè)計(jì)的CMS-數(shù)控車床可以達(dá)到直到55.5納米的精度。據(jù)認(rèn)為，它可以被稱為納米加工。</p><p><b>　　低成本</b></p><p>　　經(jīng)濟(jì)方面

27、的分析表明，該軟件可以是自行開發(fā)和出現(xiàn)的主要成本是用于便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)作為主處理單元和硬件。表4是價(jià)格表，表示這數(shù)控車床機(jī)的組件的可用性。</p><p>　　表4.組件價(jià)格表和可用性</p><p>　　總體而言，在整個(gè)處理系統(tǒng)的成本是3500萬(wàn)IDR,可用性較高，即使在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。這種生產(chǎn)成本算低的，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)微觀尺度上的精度，甚至納米級(jí)精度。數(shù)控車床的平均成本為微觀尺度為其他品牌約

28、30億，增加至5000萬(wàn)納米級(jí)的機(jī)器。所以，這樣的設(shè)計(jì)可以節(jié)省大約1500至2000萬(wàn)IDR，當(dāng)它的量產(chǎn)時(shí),可以節(jié)省更多。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　這項(xiàng)研究的結(jié)論是，CMSS-數(shù)控車床的設(shè)計(jì)包括車頭，主軸，X-Z軸，床身，工具保持架，和X-Z電動(dòng)機(jī)制動(dòng)器。這種設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，如緊湊型設(shè)計(jì)，模塊化機(jī)生產(chǎn)成本低，而且能夠執(zhí)行精度達(dá)到達(dá)

29、55.5納米的加工。這種設(shè)計(jì)可升級(jí)成3軸移動(dòng)銑床或甚至更多的軸。該生產(chǎn)成本低，因?yàn)樗挥屑s3,500萬(wàn)IDR，它的成分在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有很高的可用性，所以它不會(huì)需要任何額外的報(bào)關(guān)費(fèi)。當(dāng)分辨率達(dá)到納米尺度，進(jìn)一步研究將需要減少任何環(huán)境中的干擾。</p><p><b>　　感謝</b></p><p>　　作者要感謝印尼東麗科學(xué)基金會(huì)(ITSF)2011年的研究資助,并為電力

30、研究中心和機(jī)電一體化提供支持和便攜式的設(shè)備完成數(shù)控的研究。作者還要感謝滇Andriani國(guó)際資源巨大的持續(xù)支持。作者還希望感謝各方支持這項(xiàng)研究。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Kitahara T. Ishikawa Yu., "Present and Future of Micromechatronics,&qu

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59、eres surface modified by</p><p>　　poloxamer and poloxamine copolymers," Journal of Controlled Release, vol. 44, no.</p><p>　　1, pp. 65-76, (February 1997.</p><p>　　[25] Gabriel

60、. Quiroga, "Fabrication of lyophilized bone microimplants," Universidad de</p><p>　　los Andes, Dept. of Mechanical Engineering, Bogotá, Undergraduate project 2004.</p><p>　　[26] J

61、. Rodríguez and F. Rojas, "Mechanical and physical properties of three-dimensional</p><p>　　printed elements from bone powder," in III Conferencia Científica Internacional de</p>&

62、lt;p>　　Ingeniería Mecánica, COMEC, Las Villas, Cuba, November 9-11 (2004).</p><p>　　[27] E. Neira, "Fabricación de polvo de hueso cortical por técnicas de mecanizado,"</p&

63、gt;<p>　　Universidad de los Andes: Department of Mechanical Engineering, Bogotá D. C.,</p><p>　　Undergraduate project 2005.</p><p>　　[28] Sandra Quevedo and Fabio y Sanabria, Argemir

64、o. Rojas, "Desarrollo de una</p><p>　　metodología, para la fabricación de injertos compuestos de polvo de hueso yun</p><p>　　biopolímero," Ingeniería y Desarrollo,

65、no. 20, pp. 45-63, julio-diciembre 2006.</p><p>　　[29] F.A. Rojas, "Fabricação de implantes ortopédicos a partir da usinagem de osso</p><p>　　humano," Universidade Feder

66、al de Santa Catarina, Florianópolis Brasil, Ph.D. Thesis</p><p><b>　　2002.</b></p><p>　　[30] M. J. Jackson, G. M. Robinson, H. Sein, and W. and Woodwards, R. Ahmed,</p>&

67、lt;p>　　"Machining cancellous bone prior to prosthetic implantation," Journal of Materials</p><p>　　Engineering and Performance, vol. 14, no. 3, pp. 293-300, June 2005.</p><p>　　[31]

68、 King Fahd University of Petroleum and Minerals, "Lathe Machine," Hafr Al-Batin</p><p>　　Community College, Handout #13.</p><p>　　[32] Zin Ei Ei Win, Than Naing Win, Jr., and Seine Lei

69、 Winn, "Design of Hydraulic</p><p>　　Circuit for CNC Lathe Machine Converted from Conventional Lathe Machine,"</p><p>　　World Academy of Science, Engineering and Technology, vol. 18, p

70、p. 401-405, 2008.</p><p>　　[33] Shirahata, Kazuya. (2013, Jan.) “Speed Control Methods of Various Types of Speed</p><p>　　Control Motors”. [Online].</p><p>　　www.orientalmotor.com/t

71、echnology/articles/pdfs/USA_RENGA_No166_1E.pdf</p><p>　　[34] US Government, Net-Centric Enterprise Solutions for Interoperability, September</p><p>　　2007., "Glossary (Modular Design)"

72、.</p><p>　　[35] Andrey A. Loukianov, Hidenori Kimura, and Masanori Sugisaka, "Implementing</p><p>　　distributed control system for intelligent mobile robot," in the 8th International&l

73、t;/p><p>　　Symposium on Artificial Life and Robotics, Oita, Japan, January 2003, pp. 24–26.</p><p>　　[36] Laurent Cauffriez, Joseph Ciccotelli, Blaise Conrard, and Mireille Bayart, "Design of&

74、lt;/p><p>　　intelligent distributed control systems: a dependability point of view," Reliability</p><p>　　Engineering and System Safety, vol. 84, pp. 19-32, 2004.</p><p>　　[37] Da

75、mien Trentesaux, "Distributed control of production systems," Engineering</p><p>　　Applications of Artificial Intelligence, vol. 22, pp. 971–978, (2009).</p><p>　　[38] Masuzawa, T. , &

76、quot;State of the art of micromachining," Annals of the ClRP, vol. 49, no.</p><p>　　2, pp. 473-488, 2000.</p><p>　　[39] Atmel. (2010, July) Atmel Website. [Online]. http://www.atmel.com<

77、/p><p>　　[40] Atmel, "8-bit Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash</p><p>　　(ATMega16/16L)," Atmel, Datasheet Rev. 2466T–AVR–07/10, 2010.</p><p>　　[41] A

78、tmel, "8-bit Microcontroller with 128K Bytes In-System Programmable Flash</p><p>　　(ATMega128/128L)," Atmel, Datasheet Rev. 2467X–AVR–06/11, 2011.</p><p>　　[42] Digi-Ware. (2013, Feb.)

79、 DigiWare Unlimited Innovations. [Online]. http://digiware.</p><p><b>　　com</b></p><p>　　[43] Alibaba Corp. (2013, Feb.) Alibaba Website. [Online]. maxwelleletric.en.alibaba.com</

80、p><p>　　[44] AMCI Corp. (2013, Feb.) AMCI Advanced Micro Controls Inc. [Online].</p><p>　　amci.com/rotary-encoders/nr25-profibus-dp-absolute-multi-turn-rotary-encoder.asp</p><p>　　[45]