【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)微觀尺度的三軸微型銑削機(jī)床，如圖4 所示。外部尺寸為270mm190mm220mm，水平和豎直方向的加工量程均為30mm。，最高轉(zhuǎn)速為120000r/min。圖17 上海交通大學(xué)研制的微銑床 Micro machine tool by Shanghai Jiaotong University2008年，南京航空航天大學(xué)研制成功了一臺(tái)微細(xì)銑削機(jī)床，該機(jī)床采用龍門(mén)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)軸有無(wú)刷直線(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，水平工作行程范圍為0~150mm，豎直進(jìn)給行程范圍0~100mm，相對(duì)較大的進(jìn)給行程使得該機(jī)床既能用于微小零件的加工，又可進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)大但局部尺寸相對(duì)較小的零件的加工[14]。圖18 南京航空航天大學(xué)研制的微銑削機(jī)床 Micromilling machine tool developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics早期的運(yùn)動(dòng)控制器無(wú)需另外的處理器和操作系統(tǒng)的支持，就能獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)控制功能，是可以獨(dú)立運(yùn)行的專(zhuān)用的控制器。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器一般已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)工藝要求設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能，所以不能離開(kāi)其特定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，用戶(hù)也不能根據(jù)應(yīng)用要求來(lái)重組自己的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。這種運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，軟件移植性、組網(wǎng)通訊能力差，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)發(fā)展的要求。針對(duì)這種情況，1987年起，世界各國(guó)開(kāi)始研究一種開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)要具有互換性、可伸縮性、可移植性、互操作性和可擴(kuò)展性。首先是美國(guó)空軍在美國(guó)政府資助下發(fā)表了著名的下一代控制器NGC(Next Generation Workstation Machine Controller)研究計(jì)劃，該計(jì)劃重要內(nèi)容之一便是提出了“開(kāi)放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(OSACA)”，目的是要建立一種開(kāi)放式的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，使不同的設(shè)計(jì)人員可依據(jù)規(guī)范開(kāi)發(fā)具有互換性和互操作性的控制器部件，打破少數(shù)制造商的技術(shù)壟斷，加快控制系統(tǒng)的發(fā)展步伐。其后有許多相關(guān)的研究計(jì)劃在世界各國(guó)相繼啟動(dòng)，其中影響較大的有美國(guó)的開(kāi)放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器等計(jì)劃[15]?！鞍宋濉逼陂g，我國(guó)廣大科研工作者成功地開(kāi)發(fā)了兩種數(shù)控平臺(tái)和華中I型、藍(lán)天I型、航天I型、中華I型等4種數(shù)控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化、嵌入式的軟、硬件結(jié)構(gòu)。其中以華中I型較具代表性，它采用工業(yè)PC機(jī)上插接口卡的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行在DOS平臺(tái)上，具有較好的模塊化、層次化特點(diǎn)，具有一定的擴(kuò)展和伸縮性。但從整體上來(lái)說(shuō)，這些系統(tǒng)還不具備開(kāi)放性系統(tǒng)的本質(zhì)特征。近年來(lái)，隨著運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類(lèi)產(chǎn)品，已經(jīng)被越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且已經(jīng)達(dá)到一個(gè)引人矚目的市場(chǎng)規(guī)模。我國(guó)在運(yùn)動(dòng)控制器及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面相對(duì)滯后，1999年固高科技有限公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，隨后，國(guó)內(nèi)又有其他幾家公司相繼進(jìn)入該領(lǐng)域，如摩信、北京東方嘉宏等[16,17]。由此可見(jiàn)，我國(guó)在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用方面與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距。（1）最小切削厚度的概念微細(xì)切削的切削厚度極小，導(dǎo)致刀具的刃口半徑在微細(xì)切削的過(guò)程中的作用不能忽視，由于工件和刀具之間存在的彈性變形，以及工件材料本省的特性，導(dǎo)致刀具的名義切割厚度與實(shí)際切割厚度之間存在差異，也造成了微切削特殊的現(xiàn)象，也即最小切削厚度的存在。（2）最小切削厚度的范圍最小切削厚度是指微細(xì)銑削的過(guò)程中形成的切削臨界值。微細(xì)銑削中切削深度必須大于某一個(gè)臨界值時(shí)切削才能真正有效，切削過(guò)程才能夠正常的進(jìn)行，而小于臨界值時(shí)切削則無(wú)效或不能成行[18]。圖51表示的是切削厚度與切削變形的關(guān)系。如圖51a所示，當(dāng)切削厚度小于最小切削厚度時(shí)，刀具后刀面與工件之間僅發(fā)生彈性變形而不會(huì)產(chǎn)生切屑；而當(dāng)切削厚度接近于最小切削厚度時(shí)，切削層上將同時(shí)發(fā)生塑性變形和彈性變形，如圖19b所示；當(dāng)切削厚度大于最小切削厚度時(shí)，相較于前兩種情況而言，后刀面的彈性變形層將會(huì)明顯的減小，此時(shí)實(shí)際切削厚度就會(huì)基本等同于名義切削厚度，切削層將會(huì)全部被切除。圖19 最小切削厚度示意圖 The Schematic diagram of the minimum cutting thickness通過(guò)對(duì)切削刃回退量的計(jì)算可知，在尚未達(dá)到屈服極限時(shí)，材料與工件之間只發(fā)生彈性接觸，這也就表示切削實(shí)際還并未開(kāi)始；而要形成有效切削，最小切削厚度應(yīng)至少大于切削刃的彈性回退量(即)。如果切削刃施加在工件上的力達(dá)到或超過(guò)工件材料的屈服極限，工件則會(huì)發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致刀具的實(shí)際切削厚度大于設(shè)定的切削厚度，此時(shí)隨切削厚度的增加，切削過(guò)程將有可能發(fā)生，同時(shí)隨之產(chǎn)生切屑。根據(jù)材料的最大剪應(yīng)力理論可知，最大剪應(yīng)力發(fā)生在與切削合力成的方向上，即切削刃作用在工件材料上的最大剪應(yīng)力在時(shí)發(fā)生，此時(shí)可得： ()因此由材料力學(xué)和相關(guān)的彈性力學(xué)理論可知，最小切削厚度應(yīng)大于切削刃彈性回退量。有關(guān)最小切削厚度的研究，人們通常采用有限元方法（FEM）或試驗(yàn)預(yù)測(cè)的方法獲得。國(guó)內(nèi)外有關(guān)最小切削厚度的研究結(jié)果與本文基于彈塑性力學(xué)方法進(jìn)行的理論分析大體相同[19,20]。使用有限元仿真法對(duì)不同材料鋼的最小切削厚度進(jìn)行研究，可以得出這樣的結(jié)論：。上海交通大學(xué)的李紅濤通過(guò)有限元分析也得到了最小切削厚度約為切削刃口半徑的35%的結(jié)論。Liu等人通過(guò)試驗(yàn)研究了微細(xì)切削中的切屑變形和微細(xì)切削力，試驗(yàn)得出最小切削厚度大約為切削刃口半徑的25%的結(jié)論[21]。(3)切削刃的彈性回退量由于切削厚度很小，切削參數(shù)在~mm的范圍內(nèi)，刀具與工件之間的彈性變形量不可忽視，刀具在實(shí)際進(jìn)行切削時(shí)，存在切削刃彈性回退量，從而使得切削厚度與實(shí)際切削厚度之間的關(guān)系如式()所示： ()微細(xì)切削中，實(shí)際切削刃口為一半徑為的圓柱面，如圖32所示，影響實(shí)際切削厚度的主要是圓柱形下側(cè)寬度為的部分，F(xiàn)為刃口作用在被加工工件平面上的力，根據(jù)平面和圓柱在彈性接觸時(shí)的關(guān)系，表示為式（）： ()其中 () ()式中，為切削刃的長(zhǎng)度；為被加工材料的屈服極限；為刀具與工件的接觸面積；為刀具的彈性模量；為工件的彈性模量[2225]。根據(jù)接觸寬度與變形量的幾何關(guān)系式： ()聯(lián)立式（12）~式（14）可得： ()可見(jiàn)切削刃的彈性回退量與刃口半徑存在正比關(guān)系。由于刀具的彈性模量比工件的彈性模量要大得多，故式()可以簡(jiǎn)化為： ()根據(jù)被加工材料物理參數(shù)得近似公式[20,21]： ()進(jìn)一步可得： （）（1）表面粗糙度的概念表面粗糙度是精加工中的重要指標(biāo)參數(shù)之一，是評(píng)價(jià)加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要參數(shù)。表面粗糙度的大小會(huì)直接影響到加工成形的工件的精度、剛度和工作時(shí)的配合性能等。微小型的結(jié)構(gòu)件本身幾何尺寸非常微小，整體餓尺寸大的只有毫米級(jí)，小的可至微米（1~999μm），零件自身的表面粗糙度的要求就顯得非常重要，會(huì)直接影響到其使用時(shí)的性能。比如，對(duì)于直徑只有100μm的細(xì)長(zhǎng)軸，如果仍以常規(guī)的零件的精加工標(biāo)準(zhǔn)（即表面粗糙度Ra大小在5~10μm范圍）為要求，則毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)造成零件的宏觀幾何尺寸出現(xiàn)失準(zhǔn)，使零件無(wú)法正常使用。而由刃口的圓弧半徑造成的影響，非自由切削程度的加強(qiáng)以及尺度效應(yīng)現(xiàn)象的存在，會(huì)使得微細(xì)切削的基礎(chǔ)理論不等同于常規(guī)尺度的切削，也使得已加工表面粗糙度的預(yù)測(cè)和控制更加困難[25]。深入研究微細(xì)切削條件下，刀具特征和工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，以及加工前切削參數(shù)的選擇方法，以便預(yù)測(cè)和控制加工前表面粗糙度對(duì)于微小型零件的作用，這一點(diǎn)至關(guān)重要。（2）表面粗糙度的影響表面粗糙度對(duì)零件使用情況有很大影響[26,27]。一般說(shuō)來(lái)，表面粗糙度數(shù)值小，會(huì)提高配合質(zhì)量，減少磨損，延長(zhǎng)零件使用壽命，但零件的加工費(fèi)用會(huì)增加。因此，要正確、合理地選用表面粗糙度數(shù)值。 在設(shè)計(jì)零件時(shí)，表面粗糙度數(shù)值的選擇，是根據(jù)零件在機(jī)器中的作用決定的。總的原則是：在保證滿(mǎn)足技術(shù)要求的前提下，選用較大的表面粗糙度數(shù)值。具體選擇時(shí)，可以參考下述原則[2831]：。摩擦表面的摩擦速度越高，所受的單位壓力越大，則應(yīng)越高；滾動(dòng)磨擦表面比滑動(dòng)磨擦表面要求粗糙度數(shù)值小。，配合間隙越小，粗糙度數(shù)值應(yīng)越小；對(duì)過(guò)盈配合，為保證連接強(qiáng)度的牢固可靠，載荷越大，要求粗糙度數(shù)值越小。一般情況間隙配合比過(guò)盈配合粗糙度數(shù)值要小。配合性質(zhì)相同時(shí)，零件尺寸越小，則應(yīng)粗糙度數(shù)值越??；同一精度等級(jí)，小尺寸比大尺寸要粗糙度數(shù)值小，軸比孔要粗糙度數(shù)值?。ㄌ貏e是IT8～I(xiàn)T5的精度）。、凹稽處粗糙度數(shù)值應(yīng)較小。第二章 微銑削機(jī)床硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)69第二章 微銑削機(jī)床硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)微細(xì)銑削加工的零件尺寸一般都是在微米級(jí)甚至亞微米級(jí)，而這就需要微細(xì)銑削機(jī)床的加工進(jìn)給部分必須能夠滿(mǎn)足微米級(jí)以下或者亞微米級(jí)別以下的進(jìn)給,也就是工件必須能完成精確到幾十個(gè)微米甚至是幾個(gè)微米的進(jìn)給,因此對(duì)于機(jī)床的單向定位精度和雙向重復(fù)定位精度均提出了很高的要求[32]。微進(jìn)給伺服系統(tǒng)是微銑削數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)備的核心，是數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床之間的聯(lián)系，是完成復(fù)雜的處理動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。作為硬件結(jié)構(gòu)的重要組成部分，微進(jìn)給部分的進(jìn)給精度和微進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性，以及執(zhí)行的指令的實(shí)時(shí)性，在很大程度上決定了數(shù)控微細(xì)銑削機(jī)床的精度和效率。因此該硬件結(jié)構(gòu)中的微進(jìn)給設(shè)備需滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)基本要求：，能保證數(shù)控機(jī)床的位移精度和加工精度；，即最高速度和最低速度的比值要大，這樣可以保證對(duì)于不同的刀具、被加工材料和工件加工具體要求，都能保證最佳的加工條件；，良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力能夠縮短進(jìn)給過(guò)程中加速和減速的時(shí)間，能夠提高加工輪廓的精度和表面質(zhì)量，保證加工效率和精度；，穩(wěn)定性反映了伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力，當(dāng)受到外界的干擾時(shí)，能夠保證輸出速度基本不受影響，而低速運(yùn)行時(shí)同樣能平穩(wěn)均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。（1）微進(jìn)給平臺(tái)針對(duì)微銑削機(jī)床的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的性能要求，該設(shè)計(jì)采用德國(guó)PI公司的超高精度三軸微動(dòng)進(jìn)給平臺(tái)。該微動(dòng)進(jìn)給平臺(tái)具有三根能夠?qū)崿F(xiàn)相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸，分別能實(shí)現(xiàn)一個(gè)豎直方向和兩個(gè)互相垂直的水平方向上的自由進(jìn)給，每根軸的單向進(jìn)給精度均高達(dá)1μm，滿(mǎn)足微銑削加工的高精度要求。下圖21為該三維伺服進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)物圖：圖21 三軸微動(dòng)進(jìn)給平臺(tái)實(shí)物圖 The physical map of threeaxis micro feed platform該微三維進(jìn)給平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)如表21所示：表21 PI伺服進(jìn)給平臺(tái)參數(shù) Parameters of PI servo feed platform parameters進(jìn)給軸A（豎直方向)B（水平方向）C（水平方向）行程（mm）10100100定位精度(μm)111雙向重復(fù)定位精度（μm）載荷（kg）203030最高速度（mm/s）最低速度（mm/s）101515驅(qū)動(dòng)電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)絲杠導(dǎo)軌絲杠導(dǎo)軌絲杠導(dǎo)軌測(cè)量反饋裝置光柵尺光柵尺光柵尺（2）驅(qū)動(dòng)裝置三種從表中可以看到，每個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)軸都由直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。伺服控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，用于控制機(jī)械元件的運(yùn)轉(zhuǎn)補(bǔ)助馬達(dá)裝置和間接調(diào)速裝置，直流伺服電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)包括了定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向片。定子的磁極通過(guò)外線(xiàn)圈沖壓硅鋼片重疊而成，并在其中通上直流電以產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)；而硅片經(jīng)過(guò)沖壓可得到電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的表面裝上DC線(xiàn)圈，使其在定子的磁場(chǎng)中能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而可以帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；電刷與外部的DC電源相連，換向片則是與外部的導(dǎo)體相連。直流電機(jī)的原理是將電壓信號(hào)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距這些便于控制的物理量以驅(qū)動(dòng)被控制的對(duì)象。電機(jī)的轉(zhuǎn)子受到輸入信號(hào)控制，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的快速反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，其特點(diǎn)是相應(yīng)速度快、線(xiàn)性度高，并通過(guò)轉(zhuǎn)化把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)軸的角位移或角速度，極大的提高了速度控制和定位精度控制的效率和穩(wěn)定[25]。直流伺服電機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)圖如圖所示：圖22 直流電機(jī)機(jī)械特性 Mechanical properties of DC motor不同的電樞電壓對(duì)應(yīng)于相互平行的不同的曲線(xiàn)，實(shí)際中一般采用改變電樞電壓的方法來(lái)調(diào)速。一般的直流伺服電機(jī)中，磁場(chǎng)由定子中的磁極和勵(lì)磁繞組來(lái)建立，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的電流導(dǎo)體受到定子磁極產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電動(dòng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)矩為 ()公式中：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；——電機(jī)的磁場(chǎng)磁通； ——電機(jī)的電樞電流。在電樞發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后，導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，其值的計(jì)算式為： ()公式中：——電機(jī)的電勢(shì)常數(shù)； n——電樞轉(zhuǎn)矩（r/min）。電樞電路中表示電壓平衡的方程為 ()公式中：——電樞電阻?？傻茫? ()圖23 速度控制電路原理圖