【文章內(nèi)容簡介】 條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計研制了一臺微觀尺度的三軸微型銑削機床，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)研制成功了一臺微細(xì)銑削機床，該機床采用龍門結(jié)構(gòu)，運動軸有無刷直線伺服電動機進(jìn)行驅(qū)動，水平工作行程范圍為0~150mm，豎直進(jìn)給行程范圍0~100mm，相對較大的進(jìn)給行程使得該機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)研制的微銑削機床 Micromilling machine tool developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics早期的運動控制器無需另外的處理器和操作系統(tǒng)的支持，就能獨立完成運動控制功能，是可以獨立運行的專用的控制器。這類運動控制器一般已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)工藝要求設(shè)計了相關(guān)的功能，所以不能離開其特定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，用戶也不能根據(jù)應(yīng)用要求來重組自己的運動控制系統(tǒng)。這種運動控制器結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，軟件移植性、組網(wǎng)通訊能力差，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)和社會發(fā)展的要求。針對這種情況，1987年起，世界各國開始研究一種開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)字運動控制系統(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。首先是美國空軍在美國政府資助下發(fā)表了著名的下一代控制器NGC(Next Generation Workstation Machine Controller)研究計劃，該計劃重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(OSACA)”，目的是要建立一種開放式的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，使不同的設(shè)計人員可依據(jù)規(guī)范開發(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)的研究計劃在世界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的開放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器等計劃[15]。“八五”期間，我國廣大科研工作者成功地開發(fā)了兩種數(shù)控平臺和華中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機上插接口卡的結(jié)構(gòu)，運行在DOS平臺上，具有較好的模塊化、層次化特點，具有一定的擴(kuò)展和伸縮性。但從整體上來說，這些系統(tǒng)還不具備開放性系統(tǒng)的本質(zhì)特征。近年來，隨著運動控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且已經(jīng)達(dá)到一個引人矚目的市場規(guī)模。我國在運動控制器及運動控制系統(tǒng)開發(fā)方面相對滯后，1999年固高科技有限公司開始開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器及運動控制系統(tǒng)，隨后，國內(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，我國在運動控制技術(shù)的研究和應(yīng)用方面與美國等發(fā)達(dá)國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臨界值時切削才能真正有效，切削過程才能夠正常的進(jìn)行，而小于臨界值時切削則無效或不能成行[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，刀具后刀面與工件之間僅發(fā)生彈性變形而不會產(chǎn)生切屑；而當(dāng)切削厚度接近于最小切削厚度時，切削層上將同時發(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，相較于前兩種情況而言，后刀面的彈性變形層將會明顯的減小，此時實際切削厚度就會基本等同于名義切削厚度，切削層將會全部被切除。圖19 最小切削厚度示意圖 The Schematic diagram of the minimum cutting thickness通過對切削刃回退量的計算可知，在尚未達(dá)到屈服極限時，材料與工件之間只發(fā)生彈性接觸，這也就表示切削實際還并未開始；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)到或超過工件材料的屈服極限，工件則會發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致刀具的實際切削厚度大于設(shè)定的切削厚度，此時隨切削厚度的增加，切削過程將有可能發(fā)生，同時隨之產(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)力在時發(fā)生，此時可得： ()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）或試驗預(yù)測的方法獲得。國內(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等人通過試驗研究了微細(xì)切削中的切屑變形和微細(xì)切削力，試驗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，刀具在實際進(jìn)行切削時，存在切削刃彈性回退量，從而使得切削厚度與實際切削厚度之間的關(guān)系如式()所示： ()微細(xì)切削中，實際切削刃口為一半徑為的圓柱面，如圖32所示，影響實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的關(guān)系，表示為式（）： ()其中 () ()式中，為切削刃的長度；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，是評價加工表面質(zhì)量優(yōu)劣的重要參數(shù)。表面粗糙度的大小會直接影響到加工成形的工件的精度、剛度和工作時的配合性能等。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，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，會直接影響到其使用時的性能。比如，對于直徑只有100μm的細(xì)長軸，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，則毫無疑問會造成零件的宏觀幾何尺寸出現(xiàn)失準(zhǔn)，使零件無法正常使用。而由刃口的圓弧半徑造成的影響，非自由切削程度的加強以及尺度效應(yīng)現(xiàn)象的存在，會使得微細(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)測和控制加工前表面粗糙度對于微小型零件的作用，這一點至關(guān)重要。（2）表面粗糙度的影響表面粗糙度對零件使用情況有很大影響[26,27]。一般說來，表面粗糙度數(shù)值小，會提高配合質(zhì)量，減少磨損，延長零件使用壽命，但零件的加工費用會增加。因此，要正確、合理地選用表面粗糙度數(shù)值。 在設(shè)計零件時，表面粗糙度數(shù)值的選擇，是根據(jù)零件在機器中的作用決定的?？偟脑瓌t是：在保證滿足技術(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，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；滾動磨擦表面比滑動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??；對過盈配合，為保證連接強度的牢固可靠，載荷越大，要求粗糙度數(shù)值越小。一般情況間隙配合比過盈配合粗糙度數(shù)值要小。配合性質(zhì)相同時，零件尺寸越小，則應(yīng)粗糙度數(shù)值越??；同一精度等級，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 微銑削機床硬件系統(tǒng)設(shè)計69第二章 微銑削機床硬件系統(tǒng)設(shè)計微細(xì)銑削加工的零件尺寸一般都是在微米級甚至亞微米級，而這就需要微細(xì)銑削機床的加工進(jìn)給部分必須能夠滿足微米級以下或者亞微米級別以下的進(jìn)給,也就是工件必須能完成精確到幾十個微米甚至是幾個微米的進(jìn)給,因此對于機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)與機床之間的聯(lián)系，是完成復(fù)雜的處理動作執(zhí)行機構(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)行的指令的實時性，在很大程度上決定了數(shù)控微細(xì)銑削機床的精度和效率。因此該硬件結(jié)構(gòu)中的微進(jìn)給設(shè)備需滿足以下幾點基本要求：，能保證數(shù)控機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；，良好的動態(tài)響應(yīng)能力能夠縮短進(jìn)給過程中加速和減速的時間，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，能夠保證輸出速度基本不受影響，而低速運行時同樣能平穩(wěn)均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。（1）微進(jìn)給平臺針對微銑削機床的伺服進(jìn)給機構(gòu)的性能要求，該設(shè)計采用德國PI公司的超高精度三軸微動進(jìn)給平臺。該微動進(jìn)給平臺具有三根能夠?qū)崿F(xiàn)相互獨立運動的運動軸，分別能實現(xiàn)一個豎直方向和兩個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)實物圖：圖21 三軸微動進(jìn)給平臺實物圖 The physical map of threeaxis micro feed platform該微三維進(jìn)給平臺的相關(guān)參數(shù)如表21所示：表21 PI伺服進(jìn)給平臺參數(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)動電機直流伺服電機直流伺服電機直流伺服電機傳動系統(tǒng)絲杠導(dǎo)軌絲杠導(dǎo)軌絲杠導(dǎo)軌測量反饋裝置光柵尺光柵尺光柵尺（2）驅(qū)動裝置三種從表中可以看到，每個方向上的運動軸都由直流伺服電機作為驅(qū)動機構(gòu)。伺服控制系統(tǒng)中，直流電機實質(zhì)上是一個發(fā)動機，用于控制機械元件的運轉(zhuǎn)補助馬達(dá)裝置和間接調(diào)速裝置，直流伺服電機的組成結(jié)構(gòu)包括了定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向片。定子的磁極通過外線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；而硅片經(jīng)過沖壓可得到電機中的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的表面裝上DC線圈，使其在定子的磁場中能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而可以帶動負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)動；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。直流電機的原理是將電壓信號進(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)動被控制的對象。電機的轉(zhuǎn)子受到輸入信號控制，通過對輸入信號的快速反應(yīng)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，其特點是相應(yīng)速度快、線性度高，并通過轉(zhuǎn)化把電信號轉(zhuǎn)化為電動機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]。直流伺服電機機械特性曲線圖如圖所示：圖22 直流電機機械特性 Mechanical properties of DC motor不同的電樞電壓對應(yīng)于相互平行的不同的曲線，實際中一般采用改變電樞電壓的方法來調(diào)速。一般的直流伺服電機中，磁場由定子中的磁極和勵磁繞組來建立，而電動機轉(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，從而使電動機發(fā)生旋轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)矩為 ()公式中：電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；——電機的磁場磁通； ——電機的電樞電流。在電樞發(fā)生轉(zhuǎn)動后，導(dǎo)體切割磁感線會產(chǎn)生反電動勢，其值的計算式為： ()公式中：——電機的電勢常數(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。可得： ()圖23 速度控制電路原理圖