1869_GD1型山藥收獲機設計,_gd1,山藥,收獲,收成,設計 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 0 頁五軸超精密微型銑床—UltraMill 的設計第一部分：全面的設計方法，設計所需要考慮的事和規(guī)格霍洪德，程凱，弗蘭克 · 華永日期：2009 年 3 月 9 日/接受日期：2009 年 5 月 19 日施普林格—弗萊格倫敦有限責任公司 2009.摘 要在光電設備，汽車，生物技術，航空航天工業(yè)和信息化技術等工業(yè)領域，高精密三維小型的零件和微觀結構正被日益的需求。實現(xiàn)機械上微型機器的一種理性的方法是去一步步地發(fā)展超精密機床。在這篇有著兩部分內(nèi)容文章的第 1 部分，具有微型加工能力的超精密機床的現(xiàn)狀被重點考慮和重點說明。五軸超精密微型銑床——超級銑床的設計方法和規(guī)格被討論。三個優(yōu)先考慮的設計問題：運動精度，動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性，制訂超級銑床的全盤的設計方法。這種方法已經(jīng)被應用于關鍵機器零部件及其一體化的發(fā)展并用其實現(xiàn)了高精度和納米級表面光潔度。關鍵詞：精密機器設計，微型銑削，小型機械零件，五軸機加工刀具，臥式微型機床 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 1 頁1 簡介 現(xiàn)在，越來越多的產(chǎn)業(yè)（如光電設備，汽車，生物技術，航空航天，信息技術等）需要尺寸范圍從幾百微米到幾毫米或特征從幾個到幾百個微米不等的高精度微型元件【1】 。傳統(tǒng)的微型機械制造技術，例如化學腐蝕和 LIGA，長期以來一直被公認是不適合生產(chǎn)真正的 3D 微型零件的【2，3】 。在另一方面，超精密機床在一個較廣泛的工程材料范圍內(nèi)，能將幾何復雜微型零件加工成高精度，并具有較高的表面光潔度【4】上有著獨一無二的優(yōu)勢。圖 1 顯示了一些利用微型銑削加工成的高精度微型零件和微型結構的例子【2，5-10】 。這些示例顯示了具有復雜的 3D 幾何微型組件被造出來需要利用各種材料，不只是硅。材料是有應用依賴性的：光學元件是利用玻璃、高分子材料或鋁制造出來的 ；機械組件是利用鐵或不含鐵的金屬 ；藥用成分是利用聚合物，鋁或高硬度鋼。一些微型零件和微型結構要求亞微米級精度和納米級表面光潔度。機械的微型機加工是一種生產(chǎn)高精度微型零件的理想方法。在幾個機械的機加工工藝中，微型銑削是最靈活的工藝并因此能去生成各種各樣的復雜微型零件和微型結構。本文回顧和評論了有微型銑削功能的超精密機床的發(fā)展現(xiàn)狀，包括工業(yè)和研究的努力。本文也顯示了復雜的或臥式的機床的一些優(yōu)勢。文章關注的焦點將被放在設計方法和一種新型五軸臥式微型銑床——超級銑床，的關鍵機器零件的決定上；超級銑是旨在在小的面積內(nèi)提供高精度的微型制造方法的歐盟 FP6 MASMICRO 項目的一部分。最后，文章討論了超級銑的規(guī)格。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 2 頁圖 1 高精度微型銑削零件和微觀結構的示例:a.微觀溝壑【5】b.微觀反應器【6】c.微型模具【7】d.微型齒輪【2】e.3D 微型機加工零件—人形面具 f.微型投射陣列 g.微型針形陣列【8】h.微型墻【9】i.核聚變的目標成像【10】2 微型銑削機床的現(xiàn)狀微型零件制造在一定范圍內(nèi)應用的要求是：高尺寸精度通常好于 1 微米；精確的幾何形狀一般好于 50 納米平面度或圓周度；10 到 50 納米范圍的表面光潔度。這些都反過來要求機床要擁有高的靜態(tài)剛度、低熱變形、低運動誤差和高阻尼或動態(tài)剛度。除了這些要求外，在超級銑床的設計階段，還要對有著微型銑削功能的超精密機器執(zhí)行嚴格和精密的檢查。這里有幾個能用于高精密零件制造的工業(yè)中用的超精密車床和銑床。然而，其中大部份通常被用在光學元件市場并且不適合用于精密微型元件的制造，原因在于高投資成本和缺乏靈活性。圖 2 顯示了一些擁有微型銑削功能的工業(yè)領域精密機器的例子【12-19】 。這些可分為兩部分。一個是被設計成有著加載項 Z軸、回轉(zhuǎn)工作臺和第二高速銑削或主軸的鉆石切削機加工刀具的傳統(tǒng)超精密機床。典型的例子是 Moore Nanotechnoloy 350FG 和 Precitech Freeform 700 ultra,如 1 圖所示。這些機器都需要 5–7m2 的占地面積。它們的高成本和低靈活性限制了它們在簡單幾何形狀和高附加值的微型元件中的應用，例如光學元件。另一類型工業(yè)領域精密微型銑床已經(jīng)在過去十年里出現(xiàn)了。一個典型的例子是，克恩微型機械（圖 1a）滿足許多應用但仍然有著它精度上的限制而不能用于精密的微型機加工，原因在于它低位置精度的球軸承滿足了驅(qū)動機械裝置。Kugler MicroMaster(圖 1e)提供了較高的精度和表面光潔度，但是它相對較大的空間要求和高成本，限制了它作為一種微型機床的廣泛應用。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 3 頁圖 2 具有微型銑削功能的工業(yè)領域精密機床：a.Kern micro[12];b.SodickAZ150[13];c.Fraunhofer IPT Minimill[14];d.Makino Hyper2J[15];e.Kuglar MicroMaster MM2[16];f.Fanuc ROBOnano[17];g.Precitech freeform 700 Ultra[18];h.Moore Nanotech 350FG[19]圖 3 小型機床和微型工廠的示例 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 4 頁為發(fā)展小型機器或微型工廠所作的大量的研究努力已經(jīng)被精密微型組件的制造所承擔【20-26】 。圖 3 顯示了一些小型機床的例子。然而，其中的大部分仍然在研究階段，并且只有它們中的一些到目前為止才發(fā)現(xiàn)了它們進入工業(yè)領域應用的方法【27】 ，并且它們在高精度和好的表面質(zhì)量上的應用依然由于低的動/靜剛度而被限制著。因此，達到微型制造的合理途徑是去發(fā)展復雜的或臥式的精密機器，它在傳統(tǒng)的超精密機器和微型工廠機器之間提供了一個好的解決之道。在傳統(tǒng)超精密機器上，它們的優(yōu)勢可能包括：1. 小的占地面積和能源效率。2. 局部環(huán)境控制的減輕和因此而得的低操作成本。3. 流動性好。微型/細觀機器采用微型工廠的優(yōu)勢能被總結為：1. 有較好的機加工塑料封皮為覆蓋微型機加工應用的全波譜。2. 較大的靜態(tài)和動態(tài)剛度，并由此呈現(xiàn)出較好的機加工精度和表面質(zhì)量。3. 有著高性能和成熟技術的關鍵機器零件。4.更容易與其他子系統(tǒng)集成，包括零件/刀具處理系統(tǒng)，狀態(tài)檢測，微型刀具，和快速刀具伺服（FTS）等。因此，占用空間小的五軸超精密微型銑床將填補制造 3D 復雜微型機械精密并帶有納米表面光潔度的零件的空白。3 應用于超級銑床的一般設計方法為了制造出大批量的帶有納米表面光潔度的 3D 微型機械精密零件，一種設計策略被提了出來。這種設計策略已被應用于超精密五軸微型銑床——超級銑床的設計。在設計階段，重點被放在三個主要的問題上：運動精度，動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性；它們是與機加工精度和表面光潔度直接相關的。這三個優(yōu)先的設計問題連同其它的設計方法引導了超級銑床的當前發(fā)展。下面討論了一些一般的設計方法。超級銑床是一種一般意義上的超精密機器，因此帶有三個線形軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸這樣五軸配置的使用就已被預先確定了。五軸的配置在刀具/工件定位上提供了最大的靈活性和最低限度的重置需求，這對獲得微型零件的高精度很重要。盡管它是專門為微 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 5 頁型零件的機加工而設計的，但是 150 × 150 × 80 mm3 的相對大的機加工封皮包裝被詳細規(guī)定，使其能去加工大面積的帶有微型特征的零件。包括邊緣在內(nèi)總占地面積略大于 1 m2，這僅僅是傳統(tǒng)超精密機器占地面積的 10 至 20%。緊湊、節(jié)能的設計還有助于維持可接受的大批量生產(chǎn)的成本。機器運動配置，在帶有最大極限速度與精度的刀具和工件的方向與位置上，應該提供有效的靈活性【28】 。從運動軸的序列來看，有數(shù)以百計的可能的五軸機器配置【29】 ；然而，大部分配置有著少許的工業(yè)關系。兩個旋轉(zhuǎn)軸和三個線形軸這樣的配置已經(jīng)被超級銑床采用；在超級銑床中，這兩個旋轉(zhuǎn)軸是相互垂直的并且有一個旋轉(zhuǎn)軸與另外三個相互垂直的線形軸中的任意一個都是呈平行關系的。至于主軸和工件控制軸，采用的是混合類型，即一個旋轉(zhuǎn)軸被應用到主軸而另一個旋轉(zhuǎn)軸被應用到工件：這種混合類型是適合于比較小的工件的生產(chǎn)【30】 。除了決定機器運動的配置外，這篇文章的第 2 部分還從靜態(tài)和動態(tài)循環(huán)剛度的角度討論了對這兩個典型配置的分析。機床的一個主要特征是空氣靜壓軸承始終在機床中都有應用，這些都不同于在市場中的大部分超精密機床的情況。三個線形滑動和一個旋轉(zhuǎn)的工作臺是基于 UPM 有限公司開發(fā)的新的理想空氣靜壓軸承技術。這新的空氣靜壓軸承設計提高了 50%的剛度和負荷能力，這些已被理論研究確立和被實驗測試所證實。除了空氣靜壓軸承設計的提高外，用擠壓油膜阻尼來增加空氣靜壓軸承阻尼的專利技術被應用到機器所有空氣靜壓軸承中。因此，在動態(tài)切削力狀態(tài)下的亞微米機加工精度是靠以上的技術來確保的。由空氣靜壓軸承提供的極其平滑和精確的運動，連同鉆石刀具一起，也使得在微型組件上獲得納米級表面光潔度成為了可能。機床的熱穩(wěn)定性在確定其高的機加工精度上起了關鍵作用，但是通常也導致了工件上不可接受的空間不準確性，除非使用合適的冷卻系統(tǒng)和相應的補償措施。據(jù)報道熱變形包括機床的變形的會引起超過 50%的總加工誤差【31】。在超精密機加工中，正因為此才依靠合理的設計和補償來盡量減少這種影響。在機器上，對熱變形的熱源的分析表明軸承摩擦是可以忽略不計的，因為它是當高速主軸運行非常接近最大速度時高速主軸的單一例外。除了微型機加工過程本身外，電機成了主要的熱源；因此，所有的電機，主軸，和旋轉(zhuǎn)工作臺在發(fā)達的機床中依靠一個帶有±0.2°c 溫度控制功能的精密冷水機組來水冷。當處理這控制系統(tǒng)設計時，靈活性，精密度，計算方法的效率和成本應給予特別 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 6 頁的注意。在審查了商業(yè)控制系統(tǒng)后，為滿足要求，一種基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)被選擇。此基于 PC 的控制器，連同其他項目的硬件包括數(shù)字脈寬調(diào)制放大器、高精度光學編碼器等和軟件共同構成了五軸微型銑床的高性能、經(jīng)濟高效的控制系統(tǒng)。一些細節(jié)將在本篇文章的第 4 部分被討論。超級銑床是一種工業(yè)原型機床，并且一些輔助功能也已經(jīng)被開發(fā)了出來。這些包括一個基于機器人的系統(tǒng)用于微型刀具和組件的處理和檢查，一個獨立狀態(tài)檢測系統(tǒng)用于在線高速軸和工件的檢測。4 關鍵機器零件和機器一體化的發(fā)展4.1 小型超級高速主軸一個靈活的五軸微型銑床或許被期待，在很寬范圍的并要求刀具從 2 或 3mm 直徑到 50μm 直徑的材料上，去執(zhí)行各種各樣的機加工操作。后者要求極其高的旋轉(zhuǎn)速度以獲得最大的機加工效率，然而前者卻要求一個高剛度的軸在大切削力條件下以保持高精度。高機加工精度也要求低的主軸運行溫度去減少熱變形損傷，雖然只有有著低運動誤差的主軸才能獲得好的表面光潔度功能。因此，這些要求是為了精確運行，寬速度范圍的主軸。有著 20，000 到 200，000 rpm 操作速度范圍的主軸被期待用于任何遇到的機加工條件。這就需要一個相當于空氣渦輪發(fā)動機的上升電動機的驅(qū)動器，一個僅能在一個窄的速度范圍內(nèi)獲得的合理的效率。直流無刷電動機在一個很寬的速度范圍內(nèi)提供了恒轉(zhuǎn)矩，并且相對于其他類型的電動機產(chǎn)生更低的熱量。所選的電動機能在 250000 rpm 速度下產(chǎn)生 440 W 的功率。如此高的速度排除了電機換向霍爾傳感器的使用，因此使用了一個無傳感器電機和驅(qū)動器組合。精細表面處理要求規(guī)定使用帶有空氣軸承的主軸。廣泛用于機加工光學表面的鉆石刀具對于帶有球軸承的主軸運動誤差是很敏感的，并且在機加工中來自球軸承的振動除了導致表面粗糙外，也使鉆石刀具的壽命受到了影響。除了在高轉(zhuǎn)速要求下所需過大的能量消費情況外，液壓和液壓軸承也要被考慮?；蛟S在設計高速空氣主軸中最大的挑戰(zhàn)是去克服“半速旋轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。在實踐中，空氣靜壓主軸被限制在速度達到大約兩倍于第一次的軸承共振頻率的地方。半速旋轉(zhuǎn)在滑動軸承上是經(jīng)常遇到的。這機械的不穩(wěn)定性是和超高速空氣主軸很相關的，因為在如此高的速度下，在軸承中的空氣動態(tài)壓力徹底高于空氣靜態(tài)壓力。半速旋轉(zhuǎn)能夠 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 7 頁依靠軸承的設計和優(yōu)化，和盡可能的調(diào)高頻率被降低。做為這優(yōu)化的一部分，非標準的空氣軸承的設計被開發(fā)成具有高硬度和合理的阻尼性能。圖 4 依靠無傳感器的直流電動機驅(qū)動的超高速空氣靜壓軸承軸（UPM Ltd.）a.發(fā)達微型軸的圖片 b.軸的剖面圖對軸承剛度和熱源的優(yōu)化已經(jīng)開展，連同專用的心軸平衡，導致了在圖 4 中顯示的超高速主軸。研發(fā)的主軸有 63 毫米直徑 和 1 至 5 毫米長度和 2.5 公斤的重量。最大速度超過 200，000 rpm 和徑向剛度 為 3 N/μ m 。軸承摩擦損失是以最高速度不少于 50 W，但即使這樣水冷依然被用于減少熱變形。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 8 頁4.2 進給驅(qū)動和制導系統(tǒng)一個高速的精確的運動和定位系統(tǒng)是超精密微型機器必不可少的。這用線性導軌的直線電動機作為直接進給驅(qū)動系統(tǒng)，在滿足一些應用需要中正在變的越來越受歡迎。間接進給驅(qū)動的主要優(yōu)勢能被總結如下【14，32，33】：1. 沒有反彈、無鉛螺釘誤差、不帶拉伸和較少的摩擦，導致高精度。2. 沒有機械加速度和速度限制，速度只能受到編碼器的速度帶寬或電子設備的電源限制。3. 高顛簸震動和高的 Kv 因子，那些起到在高速下獲得高精度的能力。4. 機械結構的簡單性，使其便于維護和安裝，能夠獲得更大的可靠性和更大的強度。出于對制導裝置的期待，幾種類型的軸承已經(jīng)被應用于有著滑動和旋轉(zhuǎn)工作臺的超精密機床中，包括超精密機床精密滾子軸承、空氣靜壓軸承、液壓動態(tài)軸承和液壓靜態(tài)軸承等?？諝忪o壓軸承提供極其平滑和精確的運動和定位功能，并且一般好于其他形式的軸承。空氣靜壓軸承能為微型機床提供足夠的靜態(tài)剛度和負載能力，然而由于后者非常輕的切削負載，故其他軸承例如液壓靜態(tài)軸承能提供更大的剛度和負載能力，但是這只是在輕切削條件下提供了一小的優(yōu)勢。在機床的發(fā)展中，空氣靜壓軸承被應用于所有三種線性導軌和旋轉(zhuǎn)工作臺上。無鐵無刷直線電動機被用于驅(qū)動導軌?？諝忪o壓軸承的一個缺點是它們的低阻尼能力或動態(tài)剛度，這是直接影響表面光潔度和精度的，而表面光潔度和精度能通過機床刀具獲得。為了去提高空氣靜壓軸承的動態(tài)剛度，在當前機床中一種理想的擠壓油膜阻尼器被安裝在所有的滑動和旋轉(zhuǎn)工作臺上。它使用磁性油去包含泄漏和當與空氣靜壓軸承連接時提供附加阻尼力，對任何對軸承的表面來說這都是正常的振動。在空氣靜壓滑動和旋轉(zhuǎn)的工作臺上應用油膜阻尼器，在運動方向上增加了粘性摩擦，但是由于這些類型的空氣靜壓軸承上相對較低的操作速度，這并不是一個重要的缺點。事實上，在直線導軌和工作臺上沿著運動方向安裝直接驅(qū)動電動機，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)能增加電動機振動的阻尼，并由此實現(xiàn)更加平滑的運動和增加控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力。圖 5 顯示一張裝有擠壓油膜阻尼器的空氣靜壓滑動軸承的照片。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 9 頁圖 5 裝有擠壓油膜阻尼器的空氣靜壓滑動軸承5 超級銑床的規(guī)格圖 6 的超級銑床就是基于我們本文討論的方法建造的。它提供了制造 3D 小型機械零件和在廣泛的工程材料范圍內(nèi)在小的空間中獲得微型特征表面的功能。這超級銑床的主要規(guī)格在表 1 中被總結了出來。圖 6 超精密微型銑床——UltraMill 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 10 頁6 結束語能制作小型和微型產(chǎn)品的微型制造技術具有很大潛力的發(fā)展，并且正在推動高性能超精密機床的發(fā)展。臥式超精密機床將是未來發(fā)展趨勢之一，因為它能從事經(jīng)濟地高精度小型和微型零件的超精密機加工，并能給在制造業(yè)中從事以高效和有效方式生產(chǎn)的高價值微—納米技術的中小型企業(yè)用戶以經(jīng)濟實惠。在本篇文章中，五軸的超精密微型銑床——超級銑床，是作為能去解決在亞微米精度和納米表面光潔度層次上制造 3D 復雜微型零件的一個壓縮和節(jié)能的有效方案來被研發(fā)的。微型銑床的發(fā)展現(xiàn)狀已在本文中被重點介紹了，并且臥式微型銑床的優(yōu)點也已被列出。設計的方法和這超級銑床的挑戰(zhàn)也已經(jīng)被重點討論了，可以總結成三個主要問題：運動精度，動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性。表 1 微型銑床——UltraMill 的規(guī)格軸 X、 Y 和 Z 坐標軸B 軸（旋轉(zhuǎn)工作臺）C 軸 主軸類型 裝有擠壓油膜阻尼器的空氣靜壓滑動軸承精密球軸承 空氣軸承斜線 X，230mmY，225mmZ，160mm360° ±90° N/A運動精度 全程 <1.0μm<1 arcsec <10 arcsec <1.0μm 的直線度和<2.0μm的圓周度分辨率 5nm 0.02 arcsec 0.02 arcsec N/A驅(qū)動系統(tǒng) 無刷直線電動機 直流無刷力矩電動機直流無刷力矩電動機直流無刷電動機最大速度 3000 mm/min 100 rpm 30 rpm 200，000 rpm