數控微細銑削機床系統(tǒng)構建及性能研究.pdf

1、微細切削加工技術在精密三維微小零件制造中的應用，引發(fā)了微細制造領域重大的技術變革。其區(qū)別于MEMS技術和超精密加工技術，是利用傳統(tǒng)機加工方式并針對微米和中間尺度微小零件進行高效率、高精度微細制造的有效途徑。超精密機床是實現微細切削加工技術的重要裝備，目前國內在微細切削設備專用機床研發(fā)方面尚屬初期，欠缺對從系統(tǒng)設計構建到性能評估的一系列深入研究，而國外雖已開發(fā)出實用系統(tǒng)，但多數仍處于試制階段且對我國技術保密。本文針對微細銑削加工，對數控微

2、細銑削機床系統(tǒng)設計過程中的關鍵技術進行深入的研究，并對影響加工精度的機床主要性能特點進行評估和驗證，主要創(chuàng)新性成果如下： 1) 設計并構建了一臺專用于微細銑削加工的小型三軸數控微細銑削機床系統(tǒng)。機床的本體尺寸為300mm×400mm×500mm，機床的工作空間尺寸為50mm×50mm×20mm，全閉環(huán)數控系統(tǒng)分辨率為0.05μm，能實現亞微米級加工精度。關鍵部件采用高速空氣靜壓電主軸、精密滑臺、直線電機以及基于IPC的多軸運動控

3、制卡，結合優(yōu)化的插補控制策略及誤差補償機制，能實現包括微直槽、微同心圓槽、薄壁、微齒輪及微球體的數控微細銑削加工，加工試驗結果顯示，該銑床已經具有加工三維大深寬比meso尺度三維零件的能力。 2) 對構建的微細銑削機床機械本體結構空間誤差特性進行分析，運用多體系統(tǒng)運動學理論和齊次變換矩陣，根據微銑床誤差特性，建立了微銑床空間綜合誤差模型。通過實際測量對微銑床空間誤差參數進行辨識，并采用綜合動態(tài)補償方法進行誤差補償。 3)

4、 提出了利用機床空間誤差模型并基于損失模型的微銑床結構參數優(yōu)化方法，為實現機床結構參數最優(yōu)化設計提供了數學依據，運用該法實現了在機床設計階段實現空間誤差的最小化。 4) 對微細銑削系統(tǒng)直接驅動工作臺微進給系統(tǒng)的伺服控制特性進行研究，建立了直線電機直接驅動伺服系統(tǒng)數學模型，并以此為基礎分析了微細銑削系統(tǒng)單軸伺服控制特性，提出以PI控制算法為基礎，結合速度、加速度前饋和陷波濾波器相結合的的控制策略，達到滿意的控制性能。進一步分析多軸

5、聯動輪廓誤差成因，提出采用交叉耦合輪廓控制方法提高直線電機驅動微進給工作臺輪廓精度的控制策略，為微細銑削加工奠定了控制方面的基礎。 5) 對微細銑削機床系統(tǒng)的切削加工性能進行研究，提出基于最小切削厚度理論的微細銑削加工機理分析過程。通過微細銑削表面粗糙度實驗分析驗證該機理分析過程的正確性，并考察了重要切削工藝參數對微細銑削零件表面粗糙度的影響規(guī)律，為后續(xù)生產奠定了工藝方面的基礎。進一步通過一系列微小零件的銑削加工實驗驗證該微細銑