微型数控铣床设计

＊＊＊＊大学本科毕业论文(设计)开题报告论文题目：微型数控铣床结构设计学院专业、班级：学生姓名：指导教师（职称）：文献综述数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。

由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此也可以称为计算机数控（CNC）。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。

美国麻省理工学院于1952年成功研制了世界上第一台数控铣床。

它是一种综合了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品。

1955年用于制造航空零件的数控铣床正式问世！以后其他一些工业国家，如德国，日本，英国，俄罗斯等相继开始开发，研制和应用数控机床。

我国于1958年研制出第一台数控机床，1966年研制出晶体管数控系统，并生产出数控铣床。

数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成。

控制介质是以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。

数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工指令运动。

伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。

数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。

每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。

机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。

数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。

技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。

高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向[9]。

传统的加工系统中，即使最终产品的尺寸很小，机床与其所加工、装配的零件尺寸相比还是很大。

比如手表、照相机，手机等零件一般长几毫米、重几毫克，而使用的机床却达几米。

小型化产品的零件尺寸一般为几毫米，几何特征尺寸只有几十至几百微米，属于介观尺度的范围，在机械加工领域，关于介观尺度普遍认可的定义是指械加工技术应用于小型化加工领域而诞生的微细制造技术，采用微型机床系统，一方面可以减少热变形误差，提高响应速度进而达到较高的相对精度。

另一方面，运用在宏观尺度机械加工中积累的成熟经验和技术并加以创新，可加工具有复杂3D形状、任意材料的零件，既适合中小批量生产，又可通过机床的合理优化配置进行大批量产品的加工与制造。

机床的动力和材料消耗近似地与其体积成正比，因此配置与其所加工零件尺寸相称的微型机床，可以大大节省能源、空间和资源。

再者，由于航空航天、电子、医疗等行业和部门，有许多微小零件采用传统机床无法加工或加工困难，尤其在空间狭小、微重力、真空等特殊环境下，必须由微型机床实现。

设计微型立式数控铣床具有体积小、精度高、重量轻、能耗低、灵敏度高、性能稳定惯性小等优点，可以大大节省生产中的能源、空间和资源。

而且微型数控铣床具有集微型机构，微型传感器特点，不但可以加工高精度的各种微小零件，甚至可以加工通信电路和电源等微型器件或系统。

目前的微细铣削加工中，微型零件大多是在常规尺寸的超精密机床上加工出来的。

由于这些常规尺寸的精密机床本来主要是用于高精度大尺寸零件的精密/超精密加工，在小批量的微型零件生产方面显得缺乏柔性、成本高、消耗的能源和空间与微型零件不相称，为此美国国家科学基金会于2000年专门主办了“微米与中间尺度机械制造”专题研讨会，探讨了精密三维微型零件的加工方法和设备。

现在，许多国家学者已经开始了微小型机床的研究工作并取得了丰硕的成果，日本通产省工业技术院技术研究所（MEL）于1996年开发了世界第一台微型车床，这台微型机床长32mm、宽25mm、高30.5mm，重量为100g，主轴电机额定功率为1.5w，切削黄铜获得表面粗糙度Rmax1.5um，圆度2.5um，随后经过改进采用由Olympus Optical Co.,Ltd.开发的微型线性编码器检测滑动导轨的运动，通过闭环控制运动分辨率达0.1um，同时装备了袖珍式用户数控装置，提高了加工精度和柔性，成为目前世界上最小的微型数控车床。

加工直径D200um黄铜圆柱体，表面粗糙度约为Ry0.5um，圆柱度误差约为0.4um。

试验中的功率消耗低于普通机床的1/500。

MEL研制出的微型铣床甚至可以加工出外径Φ900um，内径为Φ700um的轴承套。

日本金沪大学从3维微小型零件加工的角度出发也研制了一台与微小零件相匹配的微型机床，这台微型机床可以放在光学显微镜下观察加工情况，最小进给分辨率可达4nm。

韩国首尔国立大学的学者Y.B.Bang等人研制了一台五轴微型铣床（294mm×220mm×328mm，具有三个直线平台，二个旋转平台，主轴为空气涡轮主轴），并用此微型铣床加工了一些微型薄壁（厚度25µm，高650µm）和微立柱（30µm×30µm×320µm），显示出了很好的加工性能。

日本通产省工业技术院机械技术研究所研究了机床大幅度小型化的节能效果后认为：机床尺寸缩小为1/10时，车间动力消耗可减少到1/100。

我国有很多机构对微型机床开展了相应的研究，已奠定了一定的加工基础，设计制造的数控机床可以进行硅平面加工和体硅加工、LIGA等的加工。

能单元集成到一起的一个微小自制单元，但它不是传统机械体积的简单缩小。

传统机械复杂部分的微小化十分困难，智能化、集成化的机械更不容易实现。

设计微型机床系统不必追求复杂的机械结构，而应该注重用多个简单的机械元件完成复杂的工作。

微型立式数控铣床的发展趋势主要体现在如下几个方面，由于微型数控铣床尺寸的微小化，机构的机械性能、运动特性以及各种物理特性等基础理论技术方面的问题急需解决，借助计算机技术对微型设备、装备或机构建模、仿真、优化等，以提供一个微型化的设计准则。

吸收其它相关学科的研究成果，开发新型功能材料，研制能耗低、尺寸小。

集成度高的结构，使执行元件及传动装置不断微型化。

开展微型化、高性能化、复合化功能装置以及控制系统和相应传感器的研究。

狭小空间内的精细操作、微组装技术，以微型化、低耗能化为目标的加工与组装一体化技术的研究。

可以通过提高CNC系统控制精度、误差补偿技术实现高精度的加工。

如此之外，微型立式数控铣床还应朝着高速化和高精度的方向发展。

所谓高速化包括主轴转速的高速化，进给率的进给速率高，运算速度高以及高速的换刀速度。

随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对微型数控铣床加工的高速化要求越来越高。

微型数控铣床精度的要求不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

可以通过提高CNC系统控制精度、误差补偿技术实现高精度。

可以通过实现多轴联动提高自由度从而实现对复杂零件的加工[5]。

微型数控机床设计时有几点需要特别注意：微型机械中起主导作用的是表面力，我们知道体积力（如重力、电磁力）与特性尺寸的高次方成比例，而表面力与特征尺寸的较低的冥次成比例，如摩擦力。

表面张力，静电力。

微型机械体积小，重量轻，表面力与体积力之比相对增大，表面力与体积力相比成为起主导作用的力。

故随着尺寸的缩小，静电力与重力相比较是主导作用力，（机械的微小型化的尺寸效应），所以MENS中常用静电力制动。

同样，与重力相比摩擦力的影响比普通机械为大；微型数控机床不是传统的机械的模拟缩小，传统机械各部零件的复杂程度不均，用几何方式模拟缩小这样的结构，其复杂部分的微小化十分困难，高智能自动机械尤其不好实现。

也许是因为高智能不适合微小机械。

设计微型机械电系统是不必追求复杂的机械结构，而是着眼于用多个简单的机械元件完成复杂的工作，微型机械器件一般也做成一次性的。

短时间使用的，不必追求较长的使用寿命；能源的供给，对于具有移动和转动的微型机械系统，电缆成为运动的障碍，所以一般不采用电缆供电，目前微型机械系统一般采用静电力供电，只需注意微型电池能否输出足够的电压。

此外常用振动直接激励功能；微型机械设计仍应遵循力学原理，能量守恒原理是万物变化必须遵守的规律。

所以微型机械系统设计时要注意闭塞。

此外，当微型机械系统的尺寸小到分子尺寸数量级时，宏观力学定理----动力学基本定理（动量定理、动量矩定理和功能定理）仍然适用，微机构运动分析时概念要十分清楚，例如须记住“内力不能改变质心服了摩擦力而前进”的错误说法。

不然会由于致动力分析的不正确而贻误设计。

微型数控机械以其多学科交叉渗透、多种加工技术的综合利用的他点，已成为在国际上一个十分重要而又非常活跃的学科领域，它将带动各种学科的深入发展和促进新学科的诞生。

随着研究开发的不断深入，微型数控机床技术将更加趋于完整化、系统化和实用化，研究成果将不断应用于各个领域，从而促进电子信息技术、光电一体化技术、新材料技术、新能源技术、航天航空技术、环保技术、海洋工程技术、辐射技术和医学工程技术等多项技术的进一步开发和发展，并将在众多领域中得到更广泛的应用因此，微型立式数控铣床将具有广泛的应用前景。

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