机械设计制造及其自动化

200krpm 轴的台式数控铣床

祐一冈崎 日本国家产业技术综合研究所 1-2并木侍郎，筑波，305-8564，日本 Japan okazaki-u1@aist.go.jp 利通守

东京都工业技术研究所 3-13-10西丘，北区，东京， 115-8586 日本

Mori.Toshimichi@iri.metro.tokyo.jp

森田生 千叶大学

1-33 Yayoi-cho ，稻毛区，千叶市, 263-8522 日本 nmorita@meneth.tm.chiba-u.ac.jp

1. 背景

精简机床可以提高空间的利用率，并且也可以减少包括空调在内的一些设备投资的价格和能源消耗。重新在工厂中配置调整的生产线将在灵活性方面得以提高。除此之外，机器的位置可以从工人工作的场地延伸到设计工作室、教室，还可以分布在小型生产实验室甚至居民区。 在科技方面，精简所导致的惯性减少还可以更容易的达到高速运转和高精密度的运动控制，那也自然的提升了更高的精度、质量和生产率。集合了这些目标特点，台式数控铣床在使用微型高速主轴的前提下得到进一步的发展。发展的目的就在于评估在实践中极大程度的精简机床在技术上的可能性。

2. 机械设计 台和Z 轴驱动装置并且最终控制着主轴部件，Z 轴驱动

装置是安装在纵横移动载物台附近的顶端。（图1）X 和

Y 部分是用于许可交叉式缠绕滚针导轨和滚珠螺杆直接由 30W 的交流电伺服电动机耦合驱动。

Z 轴驱动装置应用于一个空心垂直的

M40x1.5的传动螺杆，并且由一个刷子式的力矩电动机 直接驱动（图2-3）。这个组件中的滑动零件由4个位于四角的 滑动点交叉式滚针导轨来指导运行的。转动螺杆是有个较薄的

滚珠球轴承支持的。编码器、主轴部分和DD 马达都分配子一行。

这种配置是运动学上的超限制约束。每一个步骤的运转都必须是 有规则可循的，这样才可以控制引导每一个部件在其灵活运转下

的误差控制。这些设计提供了足够的结构刚度 和热量对称度。轴是一个微型高频的交流电动 机并且是特别为提供60W 额定功率和最高 转速为200krpm 设计而成的，它的直径有 27mm 长度为26mm.，发动机会因为封套 中的气流可轻微的被冷却，除此之外空气 也可被用于在切割点的清理机。轴的末端保 留了铣削工具可以直接机器加工柄直径 为1.0mm 的弹簧夹头。坚固的仪器底座 是用规格为450mm x 300mm 的镁铝合金 制造而成。切割点是完全封闭的（图4）， 图2

以便于工件在Y 台上的装载和卸载。切割点是用直径为7mm 的电荷耦合摄像机来监控的。

Z 滑动和DD 马达

主轴马达（内）

工件

X 滑动 Y 滑动

图1 台式铣床的结构 主轴部分 编码器 DD 马达

交叉式滚针导轨 滑动 螺母 滚珠轴承 导螺杆

图3 Z轴驱动图（去掉外壳的底部到顶部图）

轴X轴（下级的）Y轴（上级的）Z轴（顶端）

导轨交叉式滚针导轨（2）交叉式滚针导轨（2）交叉式滚针导轨（4）Travel 60mm 100mm 30mm

进刀机构滚珠螺杆（导线：2mm）滚珠螺杆（导线：1mm）滚珠螺杆（导线：1.5mm）执行机构交流伺服电动机（30W）交流伺服电动机（30W）直流力矩电动机（57W）最高进给速率50mm/s 50mm/s 3mm/s

指令加速2mm2/s 2mm2/s 0.5mm2/s

编码器（分辨率）光学线性范围(50nm) 光学线性范围(50nm) 光学线性范围(50nm)

3 运动控制系统

3.1 数字控制

完整的数字控制系统闭合回路是安装

了0.1-μm的分辨率系统。闭合回路

的反馈来自于两方面，一方面是在平

台上分辨率为50nm光学线性范围

(MicroE S132-M400)，另一方面是电

机轴上16比特的旋转编码器

（运行与X,Y）。这紧凑型定制的数字

系统的构成是由基于微处理器的控制器、

操作面板以及由笔记本电脑的监控和程

序控制组成的。（图5）DNC（直接数控）

操作是必要的。表格1概括了机械轴的

规格。对于X轴和Y轴，最高的进给速

率是受运行中可接收的脉冲速率（500kpps）

限制的。最高的进给加速率是受到转动螺杆图4 铣床的外观

的强大摩擦力矩和DD发动机最大扭矩所限

制。轴运动系统是运行情况是通过对每个轴的编码器信号的观察和评估来实现的。实际上，

0.1 μm 的分辨率定位便可取得所有轴的运行情况分析其原因就在于很高的环刚度。

图5 整体系统图

3.2 阶跃响应

动态的，校正时间对于阶跃响应是受依赖于阶跃的 级别的不同因素所支配的（图6）。对于高级阶跃（a ）， 规则就是最大进给速度。对于中级阶跃（b ），需小于 200μm ，校正时间是由加速度决定的，因为速率没有到达 极限。低级阶跃（c ）是由伺服系统控制和解决的。由于

机制本身的性质，系统在很小的位移区域中变得刚性，而

且校正时间也随阶跃的升级而延长。在计算中，当伺服系 图6 X 台的阶跃 统的误差范围在5 μm 时收敛会减慢。

4 机械加工 4.1 平面加工

初步的机械加工实验是在使用R0.2mm 的球头立铣刀等工具对硬铝合金(A7075-T651: HB 165)和软膜钢(NAK55: HRC40)进行制造。旋转轴分别挑选了50krpm 和200krpm ，切削深度（d ）、进料速度（f ）和拾起速度（pf ）已被扫描。表面轮廓已经被扫描轮廓仪(TalyScan)依据Sa （平均天线表面粗糙度）进行测量和评估。

(a) 80μm (b) 50 and 20μm (c) 蜂巢 (4mm 倾斜, 2mm 深)

图7 薄壁加工

60 50

40

30 20 10

高级阶跃（a ）

低级阶跃（c ）

120

100 80 60 40 20 0

30 25 20 15 10 5 7000 5000 3000 1000 -1000

50

100 150

Time ms 中级阶跃（b ）

40

60

80

20 0 40 60 80 20

-5

14 12 10 8 6 4 2 0 -2

1.2

1 0.8 0.6 0.4 0.

2 0

Time ms 50mm