趙 靜， 唐 健

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國人民解放軍駐724廠軍代室，遼寧 沈陽 110045）

數(shù)控桌面微納米磨削加工機(jī)床的研制

趙 靜1， 唐 健2

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國人民解放軍駐724廠軍代室，遼寧 沈陽 110045）

研制了一臺適于微小尺寸零件磨削的（650×650×650）mm三軸微型數(shù)控磨床，采用全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)亞微米級加工精度。該機(jī)床關(guān)鍵部件采用高速空氣靜壓電主軸、交叉滾柱支撐的高分辨率超精密滑臺、永磁直線電機(jī)、CCD顯微鏡以及基于IPC的多軸運動控制卡，結(jié)合優(yōu)化的插補(bǔ)控制策及誤差補(bǔ)償機(jī)制，能實現(xiàn)三維復(fù)雜形面超精密微細(xì)磨削加工的精度要求。

微細(xì)磨削；數(shù)控磨床；小型化機(jī)床

0 引言

機(jī)床自18世紀(jì)末出現(xiàn)以來，其加工精度和自動化程度不斷提高，然而，在減小其尺寸方面的努力卻很少。微型機(jī)床和微型工廠是Dutta等在1970年首次提到的，當(dāng)時只是作為硅微細(xì)加工制作微電機(jī)的一種應(yīng)用[1]。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展和市場需求，特別是微機(jī)械和微小零件在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如何解決微小三維形狀零件的制造問題成為人們關(guān)注的熱點。介于以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)的微機(jī)械加工技術(shù)與傳統(tǒng)的精密加工技術(shù)之間制造技術(shù)，或稱 “中間部分技術(shù)”是解決三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)和具有多樣化材料特性微小零件的關(guān)鍵技術(shù)，因而近年來人們已經(jīng)開始探索這類用于產(chǎn)品微小型化的有效技術(shù)方法，稱為 M4（micro/meso mechanical manufactur ing）技術(shù)[2]。20世紀(jì)90年代中期以來，日本和歐美等發(fā)達(dá)國家從節(jié)省空間和提高加工精度的角度出發(fā)，廣泛開展微小零件加工機(jī)床的小型、 輕型化研究，陸續(xù)研制了多種用于微小零件切削加工的小型精密、超精密等被稱為桌面加工的機(jī)床[3～5]。M4技術(shù)的研究與開發(fā)在我國尚處于起步階段，而歐盟在巴統(tǒng)協(xié)議中把該類技術(shù)與裝備列為對我國嚴(yán)格限制的進(jìn)口技術(shù)范疇，因此，解決桌面微納米加工機(jī)床的國產(chǎn)化問題是當(dāng)務(wù)之急。

針對微細(xì)磨削加工本文介紹了一臺自主研制的數(shù)控桌面微納米磨削機(jī)床，該機(jī)床用于微機(jī)械零件制造。該機(jī)床主要由超高轉(zhuǎn)速的氣浮磨削主軸和工件主軸、伺服控制的微納米進(jìn)給工作臺、自動微砂輪交換系統(tǒng)、CCD圖像識別監(jiān)測系統(tǒng)、微冷卻系統(tǒng)、高精密數(shù)控系統(tǒng)所組成。完成φ100～1000μm的軸類和非軸對稱零件的直接微納米磨削制造技術(shù)問題，主要應(yīng)用于國防武器產(chǎn)品，如微引信系統(tǒng)、微慣導(dǎo)系統(tǒng)、微型偵察機(jī)器人、微型飛機(jī)、微加速度器和微激光探測器等制造，以及航空航天、介入醫(yī)學(xué)相關(guān)的微小機(jī)械和微機(jī)械產(chǎn)品的制造。

1 微型磨床的技術(shù)要求

所設(shè)計的數(shù)控微型磨床應(yīng)滿足以下性能要求：①坐標(biāo)軸為 X、Y、Z軸：X、Y、Z軸有效工作行程不大于150mm，重復(fù)定位精度 1μm，分辨率 0.1μm，工件軸360°連續(xù)回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速3000～8000rpm，回轉(zhuǎn)精度0.005°，徑向跳動不大于1μm；②主軸轉(zhuǎn)速 40000～50000rpm，徑向跳動不大于1.5μm，無極調(diào)速；③使用電鍍金剛石或CBN砂輪，最小直徑φ200μm；④機(jī)床尺寸限制在（650× 650×650）mm，重量不大于250kg；⑤機(jī)床總功率不大于500W；⑥最小加工軸類零件尺寸φ100μm～φ1000μm，圓度誤差±1φm，表面粗糙度Ra10～50nm。

2 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局與設(shè)計

本文所研制的數(shù)控微磨床主要用于微機(jī)械零件制造。微磨床應(yīng)該滿足：良好的靜、動剛度；較小的熱變形；良好的單軸運動和聯(lián)動性能；人機(jī)布局關(guān)系良好和較高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控微磨床的總體結(jié)構(gòu)布局應(yīng)按上述要求，既滿足了磨床性能、加工適應(yīng)范圍等，同時也滿足了外觀、操作、管理到人機(jī)關(guān)系等。T型布局采用橫、縱運動分離，由刀具主軸（縱向）和工件軸（橫向）共同完成，三軸導(dǎo)軌安裝在機(jī)床床身且基本處于同一高度上。T型布局不僅有利于提高導(dǎo)軌的運動精度和工件的加工精度，而且安裝簡單，大大提高了測量精度。

微磨削過程主要分為主運動即刀具的運動和工件的進(jìn)給運動。微磨床在豎直方向上調(diào)整刀具主軸，并且控制水平方向的相對運動，從而加工出不同厚度的微小零件；工件軸在豎直方向上的相對運動是為實現(xiàn)不同的加工深度，水平方向上相對于主軸的運動是為了實現(xiàn)一定的加工長度。豎直方向通過Z向運動平臺實現(xiàn)，X、Y向運動平臺共同來實現(xiàn)平面進(jìn)給，這就是說微磨床需要實現(xiàn)X、Y、Z三軸聯(lián)動。

X、Y、Z三方向的進(jìn)給原理相似。在傳動過程中,電動機(jī)與絲杠通過聯(lián)軸器來實現(xiàn)連結(jié)，電動機(jī)帶動絲杠做旋轉(zhuǎn)運動，絲杠通過螺母副將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動變換為導(dǎo)軌的水平移動，帶動水平平臺移動。主軸部件固定在Z軸運動平臺上，電動機(jī)帶動絲杠做旋轉(zhuǎn)運動，螺母沿導(dǎo)軌做上下移動，帶動主軸做上下運動，完成刀具的縱向進(jìn)給。同時Z軸平臺固定在Y軸平臺之上，可以實現(xiàn)刀具的前后進(jìn)給。工件軸上裝有工件夾緊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)微小工件的裝夾。為了便于安裝調(diào)整拆卸，輔助系統(tǒng)安直接裝在機(jī)床床身上來實現(xiàn)加工過程的冷卻和在線監(jiān)測。我們利用三維建模軟件對微型磨床進(jìn)行了整機(jī)建模，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微磨床整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro-grinder

3 關(guān)鍵部件配置

關(guān)鍵零部件（主軸部件、伺服驅(qū)動、運動控制部件及監(jiān)測系統(tǒng)等）的選擇及精度是實現(xiàn)微細(xì)磨削加工的先決條件,具體配置如下:

（1）主軸及驅(qū)動系統(tǒng)。主軸是超精密機(jī)床的關(guān)鍵部件，其運動誤差特性直接影響零件的表面質(zhì)量和精度，同時為滿足微細(xì)切削所需的切削線速度，主軸應(yīng)具有很高轉(zhuǎn)速。 通過計算，主軸跳動應(yīng)在0.1μm以內(nèi)，且至少應(yīng)具有 5×104r/min以上的轉(zhuǎn)速 （如對直徑 0.1mm的球頭銑刀）?？紤]到空氣靜壓軸承具有轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、回轉(zhuǎn)精度高、高速轉(zhuǎn)動溫升小等特點，盡管其剛度稍低，結(jié)合本課題的具體應(yīng)用場合，決定采用高精度空氣靜壓軸承高速電主軸。其最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 9×104r/min，徑向跳動量小于 0.5μm。

（2）導(dǎo)軌及驅(qū)動裝置。導(dǎo)軌采用超精密交叉滾柱支承的滑臺，其優(yōu)點為剛性好，動作靈敏，不易引起振動，適于空間尺寸小，承受顛覆力矩的場合，該導(dǎo)軌直線度為 ±0.1μm/25mm。承載工作臺的兩水平進(jìn)給軸采用永磁直線電機(jī)直接驅(qū)動，并配置最高分辨率為 0.05μm的光柵尺作為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置反饋裝置。直線電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時加、減速及高速準(zhǔn)停運動；減少了中間環(huán)節(jié)，傳動剛度好，有效地提高了傳動精度及可靠性。

（3）在線監(jiān)測系統(tǒng)。刀具在工件表面的快速精確定位、切削力的精確測定、轉(zhuǎn)速或者進(jìn)給量的測定及加工過程的可視化是微細(xì)加工的必備條件。微型加工作業(yè)時，微細(xì)加工和裝配過程應(yīng)該避免人為的介入和外界的影響，而且人也很難參與到其中，這里通常采用非接觸式無損測量方法。光電圖像檢測技術(shù)是一種理想的方法，其核心元件是CCD攝像機(jī)，原理過程如圖2所示，它可以對微細(xì)加工過程、微裝配過程實時監(jiān)控，還可以對三維零件進(jìn)行幾何尺寸的測量，滿足功能要求。

圖2 微磨床在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 On-machine monitor system of micro-grinder

4 微型磨床的數(shù)控系統(tǒng)

為了實現(xiàn)三軸數(shù)控加工，構(gòu)建了一個 NC嵌入 PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)，以 PC為硬件平臺，將多軸運動控制器 PAMC插入PC總線插槽中，通過接口連接伺服單元和I/O單元，控制平臺三維運動，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。即采用基于上下位機(jī)的雙 CPU系統(tǒng)，PC機(jī)作為上位機(jī)完成數(shù)控加工的非實時任務(wù)，PAMC完成實時任務(wù)?？刂破骶哂休喞刂颇芰?，易實現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)，可以手工編程，也可利用CAD/CAM實現(xiàn)三維數(shù)控加工。該控制系統(tǒng)具有靈活性好、功能穩(wěn)定，可共享PC豐富的軟硬件資源。

圖3 微型磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of micro-grinder NC system

為了提高機(jī)床的加工精度，建立機(jī)床的數(shù)字化綜合空間誤差模型，采用全閉環(huán)控制，通過數(shù)控補(bǔ)償修正機(jī)械誤差，提高各軸的定位精度和重復(fù)定位精度，從而提高機(jī)床的加工精度。

機(jī)床專用數(shù)控系統(tǒng)采用以 Windows為系統(tǒng)平臺，通過其線程調(diào)度機(jī)制可以方便地實現(xiàn)多任務(wù)。在線程調(diào)度中，每一個線程的優(yōu)先級不同。優(yōu)先級高的線程優(yōu)先運行在機(jī)床專用數(shù)控系統(tǒng)中。急停、機(jī)械限位、硬件故障等線程優(yōu)先級最高，它們首先取得CPU的運行時間。坐標(biāo)運動、加工狀態(tài)的動態(tài)顯示、加工軌跡模擬仿真等線程優(yōu)先級依次降低。但另一方面，Windows是基于消息機(jī)制的，實時性較差，不能滿足一些像故障中斷、插補(bǔ)運算等實時性任務(wù)，為此，機(jī)床專用數(shù)控系統(tǒng)采用可編程多軸運動控制卡實現(xiàn)各種實時性控制。

過程控制軟件包括工藝數(shù)據(jù)庫管理、參數(shù)化編程、編輯程序、解釋程序、加工模塊、MDI、故障監(jiān)測等與用戶操作有關(guān)的子模塊。各功能子模塊由Windows統(tǒng)一調(diào)度管理，與系統(tǒng)的硬件無關(guān)。Windows通過多軸控制卡庫函數(shù)對底層的硬件進(jìn)行控制，實現(xiàn)微型零件加工時各軸的運動控制以及 I/O控制。

圖4 微型磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of micro-grinder NC system

5 結(jié)束語

研制了一臺尺寸為（650×650×650）mm的微型數(shù)控磨床，采用最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 9×104r/min的高精度空氣靜壓軸承高速電主軸，可獲得足夠的切削速度。建立了機(jī)床的數(shù)字化綜合空間誤差模型，采用全閉環(huán)控制，通過數(shù)控補(bǔ)償修正機(jī)械誤差，滿足微細(xì)加工要求。初步的調(diào)試與加工試驗證明，該微磨床技術(shù)可行，可以用于微細(xì)磨削加工技術(shù)研究。

[1]Dutta K,Dev P,Dew I,Lde P,et al.Integrated Micro motor Concepts[M].Proc.ICMCST,1970.

[2]Kurita T,Hattori M.Development of new-concept desk topsize machine tool[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture Design Research and Application，2005，45．

[3]于化東.超精密微機(jī)械制造技術(shù)研究進(jìn)展[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2008，3．

[4]孫雅洲，高強(qiáng)，梁迎春．超聲電機(jī)在微小型機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2006．

[5]張之敬，金鑫，周敏．精密微小型制造理論、技術(shù)及其應(yīng)用[J]．機(jī)械工程學(xué)報，2007，1．

Development of a Miniaturized Numerical Controlled Grinding Machine Tool

ZHAO Jing1，TANG Jian2
(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang Liaoning 110159,China；2.Representative of PLA for 724 Plant,Shenyang Liaoning 110045,China)

A novel miniaturized computer numerical control(CNC)milling machining system was built for manufacturing of miniature/micro products.The machine has a base size of（650×650×650）mm.With a full closed loop numerical control system installed in feed axis，it bears the capability of sub-micro scale machining.The machine tool utilizes available high speed air spindle,ultra precision stages up held by cross roller-bearings with each axis,PMLM(permanent magnet linear motor),charge coupled device(CCD)microscope and industry personal computer(IPC)-based multi-axis motion controller.Under the techniques of optimized path interpolation and error compensation,it is content with micro machining of components with 3D complex shapes of free-form surfaces.

micro-cutting；computer numerical control milling machine tool；miniaturized machine tool

TG540.214

：Adoi:10.3969/j.issn.1002－6673.2014.03.064

1002－6673（2014）03－168－03

2014－03－09

遼寧省科技計劃項目（2011220009）

趙靜（1969-），女，遼寧沈陽人，工程師。研究方向：數(shù)控技術(shù)與裝備。