20世紀(jì)80年代興起的基于硅半導(dǎo)體制造工藝的MEMS技術(shù)引起人們對(duì)微細(xì)加工的廣泛關(guān)注。為得到結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、材料適應(yīng)性更強(qiáng)的微小零件伤提，不斷出現(xiàn)了多種微細(xì)加工技術(shù)，如粒子束加工认烁、LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）肿男、微細(xì)電火花加工（EDM）等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)使得像微型GPS来鸟、微小型化醫(yī)療器械皂州、微小型電機(jī)等一些新產(chǎn)品不斷發(fā)展更新哩讶。

　　近年來(lái)，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法而進(jìn)行微細(xì)制造的研究越來(lái)越受到人們的重視劈产，針對(duì)特征尺寸在10～10000μm的所謂meso尺度機(jī)械零件的微細(xì)切削制造成為一大研究熱點(diǎn)誊配，原因是機(jī)加工的幾大優(yōu)勢(shì)：生產(chǎn)效率高、靈活卡涮；能加工任意三維特征的零件请状；能加工包括鋼在內(nèi)的多種材料。

　　然而微細(xì)切削加工所采用的設(shè)備主要還是常規(guī)尺寸的精密皱耗、超精密機(jī)床這對(duì)于生產(chǎn)微小尺寸零件還是缺少必要的柔性且成本高臼磁、效率低。

　　20世紀(jì)90年代中期以來(lái)倾皿，日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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)床的小型勃犬、輕型化研究惩阶，陸續(xù)研制了多種用于微小零件切削加工的小型精密、超精密機(jī)床扣汪，從而断楷，桌面工廠、微型車間崭别、便攜式工廠等新概念也不斷流行起來(lái)冬筒。

　　針對(duì)微細(xì)切削加工，本文介紹了一臺(tái)自主構(gòu)建的小型超精密數(shù)控銑床其本體尺寸為300mm×400mm×500mm茅主，xyz工作空間尺寸為50mm×50mm×20mm舞痰，主軸最高轉(zhuǎn)速9×104r/min，數(shù)控三軸聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜形面微細(xì)加工诀姚，全閉環(huán)反饋控制結(jié)合誤差補(bǔ)償技術(shù)最終可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)加工精度响牛。

　　1、機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)配置

　　為確保各坐標(biāo)軸正常工作及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性赫段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)配置主要遵循以下原則：高的結(jié)構(gòu)剛度呀打；優(yōu)良的阻尼特性；幾何外形影響糯笙；熱變形影響贬丛；外界環(huán)境因素影響等。

　　111機(jī)床總體設(shè)計(jì)

　　采用立式三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)夯铡，包括在水平方向上的x坊秉，y二維工作臺(tái)和垂直布置的z工作臺(tái)，高速銑削主軸布置在z軸上闷墅。

　　機(jī)床本體尺寸為：y向300mm审腺、x向400mm、z向500mm，工作空間為50mm×50mm×20mm.

　　112關(guān)鍵部件配置關(guān)鍵零部件（主軸部件确列、伺服驅(qū)動(dòng)栋固、運(yùn)動(dòng)控制部件及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等）的選擇及精度是實(shí)現(xiàn)微細(xì)切削加工的先決條件，具體配置如下：1）主軸及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸是超精密機(jī)床的關(guān)鍵部件我昵，其運(yùn)動(dòng)誤差特性直接影響零件的表面質(zhì)量和精度埋署，同時(shí)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)速芬角。

　　通過(guò)計(jì)算绷匀，主軸跳動(dòng)應(yīng)在011μm以內(nèi)，且至少應(yīng)具有5×104r/min以上的轉(zhuǎn)速（如對(duì)直徑011mm的球頭銑刀）彻秆。

　　電主軸是近些年數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)楔绞，所具有的高速軸承技術(shù)、內(nèi)裝式直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)唇兑、高速動(dòng)平衡技術(shù)及高頻變頻裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高速高精加工酒朵。

　　常用的超精密機(jī)床主軸為氣體靜壓或液體靜壓主軸，其二者均具有高的運(yùn)動(dòng)精度和轉(zhuǎn)速扎附。

　　考慮到空氣靜壓軸承具（新型軸承在牽引電機(jī)中的效用剖析）有轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)蔫耽、回轉(zhuǎn)精度高、高速轉(zhuǎn)動(dòng)溫升小等特點(diǎn)留夜，盡管其剛度稍低匙铡，結(jié)合本課題的具體應(yīng)用場(chǎng)合，決定采用高精度空氣靜壓軸承高速電主軸碍粥。

　　其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)9×104r/min鳖眼，徑向跳動(dòng)量小于015μm.

　　2）導(dǎo)軌及驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)軌采用超精密交叉滾柱支承的滑臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)為剛性好嚼摩，動(dòng)作靈敏具帮，不易引起振動(dòng)，適于空間尺寸小低斋，承受顛覆力矩的場(chǎng)合停迫，該導(dǎo)軌直線度為±011μm/25mm.

　　承載工作臺(tái)的兩水平進(jìn)給軸采用永磁直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并配置最高分辨率為0105μm的光柵尺作為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置反饋裝置司逗。

　　直線電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)加擎若、減速及高速準(zhǔn)停運(yùn)動(dòng)；減少了中間環(huán)節(jié)改佛，傳動(dòng)剛度好漂肖，有效地提高了傳動(dòng)精度及可靠性。

　　3）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)刀具在工件表面的快速精確定位遵奇、切削力的精確測(cè)定躯括、轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量的測(cè)定及加工過(guò)程的可視化是微細(xì)加工的必備條件赏赔。

　　同時(shí)，微細(xì)加工和裝配過(guò)程中應(yīng)盡量避免人為的介入和外界因素的影響轮昧，一般采用非接觸式無(wú)損測(cè)量雷倦。

　　光電圖像檢測(cè)技術(shù)是一種理想的方法，其核心元件是CCD攝像機(jī)熟排，它可以在微細(xì)加工中對(duì)微細(xì)加工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控肺灭、作為微裝配過(guò)程的觀察和測(cè)量手段以及對(duì)零件三維幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量。

　　2筏餐、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

　　機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的伺服控制特性直接影響著微細(xì)加工工藝及加工質(zhì)量开泽。

　　為了最大限度地減小或消除幾何誤差、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)非線性及振動(dòng)等不利因素對(duì)加工精度的影響魁瞪，采用了全閉環(huán)控制方式穆律；并結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器自身特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的PID控制的基礎(chǔ)上開發(fā)了速度/加速度前饋?餡波濾波等控制環(huán)算法导俘，其中峦耘，速度前饋用于減小由于微分增益的引入所引起的跟隨誤差，加速度前饋可以減小系統(tǒng)慣性所帶來(lái)的跟隨誤差趟畏，陷波濾波器主要用于由于系統(tǒng)存在滯后、靜摩擦滩租、卷曲及回差等問(wèn)題使系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械諧振而破壞系統(tǒng)的特性赋秀；以及通過(guò)對(duì)誤差的測(cè)量及數(shù)控補(bǔ)償機(jī)制，進(jìn)一步優(yōu)化了控制精度律想。

　　1）硬件系統(tǒng)采用上位機(jī)?下位機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)猎莲，可實(shí)現(xiàn)多軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)加工的要求。

　　數(shù)控系統(tǒng)控制中心在工業(yè)控制機(jī)IPC平臺(tái)的基礎(chǔ)上霸碰，基于DSP構(gòu)建的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)石阵。

　　其中，PMAC主要完成對(duì)機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)匣描、控制面板開關(guān)量的控制豌楷，IPC則主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能。

　　同時(shí)桶眠，根據(jù)需要擴(kuò)展了相應(yīng)的I/O口彭倡。

　　最終構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理。

　　2）軟件系統(tǒng)控制器采用Windows系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)控編程沦煤、加工控制赴笨、仿真、調(diào)試測(cè)試寇祈，具有輪廓控制能力忆键，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)控插補(bǔ)漱南，可以手工編程，也可以利用CAD/CAM軟件實(shí)現(xiàn)三維數(shù)控加工憋庙。

　　3笔喉、系統(tǒng)測(cè)定與調(diào)試

　　系統(tǒng)測(cè)定與調(diào)試工作主要包括幾何誤差測(cè)算、主軸運(yùn)動(dòng)精度檢查疯兼、微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)調(diào)試等然遏，最終定位精度為015μm，能夠滿足亞微米級(jí)切削精度的要求吧彪。

　　4待侵、切削試驗(yàn)

　　采用直徑012mm、螺旋角30°的硬質(zhì)合金二刃球頭端銑刀姨裸，對(duì)硬鋁LY12材料進(jìn)行分層銑削秧倾，其主要工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速4。

　　2×104r/min傀缩，進(jìn)給速度10mm/min那先，z方向吃刀量5～10μm，切削過(guò)程中不斷噴灑冷卻液赡艰。

　　根據(jù)測(cè)量結(jié)果售淡，薄墻的平均厚度小于40μm，豎直槽部分平均深度大于500μm慷垮，實(shí)現(xiàn)了大深寬比結(jié)構(gòu)的微細(xì)銑削加工揖闸。

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　利用傳統(tǒng)機(jī)加工的靈活優(yōu)勢(shì)并結(jié)合微細(xì)加工的特點(diǎn)徽榄，開發(fā)適用于微細(xì)切削的加工設(shè)備已成為微細(xì)加工領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)阐赖。在自主構(gòu)建的小型數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了切削加工試驗(yàn)胰薪，結(jié)果顯示皆舅，該銑床已經(jīng)具備對(duì)meso尺度零件微細(xì)切削加工能力。今后蓄士，通過(guò)對(duì)微細(xì)切削加工的尺寸特征特植、工藝參數(shù)、材料特性及環(huán)境影響等相關(guān)因素的深入研究肋漏，逐漸摸索微細(xì)切削加工新工藝剿蹦。

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