微型数控铣床结构设计

1、微型立式数控铣床结构设计学 院： 专业、 班级： 学 生 姓 名： 指导教师（职称）： 完 成 日 期： 微型立式数控铣床结构设计总计：毕业论文： 49 页 表 格： 7 表 插 图： 26 幅说明书+图纸（CAD、三维图）+外文翻译如有需要请联系qq：1079663995 指导教师： 评 阅 人： 完成时间： 摘 要微细切削加工技术作为重要的军民两用技术，己经成为现代科技研究的前沿课题之一。微细切削加工技术区别于MEMS技术和超精密加工技术，是利用传统加工方式针对微米级以下小零件进行高效率、高精度的微细制造。为了降低机床成本、提高加工效率、减少能耗，国内外正在发展微型机床和微型工厂。本文在大

2、量查阅国内外资料的基础上，经过分析和比较，设计并构建了一台专用于微细铣削加工的微型立式数控铣床系统。完成了微型数控铣床总体方案设计，确立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件(控制系统、主轴系统、进给系统、精密台钳系统、刀具冷却系统、加工环境系统、夹具体和机床底座等)的选型与设计，研发出采用陶瓷球轴承油气润滑高速电主轴、直线电机十精密光栅尺的进给伺服系统以及基于IPC的三轴运动控制的微型立式数控铣床。微型铣床整机结构设计对加工精度影响显著，整机结构设计将直接影响整个微型铣床的加工精度。本文对微型数控铣床的主要部件进行选型分析，对整机在结构设计上能否满足加工精度设计要求进行了校验，成功设计了一台

3、微型立式数控铣床。结果证明所设计的微型铣床能够实现微米级的进给，能够满足后续微细铣削加工的研究。关键词：微型铣床；进给系统；立式结构设计；3DIABSTRACTThe applications of micro-cutting technique on precision machining of three-dimensional small parts have created a great technology revolution of the micro-cutting field. Different from MEMS technique and ultra-precision

4、 machining technique, micro-cutting technique is an efficient method to carry out high productivity and high precision micro manufacture for micron and meso scale miniaturized parts with traditional machining methods. Ultra-precision machine tool is an important equipment to conduct micro-cutting. H

5、owever, the domestic development on custom machine used for micro-cutting is still at the initial stage and there is a lack of embed research from machinery system design to micro-cutting mechanism analysis. Based on the extensive referring to domestic and external information, After analysis a

6、nd comparison,a 3-axis linked miniature CNC milling machine tool system was successfully constructed for manufacturing of micro products. The overall scheme design of the micro NC milling machine is completed and the whole structure of the machine tool, the overa layout, also the selections and desi

7、gn of the key components(control system, spindle system, feeding system, precision bench vice system, tool cooling system, the processing environment system, fixture and machine base, etc) are established. Milling machine tool which uses the feed servo system of "high-speed spindle of ceramic b

8、all bearings and oil lubrication, Linear Motor +precision grating scale" scheme and the IPC-based three-axis motion control CNC system is developed. The whole structure design of the micro-machine tool has a significant effect on machining accuracy and the structure design of the whole machine

9、can directly affect the machining precision of the whole micro-milling machine tool.In this paper, the selection and design of the micro milling machine key parts has been done, and whether the whole machine's structural design can meet the machining precision requirement ischecked.Successful de

10、sign of a micro-vertical CNC milling machine, the results show that the developed micro-milling machine can achieve micron-level feed and meet the following study of micro-milling machining.Key Words：Micro-milling machine; Feeding system; Vertical structure design ;3DI目 录摘 要ABSTRACT1

11、绪论11.1 微型机床研究背景及意义11.2 微型机床国内外发展现状11.3 本课题研究的主要内容62 微型立式数控铣床的总体设计方案72.1 微型立式数控铣床的基本参数72.2 微型立式数控铣床的布局形式82.3 微型立式数控铣床的整体结构方案93 微型立式数控铣床各系统选型及配置113.1 电主轴子系统113.2 工作台驱动子系统133.3 精密台钳子系统163.4 刀具冷却子系统174 微型立式数控铣床各部件的校核与设计194.1 夹具体设计与校核204.2 铣床防护罩的设计224.3 铣床底座的设计235 其他辅助系统设计255.1 隔离振动方案系统255.2 在线监测系统256 微型

12、立式数控铣床总体结构设计277 结论29致 谢30参考文献31附录A：外文翻译32附录B：外文原文38微型立式数控铣床结构设计1 绪论1.1 研究的背景意义 随着航空航天、国防工业、微电子行业、现代医学以及生物工程技术的发展，精密/超精密三维微小零件(尺寸特征在微米到毫米级)的需求日益迫切。其结构形状的特异化、零件材料的多样化、尺寸及表面质量的高精度化成为三维微小零件及其微型装置设备的显著特征，在使用功能、材料特性、结构形状、可靠性等方面的要求也越来越高。 微细加工就是一种介于普通宏观机床加工和MEMS制造之间的一种技术。简单来说，微细加工就是用微型机床来加工微小零件，被加工零件的尺寸在100

13、m和lOmm之间，利用微型机床加工微小零件在结构成型和材料多样性方面有独特的优势。微型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制。目前许多由金属材料制成的精密三维微小零件，都是利用常规尺寸的精密与超精密机床加工成的。这些机床主要用于加工高精度的宏观几何尺寸零件，而对生产微小零件则成本高、效率低、灵活性差。因此，微型机床及其组成的系统日益成为解决上述矛盾的一项新技术。因此，对微型机床及微细铣削加工技术的研究具有重要的理论意义和实际应用前景。1.2 微型机床的国内外发展现状微型机械制造系统被誉为20世纪10大关键技术之首。MMT是属于微小型机械制

14、造系统的重要组成部分，是连接微观和宏观制造领域的技术桥梁，是21世纪的重点发展方向，受到世界各国的高度重视。日本、美国和欧洲等发达国家都投入了大量的人力、物力和财力开展MMT方面的研制与开发。日本是较早开发微小型加工单元的国家。1990年，日本通产省机械技术研究所(MEL)首先提出了桌面微工厂(DesktopMicro-factory)的概念，并于1999年制成了世界上第一套桌面微工厂(图1.1)，由车床、铣床、冲压床、搬运机械手和装配用机械手组成。桌面式微工厂的概念强调体积小巧并可以应用先进的制造技术加工微小零件的能力，特别具有节能、环保等优势，是绿色制造的发展方向之一。图1.1 日本通产省

15、机械技术研究所的桌面微工厂日本产业技术综合研究所(AIST)于1998年主导进行Micro Factory开发计划(投入250亿日元)开发出当时世界上最小的车床，2000年“科学技术周”期间又展示了手提式微小型加工系统，该系统是集车削、磨削、钻削、冲压及搬运机械手于一体的桌面式微小零件制造系统，验证了“微小机床加工微小零件”的可行性，日本NANO株式会社于2005年研制成NANOWAVE超小型精密CNC机床(图1.2)。图1.2日本NANO株式会社研制成NANOWAVE超小型精密CNC机床美国WTEC (Word Technology Evaluation Center, Inc.)和NSF（

16、National Science Foundation)等机构于2002年共同出资，针对国际上Non-MEMS微型加工技术研究发展现状与趋势组成考察团进行详细调研，并于2005年形成分析报告，调查分析报告指出，Non-MEMS微制造技术将成为21世纪重要的新技术，它是连接微观与宏观制造领域的桥梁技术，是改变传统加工理念(加工时间、地点、方式)的技术，是改变生产力分配方式的技术(微制造可成为家庭手工业)，它是增强美国竞争优势的战略性技术。美国佐治亚理工学院、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、密西根大学、威斯康辛大学等都针对微小制造系统开展了广泛的研究，一些研究成果已成功用于航空航天、生物医疗等领

17、域。西北大学和伊利诺伊斯大学研制的微小型车床，其主轴转速可达到200, 000 rpm。图1.3美国西北大学研制的微小车床图1.4威斯康辛大学研制的微小车床图1.5美国密西根大学研制的微小车床我国微型机械研究的起步并不算晚, 1988年国家自然科学基金委批准东南大学静电微马达方面研究的基金申请，从此开始了微型机械某些领域的研究。南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所、清华大学等针对微小型机床都开展了积极研究。时至今日，在微小型制造、微小型切削技术方面国内一些单位的研究工作卓有成效，取得了可喜的成就。北京航空航天大学的邱时前等开发了一台由高速电主轴、精密转台、精密直线运动平台和

18、基于PC的PMAC运动控制卡组成的五坐标微铣削机床，并开发了可编辑和执行G代码程序的数控系统；利用该机床进行了薄壁、直槽和牙冠体加工实验，对薄壁和直槽加工实验结果进行了分析。如图1.6所示，机床本体尺寸为900mm×700mm×800mm有用大理石底座。进给驱动系统由三轴超高精度直线运动轴和两轴直接驱动转台组成，XYZ各轴的行程为102mm，分辨率为100nm，定位精度士0.5um。电主轴型号为NSKE402-N40，最大输出功率210w，转速范围为200040000r/min，最大力矩6.9，跳动量小于O.lum。图1.6 北京航空航天大学研制的微型机床上海交通大学振动国

19、家重点实验室与机械系统和美国密西根大学吴贤铭先进制造中心在分析微细铣削加工要求和成形条件的基础上，共同设计制造了一台三自由度介观尺度微型铣床，如图1.7所示，系统采用卧式结构，总体尺寸为270mm×190mm×220mm，加工范围为30×30×30mm3;，具有系统刚度高和定位精度高等优点。其定位系统为传统电动机丝杠定位，定位精度达1.62um，分辨率可达50nm，重复定位精度0.313um，工作行程为30mm，X向直线度士0.159 um，Y向直线度士0.328 um，系统采用气动马达，主轴跳动度在1 um以内，最高转速为120kr/min。图1.7

20、上海交通大学研制的微型机床综合国内外桌面式微小机床的研究情况，当代微小机床的研究主要集中于以下几个方面：1)微切削应用技术 包括微型零件切削加工装备关键技术，主要是高速主轴系统，精密工作台的定位、运动及控制技术复合微切削加工设备与技术；微切削刀具材料和道具制作技术；微切削刀具、工件的快速装夹、测试及微切削加工过程的监控技术。2)微切削机理 主要是热力藕合应力作用下的微切削不均匀变形场，微尺度下工件材料的本构方程，微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形能的影响；最小切削厚度对切屑形态、已加工表面形成、切削力、切削温度等的影响，及工件材料微观组织结构对表面粗糙度和次表面

21、损伤的影响，微切削加工理论和技术体系；多尺度微细切削模拟仿真技术。3)微切削工艺研究包括各种新材料如钢铁、钛合金、不锈钢、铝合金、陶瓷和其他非金属材料以及各种复合材料的微切削加工工艺，微切削CAD/CAM技术。4)实用化微制造系统的设计原理方法与相关应用技术的研究。1.3 本课题研究的主要内容1)微型立式数控铣床主要技术参数的确定。2)设计研究满足微细铣削加工要求和成形条件的微型机床系统，包括对系统的结构设计和各子系统设备选型与研发，最后完成了微型数控铣床的搭建。3)微型立式数控铣床的电主轴夹具体校核、分析。2 微型立式数控铣床的总体设计方案2.1 微型立式数控铣床的基本参数机床设计的初始，首

22、先需确定有关参数，它们是传动设计和进给设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数拟定是机床设计中的重要问题。机床参数有主要参数和基本参数。主参数是最重要的，它直接反映机床的加工能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值。如铣床的工作台宽度等。基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数。可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数。立式微型数控铣床的技术参数如表1所示：110mm×165mm×190mm表2.1 微型立式数控铣床参数表项目技术参数技术指标床身本体结构加工能力微型铣床整体尺寸立式三轴联动540mm×460mm×

23、550mm进给伺服系统行程（工作空间）最大速度定位精度重复定位精度分辨率110mm×110mm×190mm50mm/s1m0.2m20nm电主轴最高转速径向跳动动平衡精度轴承形式140000r/min0.2mG0.4陶瓷球轴承，油气润滑2.2 微型立式数控铣床的布局形式立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。微型数控铣床一般都采用工作台移动、升降及主轴转动方式，与普通立式升降台铣床结构相似；中型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型立式数控铣床，因要考虑到扩大行程、缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，

24、其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标立式数控铣床仍占大多数。一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意2个坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕X, Y, Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标立式数控铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。图2.1所示是立式数控铣床常见的三种布局形式。由溜板和工作台实现平面上X, Y两个

25、坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨上下实现Z坐标移动。 （a） （b） (c)图2.1立式微型铣床的常用布局形式综上所述，考虑微型铣床应用的广泛性以及所作相关的项目的实际情况，本设计采用的是(a)所示的工作台X, Y轴相互叠加移动，电主轴在Z轴方向上移动的布局形式。为了实现亚微米级进给精度的铣刀铣削加工3D微小金属零件，通过调研，微型立式数控铣床选用了基于商品化的六个子系统:1)微型数控铣床控制系统；2)基于旋转刀具的主轴系统；3)工件的进给系统；4)加持工件的精密台钳子系统；5)刀具冷却子系统；6)加工环境控制子系统等。这六大子系统通过分析最终确定其型号。2.3 微型立式数控铣床的整体结构方案数

26、控铣床应满足以下要求：良好的静、动刚度；较小的热变形；机床各进给运动有良好的低速性能；机床结构布局应有良好的人机关系（如面板、操作台位置布局等）和较高的环保标准。这里设计的三轴数控微小铣床的总体结构布局应按上述要求，既能满足机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各机构位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考虑安排机床总体布局。在微细铣削过程中，铣削需要两个运动，主运动即刀具的旋转运动及进给运动。微细铣削必须能够加工不同厚度的微小零件，这就需要微小铣床的主轴能够在垂直方向上可以调整，水平方向有相对运动；垂直方向上采用主轴的升降来实现，而对于水平方向相对于主轴的运动是为了实现一定

27、的加工长度，这可以用工作台的运动来实现，再加上主轴的自身的旋转，所以整个微小铣床需要有四个自由度，分别为X方向、Y方向、Z方向和主轴的旋转运动n。图2.2为微小铣床运动模型图。 图2.2 微型立式铣床运动模型图本设计主要目标是构建一台适用于微小零件微细铣削的微型数控铣床，机床采用立式三坐标结构配置，X,Y二维工作台带动工件实现X,Y两个方向的直线运动；垂直布置的Z向工作台带动安装于其上的高速铣削电主轴子系统作上下的直线运动，互不干扰。为了提高结构的动刚度，在保证静刚度的前提下，选择阻尼系数大的材料人造花岗岩作为微型铣床的底座材料。为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量，三轴工作台的外壳均选用比

28、重小的铝合金材料作为运动部件的结构材料。三轴伺服电机及电主轴的采用简化了传动系统，缩短了传动链，提高了机床的运动品质。鉴于所采用的电主轴尺寸和重量较小，被加工零件的尺寸、重量以及加工时的切削力也较小，故该微型铣床设计成水平X,Y工作台叠加的进给平台结构，刀具安装在电主轴上，随Z轴一起上下移动。按照结构示意图2.3所示的结构，须保证X,Y,Z三个运动轴相互正交，主轴的回转精度平行于Z轴。 图2.3 立式微型数控铣床结构示意图3 微型立式数控铣床各系统选型及配置3.1 电主轴子系统考虑到微细铣削加工过程中的铣刀、零件尺寸和切削力都较小，同时为了实现高精度运动控制和高效率的加工，在选择微细铣床组件的

29、过程中不可避免的会出现一些新的问题。比如，采用直径O.5mm的铣刀铣削硬铝，常用的每齿进给量约为5m，当主轴转速在60000r/min以上时，此时进给速度应为10mm/s20mm/s，因此选择何种主轴技术以达到超高转速的同时保证较小的主轴跳动量，是实现微细铣削的关键因素之一。针对研究需要和微细铣削加工的特点，其所选用的主轴需要很高的转速，较高的刚度和回转精度。本设计采用高速电主轴作为该铣床的主轴。电主轴技术，即:机床主轴与电机轴合二为一，近些年数控机床领域出现的一种新技术。电主轴技术的关键在于将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，动力传递不再使用齿轮传动副或皮带。电主轴具有结构紧凑、惯

30、性小、重量轻、动态特性好、调速范围广等优点，电主轴的产生和应用，改善了机床的动平衡，减少了机床振动和噪声，在超高速高精密数控加工中应用广泛。遵循高回转精度、高刚度、高转速、小尺寸和低成本的选型原则，微型数控铣床选用瑞士IBAG公司生产的具有刚性好的陶瓷球轴承支撑小型电主轴，其型号为HF42S120C，如图3.1所示，其主要性能参数如表3.1所示。 图3.1 HF42S120C型电主轴表3.1 HF42S120C型电主轴性能参数另外，该电主轴配有油气润滑冷却装置，可保证其在高转速的状态下顺利运行，并能带走因摩擦所产生的热量，同时，还配有冷却水冷却电主轴装置，通过水循环带走电主轴产生的热量。另外，

31、电主轴配有ER8的夹头，可装夹刀柄直径为1-5mm的刀具，该夹头具有较高的接触刚度和重复定位精度，并具有良好的高速锁紧性。其油气润滑和喷注润滑原理如图3.2、图3.3所示。图3.2 油气润滑原理 图3.3 喷注润滑原理3.2 工作台驱动子系统对于铣床进给系统，由于刀具尺寸的缩小和主轴转速的提高，实际加工中走刀轨迹复杂程度提高，要求驱动单元具有较高的加工速度和加减速度，传统的滚珠丝杠加旋转电机的驱动方式显然难以满足需要，直线电机省略了中间传动环节，采用电磁力推动，加工过程中可以实现高速精确跟踪，不失为一种较好的驱动方式。直线电机具有的结构简单、反应速度快、灵敏度高、工作稳定可靠，寿命长、结构敞开

32、性好，散热效果较好、有精密的定位和自锁能力、行程长度不受限制等特点，所以选用直线电机作为微型铣床工作台驱动系统。由于直流电机易于调速，以往直线电机用作伺服电机主要是采用直流电机。但是交流直线电机有结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便等优点，随着交流伺服技术(变频调速技术、矢量控制技术)的发展，交流直线电机近年来在直线运动单元中得到越来越多的应用。目前在直线运动单元上应用的主流是感应式直线交流伺服电机和永磁式直线交流伺服电机，它们各有优缺点。表3.2给出了两种直线电机的主要性能比较。表3.2 感应式和永磁式直线电机的主要特性对比 电机类型永磁式感应式单位面积电磁推力大小效率高低磁极位置传感器

33、要不要运动平稳性好较好可控性好较差动力制动可能无对气隙的要求低高永磁式直线电机在单位面积推力、效率、功率因素、可控性、运动平稳、位置精度等方面均优于感应式直线电机，所以本设计采用三相永磁无刷电机。本设计的微型铣床的X、Y轴定位系统选用台湾大银科技公司生产的XY线性马达平台，如图3.4所示，该线性马达平台具有高速度、高加速度、精确性高且定位快速、无摩擦损耗、运动平顺、可靠度高、耐久使用、维护简单、小型化设计所需空间小、单轴上可有复数动子等特性，完全可以满足微型立式数控铣床的设计要求。其性能参数如表3.3所示。 图3.4 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20 XY线性马达平台 表3.

34、3 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20型XY线性马达平台性能参数本设计Z轴方向驱动平台选用科尔摩根公司生产的PLATINUM-DDL系列的直接驱动直线电机，型号是ICD10-030，如图3.5所示。根据以往铣削加工的经验，铣削的加速度一般都小于2m/s2，该型号的直线电机的峰值推力为340N，持续推力为104N，在微型铣床的最大承载力为20kg的情况下，垂直轴的加速度为：。由此可知，此型号电机完全满足微型铣床的要求。其具体性能参数如表3.4所示。图3.5 ICD10-030型直接驱动直线电机表3.4 ICD10-030型直线电机性能参数为了保证机床实际加工的精度符合要求，三个方

35、向的加工平台均采用了MicroE的线性光栅进行位置反馈，如图3.6所示，其分辨率为0.1m，线位移测量分辨率为2nm，完全可以满足本微小机床的精度。图3.6 MicroE线性光栅3.3精密台钳子系统台钳是用来夹持被加工工件的装置，要求对被加工工件夹持后，能够达到准确定位，保障足够的直角度和平行度，并要求夹持牢靠无滑动。本微型数控铣床选用了日本JAM公司WS80精密台钳，如图3.7所示,WS80型台钳采用SKS材料，硬度可达60HRC。该精密台钳采用独特的扳手锁扣型设计，通过在45°下前方向施加夹持力防止工件浮起，确保了夹持定位可靠滑移。规格参数如表3.5所示。 图3.7 WS80精密

36、台钳系统表3.5 WS80型精密台钳规格参数 3.4刀具冷却子系统铣削加工过程中，刀具高速旋转进行切削的过程中，会产生大量的热量，如果这些热量长时间产生而不及时传递出去，将大大影响刀具的强度，刀具非常容易损坏，因此，很有必要对刀具进行冷却，同时，在进行微细铣削加工过程中，需要适时观察切削加工的状态，切屑必须及时清理，考虑到以上两点，刀具的冷却选用空气冷却，一方面能及时带走加工过程中产生的热量，另一方面将切削吹走，便于观察。基于上述分析，本文所研制的微型数控铣床选用美国依爱(EXAIR)公司生产的刀具冷却枪系统，如图3.8所示，该冷却枪系统由涡旋管组成，涡旋管使普通压缩空气变成冷热两股低压气流。

37、热气流被抑制器抑制住，从热气出口排出。冷气流也被抑制反向从万向管排出。该万向管即直接指向需冷却的部位。压缩空气可冷却到零下300°另外，该冷却枪系统安装方便，可将冷却空气直接引向刀头，实现刀具的冷却，延长刀具寿命。其主要性能参数如表3.6所示。表3.6 3825J型冷却抢性能参数表图3.8 3825J型可调冷却抢系统4 微型立式数控铣床各部件的校核与设计4.1 电主轴夹具体设计及校核4.1.1 电主轴夹具体设计考虑到铝材质量较轻，可减轻夹具的重量，而且铝材延展性较好，便于电主轴安装，因此，选用铝材作为夹具体的材料。电主轴夹具的设计技术要求为:在保证电主轴能够顺利安装的基础上，确保不影

38、响电主轴的自身性能，根据电主轴配套技术要求，主轴孔的大小为426，粗糙度为0.8。夹具体结构设计主要考虑到两个方面；保证电主轴的装夹精度和整个微型数控铣床各个部分的相对位置要求。为了稳定的夹持电主轴，电主轴孔采用整体式圆柱孔结构，孔的高度为电主轴长的2/3；为了能使电主轴外壁和孔壁均匀接触，夹具的外侧面设计有两个对称的凹槽；为了保证工作台的行程，孔的中心与X, Y工作台的几何中心正对。夹具的CAD结构设计图如图4.1所示。 图4.1电主轴夹具体图4.1.2 电主轴夹具体强度校核（1）切削力分析直齿圆柱铣刀加工工件时刀具受力情况如图4.2所示，各符号所代表的意义如下:图4.2 直齿圆柱铣刀作用在

39、工件上的切削力及其分力实际的切削过程中，刀具主要承受主切削力的作用，径向力的作用很小，本文不予考虑。根据经验公式计算主切削力： （4.1）为刀具磨损系数，选取699；t为工件待切削层宽度，根据实际情况取t为刀具直径的1/4，为0.05mm；B为工件待切削层深度，根据实际情况取B为切削刃长度的1/3,为0.1mm；Z为刀具刃数，z=2; 为刀具的每齿进给量，根据公式=/，根据所购买刀具资料和的推荐值分别为=50900r/min，=290mm/min，故=0.002849mm/z;D为刀具直径，为0.2mm。把上述各参数带入公式（4.1）中可得主切削力； =1.029N。(2) 螺栓强度的校核夹具

40、的受力示意图如图4.3所示图4.3 夹具受力示意图 根据如下已知条件：电主轴重量：103kg；夹具重量：1.19kg；其他附属重量（电主轴冷却系统）：0.5kg；夹具所受重力为G=26.656N，故竖直方向所受的力为，水平方向所受力。在轴向力的作用下所受的工作拉力为 (4.2)在竖直方向上的力的作用下，产生一倾覆力矩M，上面两个螺栓收到加载作用，而下面两个螺栓受到减载作用，故上面的螺栓受力较大，所受倾覆力矩为，上面螺栓所受最大力为 （4.3）故上面的螺栓所受的轴向工作载荷为 在横向力的作用下，结合面可能产生滑移，结合面不产生滑移的条件 （4.4）查机械设计手册结合面间的摩擦系数，相对刚度0.8

41、，防滑系数，则各螺栓所受的预紧力为 （4.5）(3) 各螺栓所受的总拉力为 （4.6）(4) 已知螺栓材料为45钢，查机械设计手册选取性能等级为4.6，相对的材料屈服强度极限，安全系数S=1.5，故螺栓材料的许用应力 （4.7）则螺栓危险截面的直径为所选螺栓为M6，完全能够满足强度要求。4.2 铣床防护罩的设计铣床防护罩的设计包括两个方面：工作台防护罩的设计和铣床整体防护罩的设计。4.2.1 工作台防护罩的设计电主轴在工作过程中，用于润滑电主轴的油气混合液经电主轴缝隙渗漏，电主轴位于XY工作台的上方，如果没有防护装置，油气混合液将进入工作台，XY线性马达平台禁止水和油等工作液的污染，否则将影响

42、工作台的自身性能，甚至损坏工作台，因此有必要设计专门的防护罩保护工作台。所设计的工作台防护罩如图4.4所示，该防护罩有两个功能:第一，收集水和油，保护工作台；第二，起连接夹具和工作台的作用，相当于一块转接板，将台钳固定在工作台上，随工作台一起实现进给运动。考虑到有机玻璃材质较轻，而且便于观察，所以使用有机玻璃加工该防护罩。图4.4工作台防护罩设计效果图4.2.2 铣床整体防护罩的设计由于该设备属于高速加工设备，在加工过程中如果刀具脱落或者切屑飞出，都将直接危及操作者的生命安全，因此必须设计专门的保护装置，防止这种意外的发生，保护操作者的安全。为了方便观察实时加工过程，该防护罩应选用方便观察的材

43、料且具有一定的强度，以防止有意外发生时能有效的遮挡危险物，从而保护操作者，考虑到这些因素，我们选用有机玻璃作为防护罩，该材料透明且具有一定的硬度，能起到很好的防护效果。4.3 微型铣床底座的设计对于微型数控铣床底座的结构没有特殊要求，只需根据工作台及立柱的结构，在特定位置加工螺纹孔以便将工作台及立柱固定在其上方，并保证其位置精度和垂直度。但底座材料的选择对于机床整体性能有很大影响。随着超精密微细加工技术的发展，原来的铁系材料已经不能满足微细加工机床的需要，选用陶瓷、锢钢、零膨胀玻璃、天然花岗岩、大理石等作为结构材料是超精密机床底座的理想材料。树脂混凝土及花岗岩、大理石具有良好的振动衰减特性，用

44、于微型机床的底座及其它部件时使机床具有良好的抗振性。另外，大理石具有较高的稳定性，良好的吸振性及隔振性，导热系数和热膨胀系数小。基于以上优点，本文开发的立式微型数控铣床采用大理石作为基座，如图4.5所示，尺寸为: ，表面粗糙度小于10m，定位孔加工精度为小于lmm。该大理石基座不仅可以吸收机床本身产生的振动，并隔绝外界振动干扰，而且底座受温度变化影响小，能长期保证稳定的精度。图4.5大理石三维效果图5 其它辅助系统选型及设计5.1 振动隔离系统选择 空气环境、热环境超净室能够达到要求，为实现良好的振动环境，实验样机在设计了具有较高的稳定性，良好的吸振性及隔振性，导热系数和热膨胀系数小的大理石底

45、基座的基础上，又选取了ZDT 10-08型复合型自动平衡精密隔振平台，如图5.1所示，台面采用1Cr17高导磁性不锈钢，表面粗糙度0.8m，采用四支撑基础，表面喷汽车油漆并有连接杆，固有频率小于2Hz，采用气浮式自动调平装置，可以将振动控制在一个非常理想的范围之内。 图5.1 ZDT 10-08型复合型自动平衡精密隔振平台5.2 在线监测系统设计 刀具在工件表面的快速精确定位、切削力的精确测定、转速或者进给量的测定及加工过程的可视化是微细加工的必备条件。同时，微细加工和装配过程应尽量避免人为的介入和外界因素的影响，一般采用非接触式无损测量。光电图像检测技术是一种理想的方法，其核心元件是CCD摄

46、像机，它可以在微细加工过程中对微细加工过程实时监控、作为微装配过程的观察和测量手段以及对零件三维几何尺寸进行测量，如图5.2所示。图5.2 在线监测系统示意图6 微型立式数控铣床总体结构设计 本章主要是完成微细铣削机床的整体装配工作，按照微型铣床的结构示意图，将选好的子系统以及设计的部件装配成整机结构。该微型立式数控铣床采用三轴联动加工，机床的本体尺寸540mm×460mm×550mm,工作空间尺寸110mm×110mm×190mm，采用高速电主轴，最高转速可达140000r/min,最大进给速度50mm/min,定位精度1m，完全可以满足微细加工的需求

47、。对微型铣床用Solidworks进行了三维建模，如图6.1所示。图6.1 立式微型数控铣床三维模型该微型立式数控铣床Z方向采用直线电机直接驱动工作台的方式，XY方向采用了线性马达驱动平台，须保证X, Y, Z三个运动轴相互正交，主轴的回转精度平行于Z轴，三个方向都配有光栅尺进行位置反馈监测。刀具安装在电主轴上，随Z轴一起上下移动。设计了电主轴夹具体，电主轴加在夹具体上，实现了电主轴与机体的连接，由精密台钳加持被加工工件，可以使被加工工件夹持后，能够达到准确定位，保障足够的直角度和平行度，夹持牢靠无滑动。在装配时要选用正确的装配方法，正确的装配工具，电主轴在装配前要进行性能测试，装配完成后必须

48、进行系统实验，对各性能指标进行检验。微型铣床工作时，由铣床的数控系统根据数控加工程序的内容，发出各种控制指令，控制电主轴、XYZ方向驱动平台，以及辅助系统，共同完成被加工件的加工。7 结论本文提出了以立式微小加工单元加工微小零件的方案，在总结国内外微小型机床研发成果的基础上，完成了微型数控铣床的整机结构设计，依据该微型铣床加工性能的要求，完成了铣床主轴、进给驱动平台、光栅、精密台钳、冷却枪系统的选型和配置等工作，对于微型铣床的关键的主轴部件，本设计采用电主轴，因为电主轴具有结构紧凑、惯性小、重量轻、动态特性好、调速范围广等优点，特别适用于微型数控铣床的设计。工作台驱动系统采用直线电机，直线电机

49、具有较高的定位精度，快速的响应性以及较强的加减速性，完全可以满足微型铣床的加工要求。完成了底铣床座、防护罩、以及辅助系统的设计，对微型立式数控铣床的电主轴夹具进行了强度校核，能够满足本铣床的微细铣削的要求。本次成功设计了本体尺寸为540mm×460mm×550mm, x、y、z工作空间为110mm×110mm×190mm的三轴联动微型数控铣床。总体设计采用单柱布置方案，加工精度、生产率和自动化程度高，结构简单、紧凑、具有较好的加工性能。致 谢毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分

50、析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文工作打下良好的基础。我的毕业设计题目是微型立式数控铣床的结构设计，通过导师的耐心指导和自己的学习，如期完成了本次毕业设计，在课题的研究和论文撰写过程中，老师对我给予了精心指导和悉心关怀，导师严谨的治学态度、渊博的知识、宽以待人的优秀品质，使我受益匪浅，谨致由衷的感谢！在设计过程中我感觉设计是一个不断发现问题并解决问题的过程，在设计过程中通过不断完善所学的知识使设计更加完善，但同时由于本身所学知识有限，本次设计还存在很多不足之处有待改进。请各位老师批评指正，在设计过程中我深刻体会到自己的所学实在有限，以后我会更加努力学习，做一个合格的工程技术人员。本

51、次毕业设计能够顺利的完成，我还要感谢我的母校，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢机械工程学院的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；感谢我的同学们，他们对我给予了热心的帮助，结下了深厚的友谊，这种友谊是一辈子也不可能忘记。再次由衷感谢各位老师对学生的指导和教诲，我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！参考文献1 王琪民.微型机械导论M.北京:中国科学技术大学出版社.2003:36-86.2 董爱梅.教学型微型铣床的机械系统设计J.机械研究与应用,2005,7（2）:24-

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55、Je T.Lee,J.Choj D. etal study of the M icro Pole strucyure Fabrication and Application Techonlogy by M icro End-M illing Process Key Engineering aterialsJ. 2004,25(9):247-153.- 31 -微型立式数控铣床结构设计- 8 -附录A：外文翻译机床几种形式的优化设计和介观尺度分析Hyung Wook Park·Young Bin Park·Steven Y.Liang摘要：因为技术优势和经济优势普通机床产品正朝着微型化的方向发展。除此之外，微小型机床的响应时间短，因此今后这个方向的发展需要一种系统化的设计方案来减少早期设计的主观性。本论文分析了微型数控铣床结构的优化设计策略，基于个体的重要参数运用集成建模设计方法，例如体积误差和机床的工作空间，以及静态、温度和动刚度。这种综合分析方法的