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 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
2、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 machining technique, micro-cutting technique is an efficient method to carry out high productivity and high precision micro manufacture for micron and meso scale miniaturi
3、zed parts with traditional machining methods. Ultra-precision machine tool is an important equipment to conduct micro-cutting. However, 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 analysisand comparison,a 3-axis linked miniature CNC milling machine tool system was su
4、ccessfully 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 design 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 spin
5、dle of ceramic ball 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 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
6、the whole machines structural design can meet the machining precision requirement ischecked.Successful design ofamicro-vertical CNCmilling 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 ;3DII目 录摘 要ABSTRACT1 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
7、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100m和lOmm之间，利用微
8、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、
9、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（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
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