1、微型立式數控銑床結構設計學 院： 專業、 班級： 學 生 姓 名： 指導教師（職稱）： 完 成 日 期： 微型立式數控銑床結構設計總計：畢業論文： 49 頁 表 格： 7 表 插 圖： 26 幅說明書+圖紙（CAD、三維圖）+外文翻譯如有需要請聯系qq：1079663995 指導教師： 評 閱 人： 完成時間： 摘 要微細切削加工技術作為重要的軍民兩用技術，己經成為現代科技研究的前沿課題之一。微細切削加工技術區別于MEMS技術和超精密加工技術，是利用傳統加工方式針對微米級以下小零件進行高效率、高精度的微細制造。為了降低機床成本、提高加工效率、減少能耗，國內外正在發展微型機床和微型工廠。本文在大

2、量查閱國內外資料的基礎上，經過分析和比較，設計并構建了一臺專用于微細銑削加工的微型立式數控銑床系統。完成了微型數控銑床總體方案設計，確立了機床的整機結構、總體布局以及關鍵部件(控制系統、主軸系統、進給系統、精密臺鉗系統、刀具冷卻系統、加工環境系統、夾具體和機床底座等)的選型與設計，研發出采用陶瓷球軸承油氣潤滑高速電主軸、直線電機十精密光柵尺的進給伺服系統以及基于IPC的三軸運動控制的微型立式數控銑床。微型銑床整機結構設計對加工精度影響顯著，整機結構設計將直接影響整個微型銑床的加工精度。本文對微型數控銑床的主要部件進行選型分析，對整機在結構設計上能否滿足加工精度設計要求進行了校驗，成功設計了一臺

3、微型立式數控銑床。結果證明所設計的微型銑床能夠實現微米級的進給，能夠滿足后續微細銑削加工的研究。關鍵詞：微型銑床；進給系統；立式結構設計；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 錄摘 要ABSTRACT1

11、緒論11.1 微型機床研究背景及意義11.2 微型機床國內外發展現狀11.3 本課題研究的主要內容62 微型立式數控銑床的總體設計方案72.1 微型立式數控銑床的基本參數72.2 微型立式數控銑床的布局形式82.3 微型立式數控銑床的整體結構方案93 微型立式數控銑床各系統選型及配置113.1 電主軸子系統113.2 工作臺驅動子系統133.3 精密臺鉗子系統163.4 刀具冷卻子系統174 微型立式數控銑床各部件的校核與設計194.1 夾具體設計與校核204.2 銑床防護罩的設計224.3 銑床底座的設計235 其他輔助系統設計255.1 隔離振動方案系統255.2 在線監測系統256 微型

12、立式數控銑床總體結構設計277 結論29致 謝30參考文獻31附錄A：外文翻譯32附錄B：外文原文38微型立式數控銑床結構設計1 緒論1.1 研究的背景意義 隨著航空航天、國防工業、微電子行業、現代醫學以及生物工程技術的發展，精密/超精密三維微小零件(尺寸特征在微米到毫米級)的需求日益迫切。其結構形狀的特異化、零件材料的多樣化、尺寸及表面質量的高精度化成為三維微小零件及其微型裝置設備的顯著特征，在使用功能、材料特性、結構形狀、可靠性等方面的要求也越來越高。 微細加工就是一種介于普通宏觀機床加工和MEMS制造之間的一種技術。簡單來說，微細加工就是用微型機床來加工微小零件，被加工零件的尺寸在100

13、m和lOmm之間，利用微型機床加工微小零件在結構成型和材料多樣性方面有獨特的優勢。微型機床不僅有助于提高空間利用率和降低成本，而且由于慣性減小，從而容易達到高速加工和高精度運動控制。目前許多由金屬材料制成的精密三維微小零件，都是利用常規尺寸的精密與超精密機床加工成的。這些機床主要用于加工高精度的宏觀幾何尺寸零件，而對生產微小零件則成本高、效率低、靈活性差。因此，微型機床及其組成的系統日益成為解決上述矛盾的一項新技術。因此，對微型機床及微細銑削加工技術的研究具有重要的理論意義和實際應用前景。1.2 微型機床的國內外發展現狀微型機械制造系統被譽為20世紀10大關鍵技術之首。MMT是屬于微小型機械制

14、造系統的重要組成部分，是連接微觀和宏觀制造領域的技術橋梁，是21世紀的重點發展方向，受到世界各國的高度重視。日本、美國和歐洲等發達國家都投入了大量的人力、物力和財力開展MMT方面的研制與開發。日本是較早開發微小型加工單元的國家。1990年，日本通產省機械技術研究所(MEL)首先提出了桌面微工廠(DesktopMicro-factory)的概念，并于1999年制成了世界上第一套桌面微工廠(圖1.1)，由車床、銑床、沖壓床、搬運機械手和裝配用機械手組成。桌面式微工廠的概念強調體積小巧并可以應用先進的制造技術加工微小零件的能力，特別具有節能、環保等優勢，是綠色制造的發展方向之一。圖1.1 日本通產省

15、機械技術研究所的桌面微工廠日本產業技術綜合研究所(AIST)于1998年主導進行Micro Factory開發計劃(投入250億日元)開發出當時世界上最小的車床，2000年“科學技術周”期間又展示了手提式微小型加工系統，該系統是集車削、磨削、鉆削、沖壓及搬運機械手于一體的桌面式微小零件制造系統，驗證了“微小機床加工微小零件”的可行性，日本NANO株式會社于2005年研制成NANOWAVE超小型精密CNC機床(圖1.2)。圖1.2日本NANO株式會社研制成NANOWAVE超小型精密CNC機床美國WTEC (Word Technology Evaluation Center, Inc.)和NSF（

16、National Science Foundation)等機構于2002年共同出資，針對國際上Non-MEMS微型加工技術研究發展現狀與趨勢組成考察團進行詳細調研，并于2005年形成分析報告，調查分析報告指出，Non-MEMS微制造技術將成為21世紀重要的新技術，它是連接微觀與宏觀制造領域的橋梁技術，是改變傳統加工理念(加工時間、地點、方式)的技術，是改變生產力分配方式的技術(微制造可成為家庭手工業)，它是增強美國競爭優勢的戰略性技術。美國佐治亞理工學院、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、密西根大學、威斯康辛大學等都針對微小制造系統開展了廣泛的研究，一些研究成果已成功用于航空航天、生物醫療等領

17、域。西北大學和伊利諾伊斯大學研制的微小型車床，其主軸轉速可達到200, 000 rpm。圖1.3美國西北大學研制的微小車床圖1.4威斯康辛大學研制的微小車床圖1.5美國密西根大學研制的微小車床我國微型機械研究的起步并不算晚, 1988年國家自然科學基金委批準東南大學靜電微馬達方面研究的基金申請，從此開始了微型機械某些領域的研究。南京航空航天大學、哈爾濱工業大學、北京航空精密機械研究所、清華大學等針對微小型機床都開展了積極研究。時至今日，在微小型制造、微小型切削技術方面國內一些單位的研究工作卓有成效，取得了可喜的成就。北京航空航天大學的邱時前等開發了一臺由高速電主軸、精密轉臺、精密直線運動平臺和

18、基于PC的PMAC運動控制卡組成的五坐標微銑削機床，并開發了可編輯和執行G代碼程序的數控系統；利用該機床進行了薄壁、直槽和牙冠體加工實驗，對薄壁和直槽加工實驗結果進行了分析。如圖1.6所示，機床本體尺寸為900mm×700mm×800mm有用大理石底座。進給驅動系統由三軸超高精度直線運動軸和兩軸直接驅動轉臺組成，XYZ各軸的行程為102mm，分辨率為100nm，定位精度士0.5um。電主軸型號為NSKE402-N40，最大輸出功率210w，轉速范圍為200040000r/min，最大力矩6.9，跳動量小于O.lum。圖1.6 北京航空航天大學研制的微型機床上海交通大學振動國

19、家重點實驗室與機械系統和美國密西根大學吳賢銘先進制造中心在分析微細銑削加工要求和成形條件的基礎上，共同設計制造了一臺三自由度介觀尺度微型銑床，如圖1.7所示，系統采用臥式結構，總體尺寸為270mm×190mm×220mm，加工范圍為30×30×30mm3;，具有系統剛度高和定位精度高等優點。其定位系統為傳統電動機絲杠定位，定位精度達1.62um，分辨率可達50nm，重復定位精度0.313um，工作行程為30mm，X向直線度士0.159 um，Y向直線度士0.328 um，系統采用氣動馬達，主軸跳動度在1 um以內，最高轉速為120kr/min。圖1.7

20、上海交通大學研制的微型機床綜合國內外桌面式微小機床的研究情況，當代微小機床的研究主要集中于以下幾個方面：1)微切削應用技術 包括微型零件切削加工裝備關鍵技術，主要是高速主軸系統，精密工作臺的定位、運動及控制技術復合微切削加工設備與技術；微切削刀具材料和道具制作技術；微切削刀具、工件的快速裝夾、測試及微切削加工過程的監控技術。2)微切削機理 主要是熱力藕合應力作用下的微切削不均勻變形場，微尺度下工件材料的本構方程，微切削變形區的尺寸效應、不均勻應變、位錯等對剪切變形應力和剪切變形能的影響；最小切削厚度對切屑形態、已加工表面形成、切削力、切削溫度等的影響，及工件材料微觀組織結構對表面粗糙度和次表面

21、損傷的影響，微切削加工理論和技術體系；多尺度微細切削模擬仿真技術。3)微切削工藝研究包括各種新材料如鋼鐵、鈦合金、不銹鋼、鋁合金、陶瓷和其他非金屬材料以及各種復合材料的微切削加工工藝，微切削CAD/CAM技術。4)實用化微制造系統的設計原理方法與相關應用技術的研究。1.3 本課題研究的主要內容1)微型立式數控銑床主要技術參數的確定。2)設計研究滿足微細銑削加工要求和成形條件的微型機床系統，包括對系統的結構設計和各子系統設備選型與研發，最后完成了微型數控銑床的搭建。3)微型立式數控銑床的電主軸夾具體校核、分析。2 微型立式數控銑床的總體設計方案2.1 微型立式數控銑床的基本參數機床設計的初始，首

22、先需確定有關參數，它們是傳動設計和進給設計的依據，影響到產品是否能滿足所需要的功能要求，因此，參數擬定是機床設計中的重要問題。機床參數有主要參數和基本參數。主參數是最重要的，它直接反映機床的加工能力、特性、決定和影響其他基本參數的數值。如銑床的工作臺寬度等?；緟凳且恍┡c加工工件尺寸、機床結構、運動和動力特性有關的參數。可歸納為：尺寸參數、運動參數和動力參數。立式微型數控銑床的技術參數如表1所示：110mm×165mm×190mm表2.1 微型立式數控銑床參數表項目技術參數技術指標床身本體結構加工能力微型銑床整體尺寸立式三軸聯動540mm×460mm×

23、550mm進給伺服系統行程（工作空間）最大速度定位精度重復定位精度分辨率110mm×110mm×190mm50mm/s1m0.2m20nm電主軸最高轉速徑向跳動動平衡精度軸承形式140000r/min0.2mG0.4陶瓷球軸承，油氣潤滑2.2 微型立式數控銑床的布局形式立式數控銑床是數控銑床中數量最多的一種，應用范圍也最為廣泛。微型數控銑床一般都采用工作臺移動、升降及主軸轉動方式，與普通立式升降臺銑床結構相似；中型立式數控銑床一般采用縱向和橫向工作臺移動方式，且主軸沿垂直溜板上下運動；大型立式數控銑床，因要考慮到擴大行程、縮小占地面積及剛性等技術問題，往往采用龍門架移動式，

24、其主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向運動。從機床數控系統控制的坐標數量來看，目前3坐標立式數控銑床仍占大多數。一般可進行3坐標聯動加工，但也有部分機床只能進行3坐標中的任意2個坐標聯動加工。此外，還有機床主軸可以繞X, Y, Z坐標軸中其中一個或兩個軸作數控擺角運動的4坐標和5坐標立式數控銑床。一般來說，機床控制的坐標軸越多，特別是要求聯動的坐標軸越多，機床的功能、加工范圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結構更復雜，對數控系統的要求更高，編程的難度更大，設備的價格也更高。圖2.1所示是立式數控銑床常見的三種布局形式。由溜板和工作臺實現平面上X, Y兩個

25、坐標軸的移動，主軸箱沿立柱導軌上下實現Z坐標移動。 （a） （b） (c)圖2.1立式微型銑床的常用布局形式綜上所述，考慮微型銑床應用的廣泛性以及所作相關的項目的實際情況，本設計采用的是(a)所示的工作臺X, Y軸相互疊加移動，電主軸在Z軸方向上移動的布局形式。為了實現亞微米級進給精度的銑刀銑削加工3D微小金屬零件，通過調研，微型立式數控銑床選用了基于商品化的六個子系統:1)微型數控銑床控制系統；2)基于旋轉刀具的主軸系統；3)工件的進給系統；4)加持工件的精密臺鉗子系統；5)刀具冷卻子系統；6)加工環境控制子系統等。這六大子系統通過分析最終確定其型號。2.3 微型立式數控銑床的整體結構方案數

26、控銑床應滿足以下要求：良好的靜、動剛度；較小的熱變形；機床各進給運動有良好的低速性能；機床結構布局應有良好的人機關系（如面板、操作臺位置布局等）和較高的環保標準。這里設計的三軸數控微小銑床的總體結構布局應按上述要求，既能滿足機床性能、加工適應范圍等內部因素考慮確定各機構位置，同時亦滿足從外觀、操作、管理到人機關系等外部因素考慮安排機床總體布局。在微細銑削過程中，銑削需要兩個運動，主運動即刀具的旋轉運動及進給運動。微細銑削必須能夠加工不同厚度的微小零件，這就需要微小銑床的主軸能夠在垂直方向上可以調整，水平方向有相對運動；垂直方向上采用主軸的升降來實現，而對于水平方向相對于主軸的運動是為了實現一定

27、的加工長度，這可以用工作臺的運動來實現，再加上主軸的自身的旋轉，所以整個微小銑床需要有四個自由度，分別為X方向、Y方向、Z方向和主軸的旋轉運動n。圖2.2為微小銑床運動模型圖。 圖2.2 微型立式銑床運動模型圖本設計主要目標是構建一臺適用于微小零件微細銑削的微型數控銑床，機床采用立式三坐標結構配置，X,Y二維工作臺帶動工件實現X,Y兩個方向的直線運動；垂直布置的Z向工作臺帶動安裝于其上的高速銑削電主軸子系統作上下的直線運動，互不干擾。為了提高結構的動剛度，在保證靜剛度的前提下，選擇阻尼系數大的材料人造花崗巖作為微型銑床的底座材料。為了減少運動部件的重量和傳動系統的慣量，三軸工作臺的外殼均選用比

28、重小的鋁合金材料作為運動部件的結構材料。三軸伺服電機及電主軸的采用簡化了傳動系統，縮短了傳動鏈，提高了機床的運動品質。鑒于所采用的電主軸尺寸和重量較小，被加工零件的尺寸、重量以及加工時的切削力也較小，故該微型銑床設計成水平X,Y工作臺疊加的進給平臺結構，刀具安裝在電主軸上，隨Z軸一起上下移動。按照結構示意圖2.3所示的結構，須保證X,Y,Z三個運動軸相互正交，主軸的回轉精度平行于Z軸。 圖2.3 立式微型數控銑床結構示意圖3 微型立式數控銑床各系統選型及配置3.1 電主軸子系統考慮到微細銑削加工過程中的銑刀、零件尺寸和切削力都較小，同時為了實現高精度運動控制和高效率的加工，在選擇微細銑床組件的

29、過程中不可避免的會出現一些新的問題。比如，采用直徑O.5mm的銑刀銑削硬鋁，常用的每齒進給量約為5m，當主軸轉速在60000r/min以上時，此時進給速度應為10mm/s20mm/s，因此選擇何種主軸技術以達到超高轉速的同時保證較小的主軸跳動量，是實現微細銑削的關鍵因素之一。針對研究需要和微細銑削加工的特點，其所選用的主軸需要很高的轉速，較高的剛度和回轉精度。本設計采用高速電主軸作為該銑床的主軸。電主軸技術，即:機床主軸與電機軸合二為一，近些年數控機床領域出現的一種新技術。電主軸技術的關鍵在于將主軸電機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，動力傳遞不再使用齒輪傳動副或皮帶。電主軸具有結構緊湊、慣

30、性小、重量輕、動態特性好、調速范圍廣等優點，電主軸的產生和應用，改善了機床的動平衡，減少了機床振動和噪聲，在超高速高精密數控加工中應用廣泛。遵循高回轉精度、高剛度、高轉速、小尺寸和低成本的選型原則，微型數控銑床選用瑞士IBAG公司生產的具有剛性好的陶瓷球軸承支撐小型電主軸，其型號為HF42S120C，如圖3.1所示，其主要性能參數如表3.1所示。 圖3.1 HF42S120C型電主軸表3.1 HF42S120C型電主軸性能參數另外，該電主軸配有油氣潤滑冷卻裝置，可保證其在高轉速的狀態下順利運行，并能帶走因摩擦所產生的熱量，同時，還配有冷卻水冷卻電主軸裝置，通過水循環帶走電主軸產生的熱量。另外，

31、電主軸配有ER8的夾頭，可裝夾刀柄直徑為1-5mm的刀具，該夾頭具有較高的接觸剛度和重復定位精度，并具有良好的高速鎖緊性。其油氣潤滑和噴注潤滑原理如圖3.2、圖3.3所示。圖3.2 油氣潤滑原理 圖3.3 噴注潤滑原理3.2 工作臺驅動子系統對于銑床進給系統，由于刀具尺寸的縮小和主軸轉速的提高，實際加工中走刀軌跡復雜程度提高，要求驅動單元具有較高的加工速度和加減速度，傳統的滾珠絲杠加旋轉電機的驅動方式顯然難以滿足需要，直線電機省略了中間傳動環節，采用電磁力推動，加工過程中可以實現高速精確跟蹤，不失為一種較好的驅動方式。直線電機具有的結構簡單、反應速度快、靈敏度高、工作穩定可靠，壽命長、結構敞開

32、性好，散熱效果較好、有精密的定位和自鎖能力、行程長度不受限制等特點，所以選用直線電機作為微型銑床工作臺驅動系統。由于直流電機易于調速，以往直線電機用作伺服電機主要是采用直流電機。但是交流直線電機有結構簡單、成本低廉、無電刷磨損、維修方便等優點，隨著交流伺服技術(變頻調速技術、矢量控制技術)的發展，交流直線電機近年來在直線運動單元中得到越來越多的應用。目前在直線運動單元上應用的主流是感應式直線交流伺服電機和永磁式直線交流伺服電機，它們各有優缺點。表3.2給出了兩種直線電機的主要性能比較。表3.2 感應式和永磁式直線電機的主要特性對比 電機類型永磁式感應式單位面積電磁推力大小效率高低磁極位置傳感器

33、要不要運動平穩性好較好可控性好較差動力制動可能無對氣隙的要求低高永磁式直線電機在單位面積推力、效率、功率因素、可控性、運動平穩、位置精度等方面均優于感應式直線電機，所以本設計采用三相永磁無刷電機。本設計的微型銑床的X、Y軸定位系統選用臺灣大銀科技公司生產的XY線性馬達平臺，如圖3.4所示，該線性馬達平臺具有高速度、高加速度、精確性高且定位快速、無摩擦損耗、運動平順、可靠度高、耐久使用、維護簡單、小型化設計所需空間小、單軸上可有復數動子等特性，完全可以滿足微型立式數控銑床的設計要求。其性能參數如表3.3所示。 圖3.4 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20 XY線性馬達平臺 表3.

34、3 LMX2E-CB5-CB8-144-179-G20型XY線性馬達平臺性能參數本設計Z軸方向驅動平臺選用科爾摩根公司生產的PLATINUM-DDL系列的直接驅動直線電機，型號是ICD10-030，如圖3.5所示。根據以往銑削加工的經驗，銑削的加速度一般都小于2m/s2，該型號的直線電機的峰值推力為340N，持續推力為104N，在微型銑床的最大承載力為20kg的情況下，垂直軸的加速度為：。由此可知，此型號電機完全滿足微型銑床的要求。其具體性能參數如表3.4所示。圖3.5 ICD10-030型直接驅動直線電機表3.4 ICD10-030型直線電機性能參數為了保證機床實際加工的精度符合要求，三個方

35、向的加工平臺均采用了MicroE的線性光柵進行位置反饋，如圖3.6所示，其分辨率為0.1m，線位移測量分辨率為2nm，完全可以滿足本微小機床的精度。圖3.6 MicroE線性光柵3.3精密臺鉗子系統臺鉗是用來夾持被加工工件的裝置，要求對被加工工件夾持后，能夠達到準確定位，保障足夠的直角度和平行度，并要求夾持牢靠無滑動。本微型數控銑床選用了日本JAM公司WS80精密臺鉗，如圖3.7所示,WS80型臺鉗采用SKS材料，硬度可達60HRC。該精密臺鉗采用獨特的扳手鎖扣型設計，通過在45°下前方向施加夾持力防止工件浮起，確保了夾持定位可靠滑移。規格參數如表3.5所示。 圖3.7 WS80精密

36、臺鉗系統表3.5 WS80型精密臺鉗規格參數 3.4刀具冷卻子系統銑削加工過程中，刀具高速旋轉進行切削的過程中，會產生大量的熱量，如果這些熱量長時間產生而不及時傳遞出去，將大大影響刀具的強度，刀具非常容易損壞，因此，很有必要對刀具進行冷卻，同時，在進行微細銑削加工過程中，需要適時觀察切削加工的狀態，切屑必須及時清理，考慮到以上兩點，刀具的冷卻選用空氣冷卻，一方面能及時帶走加工過程中產生的熱量，另一方面將切削吹走，便于觀察?；谏鲜龇治?，本文所研制的微型數控銑床選用美國依愛(EXAIR)公司生產的刀具冷卻槍系統，如圖3.8所示，該冷卻槍系統由渦旋管組成，渦旋管使普通壓縮空氣變成冷熱兩股低壓氣流。

37、熱氣流被抑制器抑制住，從熱氣出口排出。冷氣流也被抑制反向從萬向管排出。該萬向管即直接指向需冷卻的部位。壓縮空氣可冷卻到零下300°另外，該冷卻槍系統安裝方便，可將冷卻空氣直接引向刀頭，實現刀具的冷卻，延長刀具壽命。其主要性能參數如表3.6所示。表3.6 3825J型冷卻搶性能參數表圖3.8 3825J型可調冷卻搶系統4 微型立式數控銑床各部件的校核與設計4.1 電主軸夾具體設計及校核4.1.1 電主軸夾具體設計考慮到鋁材質量較輕，可減輕夾具的重量，而且鋁材延展性較好，便于電主軸安裝，因此，選用鋁材作為夾具體的材料。電主軸夾具的設計技術要求為:在保證電主軸能夠順利安裝的基礎上，確保不影

38、響電主軸的自身性能，根據電主軸配套技術要求，主軸孔的大小為426，粗糙度為0.8。夾具體結構設計主要考慮到兩個方面；保證電主軸的裝夾精度和整個微型數控銑床各個部分的相對位置要求。為了穩定的夾持電主軸，電主軸孔采用整體式圓柱孔結構，孔的高度為電主軸長的2/3；為了能使電主軸外壁和孔壁均勻接觸，夾具的外側面設計有兩個對稱的凹槽；為了保證工作臺的行程，孔的中心與X, Y工作臺的幾何中心正對。夾具的CAD結構設計圖如圖4.1所示。 圖4.1電主軸夾具體圖4.1.2 電主軸夾具體強度校核（1）切削力分析直齒圓柱銑刀加工工件時刀具受力情況如圖4.2所示，各符號所代表的意義如下:圖4.2 直齒圓柱銑刀作用在

39、工件上的切削力及其分力實際的切削過程中，刀具主要承受主切削力的作用，徑向力的作用很小，本文不予考慮。根據經驗公式計算主切削力： （4.1）為刀具磨損系數，選取699；t為工件待切削層寬度，根據實際情況取t為刀具直徑的1/4，為0.05mm；B為工件待切削層深度，根據實際情況取B為切削刃長度的1/3,為0.1mm；Z為刀具刃數，z=2; 為刀具的每齒進給量，根據公式=/，根據所購買刀具資料和的推薦值分別為=50900r/min，=290mm/min，故=0.002849mm/z;D為刀具直徑，為0.2mm。把上述各參數帶入公式（4.1）中可得主切削力； =1.029N。(2) 螺栓強度的校核夾具

40、的受力示意圖如圖4.3所示圖4.3 夾具受力示意圖 根據如下已知條件：電主軸重量：103kg；夾具重量：1.19kg；其他附屬重量（電主軸冷卻系統）：0.5kg；夾具所受重力為G=26.656N，故豎直方向所受的力為，水平方向所受力。在軸向力的作用下所受的工作拉力為 (4.2)在豎直方向上的力的作用下，產生一傾覆力矩M，上面兩個螺栓收到加載作用，而下面兩個螺栓受到減載作用，故上面的螺栓受力較大，所受傾覆力矩為，上面螺栓所受最大力為 （4.3）故上面的螺栓所受的軸向工作載荷為 在橫向力的作用下，結合面可能產生滑移，結合面不產生滑移的條件 （4.4）查機械設計手冊結合面間的摩擦系數，相對剛度0.8

41、，防滑系數，則各螺栓所受的預緊力為 （4.5）(3) 各螺栓所受的總拉力為 （4.6）(4) 已知螺栓材料為45鋼，查機械設計手冊選取性能等級為4.6，相對的材料屈服強度極限，安全系數S=1.5，故螺栓材料的許用應力 （4.7）則螺栓危險截面的直徑為所選螺栓為M6，完全能夠滿足強度要求。4.2 銑床防護罩的設計銑床防護罩的設計包括兩個方面：工作臺防護罩的設計和銑床整體防護罩的設計。4.2.1 工作臺防護罩的設計電主軸在工作過程中，用于潤滑電主軸的油氣混合液經電主軸縫隙滲漏，電主軸位于XY工作臺的上方，如果沒有防護裝置，油氣混合液將進入工作臺，XY線性馬達平臺禁止水和油等工作液的污染，否則將影響

42、工作臺的自身性能，甚至損壞工作臺，因此有必要設計專門的防護罩保護工作臺。所設計的工作臺防護罩如圖4.4所示，該防護罩有兩個功能:第一，收集水和油，保護工作臺；第二，起連接夾具和工作臺的作用，相當于一塊轉接板，將臺鉗固定在工作臺上，隨工作臺一起實現進給運動?？紤]到有機玻璃材質較輕，而且便于觀察，所以使用有機玻璃加工該防護罩。圖4.4工作臺防護罩設計效果圖4.2.2 銑床整體防護罩的設計由于該設備屬于高速加工設備，在加工過程中如果刀具脫落或者切屑飛出，都將直接危及操作者的生命安全，因此必須設計專門的保護裝置，防止這種意外的發生，保護操作者的安全。為了方便觀察實時加工過程，該防護罩應選用方便觀察的材

43、料且具有一定的強度，以防止有意外發生時能有效的遮擋危險物，從而保護操作者，考慮到這些因素，我們選用有機玻璃作為防護罩，該材料透明且具有一定的硬度，能起到很好的防護效果。4.3 微型銑床底座的設計對于微型數控銑床底座的結構沒有特殊要求，只需根據工作臺及立柱的結構，在特定位置加工螺紋孔以便將工作臺及立柱固定在其上方，并保證其位置精度和垂直度。但底座材料的選擇對于機床整體性能有很大影響。隨著超精密微細加工技術的發展，原來的鐵系材料已經不能滿足微細加工機床的需要，選用陶瓷、錮鋼、零膨脹玻璃、天然花崗巖、大理石等作為結構材料是超精密機床底座的理想材料。樹脂混凝土及花崗巖、大理石具有良好的振動衰減特性，用

44、于微型機床的底座及其它部件時使機床具有良好的抗振性。另外，大理石具有較高的穩定性，良好的吸振性及隔振性，導熱系數和熱膨脹系數小?；谝陨蟽烖c，本文開發的立式微型數控銑床采用大理石作為基座，如圖4.5所示，尺寸為: ，表面粗糙度小于10m，定位孔加工精度為小于lmm。該大理石基座不僅可以吸收機床本身產生的振動，并隔絕外界振動干擾，而且底座受溫度變化影響小，能長期保證穩定的精度。圖4.5大理石三維效果圖5 其它輔助系統選型及設計5.1 振動隔離系統選擇 空氣環境、熱環境超凈室能夠達到要求，為實現良好的振動環境，實驗樣機在設計了具有較高的穩定性，良好的吸振性及隔振性，導熱系數和熱膨脹系數小的大理石底

45、基座的基礎上，又選取了ZDT 10-08型復合型自動平衡精密隔振平臺，如圖5.1所示，臺面采用1Cr17高導磁性不銹鋼，表面粗糙度0.8m，采用四支撐基礎，表面噴汽車油漆并有連接桿，固有頻率小于2Hz，采用氣浮式自動調平裝置，可以將振動控制在一個非常理想的范圍之內。 圖5.1 ZDT 10-08型復合型自動平衡精密隔振平臺5.2 在線監測系統設計 刀具在工件表面的快速精確定位、切削力的精確測定、轉速或者進給量的測定及加工過程的可視化是微細加工的必備條件。同時，微細加工和裝配過程應盡量避免人為的介入和外界因素的影響，一般采用非接觸式無損測量。光電圖像檢測技術是一種理想的方法，其核心元件是CCD攝

46、像機，它可以在微細加工過程中對微細加工過程實時監控、作為微裝配過程的觀察和測量手段以及對零件三維幾何尺寸進行測量，如圖5.2所示。圖5.2 在線監測系統示意圖6 微型立式數控銑床總體結構設計 本章主要是完成微細銑削機床的整體裝配工作，按照微型銑床的結構示意圖，將選好的子系統以及設計的部件裝配成整機結構。該微型立式數控銑床采用三軸聯動加工，機床的本體尺寸540mm×460mm×550mm,工作空間尺寸110mm×110mm×190mm，采用高速電主軸，最高轉速可達140000r/min,最大進給速度50mm/min,定位精度1m，完全可以滿足微細加工的需求

47、。對微型銑床用Solidworks進行了三維建模，如圖6.1所示。圖6.1 立式微型數控銑床三維模型該微型立式數控銑床Z方向采用直線電機直接驅動工作臺的方式，XY方向采用了線性馬達驅動平臺，須保證X, Y, Z三個運動軸相互正交，主軸的回轉精度平行于Z軸，三個方向都配有光柵尺進行位置反饋監測。刀具安裝在電主軸上，隨Z軸一起上下移動。設計了電主軸夾具體，電主軸加在夾具體上，實現了電主軸與機體的連接，由精密臺鉗加持被加工工件，可以使被加工工件夾持后，能夠達到準確定位，保障足夠的直角度和平行度，夾持牢靠無滑動。在裝配時要選用正確的裝配方法，正確的裝配工具，電主軸在裝配前要進行性能測試，裝配完成后必須

48、進行系統實驗，對各性能指標進行檢驗。微型銑床工作時，由銑床的數控系統根據數控加工程序的內容，發出各種控制指令，控制電主軸、XYZ方向驅動平臺，以及輔助系統，共同完成被加工件的加工。7 結論本文提出了以立式微小加工單元加工微小零件的方案，在總結國內外微小型機床研發成果的基礎上，完成了微型數控銑床的整機結構設計，依據該微型銑床加工性能的要求，完成了銑床主軸、進給驅動平臺、光柵、精密臺鉗、冷卻槍系統的選型和配置等工作，對于微型銑床的關鍵的主軸部件，本設計采用電主軸，因為電主軸具有結構緊湊、慣性小、重量輕、動態特性好、調速范圍廣等優點，特別適用于微型數控銑床的設計。工作臺驅動系統采用直線電機，直線電機

49、具有較高的定位精度，快速的響應性以及較強的加減速性，完全可以滿足微型銑床的加工要求。完成了底銑床座、防護罩、以及輔助系統的設計，對微型立式數控銑床的電主軸夾具進行了強度校核，能夠滿足本銑床的微細銑削的要求。本次成功設計了本體尺寸為540mm×460mm×550mm, x、y、z工作空間為110mm×110mm×190mm的三軸聯動微型數控銑床?？傮w設計采用單柱布置方案，加工精度、生產率和自動化程度高，結構簡單、緊湊、具有較好的加工性能。致 謝畢業設計是對我們知識運用能力的一次全面的考核，也是對我們進行科學研究基本功的訓練，培養我們綜合運用所學知識獨立地分

50、析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業學術論文工作打下良好的基礎。我的畢業設計題目是微型立式數控銑床的結構設計，通過導師的耐心指導和自己的學習，如期完成了本次畢業設計，在課題的研究和論文撰寫過程中，老師對我給予了精心指導和悉心關懷，導師嚴謹的治學態度、淵博的知識、寬以待人的優秀品質，使我受益匪淺，謹致由衷的感謝！在設計過程中我感覺設計是一個不斷發現問題并解決問題的過程，在設計過程中通過不斷完善所學的知識使設計更加完善，但同時由于本身所學知識有限，本次設計還存在很多不足之處有待改進。請各位老師批評指正，在設計過程中我深刻體會到自己的所學實在有限，以后我會更加努力學習，做一個合格的工程技術人員。本

51、次畢業設計能夠順利的完成，我還要感謝我的母校，是她為我們提供了學習知識的土壤，使我們在這里茁壯成長；其次我要感謝機械工程學院的老師們，他們不僅教會我們專業方面的知識，而且教會我們做人做事的道理；感謝我的同學們，他們對我給予了熱心的幫助，結下了深厚的友誼，這種友誼是一輩子也不可能忘記。再次由衷感謝各位老師對學生的指導和教誨，我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報母校的培育之情，爭取使自己的人生對社會產生些許積極的價值！參考文獻1 王琪民.微型機械導論M.北京:中國科學技術大學出版社.2003:36-86.2 董愛梅.教學型微型銑床的機械系統設計J.機械研究與應用,2005,7（2）:24-

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