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通過（guò）刀具主軸的（de）精（jīng）細運動實現高精度切削

2024-5-31 來源：- 作（zuò）者：吉（jí）岡隼人

【摘要】近年來，隨著產品水平的提（tí）高，對加工精度的要（yào）求也越來越嚴（yán）格。另外，還希望（wàng）實現具有微細結（jié）構功（gōng）能表麵（miàn）的三（sān）維曲麵（miàn）等更複雜的形狀加工。在本研究中，為了提高銑削加工的水平，通過使刀具主軸在XY和Z軸方向微動，來減少振動誤差並實現（xiàn）精細圖案加工。具體介紹如下:在主軸頭設置（zhì）小型振動單元，通過反饋測量的振動信號，抑製XY平麵（miàn）內的誤差;以及在主軸上嵌入超磁（cí）致伸縮元件，利用外（wài）部磁場進行微小定位的結構。

近年來，為（wéi）了實現（xiàn）高附加價值的產品和器件，各（gè）產業領域對三維複雜形狀（zhuàng）的加工（gōng）要求不斷增加。特別是（shì）通過表麵具有微細圖案而表現出特殊功（gōng）能的功能（néng）表麵早已為人所知，被稱為Bio Inspired Manufacturing(仿生製造）的生物模仿製造備受關注1)。預計未來將需要在（zài）加工三維形狀的同時在（zài）其表麵加工出精細圖案的技（jì）術。

在表麵上形成微結構的MEMS加工技（jì）術的應（yīng）用正在廣泛普及，很多領域都已經（jīng）得到了應用。通過應用MEMS加工技術，加工單位更小，加工更精細，從而實現更高效的形狀製造。但是MEMS加工技術在大多數情況下也存在（zài）應用上的限製，如受加工對象材料（liào）限製，難以適（shì）用於任意曲麵形狀等。另一方麵，由於（yú）傳統的機械加（jiā）工是物理性加（jiā）工，所以具有（yǒu）可對廣泛的材料進行加工，還可製造溝槽、台階以及三維曲麵等形狀的特點。在對無數細微形狀（zhuàng）的加（jiā）工中，我們需要讓機器按（àn）照其形狀移動，這需要大量的加工時間。

本文以實現機械加工，特別是使用立銑刀銑削加工的高精度和高功能化（huà）為目（mù）標，介紹了我們（men）研究（jiū）小組正在研究的通過使刀具主軸微小位移來（lái）提高設備加（jiā）工水平的相關內（nèi）容。

一（yī）、機械加工的高精度化與微驅動

1．去除（chú）加工中的母（mǔ）性原理

機械加工包括利用材料變形的（de）塑性加工，去（qù）除材料的切削加工、磨削加工以及研磨加工等多種類（lèi）型。本文以切削加工，特別是使用立銑（xǐ）刀加工，——即高精度銑削加工為對象。

如圖1所示，銑削加工是（shì）利用主軸使多（duō）刃刀具（jù）高速旋轉，對工件進行（háng）三維相對運（yùn）動，從而削去不需要的部（bù）分，創造出所需加工形（xíng）狀的（de）加工方法（fǎ）。因此（cǐ），通過刀具主軸與工件的相（xiàng）對運動，可以加工出任（rèn）意形狀，而（ér）且與MEMS加工（gōng）技術（shù）相比，可以高效地去除材料。但是，由於是通過刀具進（jìn）行材（cái）料去除，兩者之間的相對運動會直接反（fǎn）映到加工形狀上，因此，當刀具或工件的任何一個運動有誤差時，就會產生加工誤差。也（yě）就是說，以位移為（wéi）基準進（jìn）行切削加工時，由於機床的運動精度會被反映到加工對象上，所以要求機器在短期和長期的時間內，保持穩定的高精度運動。這在機械加工中被稱為母性原理(Copying principle)，將（jiāng）機床和（hé）加工零件的關係比喻為親子遺（yí）傳關係。因此，在銑削加工中（zhōng），用於旋轉立銑刀的主軸以數千至數萬轉高速旋轉，為了實現高精度加工，即使在這種狀態下，也有必要將回轉跳動和振動等（děng）降低到極（jí）限。反（fǎn）過來考慮，如果（guǒ）能夠高速、高精（jīng）度地控製刀具與工件的（de）相對位移，就有可能實現高（gāo）質量的切削加工。

圖 1 使用（yòng）立銑（xǐ）刀（dāo）進行銑削（xuē）

2.主軸的旋轉誤差和微小驅（qū）動

機（jī）床中主軸的旋轉精度是由旋轉軸加工精度、所使用的（de）軸（zhóu）承精度、驅動電機的轉矩不穩定（dìng）、裝配精度、軸承潤滑狀態等多種（zhǒng）因素的綜合影（yǐng）響而決定的。因此，無論在機械設計、裝（zhuāng）配工藝以及加工過程中如何考慮（lǜ）條件，都很難完全抑製旋轉中的誤差。因此，為（wéi）了實現更高的精度，在考慮上述（shù）問題的基礎上，還需要對加工過程中發（fā）生（shēng）的旋轉引起的（de）誤差進行測量，並通過實時進行某種反（fǎn）饋控製來降低誤差。

對於（yú）這種正在加工中的主軸，為了降低誤差（chà）而進行反饋的嚐試已經有很多報告。最具代表性的例（lì）子（zǐ）是，支撐主軸的軸（zhóu）承不使用一般的（de）滾動軸承，而（ér）是采用磁軸承，通（tōng）過電磁力進行非接觸支撐，在抑製旋轉時的摩擦和振動的同時，通過控製電磁力來實現（xiàn）高精度旋（xuán）轉。根據（jù）反饋控製係統的構成，各種特性的實現和改變都很容易，還存在與滾（gǔn）動軸承組合2)和（hé）與空氣靜壓軸承（chéng）組合。但由（yóu）於（yú）旋轉的主軸采用非接（jiē）觸支承，在剛性方麵是不利的，因（yīn）此在進行（háng）一般機械加工的加工中（zhōng）心（xīn）等方麵的應用受到限（xiàn）製。

二、在XY平麵內（nèi）主軸的微驅動

主軸旋（xuán）轉中的誤差，如果主軸中心軸（zhóu）為Z軸，則有XY平麵內(主軸半徑方向)和Z軸方向(主軸中心軸方向)的分量（liàng）。這裏（lǐ），著眼於XY平麵內，軸方向將（jiāng）在第三部（bù）分中敘述。

1．旋轉同步跳動和旋轉異步跳動

主軸旋轉過程中的（de）誤差分為旋轉（zhuǎn）角度具有可重複性的周期性（xìng）跳動誤（wù）差(旋轉同步誤差，Repeatable Run-Out，以下簡稱（chēng）RRO)和與（yǔ）旋轉角度無關的非（fēi）周期性（xìng）跳動誤差(Non-Repeatable Run-Out，以下簡稱NRRO)。利薩如圖形如圖2所示。例如，如果（guǒ）主軸存在相對於旋轉的不平衡量，則（zé）會導致旋轉過程中（zhōng）的跳動，這對應於旋轉同步跳動，由於相對於旋轉角度具有可重複性，所以低速旋轉時，可以通過直線軸的定位進行補償。另一方麵，NRRO是旋轉異步跳動，沒有可重複性，補償困難。典型的NRRO成分有滾動軸承的滾動體公轉周期、保持器的平衡（héng）等。另外，雖然數值大小本身（shēn）RRO>NRRO，但難以預測和補（bǔ）償的NRRO無法抑製對加工表麵的影響。因此，本（běn）研究以NRRO為對象。

圖 2 Lissajous 圖形中的 RRO 和 NRRO

2. 微（wēi）驅動原（yuán）理及係統結構

由於伴隨主軸旋轉的NRRO很難事（shì）先（xiān）正確預（yù）測，因此要進行（háng）實時反饋控製。圖3是該係統（tǒng）的結構。

以市場上銷售的精密加工中心為基礎增加了加振係統。由於以數萬轉的（de）速度旋（xuán）轉的主軸本身很難（nán）按照誤（wù）差進行微驅動（dòng），因此在本研究（jiū）中，將（jiāng）具有由螺（luó）旋馬達驅動的板彈簧支（zhī）撐質量的單元固定在主軸頭部，通過調整傳感器測量的（de）誤差信號的增益及相位，將誤差信號反饋到（dào）馬達電流中，利用質量驅動產生的反作用力對（duì）主軸頭進行振動，從而進（jìn）行補償。

采（cǎi）用這種方（fāng）式，主軸的NRRO本身（shēn）沒有受到抑製，但如（rú）前所述，切削加工中，刀具和工件的相對位移非常重要，因此通過連同（tóng）主軸頭一起進行（háng）微小位移來抑製工（gōng）件或搭（dā）載工件的工作台的位移誤差。

係統通過測量刀具相對於主軸頭的相對位移(①)和主軸（zhóu）頭的振動加速度(②)，通過帶通濾波器提取NRRO成分，調整增益和相位來進行振動反饋。另外，作為評價對象，還同時測量了裝載工件的工作台到（dào）刀具的相對位（wèi）移(③)。作為（wéi）對主軸施加（jiā）振動力（lì）的類似研究，也有在異常加工狀態（tài）下的微細加工時（shí）減小振幅等例子，但與這些相比，本研（yán）究的目標在於普通加工時進一步提高（gāo）精度。

圖3 基於振動的（de）誤差抑製係統的結構

3.精密加工（gōng）試驗的評（píng）價

為了評價所構建的（de）係統特性，通過使（shǐ）用立銑（xǐ）刀的精密加工試驗，對係統特性及加工表麵進行了評價。在試驗中，為了忽略（luè）RRO的影（yǐng）響（xiǎng），采用（yòng）單刃金剛石立銑刀進行加（jiā）工，根據反饋的有無，對NRRO成分的降低率進行了（le）評價。圖4顯示了其結果。如果隻使用主軸的異步振動分量(NRROSP)和主軸頭的異（yì）步振動分量（liàng）(NRROSH)中的任意一個作為反饋信號，有時降低效果不理想，或者相反（fǎn）NRRO也可能增大。另一方（fāng）麵，將兩者合起來進行反饋時，可以確（què）認在30,000及40,000 r/min的任何轉速下均有（yǒu）較高（gāo）的降低效果。

圖 4 y軸方向上NRRO的減小效果

圖5顯示了通過非接（jiē）觸表麵形狀測量（liàng）係統對實際切削的加工表麵進行評價的結果。由於使用的是半徑約1mm的單（dān）刃金剛石立銑刀，表麵上球體的一（yī）部分凹（āo）陷應該是均（jun1）勻排列的，與不加振動相比，在有加振動的情況下，可以確認深（shēn）度（dù）方向的偏差（chà）減小了。綜上所（suǒ）述，通過對加工（gōng）表（biǎo）麵的評價，確認了通過對主軸頭進（jìn）行反饋激振，可以降低NRRO的影（yǐng）響。

圖5 基於加（jiā）工麵的特征測量的評價

三、主軸軸方向的微驅動

1. 軸向的微（wēi）小位移控製與概念

一般來說（shuō），機床主軸為了實現高剛性，都采用重型和大型結（jié）構，為了配合加工麵上無數的微細結構，整個主（zhǔ）軸都要進行微細驅動（dòng），導致加工速度下降，效率非常低。為了在切削加工中實現精細結構加工，必須使高速旋轉的立銑刀在XY平麵以外的（de）旋轉軸方向上發生微小位移。為了配合微細結（jié）構實現高響應驅動，最大限度地（dì）減小驅動質量是很重要的。也就是說，不（bú）是驅動整（zhěng）個主軸結構，而是包括際進行切削（xuē）加工的立銑刀在內，驅動質量必須變小。這與精細定位機構中的粗微動定位機構（gòu）類似。

2. 驅動原理和係統結構

在（zài）本研究中，如圖6所示，在刀具支承部內部（bù）嵌入了致動器（qì），僅局部（bù）驅動前端部分，從而使（shǐ）驅（qū）動的慣性質量最小化。在（zài）切削刀具不旋轉的車削加工中，壓電材（cái）料（liào）作為小衝程、高響應的致動器之（zhī）一，早（zǎo）在20世紀80年代就有相關報告。但是，像銑削加工那樣，為了（le）給加工中高速旋（xuán）轉的主軸供電而進行配線（xiàn），在技術上還存在很多問題。因此，本研究采用（yòng）了用超磁致伸縮材（cái）料代替壓電（diàn）材料的設計。超磁致（zhì）伸縮材料是一種（zhǒng）因施加外部磁場而產生形變的功（gōng）能性材（cái）料，通過（guò）合理設計的磁路（lù），將設置在非旋轉部分（fèn）的勵磁線（xiàn）圈所產（chǎn）生的磁場進行感應，可以非接觸地施加到旋轉（zhuǎn）的元件（jiàn）上。

圖6 對帶有（yǒu）超磁致伸（shēn）縮元件的（de）旋轉刀（dāo）具的局部驅動

利用將這種超磁致伸縮材料作為致動（dòng）器（qì）嵌入的主（zhǔ）軸係統，構建了三維加工係統。圖7顯示了係統的整體結構。具（jù）有臥式三軸機床的結構，采用（yòng）空氣靜壓主（zhǔ）軸水平布局，Z軸及X軸采用直線（xiàn）電機驅（qū）動，垂直方向的Y軸采用滾珠絲杠驅動。通過對超磁致伸縮元件施（shī）加磁場，與每（měi）個軸上的定位同步（bù），僅在軸向上驅動刀具部（bù）分（fèn），為了（le）提高非（fēi）線性較強的超磁致（zhì）伸（shēn）縮元件的定位精度，嵌入環形電容位移計提供反饋（kuì）控製。通過組合該刀具的（de）軸方向微動和XYZ軸運動，通過將刀具（jù）的軸向精細運動與XYZ軸的運動相（xiàng）結合（hé），可同時高效地創（chuàng）造三維形（xíng）狀（zhuàng）和表麵結構。

圖7 構建的3D加工係統

為100 μm/s，工件材料（liào）為無氧銅。圖9顯示了用形狀測量機（jī）測量加工後（hòu）的（de）截麵的結果。當切削深度從（cóng）3~0.1μm改變時，可以確認無論在哪個台階上，加工的誤差都低於目（mù）標0.05 μm。當加工台階小於0.2 μm時，台階形狀變（biàn）得模糊，這可能是由於軸向定位分辨率及進給軸的直線度問題等原因造成（chéng）的。因此，加工分辨率被認為可達0.2 μm左右。

此外，通過（guò）將進給軸的運動和刀具軸方向（xiàng）的精細運動相結合，同時加工曲麵形（xíng）狀和表麵（miàn）結（jié）構的示例如圖10所示。在如圖所示的加工中，利用XYZ的進給軸在（zài）球麵（miàn）上沿凹陷形（xíng）狀的（de）軌跡運動，與（yǔ）該運動同步在刀具軸方向上施加（jiā）微小切削量，從（cóng）而在（zài）表麵（miàn）加工出長方形孔形凹坑形狀。刀具旋轉速度為15000r/ min，進給速度為（wéi）5mm /s，凹坑深度為5 μm。如（rú）圖所示，從加工的測量結果可（kě）以（yǐ）看出（chū），加工幾乎是按照（zhào）指令值進行的。另外，總共加（jiā）工了26個凹坑，平均深（shēn）度為4.95 μm，可以確認實現（xiàn）了標準偏差（chà）為0.14 μm的（de）高精度加工。

圖8 刀具伺服係統的波特圖

圖9 微切削加工的評價

圖10 同時創建曲麵形狀（zhuàng）和曲麵凹坑的示例

四、結（jié）論

本文的研（yán）究是為了提高精密銑（xǐ）削加工的精度和（hé）質量，通過（guò）在刀具（jù）主軸上實現各個軸方向的微動功能，實現了高精度加工和精細加工。具體（tǐ）來說，通（tōng）過將加振單元的（de）驅動反作用力作用於主軸頭上，可（kě）以減少NRRO對主軸的影響，通過在旋轉主軸中嵌入了由超磁致伸縮元件組成的非接觸式微動機構，並在加工過程中與進給軸的運動同步（bù），實現了同時高效進行形狀（zhuàng）加工和紋理（lǐ）加工的係統。此次嵌入主軸（zhóu）的超磁（cí）致伸縮元件是一種功能性材料，具有與壓電元件相似的特性。正如壓電元件不僅可以用作致動器，還可以用作傳感器一樣（yàng），超磁致伸縮元件在受到外力時也會改變其磁導率。值得一（yī）提的是，此次開發的基於超磁致伸縮（suō）元件的微動機（jī）構還（hái）具有用作加工狀態監測傳感器的潛力，有望（wàng）得到進一步發展（zhǎn）。希望通過該係統實（shí）現接觸檢測功能、加工力監測（cè）功能以及位移控製和振動附加功能等在精密加工中有用的功能。

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