摘要： 研製了一台適於微小尺寸零件磨削的（650×650×650）mm 三（sān）軸微型數（shù）控磨床， 采用全閉環（huán）數控係統，能實現亞（yà）微米級加工精度。該機床（chuáng）關鍵部件采用高速空氣靜壓電主軸、交叉滾柱支（zhī）撐的高分辨率超精密（mì）滑台（tái）、永磁直線電機、CCD 顯微鏡以及基（jī）於IPC 的多軸運動控製卡， 結合優化的插補控製策及誤差補償機製（zhì）， 能實現（xiàn）三維複雜形麵超精密微（wēi）細磨削加工（gōng）的精度要求。

 
      0 、引言

     機床自18 世（shì）紀末（mò）出現（xiàn）以來， 其加工（gōng）精度和自動化程度不斷提高， 然而， 在減小其尺寸方（fāng）麵的努力卻很少。微型機床（chuáng）和微型工廠是Dutta 等在1970 年首（shǒu）次提到的， 當時隻是作為矽微細加工製作微電機的一（yī）種應用[1]。但是， 隨著技術的發展和（hé）市場需求， 特別是微機械和微小零件在諸多領域的廣泛應用， 如何解決微小三維形狀零件的製造問題成為人們關注（zhù）的熱點。介於以半導體製造技術為基（jī）礎的微機械加工技術與傳統（tǒng）的精密（mì）加工技術之間製造技術， 或稱“中間部分技術” 是解決三（sān）維複雜（zá）結構和具有多樣化材料特性微小零件的關鍵技術（shù）， 因而近（jìn）年來人（rén）們已經開始探索這類用於產品微小型化（huà）的有效技術方（fāng）法， 稱為M4 （micro/meso mechanical manufacturing） 技術[2]。20 世紀（jì）90 年代中期（qī）以來，日本和歐美等發達國家從節省空間和提高加工精度的（de）角度出發， 廣泛開展微小零件（jiàn）加工（gōng）機（jī）床的小（xiǎo）型、輕型化研究，陸續（xù）研製了（le）多種用於微小（xiǎo）零件切削加工的小型精密、超精密等被稱為桌麵加工的機床[3~5]。M4 技術的研究與開發在我國尚處於起步階段， 而歐盟在巴統協議中把該類技術（shù）與（yǔ）裝備列為對我國（guó）嚴格限製的進口技術範疇（chóu），因此，解決桌麵微納米加工機床的國產化問題是當務（wù）之急。

      針對微細磨削加工本文介紹了一台自主研（yán）製的（de）數控桌麵微納米（mǐ）磨削機床， 該機床用於微機械零件製（zhì）造（zào）。該機床主要（yào）由超高轉速的氣浮（fú）磨削主軸和工（gōng）件主軸、伺（sì）服（fú）控製（zhì）的微納米進給工作台、自動微砂輪交換係統、CCD圖（tú）像（xiàng）識別監測係統、微冷卻係統、高精密數控係統所組成。完成準100～1000μm 的軸類和非軸對（duì）稱零件的直接微納米磨削製造技術問題， 主要應用於（yú）國（guó）防武器產品，如微引信係統、微慣導係統（tǒng）、微型偵察機器人、微型飛機、微加速度器和微激光探測器等製造， 以及航空航天、介入醫學相關的微小機械和微機械產品的製造。

      1 、微型磨床的技術要求（qiú）

      所設計的數控微型磨床應滿足（zú）以下性能要求： ①坐標軸為X、Y、Z 軸： X、Y、Z 軸（zhóu）有效工作行程不大於150mm， 重（chóng）複定位精度1μm， 分辨（biàn）率（lǜ）0.1μm， 工件軸360°連續回（huí）轉， 轉速3000～8000rpm， 回轉精度0.005°， 徑向跳動不大於（yú）1μm； ②主軸轉速40000～50000rpm， 徑（jìng）向跳動不大於1.5μm， 無極調速； ③使用電鍍金剛石或CBN 砂輪，最小直徑準200μm； ④機床尺寸限製在（650×650×650）mm， 重量不大（dà）於250kg； ⑤機床總（zǒng）功率不大於500W；⑥最小加工軸類零件（jiàn）尺寸準100μm～準（zhǔn）1000μm， 圓度誤（wù）差±1準m， 表麵粗糙度Ra10～50nm。

      2 、機床總體結構布局與設計

     本文所研製的數（shù）控微磨床主要用於（yú）微機械零（líng）件（jiàn）製造。微（wēi）磨床應該（gāi）滿足： 良好的靜、動剛度； 較小的熱變形； 良好的單軸運動和聯動（dòng）性（xìng）能； 人機布局關係良好和較高的環保標準。數控微磨床的總體結構布局應按上述要求， 既滿足了磨床性能、加工適應範圍等， 同時也滿足了（le）外觀、操作、管理到人機關（guān）係（xì）等。T 型布局采用（yòng）橫、縱運動分離， 由（yóu）刀具主軸（縱向）和工件軸（橫向）共（gòng）同完成， 三軸導軌（guǐ）安裝在機床床身且基本處於同一高度上。T型布局不僅有利於提高導（dǎo）軌的（de）運動精度和工件的加工（gōng）精度， 而且（qiě）安（ān）裝簡單， 大大提高（gāo）了測量精度。微磨削過程主要分為主運動即刀具的運動和工件（jiàn）的進給運動。微磨床在豎直方向上調整刀具主軸， 並且（qiě）控製水平方向的相（xiàng）對運動， 從而加工出（chū）不同厚度的微小零件； 工件軸在豎直（zhí）方向上的相對運動是為實現不同的加工深度， 水平方向上相對於主軸的運動是為了實現一定的加工（gōng）長度。豎直方向通過Z 向運動平台實現， X、Y向運動（dòng）平台（tái）共同來實現平麵進給， 這就是說微磨床需（xū）要實（shí）現X、Y、Z 三（sān）軸聯動。

     X、Y、Z 三方向的進給原理相似。在傳動過程中,電動機與絲杠通過聯軸器來（lái）實現連結， 電動機帶動絲杠做旋轉運動（dòng）， 絲杠通過螺母（mǔ）副將絲杠的旋轉運動變換為導軌的水平移動， 帶動水平平台移動。主軸部件固（gù）定在Z 軸運動平（píng）台上（shàng）， 電動機帶動絲杠做旋轉運（yùn）動， 螺母沿導軌做上下移動， 帶（dài）動主軸做上下（xià）運動， 完成刀具的縱向進給。同時Z 軸平台固定在Y 軸平台之上， 可以實（shí）現刀具的前（qián）後進給。工件軸上裝有工件夾緊機構， 實現微小工件的裝夾。為了便於安裝調整拆卸， 輔助係統安直接裝在機床（chuáng）床身上來實現加工過（guò）程的（de）冷卻和在線監測。我們利用三維建模軟件對微型磨床進行了整機建模， 其整體結構如圖1 所示（shì）。

                       圖1 微磨床整體結構

     3 、關鍵部件配置

     關鍵零部件（主軸部件、伺服驅動（dòng）、運（yùn）動控（kòng）製部（bù）件及監測係統等（děng））的選擇及精度是實現微細磨削加工的先決（jué）條件,具體配置如（rú）下（xià）:

    （1）主（zhǔ）軸及驅動係統。主軸是（shì）超精密機床的關鍵部件，其運動誤差特性直接影響零件的表麵質量和精度， 同時為（wéi）滿（mǎn）足微細切削所需的切削（xuē）線速度， 主軸應具有（yǒu）很高轉
速。通過計算， 主軸跳動應在（zài）0.1μm 以內， 且至少應具有5×104 r/min 以上的轉速（如（rú）對直徑（jìng）0.1mm 的（de）球頭銑刀）。考慮到空氣靜壓軸承具有轉動（dòng）平穩（wěn）、回轉（zhuǎn）精度高、高速轉動溫升小等特（tè）點， 盡（jìn）管其剛度稍低， 結合本課題的具體應用（yòng）場合， 決定采用高精度空氣靜壓軸承高速電主軸。其最高轉速可達9×104r/min， 徑向跳動量小於0.5μm。

     （2）導軌及驅動裝置。導軌采用超精密交叉滾柱支承的滑台， 其優點（diǎn）為剛性好（hǎo）， 動作靈敏， 不易引起振（zhèn）動，適於空間尺寸小， 承受顛覆力矩的場合， 該導軌直線度為±0.1μm /25mm。承載工作台的兩（liǎng）水平進給軸采用（yòng）永磁直線電機直接驅動， 並配置最高分辨率為0.05μm 的光柵尺作為全閉環數控係統位置反饋裝置。直線電機進給伺服驅動技術的優點是能夠實現瞬時加、減速及高速準停運動； 減少了（le）中間環節， 傳（chuán）動剛度好， 有（yǒu）效地提高（gāo）了傳動精度及可靠性。

      （3）在線監測係統。刀具在工件表麵（miàn）的快速精確定位、切削力的（de）精確測（cè）定、轉速或者進給（gěi）量的測定及（jí）加工過程的可視化是（shì）微細加工的必（bì）備條件。微型加工作業時， 微細加工和（hé）裝配過程應（yīng）該（gāi）避免人為的介入和外界的影響，而且人也很難參與到其中， 這裏通常采用非接（jiē）觸（chù）式無損測量方法。光電圖（tú）像檢測技術是一種理想的方法， 其（qí）核心元件是CCD 攝像機， 原理過程（chéng）如圖（tú）2 所（suǒ）示， 它可以對微（wēi）細加工過程、微裝配過程實時監控， 還可以對三維零件進行幾何尺寸的測量， 滿足功能（néng）要求。

                              圖2 微磨床（chuáng）在線監測係統

      4 、微型磨床的數控係統

      為了實現三（sān）軸數控加工， 構建了一個NC 嵌入PC型開（kāi）放式（shì）數控係統， 以PC 為硬件平台， 將多（duō）軸運動控製器PAMC 插入PC 總線插槽中， 通過接（jiē）口（kǒu）連（lián）接伺（sì）服單元和I/O 單元， 控製平台（tái）三維運動， 其硬件結構如圖3所示。即采用基於上下（xià）位機的雙CPU 係統， PC 機作為上（shàng）位機完成數控加工的（de）非實時任務， PAMC 完成（chéng）實時任務。控（kòng）製器具有輪廓控製能力， 易實（shí）現數控插補， 可以手工編程， 也（yě）可利用（yòng）CAD/CAM 實現（xiàn）三維數控加工。該控製係統（tǒng）具有靈（líng）活性好、功能穩定， 可共享PC 豐富的軟硬件資源。

                       圖3 微型磨床專用數控係統的硬件結構
 

     為了提高機床的加（jiā）工精度， 建立機床的數字化綜合空間誤差模型， 采（cǎi）用全閉環（huán）控製， 通過數控補償修正機械誤差， 提高各軸的定位精度和重複定位精度， 從而提高機床（chuáng）的加工精度。

     機床專用數控係統采用以（yǐ）Windows 為係統平台，通過其線程調度機製可（kě）以方便地實現多（duō）任務。在線（xiàn）程調度中（zhōng）， 每一（yī）個線程（chéng）的優先級（jí）不同。優先級高的線（xiàn）程優先運行在機床專用數控係統中。急停、機械限位、硬件故障等線程優先（xiān）級最高， 它們（men）首先取得CPU 的運行（háng）時間（jiān）。坐標運動、加工狀態的動態顯示、加工軌跡模擬仿真等（děng）線程優先級依次降低。但另一方麵， Windows是基於消息機製的（de）， 實時性較差， 不能滿足（zú）一些像故障中斷（duàn）、插補運算等實時性任（rèn）務， 為此， 機床專用數（shù）控係統采用可編程多軸運動控製卡實現各種實時性控製。

     
  
                          圖4 微型磨床專用數（shù）控係統（tǒng）的軟件結（jié）構

     過（guò）程（chéng）控（kòng）製軟件包（bāo）括工藝（yì）數據庫管理、參數化編（biān）程、編輯（jí）程序、解釋程序、加工模塊、MDI、故障監測等與用戶操作有關的子模塊。各功能子模塊由Windows 統（tǒng）一（yī）調度管理， 與係統的硬件無關。Windows 通過多軸控（kòng）製（zhì）卡庫函數對底層的硬件（jiàn）進行控製， 實現微型零件加工時各軸的（de）運動控製以及I/O 控製。

     5 、結束（shù）語
 

    研製了一台尺寸為（650×650×650）mm 的微型數控磨床， 采用最高轉速可達9×104r/min 的高精度空氣靜壓軸承高速電主軸， 可獲得（dé）足（zú）夠的切削速度。建（jiàn）立了機床的數字化綜合空間誤差模型， 采用全閉環控製， 通過數控補償修正機械誤差， 滿足微細加工要求。初步的調試與加工試驗證明， 該微磨床技術可行， 可以用於微細磨削加工技術研究。