摘要： 研製了一台適（shì）於微小尺寸零件磨削的（de）（650×650×650）mm 三軸（zhóu）微型數控磨床， 采（cǎi）用全閉環數控係（xì）統，能實現亞微（wēi）米（mǐ）級加工精度。該機床關鍵部（bù）件采用高速空氣靜壓電主軸、交叉滾（gǔn）柱支撐的高分辨率超精密滑台、永磁直線電機、CCD 顯微鏡以及基於IPC 的多軸（zhóu）運動控製卡， 結合優化的插（chā）補控製策及（jí）誤差補償機製， 能實（shí）現三維複雜形麵超精密微細磨削加工的精度要求。

 
      0 、引言

     機床自18 世紀末出現以來， 其加工精度和自動化程度不斷提（tí）高， 然而， 在減小其尺寸方麵的努力卻很少。微型機（jī）床和微型工廠是Dutta 等在1970 年首次提到（dào）的， 當時隻是作為（wéi）矽微細加工製作微電機的（de）一種應用（yòng）[1]。但是， 隨著技術的發展和市場需（xū）求（qiú）， 特（tè）別是微機械和微小零件在諸多領域的廣泛應用（yòng）， 如何解決微小三（sān）維形狀零件的製造（zào）問題成為人們關注的熱點（diǎn）。介於以半導體製造技術為基（jī）礎（chǔ）的微機（jī）械加工（gōng）技術與傳統（tǒng）的精密加工技術之（zhī）間製造技術， 或稱“中間部分技術” 是解決（jué）三維複雜結構和具有多（duō）樣化材料特性微小零件的關鍵技術， 因而近年來人們已經開始探索這（zhè）類用（yòng）於產品微（wēi）小型化的有（yǒu）效（xiào）技（jì）術方法， 稱為M4 （micro/meso mechanical manufacturing） 技術[2]。20 世紀90 年代中期以來，日本和歐（ōu）美等發達國家從節省空間和提高加工精（jīng）度的角度出發， 廣泛開展微小零件加工機床的小型、輕（qīng）型化研究，陸續研製了多種用於微小零件切削加工的小型精密、超精密等（děng）被稱為（wéi）桌麵加工（gōng）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（méng）在巴統協議中把該類技術與裝（zhuāng）備列為對我國嚴格限製的（de）進口技術範疇，因此，解決（jué）桌麵微納米加工機床的國產化問題是當務之急。

      針對微細磨削（xuē）加工本文介紹了一台自主研製的數控桌麵（miàn）微納米磨削機床， 該機床（chuáng）用於微機械零件製造。該機床主要（yào）由（yóu）超高轉速的氣浮磨削主軸（zhóu）和工件主軸、伺服控製的微（wēi）納（nà）米進給工作台、自動微砂輪交換係統、CCD圖像識別監測係統、微冷卻係統、高精密數控（kòng）係統所組成（chéng）。完成準100～1000μm 的軸（zhóu）類和（hé）非軸對稱零件的（de）直接（jiē）微納米磨削製造技術（shù）問題， 主要應（yīng）用於國防武器（qì）產（chǎn）品，如微（wēi）引信係統、微慣導係統、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（kōng）航天、介入醫學相關的（de）微小（xiǎo）機械和（hé）微機械產（chǎn）品的製造。

      1 、微型磨床的技（jì）術要求

      所設計的數控微型磨床應滿足以（yǐ）下性能要求： ①坐標軸為X、Y、Z 軸： X、Y、Z 軸有效工作行（háng）程不大於150mm， 重複定位精度1μm， 分辨率0.1μm， 工件軸360°連續回轉， 轉速3000～8000rpm， 回轉精度0.005°， 徑向跳動不大於1μm； ②主軸轉速（sù）40000～50000rpm， 徑向（xiàng）跳動不（bú）大於1.5μm， 無極調（diào）速； ③使（shǐ）用（yòng）電（diàn）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， 重量不大於250kg； ⑤機床總（zǒng）功率不（bú）大於500W；⑥最小加工軸類（lèi）零件（jiàn）尺寸（cùn）準100μm～準1000μm， 圓度誤（wù）差±1準m， 表麵粗糙度Ra10～50nm。

      2 、機床（chuáng）總體結構布局與設計

     本文所研製的（de）數控（kòng）微磨床（chuáng）主要用（yòng）於微機械零件（jiàn）製造。微磨床應該滿足（zú）： 良（liáng）好的靜、動剛度； 較小的熱變形； 良好（hǎo）的單軸運動和聯動性能； 人機布局關係良好和（hé）較高的環保（bǎo）標準。數控微磨床的總（zǒng）體結構布局應按上述要求， 既滿足了磨床性能（néng）、加工適應範圍等， 同時也滿足（zú）了外觀、操作、管理到人機關係等。T 型布局采用（yòng）橫、縱運動分離， 由刀具主軸（縱向）和工件軸（橫向）共同完成， 三軸導軌安裝在機床床身且基本處於同一（yī）高度上。T型布局不僅有（yǒu）利於提高導軌的運動精度和工件的加工精度， 而且安裝簡單， 大（dà）大提高了測量精度。微磨削過程主要分為主運動即刀具的運動和（hé）工件的（de）進給運動。微（wēi）磨（mó）床在豎直方向上調整刀具主軸， 並且控製水平方（fāng）向的相對運動， 從而加工出不（bú）同厚度的微小（xiǎo）零件； 工件軸在豎直方向（xiàng）上的相對運動是為實現不（bú）同的加工深度， 水平方向上（shàng）相對於主軸的運動是為了實現一定的加工長（zhǎng）度。豎直方向通過Z 向運動平台實現， X、Y向運動平台共同來實（shí）現平麵進給， 這就是說微磨床需要實現X、Y、Z 三軸聯（lián）動。

     X、Y、Z 三方向的進給原理（lǐ）相似。在傳動過（guò）程（chéng）中,電動（dòng）機與絲杠通過聯軸器來實（shí）現連結， 電動機帶動絲杠做旋（xuán）轉（zhuǎn）運動（dòng）， 絲杠通過螺母副將（jiāng）絲杠的旋轉運（yùn）動變換為導軌的水平（píng）移動， 帶（dài）動水平平台（tái）移動。主軸部件固定在Z 軸運動（dòng）平台上， 電動機帶動絲杠做旋轉運動， 螺母沿導軌做上下移（yí）動， 帶動主軸做上下運（yùn）動， 完成刀具（jù）的縱向進給。同時Z 軸平台固定在（zài）Y 軸平台之上， 可以實現（xiàn）刀具的前（qián）後（hòu）進給。工（gōng）件軸（zhóu）上裝有工（gōng）件夾緊機構（gòu）， 實現微小工件的裝夾。為了便（biàn）於安裝調整拆卸， 輔助（zhù）係統安直接裝在機床（chuáng）床身上來（lái）實現加工過程的冷卻和（hé）在線監測。我們（men）利用三維建模軟件對微型磨床進行了整（zhěng）機（jī）建（jiàn）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（fú）驅動、運（yùn）動控製部件及（jí）監測係統等）的選擇及精度是實現微細磨（mó）削加工的先決條件,具體配（pèi）置如下:

    （1）主軸及驅動係統。主軸是超精密機床的關鍵部件，其（qí）運（yùn）動誤差特性直接（jiē）影響零件的表麵質（zhì）量和精度， 同時為（wéi）滿足微細（xì）切削所需的切（qiē）削線速度， 主軸應具有很高轉
速。通過計算， 主軸跳動應在0.1μm 以內， 且至少應具有5×104 r/min 以上的轉速（如對直徑（jìng）0.1mm 的球頭銑刀）。考慮（lǜ）到空氣靜壓軸承具（jù）有轉動平穩、回轉精度高、高速轉動溫升小等特點， 盡管其剛（gāng）度稍低， 結合本課題的具（jù）體應用場合， 決定采用（yòng）高精度（dù）空氣靜壓軸（zhóu）承高速電主軸。其最高（gāo）轉速可達9×104r/min， 徑向（xiàng）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（huá）台， 其優點為剛性（xìng）好， 動作靈敏， 不易引起振動，適於空間尺（chǐ）寸小， 承（chéng）受顛覆（fù）力矩的場合， 該導軌（guǐ）直線度為±0.1μm /25mm。承載工作台的兩（liǎng）水平進給軸采用永磁直線電（diàn）機直接驅動（dòng）， 並（bìng）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（zhì）反（fǎn）饋裝置。直線電機進給伺服驅（qū）動技術的優點是能夠實現瞬時加、減速及（jí）高速準停運動； 減少了（le）中間環節， 傳動剛度好， 有效地提高（gāo）了傳動（dòng）精度（dù）及可靠（kào）性。

      （3）在（zài）線監（jiān）測係統。刀具在工（gōng）件表麵的快速（sù）精確定位（wèi）、切削力的精確（què）測定、轉速或者（zhě）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。微型加工作業（yè）時， 微（wēi）細加（jiā）工和裝配過程應該避免人為的介入（rù）和外界的影響，而且人也很難參與到其中（zhōng）， 這裏通常采用非接觸式無損測量方法。光（guāng）電圖像檢測技術（shù）是一種理（lǐ）想（xiǎng）的方法， 其（qí）核心元件是CCD 攝（shè）像機， 原（yuán）理（lǐ）過程如圖2 所示（shì）， 它可（kě）以對微細加（jiā）工過程、微裝（zhuāng）配過程實時監控（kòng）， 還可以對三維零件進行（háng）幾何尺寸的測量， 滿足功能要求。

                              圖2 微磨床在線監測係統

      4 、微型磨床的數控係統

      為了實現三軸數控加工， 構建了一個NC 嵌入PC型開放式數控係統， 以PC 為硬件平台， 將多軸運動控製器PAMC 插入PC 總線插槽中， 通過接口連接伺服單元和（hé）I/O 單元， 控製（zhì）平台三維運動， 其硬件結構如圖3所示。即采用基於上下位（wèi）機的雙（shuāng）CPU 係統， PC 機（jī）作為上位機完成（chéng）數控（kòng）加工的非實時任務， PAMC 完成實時任務（wù）。控製器具有輪（lún）廓控（kòng）製能力， 易實現數控插補， 可以手工編程， 也可利用CAD/CAM 實現三維數控加工。該控（kòng）製係統具有靈活性好、功能穩定， 可共享PC 豐富的軟硬件資源。

                       圖3 微型磨床（chuáng）專用數（shù）控（kòng）係統的硬件結構
 

     為了提高機（jī）床的加工精度， 建立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（wù）差， 提高各軸的定位精度和重複定位精度， 從而提高（gāo）機床的（de）加工精度。

     機床專用數控係統采用以Windows 為係統平台，通過（guò）其線程調度機製可以方便地實現多任務（wù）。在線程調度中， 每一個線程的優先級不同。優先級高的線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級最高， 它們首先取得CPU 的運行時間。坐標運動（dòng）、加工狀態的（de）動態顯（xiǎn）示、加工軌跡模擬仿真等線程優先級依次降低。但另一方麵， Windows是基於消息機（jī）製的（de）， 實時性較差， 不（bú）能滿足一些（xiē）像故障中斷、插補運算等實時性任務， 為此， 機床專用數控係統采用可編程多軸運動控製卡實現各（gè）種（zhǒng）實時性控製。

     
  
                          圖4 微型磨床專用數控（kòng）係統的（de）軟件結構

     過程控製軟件包括工藝數據庫管理、參數化編（biān）程、編輯程序、解釋程序、加工模塊、MDI、故障監測等（děng）與用戶操作有關的子模塊（kuài）。各功能子模塊由Windows 統一調度管理， 與係統的硬件無關。Windows 通過多軸控（kòng）製卡庫（kù）函數對底層的硬件進行控製， 實現微型零件加工時各軸的運（yùn）動控製以及（jí）I/O 控製。

     5 、結束語
 

    研製了一台尺寸為（650×650×650）mm 的微型數（shù）控磨床， 采用最高轉速可達9×104r/min 的高精（jīng）度空氣（qì）靜壓（yā）軸承高速電主軸， 可獲得足夠的切削速度。建立了（le）機床的數（shù）字化綜（zōng）合空間誤差模型， 采用全閉環控製， 通（tōng）過數控補償修正機械誤差， 滿足微細加工要求。初步的調試（shì）與加（jiā）工試（shì）驗證明， 該微磨床技術可行， 可以用於微細磨（mó）削加工技術研（yán）究。