YANGHUIMIN

      20世纪80年代兴起的基于硅半导体制造工艺的MEMS技术引起人们对微细加工的广泛关注。为得到结构更加复杂、材料适应性更强的微小零件，不断出现了多种微细加工技术，如粒子束加工、LIGA加工（微型铸模电镀工艺）、微细电火花加工（EDM）等。这些新技术的出现使得像微型GPS、微小型化医疗器械、微小型电机等一些新产品不断发展更新。

　　近年来，采用传统的机械加工方法而进行微细制造的研究越来越受到人们的重视，针对特征尺寸在10～10000μm的所谓meso尺度机械零件的微细切削制造成为一大研究热点，原因是机加工的几大优势：生产效率高、灵活；能加工任意三维特征的零件；能加工包括钢在内的多种材料。

　　然而微细切削加工所采用的设备主要还是常规尺寸的精密、超精密机床这对于生产微小尺寸零件还是缺少必要的柔性且成本高、效率低。

　　20世纪90年代中期以来，日本和欧美等发达国家从节省空间和提高加工精度的角度出发，广泛开展微小零件加工机床的小型、轻型化研究，陆续研制了多种用于微小零件切削加工的小型精密、超精密机床，从而，桌面工厂、微型车间、便携式工厂等新概念也不断流行起来。

　　针对微细切削加工，本文介绍了一台自主构建的小型超精密数控铣床其本体尺寸为300mm×400mm×500mm，xyz工作空间尺寸为50mm×50mm×20mm，主轴最高转速9×104r/min，数控三轴联动可实现三维复杂形面微细加工，全闭环反馈控制结合误差补偿技术最终可实现亚微米级加工精度。

　　1、机床结构设计及系统配置

　　为确保各坐标轴正常工作及运动稳定性，结构设计及系统配置主要遵循以下原则：高的结构刚度；优良的阻尼特性；几何外形影响；热变形影响；外界环境因素影响等。

　　111机床总体设计

　　采用立式三坐标结构，包括在水平方向上的x，y二维工作台和垂直布置的z工作台，高速铣削主轴布置在z轴上。

　　机床本体尺寸为：y向300mm、x向400mm、z向500mm，工作空间为50mm×50mm×20mm.

　　112关键部件配置关键零部件（主轴部件、伺服驱动、运动控制部件及监测系统等）的选择及精度是实现微细切削加工的先决条件，具体配置如下：1）主轴及驱动系统主轴是超精密机床的关键部件，其运动误差特性直接影响零件的表面质量和精度，同时为满足微细切削所需的切削线速度，主轴应具有很高转速。

　　通过计算，主轴跳动应在011μm以内，且至少应具有5×104r/min以上的转速（如对直径011mm的球头铣刀）。

　　电主轴是近些年数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，所具有的高速轴承技术、内装式直接驱动技术、高速动平衡技术及高频变频装置能够实现高速高精加工。

　　常用的超精密机床主轴为气体静压或液体静压主轴，其二者均具有高的运动精度和转速。

　　考虑到空气静压轴承具（新型轴承在牵引电机中的效用剖析）有转动平稳、回转精度高、高速转动温升小等特点，尽管其刚度稍低，结合本课题的具体应用场合，决定采用高精度空气静压轴承高速电主轴。

　　其最高转速可达9×104r/min，径向跳动量小于015μm.

　　2）导轨及驱动装置导轨采用超精密交叉滚柱支承的滑台，其优点为刚性好，动作灵敏，不易引起振动，适于空间尺寸小，承受颠覆力矩的场合，该导轨直线度为±011μm/25mm.

　　承载工作台的两水平进给轴采用永磁直线电机直接驱动，并配置最高分辨率为0105μm的光栅尺作为全闭环数控系统位置反馈装置。

　　直线电机进给伺服驱动技术的优点是能够实现瞬时加、减速及高速准停运动；减少了中间环节，传动刚度好，有效地提高了传动精度及可靠性。

　　3）在线监测系统刀具在工件表面的快速精确定位、切削力的精确测定、转速或进给量的测定及加工过程的可视化是微细加工的必备条件。

　　同时，微细加工和装配过程中应尽量避免人为的介入和外界因素的影响，一般采用非接触式无损测量。

　　光电图像检测技术是一种理想的方法，其核心元件是CCD摄像机，它可以在微细加工中对微细加工过程实时监控、作为微装配过程的观察和测量手段以及对零件三维几何尺寸进行测量。

　　2、机床数控系统

　　机床进给机构的伺服控制特性直接影响着微细加工工艺及加工质量。

　　为了最大限度地减小或消除几何误差、传动机构非线性及振动等不利因素对加工精度的影响，采用了全闭环控制方式；并结合运动控制器自身特点，在传统的PID控制的基础上开发了速度/加速度前馈?馅波滤波等控制环算法，其中，速度前馈用于减小由于微分增益的引入所引起的跟随误差，加速度前馈可以减小系统惯性所带来的跟随误差，陷波滤波器主要用于由于系统存在滞后、静摩擦、卷曲及回差等问题使系统产生机械谐振而破坏系统的特性；以及通过对误差的测量及数控补偿机制，进一步优化了控制精度。

　　1）硬件系统采用上位机?下位机的开放式数控系统，可实现多轴数控联动加工的要求。

　　数控系统控制中心在工业控制机IPC平台的基础上，基于DSP构建的PMAC多轴运动控制器构成主从式双微处理器结构。

　　其中，PMAC主要完成对机床轴运动、控制面板开关量的控制，IPC则主要实现系统的管理功能。

　　同时，根据需要扩展了相应的I/O口。

　　最终构成的数控系统硬件结构原理。

　　2）软件系统控制器采用Windows系统平台进行数控编程、加工控制、仿真、调试测试，具有轮廓控制能力，易实现实时数控插补，可以手工编程，也可以利用CAD/CAM软件实现三维数控加工。

　　3、系统测定与调试

　　系统测定与调试工作主要包括几何误差测算、主轴运动精度检查、微进给运动调试等，最终定位精度为015μm，能够满足亚微米级切削精度的要求。

　　4、切削试验

　　采用直径012mm、螺旋角30°的硬质合金二刃球头端铣刀，对硬铝LY12材料进行分层铣削，其主要工艺参数为：主轴转速4。

　　2×104r/min，进给速度10mm/min，z方向吃刀量5～10μm，切削过程中不断喷洒冷却液。

　　根据测量结果，薄墙的平均厚度小于40μm，竖直槽部分平均深度大于500μm，实现了大深宽比结构的微细铣削加工。

　　5、结语

　　利用传统机加工的灵活优势并结合微细加工的特点，开发适用于微细切削的加工设备已成为微细加工领域的一大热点。在自主构建的小型数控铣床的基础上，进行了切削加工试验，结果显示，该铣床已经具备对meso尺度零件微细切削加工能力。今后，通过对微细切削加工的尺寸特征、工艺参数、材料特性及环境影响等相关因素的深入研究，逐渐摸索微细切削加工新工艺。