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國內(nèi)外微小型數(shù)控機床簡介
日期：2009年11月05 來源：沈陽第一機床廠 關鍵字：數(shù)控機床
1．日本的微小型機床與微型工廠
盡管早在1970年Duaa等人就首次提出了微小型化機床的概念，但當時只是作為硅胡加工制作的微電動機的一種應用，并沒有得到廣泛的重視。
1990年，日本通產(chǎn)省工：業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室(MEL)提出了由微小型化機床和操9器組成微型工廠的概念，由此正式拉開了微小型化機床研究的序幕。1996年，MEL開發(fā)d0界上第一臺微型化的機床——微型車床。該機床尺寸長x寬x高為32mm~25~mnx30．5mm，I量僅l跚z，數(shù)控機床主軸電動機額定功率]．5W，轉(zhuǎn)速10000r／rain。圖‘—26所示為諄車床與硬69Q較圖。用該車床切削黃銅，加工表面粗糙度為Rzl．5gm，工件的圓度誤差為2．Sgm，最州'直徑可車削至6011m。日本金澤大學的ZinanLu和TakeshiYoneyama研究了一套微細車削系統(tǒng)，由檄細輒控制單元、光學顯微裝置和監(jiān)視ge組成。圖5-27所示為該微細車床的結(jié)構(gòu)原理圖。機床主軸用兩個微型滾動軸承支承，沿z方向進給；刀架z向固定不動，以便于用光學顯微裝置觀察。
因為工件的直徑很小，車削時沿x、r方向移動的幅度不人，所以由刀架完成x和r向運動。機床長約200mm，主電動機功率0．5W，主軸轉(zhuǎn)速3000—15 000r／min連續(xù)可調(diào)，徑向跳動在1四以內(nèi)，x、r、z軸的進給分辨率均為4nm。用直徑0．3mm的黃銅絲毛壞，在這臺機床上加工出直徑10pm的外圓柱面，還加上出直徑120gm、螺距12．5gm的絲杠，表面粗糙度小于Rzlgm，該機床尺寸長x寬x高為450rmnx300mmx380mm，土軸最高轉(zhuǎn)速200000r／min，工作臺三維直線進給分辨串為0．1l,xm，全閉環(huán)控制，最大進給速度為50mm／s，可實現(xiàn)3D曲面的數(shù)控加工。在7075鍋合金材料上加工深槽和薄壁結(jié)構(gòu)，其中槽深／寬比為40。通信人學合作研制的車床型超精密銑床，利用單刃單晶金剛石球頭銑／J(R30gm)，在直稈lmm的18K金材料上銑削加工的。能面表面高低差30gm，表面數(shù)控機床粗糙度RzO．058[xm。這是世，界上首例用切削方法實現(xiàn)的自由曲面的微細加丁。微型工廠的概念由日本MEL首先提出。MEL在開發(fā)世界第‘臺微型車床之后，又相繼 開發(fā)微型銑床、微型沖床和操作機械手等，并十1999年推山世界第一臺桌曲微型丁廠樣機。該樣機占地面積700mmx500mm，山車床、銑床、沖床、搬運機械手和裝配用機械手組成，成功完成外徑900gm、長3mm的樞軸球軸承的加了與裝配。2000年，MEL設計制作了第二臺微型丁廠樣機——便攜式微型刊。其質(zhì)量僅23ks，可放在高x寬x長為 380mmx625mmx490mm的特制旅行箱，1，攜帶方便。
2．美國的微小型機床
2000年，美同密丙根大學、伊利諾斯大學和西北人學共同組織發(fā)起以微細機械制造為主 題的專題討論會，分析采用小型化機床實現(xiàn)巾尺度精密加工的研究重點，推動微細制造技術(shù)的研究與應用。200數(shù)控機床1年，美國國家科學基金會(NSF)資助的“Micro／Meso-ScaleMachineToolSystems”研究計劃，旨在通過微小型化機床的并行生產(chǎn)達到批量生產(chǎn)十問尺度微小軍什的目的。在該計劃下研制了兩臺微小型機床樣機，本體尺寸分別為250mmxl50mmx200mm和60mmx90mmxlOOmm，主軸最高轉(zhuǎn)速分別為]50000r／min和320000r／min。二者都采用閉環(huán)控制，其中前者還裝備了一個測力傳感器以測量微細切削力。試驗結(jié)果表明，該機床刮以實現(xiàn)’維特征加下。另外，TaQin等研制了—‘臺微小刷加—L：中心。據(jù)稱，其土軸的回轉(zhuǎn)精度和驅(qū)動進給分辨率都較門本最早的微小型機床高l～2個量級。
3．我國的微小型機床
近年來，我國的一些高校和企業(yè)在微小型數(shù)控機床的研究和開發(fā)中，取得 系列令址人矚目的成果。盡管微小型工廠的研究尚未見報道，但2004年在上海舉行的微型工／國際會議，足以說明我國的相關研究在世界舞臺上已占有相當重要的地位。
2001年以來，哈爾濱工業(yè)大學的孫雅洲博十等發(fā)表了多篇很有價值的研究論文，介紹其研制的微小型機床試驗臺，如圖5-32所示。該試驗臺包括主軸系統(tǒng)、進給驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和{腕測系統(tǒng)。采用臥式三坐標結(jié)構(gòu)布局，主體尺寸長x寬x高為300nmlxl50mmxl65mm：采用r，木NSK小型空氣渦輪主軸，最高轉(zhuǎn)速可達140 000r／min，更換夾頭可裝央／J柄直徑40．8--4．0mm的刀具，跳動量小于2Um；三維直線進給下臺豎直軸行程為25mm，水平兩軸行程均為30mm；驅(qū)動進給均采用以色列生產(chǎn)的Nanomotion比電陶瓷超聲電動機(HR系列)，配以專用的ABIA驅(qū)動器盲接驅(qū)動，分辨率達O．1gm；調(diào)速范圍兒10-~250innds。利用該試驗臺， 采用直徑40．5mm、螺旋角30’的硬質(zhì)合金兩／J平頭扛銑刀，以轉(zhuǎn)速51000r／min、進給速度5．1mm／s、背吃刀量50gm，對黃銅H62進行銑削試驗，槽底表面粗糙度為RdO．21gm。該機休采用高速空氣靜壓電主軸，最高轉(zhuǎn)速為90000r／min：永磁數(shù)控機床自線電動機直接驅(qū)動交叉滾柱支撐的高分辨率超精密滑臺，分辨率達0．05gm；外形輪廓尺寸高x寬x長為300mmx400mmx500mrn，XYZ工作空間尺＼J為50mmx50mmx20mm，全閉環(huán)控制，能實現(xiàn)亞微米級加工精度。采用直徑40．2mm、螺旋角30’的硬質(zhì)合金兩刃球頭銑刀，對硬鋁LYl2材料進行分層銑削，挾得薄壁結(jié)構(gòu)。其主要廠藝參數(shù)為： 仁軸轉(zhuǎn)速41 000r／rrdn，進給速度10 mm／min，z方向吃刀量5～10gm，千切削。測暈結(jié)果表明，薄壁的千均厚度小于40gm，豎直槽部分平均深度大于500gm，實現(xiàn)了人深寬比結(jié)構(gòu)的微細銑削加廠。
上海交通大學來新民教授等研制的介觀尺度微型銑床試驗臺，采用臥式結(jié)構(gòu)，總體尺寸高X貪X長為270mmxl90mmx220mm，加工范圍為30mmx30mmx30mm；采用氣動馬達，主軸最高轉(zhuǎn)速為120000r／min，跳動度在II．tm以內(nèi)；三向力傳感器子系統(tǒng)采用Ki數(shù)控機床stler9317B三向高頻切削力傳感器：采用美國Optidyne公司激光干涉儀對丁作臺進行測量，結(jié)果表明定位精度1．62gm、重復定位精度0．313gm。利用該微型試驗臺完成了上海交通大學校徽的微銑削加工，校徽直徑6mm，圖案高度10[xm，表明該系統(tǒng)具有很強的加工復雜特征微小零件的能力。哈爾濱量具刃具集團有限責任公司開發(fā)的MPM—1型新一‘代微小型超精密 3軸聯(lián)動數(shù)控銑床，這是我國第一臺由企業(yè)推出的微小型機床。該機床工作臺x、r、z軸行程均為75mm：定位精度~0．5gm／75mm，重復定位精度~0．25gm，導軌直線度0．1~50mm：主軸轉(zhuǎn)速160 000r／min，回轉(zhuǎn)精度lgm，功率28W：顯微視覺系統(tǒng)放大倍數(shù)為200倍：／)具直徑最小可小到0．15mm。
來自企業(yè)界的微小型機床，還有—亡海機床廠有限公司與美國喬治亞理工學院合作開發(fā)的名為“Elite’’的納米精度的微小型數(shù)控磨床。該機床創(chuàng)下中國磨床規(guī)格最小、精度最高的兩項紀錄，數(shù)控機床是具有國際首創(chuàng)水平的納米級進給系統(tǒng)的外圓磨床；其外型尺寸高x寬x長為210nmax220mmx230mm，轉(zhuǎn)速達到60000r／min：采用空氣密封冷卻系統(tǒng)；圓柱形砂輪最小直徑200gm。這臺納米數(shù)控磨床將用于航大工業(yè)的精密加工，滿足高糈，庹小孔、槽、臺階面的加丁。
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