三维微细铣削加工设备的研制及试验研究.docx

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三维微细铣削加工设备的研制及试验研究

三维微细铣削加工设备的研制及试验研究

（工学硕士）

三维微细铣削加工设备的研制及试验研究

指导教师姓名、职称：

（教授）

专业或领域名称：

机械工程

学生所属学院：

论文答辩日期：

Developmentandexperimentalstudyofthree-dimensionalmicro-millingequipment

摘要

近年来,随着科学技术的不断发展，许多领域如机械工程、生物工程、电工电子、医学以及航空航天等,产品小型化已成为一种必然趋势,而微加工技术则成为加工领域的迫切需求。

微细加工领域方法可谓多种多样，每种加工方法各有优劣，而在众多加工方法中，微细铣削加工技术因具有加工材料的多样性和能实现三维曲面加工的独特优势，并以其加工精度高、成形能力强的优点在微加工制造领域受到越来越广泛的关注。

微细铣削加工作为微细加工领域中的一项重要制造技术，成为研究的热点。

本论文主要负责设计开发一套微细铣削加工设备，包括硬件设备的选择和软件系统的设计，以及通过自行开发的设备对微铣削加工中相关加工参数对粗糙度和毛刺的影响进行了试验研究。

主要研究工作为：

根据微细铣削对加工精度的需求，选取具有超高定位精度的三轴精密微动平台，并完成该平台的连线和调试工作。

该平台XYZ方向运动轴均采用伺服电机驱动滚珠丝杠，因此具有超高精度并可实现反馈控制。

铣削刀具采用日本NSK电主轴驱动，转速为5000r/min-80000r/min，该电主轴采用调油脂润滑和气动冷却的方式。

依据微铣削机床的加工需求，设计了基于PC机+运动控制卡的整体控制方案，利用与微动平台配套的运动控制卡，通过调用该运动控制卡提供的动态链接库DLL实现对微动平台实时、精确的控制。

这是运动控制领域常用的一种二次开发的方式，这种开发方式具有效率高和灵活性强的优点。

基于Labview编程语言在运动控制领域的独特优势，设计了基于Labview的三维微细铣削加工控制系统，该系统主要包括初始化模块、定位对刀模块、G代码加工模块、实时显示模块和限位控制模块。

该软件系统能够满足微铣削加工所需的全部主要功能，如精确对刀过程中的匀速微进给，如按照G代码语句自动进行微铣加工，如实时显示加工过程中轴的坐标和加工轨迹等。

通过设计的系统进行了微细铣削正交试验，研究了刀具半径、刀具转速、进给量对铣削加工粗糙度和毛刺的影响，并进行了微细二维、三维结构的加工试验，验证了系统功能的实用性和完整性。

关键词：

精密装备；运动控制；Labview；微铣削试验

ABSTRACT

Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,productminiaturizationhasbecomeaninevitabletrendinmanyfieldssuchasmechanicalengineering,biologicalengineering,electronics,medicalscienceandaerospace,etc.,andmicromachiningtechnologyisurgentlydemandedinprocessingfield.Thereisavarietyofprocessingmethodsinmicromachiningfield,witheachhavingitsadvantagesanddisadvantages.While,amongtheseprocessingmethods,micromillingtechnologygetsmoreandmoreattentioninthefieldofmicromanufacturingbecauseofitsuniqueadvantagesoftheprocessingabilityofdiversifiedmaterialsandtherealizationofthree-dimensionalsurfacemachining,andalsoitshighmachiningprecisionandstrongformability.Asanimportantmanufacturingtechnologyinmicromachiningfield,micromillinghasbecomearesearchhotspot.Thispaperisprimarilyresponsibleforthedesignanddevelopmentofasetofmicromillingprocessingequipment,andincludestheselectionofhardwaredevicesanddesignofsoftwaresystems,aswellas,throughthisself-developedequipment,conductsanexperimentalstudyoftheimpactsofrelatedmachiningparametersinmicromillingonroughnessandburrs.

Thestudymainlyinvolvesthefollowingaspects:

（1）Accordingtomicromilling’sdemandformachiningprecision,selects

atriaxialmicro-positioningplatformwithultra-highpositioningaccuracy,andcompletestheconnectionanddebuggingoftheplatform.AllXYZaxesofmotionofthisplatformadoptservomotortodriveballscrew,andthushaveultra-highprecisionandcanrealizefeedbackcontrol.MillingcutteradoptsJapanNSKmotorizedspindledrive,withanadjustablespeedof5000r/min~80000r/minandwiththemethodofgreaselubricatingandaircooling.

（2）Basedontheprocessingdemandsofmicromillingmachinetool,designsanoverallcontrolsolutionsonthebasisofPC-machine+motioncontrolcard,andmakesuseofthemotioncontrolcardwhichmatchesthemicro-positioningplatform.BycallingthedynamiclinkinglibraryDLLwhichisprovidedbythemotioncontrolcard,realizesareal-timeandprecisecontrolofthemicro-positioningplatform.Itiscommonlyusedasasecondarydevelopmentofmotioncontrolmode,whichapproachwithhighefficiencyandflexibilityadvantages.

（3）WiththeuniqueadvantageofLabviewprogramminglanguageinthefieldofmotioncontrol,designsathree-dimensionalmicromillingcontrolsystemonthebasisofLabview,thissystemmainlyincludesinitializationmodule,positioningandtoolsettingmodule,Gcodeprocessingmodule,real-timedisplaymoduleandlimitcontrolmodule.Thissoftwaresystemcanmeetthemaindemandofmicromilling,suchasmicrouniformfeedduringprecisetoolsettingandautomaticmicromillinginaccordancewithGcodestatementsandreal-timedisplayofcoordinateandtrackofaxisduringthemachiningprocess.

（4）Conductsamicromillingorthogonalexperimentthroughthedesignedsystem,studiestheimpactsoftoolradius,toolspeedandfeedonmilling’sroughnessandburrs,carriesoutprocessingexperimentsoftwo-dimensionalandthree-dimensionalstructures,andverifiestheutilityandintegrityofthesystem’sfunctions.

Keywords:

precisionequipment;motioncontrol;Labview;micromillingexperiment

目录

摘要I

ABSTRACTII

目录IV

CONTENTSVI

第一章绪论1

1.1课题的研究背景及意义1

1.2课题的来源与研究内容2

1.2.1本课题来源2

1.2.2主要研究内容3

1.3微小型机床的国内外研究状况3

1.3.1国外微型机床研究状况3

1.3.2国内微型机床的发展状况6

1.4微小型机床控制系统发展趋势8

1.5微铣削基础理论9

1.5.1最小切削厚度9

1.5.2微细切削的表面粗糙度12

第二章微铣削机床硬件系统设计14

2.1微铣削机床硬件设备14

2.1.1微进给伺服系统模块14

2.1.2刀具主轴模块19

2.1.3显微观测模块20

2.1.4光栅测量反馈装置21

2.1.5硬件辅助设备22

2.2硬件系统整体结构23

2.3本章小结23

第三章控制方案设计