陳爽等

摘 要：為了滿足三維精密微小零件加工，設(shè)計(jì)了一種桌面式龍門銑床。在機(jī)床設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程采取初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化的步驟。為保證機(jī)床的加工精度，應(yīng)用有限元法分析了機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，并針對(duì)分析結(jié)果對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的機(jī)床最大靜剛度位移量小于0.39μm，頻響峰值點(diǎn)最大位移小于0.181μm；結(jié)果證明了該桌面式龍門高速銑床具有良好擴(kuò)展性和結(jié)構(gòu)性能，為微切削機(jī)理的研究提供了靈活可靠的研究平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：桌面式；龍門銑床；有限元；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TG54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，在航空航天，生物醫(yī)藥，電子通訊以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域?qū)ξ⑿×慵木苤圃煨枨笠恢痹谠鲩L(zhǎng)。在微制造過程中，制造公差、零件特征以及零件尺寸能達(dá)到毫米甚至微米級(jí)，微制造技術(shù)正在成為一種主流技術(shù)。盡管采用傳統(tǒng)的精密機(jī)床能已能夠滿足微小尺寸特征和零部件的制造，但是微型機(jī)床由于結(jié)構(gòu)尺寸小，在熱變形，材料消耗量，占用空間，能源消耗，振動(dòng)幅值方面比傳統(tǒng)機(jī)床要明顯減少，所以桌面式機(jī)床技術(shù)在微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域仍然具有很大的潛力。

微機(jī)床利用了桌面工廠的微小尺寸一體化制造系統(tǒng)的概念。桌面工廠的制造模式是綠色制造的一種，是環(huán)保型的生產(chǎn)模式。日本是較早開始研究桌面工廠的國家，已經(jīng)研發(fā)出了包括超小型車床、銑床、沖壓機(jī)等組成的桌面工廠，重量為23kg。國內(nèi)，清華大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也已經(jīng)開展了微型工廠的研究。為了實(shí)現(xiàn)微小零部件的制造，本文結(jié)合桌面工廠的概念設(shè)計(jì)了桌面式龍門銑床。

2 桌面式龍門銑床設(shè)計(jì)方案

通過研發(fā)桌面式銑床可以解決微小零部件的制造，零件的尺寸范圍一般可達(dá)幾百微米到幾毫米，特征尺寸可達(dá)到亞微米到幾百微米。桌面式銑床的工作空間應(yīng)與工件的尺寸匹配，避免整個(gè)制造系統(tǒng)過于擁擠。

本文所設(shè)計(jì)的桌面式龍門銑床的龍門框架尺寸為500mm×600mm×500mm，總質(zhì)量為154kg。主軸采用立式裝配，可實(shí)現(xiàn)微小零部件的高速精密微銑削加工。龍門框架的良好擴(kuò)展性和結(jié)構(gòu)特性保證了機(jī)床具有優(yōu)良的加工范圍及良好升級(jí)改造空間，桌面式龍門銑床整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 機(jī)床床身與基座

桌面式銑床的床身與基座應(yīng)具有較低的熱膨脹系數(shù)，保證機(jī)床在運(yùn)行過程中能承受溫度變化，從而獲得良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)剛度，保持工件較高的幾何重復(fù)性。機(jī)床底座使用天然大理石材料，橫梁使用鑄鐵。機(jī)床整體采用龍門式結(jié)構(gòu)，具有更好的抗振性以及擴(kuò)展性。

2.2 定位平臺(tái)

定位平臺(tái)是主要的運(yùn)動(dòng)部件，為了實(shí)現(xiàn)微小零部件的精密加工，平臺(tái)應(yīng)具有高分辨率和重復(fù)定位精度。滾珠絲杠能達(dá)到97%的傳動(dòng)效率；重復(fù)定位精度一般都能到1?m；壽命長(zhǎng)，滾出絲杠的螺母、絲杠和滾珠的硬度都很大，所以疲勞壽命和精度壽命都很長(zhǎng)；滾珠絲杠還具有高速特性及運(yùn)動(dòng)可逆性等特性。X、Y、Z三個(gè)方向均選用精密滾珠絲杠滑臺(tái)。

2.3 主軸系統(tǒng)

微制造工藝中一般使用的刀具半徑都較小，所以為了獲得合適的切削速度，要求主軸具有很高轉(zhuǎn)速。另外還要保證主軸的徑跳動(dòng)較小，避免在高速切削中出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)影響加工精度和機(jī)床壽命。本文選用的電主軸最高轉(zhuǎn)速為60，000rpm，徑向跳動(dòng)誤差優(yōu)于1μm，最大輸出功率350W。

2.4 輔助系統(tǒng)

2.4.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在線監(jiān)控對(duì)加工過程的優(yōu)化和刀具的在線監(jiān)測(cè)有著重要的意義。本文選用雙CCD相機(jī)方法對(duì)整個(gè)加工過程實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，充分掌握整個(gè)加工過程中刀具以及工件的狀態(tài)，實(shí)時(shí)了解加工過程中的問題，對(duì)研究加工工藝等奠定基礎(chǔ)。

2.4.2 隔振系統(tǒng)

為了提高工件的加工質(zhì)量，保證加工過程平穩(wěn)精確，消除外部振動(dòng)源帶來的不利影響，機(jī)床需要配置隔振系統(tǒng)作為固定平臺(tái)。我們選用精密隔振平臺(tái)，適合微型高速加工設(shè)備，能夠有效地隔離加工過程中的外界振動(dòng)。

3 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

為了驗(yàn)證機(jī)床結(jié)構(gòu)的可靠性，減少結(jié)構(gòu)在切削力、重力以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等的作用下的變形，我們通過有限元軟件ANSYS分析機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 銑削力載荷計(jì)算

3.2 靜力結(jié)構(gòu)分析

由于橫梁是機(jī)床的關(guān)鍵部位，橫梁的剛度和負(fù)載能力將影響主軸的運(yùn)行，同時(shí)還要考慮對(duì)橫梁進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，這是機(jī)床桌面化的重要步驟之一，我們使用Workbench的優(yōu)化模塊對(duì)橫梁進(jìn)行了多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化。為了提高橫梁的裝配精度，采用精密鑄造成型。橫梁的建模使用Workbench的Design Modeler （DM） 完成。圖2為橫梁的橫截面，在DM中將B、H、b、h、Ls設(shè)置為變量，在Static Structural中將質(zhì)量、總位移量以及等效應(yīng)力最大值設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和子部件的尺寸選定了初始值，在Design Exploration模塊中給定變量的變化域，優(yōu)化結(jié)算后的橫梁減重54%，而在總變形最大值和等效應(yīng)力最大值上分別增加0.04μm和0.02749MPa，優(yōu)化效果明顯，見表1。

完成橫梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)龍門床身的靜態(tài)特性進(jìn) 行分析，從圖3最大位移量為0.39μm，馮·米塞斯等效應(yīng)力最大值為0.2544MPa。在靜力分析中，機(jī)床表現(xiàn)出良好的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性。

3.3 動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)加工單元的模態(tài)分析結(jié)果可知，桌面式銑床在39，000rpm～60，000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高速精密微加工。

為了檢驗(yàn)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)桌面式銑床進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。載荷力大小依據(jù)公式1中得到的切削力數(shù)值結(jié)果。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果及預(yù)估最高載荷頻率（1000Hz），頻率范圍設(shè)置在 300-1100Hz，載荷步為100。圖5為主軸前端橫截面在三個(gè)方向上的變形情況。床身的頻響峰值點(diǎn)出現(xiàn)在一階模態(tài)554Hz處，最大位移不超過0.181μm。滿足微小零部件的銑削加工要求。endprint

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種滿足三維精密微小零件加工的桌面式龍門銑床，并對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析。首先，在機(jī)床設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程中，通過分析微小零件加工需求、零件特征及工藝特點(diǎn)，結(jié)合桌面工廠的設(shè)計(jì)原則，提出了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)及各單元設(shè)計(jì)，并在此過程中采取初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化的步驟，以保證機(jī)床初始設(shè)計(jì)的合理性；其次，為提高機(jī)床加工精度等性能指標(biāo)，應(yīng)用有限元法分析了機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，并針對(duì)分析結(jié)果對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)及薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化；優(yōu)化結(jié)果證明了該桌面式龍門高速銑床具有良好擴(kuò)展性和結(jié)構(gòu)性能。為高速微切削理論與實(shí)驗(yàn)研究提供了靈活可靠的研究平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1]J. Chae， S.S. Park， T. Freiheit， Investigation of micro-cutting operations， International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 （2006） 313–332.

[2]Hansen， H.N.， Eriksson， T.， Arentoft， M.， Paldan， N.， 2006. Design rules for microfactory solutions. 5th International Workshop on Microfactories， France， pp. 1–4.

[3]趙洪策.桌面式微型工廠的建模和仿真與可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].

[4]Akhtar Razul Razali， Yi Qin. A Review on Micro-manufacturing， Micro-forming and their Key Issues[C]//Malaysian Technical Universities Conference on Engineering &； Technology， 2012：665-672

[5]S.M. Afazov， D.Zdebski，S.M. Ratchev，J.Segal，S.Liu. Effects of micro-milling conditions on the cutting forces and process stability[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213：671-684.

[6]Alejandro Aguilar，Armando Roman-Flores，Joel C. Huegel.Design，refinement，implementation and prototype testing of a reconfigurable lathe-mill[J]. Journal of Manufacturing Systems，2013，32（02）： 364～371

[7]李兵，何正嘉，陳雪峰.Ansys Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Li Bing， He Zhengjia， Chen Xuefeng. Anasys Workbench ： Design，Simulation and Optimization[M].Beijing： Tsinghua University Press， 2008（in Chinese）.

[8]黃偉，歐長(zhǎng)松，陸海漫，何桂華，馮建國.龍門銑床立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2012，31（01）：118-121.endprint

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種滿足三維精密微小零件加工的桌面式龍門銑床，并對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析。首先，在機(jī)床設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程中，通過分析微小零件加工需求、零件特征及工藝特點(diǎn)，結(jié)合桌面工廠的設(shè)計(jì)原則，提出了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)及各單元設(shè)計(jì)，并在此過程中采取初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化的步驟，以保證機(jī)床初始設(shè)計(jì)的合理性；其次，為提高機(jī)床加工精度等性能指標(biāo)，應(yīng)用有限元法分析了機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，并針對(duì)分析結(jié)果對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)及薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化；優(yōu)化結(jié)果證明了該桌面式龍門高速銑床具有良好擴(kuò)展性和結(jié)構(gòu)性能。為高速微切削理論與實(shí)驗(yàn)研究提供了靈活可靠的研究平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1]J. Chae， S.S. Park， T. Freiheit， Investigation of micro-cutting operations， International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 （2006） 313–332.

[2]Hansen， H.N.， Eriksson， T.， Arentoft， M.， Paldan， N.， 2006. Design rules for microfactory solutions. 5th International Workshop on Microfactories， France， pp. 1–4.

[3]趙洪策.桌面式微型工廠的建模和仿真與可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].

[4]Akhtar Razul Razali， Yi Qin. A Review on Micro-manufacturing， Micro-forming and their Key Issues[C]//Malaysian Technical Universities Conference on Engineering &； Technology， 2012：665-672

[5]S.M. Afazov， D.Zdebski，S.M. Ratchev，J.Segal，S.Liu. Effects of micro-milling conditions on the cutting forces and process stability[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213：671-684.

[6]Alejandro Aguilar，Armando Roman-Flores，Joel C. Huegel.Design，refinement，implementation and prototype testing of a reconfigurable lathe-mill[J]. Journal of Manufacturing Systems，2013，32（02）： 364～371

[7]李兵，何正嘉，陳雪峰.Ansys Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Li Bing， He Zhengjia， Chen Xuefeng. Anasys Workbench ： Design，Simulation and Optimization[M].Beijing： Tsinghua University Press， 2008（in Chinese）.

[8]黃偉，歐長(zhǎng)松，陸海漫，何桂華，馮建國.龍門銑床立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2012，31（01）：118-121.endprint

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種滿足三維精密微小零件加工的桌面式龍門銑床，并對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析。首先，在機(jī)床設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程中，通過分析微小零件加工需求、零件特征及工藝特點(diǎn)，結(jié)合桌面工廠的設(shè)計(jì)原則，提出了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)及各單元設(shè)計(jì)，并在此過程中采取初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化的步驟，以保證機(jī)床初始設(shè)計(jì)的合理性；其次，為提高機(jī)床加工精度等性能指標(biāo)，應(yīng)用有限元法分析了機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，并針對(duì)分析結(jié)果對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)及薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化；優(yōu)化結(jié)果證明了該桌面式龍門高速銑床具有良好擴(kuò)展性和結(jié)構(gòu)性能。為高速微切削理論與實(shí)驗(yàn)研究提供了靈活可靠的研究平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1]J. Chae， S.S. Park， T. Freiheit， Investigation of micro-cutting operations， International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 （2006） 313–332.

[2]Hansen， H.N.， Eriksson， T.， Arentoft， M.， Paldan， N.， 2006. Design rules for microfactory solutions. 5th International Workshop on Microfactories， France， pp. 1–4.

[3]趙洪策.桌面式微型工廠的建模和仿真與可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].

[4]Akhtar Razul Razali， Yi Qin. A Review on Micro-manufacturing， Micro-forming and their Key Issues[C]//Malaysian Technical Universities Conference on Engineering &； Technology， 2012：665-672

[5]S.M. Afazov， D.Zdebski，S.M. Ratchev，J.Segal，S.Liu. Effects of micro-milling conditions on the cutting forces and process stability[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213：671-684.

[6]Alejandro Aguilar，Armando Roman-Flores，Joel C. Huegel.Design，refinement，implementation and prototype testing of a reconfigurable lathe-mill[J]. Journal of Manufacturing Systems，2013，32（02）： 364～371

[7]李兵，何正嘉，陳雪峰.Ansys Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Li Bing， He Zhengjia， Chen Xuefeng. Anasys Workbench ： Design，Simulation and Optimization[M].Beijing： Tsinghua University Press， 2008（in Chinese）.

[8]黃偉，歐長(zhǎng)松，陸海漫，何桂華，馮建國.龍門銑床立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2012，31（01）：118-121.endprint