1、一种微型制造精密机床动力学手段设计及其实现展望D Huo 和 K Cheng英国，阿克斯布里奇，布鲁内尔大学，先进制造和企业工程系，原稿于2007年2月19日收到，于2007年10月2日予以出版。DOI: 10.1243/09544054JEM839摘要：精密机床是制造高质量、细小尺寸产品或细小尺寸特征所不可或缺的要素，其直接影响到加工的精度，可重复性，和效率。相关知识对设计构成工业化精密机床的组件很重要。然而，仅有较少的努力是在于着眼于系统地从一个动力学的观点去审视精密机床设计。在这篇文章中，在本文中，这一问题将通过强调把动力学方面作为影响精密机床的运转和加工过程的主要的因素精密机床设计重点
2、。一个强调动力学加工反馈的对精密机床设计原则的简要的回顾。然后，精密机床的设计过程的实际模型和仿真实现将被讨论。关于快速刀具伺服系统和桌面型五轴联动微型铣床的设计及分析案例研究将予以记录。在这两个案例研究中的设计和分析采用基于目标设计的方法论及导向进行描述。关键词：精密机床，微制造，加工动力学，设计，模型化1介绍精密机床因其直接关系到产品的加工精度，可重复性，生产效率和效率，成为了现代工业生产的不可或缺的要素。精密机床设计基于其应用预期和加工过程可以细分为关键要素的设计。虽然已有相当数量的出版物涉及工业机床设计手段1-5，也有相当数量的机床已经商业化。但是注意力很少放在从一个动力学的观点去设计
3、精密机床。但是很难在期刊出版物上完全论述精密机床设计的整个过程。因而，强调的重点放在精密机床机械和结构设计的常规设计方法和工程机械领域动力学观点的习惯方法。此外，为了达到一种最佳的机床和增强其加工过程动力学表现，设计注意力放在了一种综合手段机床和加工过程动力学的仿真和模拟上。最近生产小型/微型尺寸产品和微型结构产品的倾向导致了挑战，比如制造包含三维曲面或自由曲面的微型结构和组件。尽管相当程度的努力已经用于开发基于制造方法的集成电路，加工中的机械因素仍然是唯一可行的实现三维微型结构和自由曲面的技术。因而，需求一种能够满足微型尺寸产品制造要求的精密机床设计方法。同样，加工动过程的力学也需要完全搞懂
4、。本文将从讨论精密机床设计原则开始，包括机床结构和运转情况的评估，接下来的是关于刀具-加工毛坯的谐波和振动的讨论。目前原则和方法论已经被推敲和公式化，并包含了机床和加工动力学。这样，动力学和现代机床设计的实践要求能够采用强大的设计分析工具的辅助予以例证。机床设计方法论涵盖了动力学驱动设计，设计模型化，仿真环境和成熟的公式化设计路线。最后，提供了两个案例：快速伺服系统的设计和一个桌面型五轴联动微型铣床，用以评估好证明现有的方法论。2精密机床原理一种典型的精密机床包含五个主要的子系统。他们是：机械结构，主轴及其驱动系统，刀具及夹具系统，控制和伺服系统和测量和检测系统。这些子系统很重要并直接关系到机
5、床的运转特征。图1展示了机床的主要部分和评估机床运转情况的关键指标。大量加工操作和在工业实践中他们的辅助装配关系都在说明图1并不完整，这只是便于读者对主题的了解。2.1 机械结构机械结构通常由静止和运动的机床本体组成。静止本体包括床身，立柱，主轴箱，等等。他们通常支撑运动本体，比如工作台，滑枕，刀架。一个成功的结构设计是重要的，因为机械结构不仅仅提供支撑和容纳组件，其也关系到机床运转的动力学表现。为了达到较高的刚度，振动衰减性、热稳定性这两个主要设计因素在结构设计时被包含，并影响选材和外形。材料的选择是决定机床最终表现的一个机床结构的关键决定因素，有许多指标需要被考虑，比如：时间稳定性、比刚度
6、、均匀性、可制造性和成本等等6。尽管有许多结构材料可以供选用，到现在为止仅有少数材料被用于机床结构。铸铁由于其相对成本低廉和对动态载荷及瞬时载荷良好的减震性多年了已经被广泛应用。但铸铁也有缺点：加工和铸造的原始成本高，铸造厂的环境记录又很差7。花岗岩的热膨胀和阻尼特性使其成为机床的基础和导轨的流行选择。的确如此，但是其缺点是会吸收水分，故只能用于干燥环境下。基于这些原因，许多机床制造商在销售花岗岩时都会附上环氧树脂。对精密加工中的高减震性和轻量化要求，以及长期的空间及几何稳定性要求，导致了聚合物混凝土在机床结构环境中的发展与使用。这 忽视了其较低的强度等级8。对称性和闭环结构外形被广泛应用在精
7、密机床设计当中。在所有的结构当中，“T”型结构是精密车床和铣床最流行的结构。四面体结构曾被英国国家物理实验所提议用于内部阻尼空间结构，可使得所有的载荷被一个闭环所承受。这一设计产生了一个很高的刚度和异常优异的动力学刚度9，虽然其复杂性和加工过程成本会增加。另一个新的金字塔型空间框架结构适合于点状载荷的特殊磨床10。这一设计提供了在潮湿环境下的一个高静态刚度环和高动态刚度环。2.2 主轴和反馈驱动系统主轴是精密机床的关键要素因，为主轴运动的任何问题都会对被加工件的表面粗糙度和精度产生重大影响。精密机床中最常用的主轴是空气主轴和流体主轴。两者都具有较高的运动精度和高速运转的能力。空气主轴比油流体主
8、轴有较低的刚度。空气主轴广泛应用于中低载荷机床而流体主轴通常应用于大型重载精密机床上。精确的一维运动通常采用导轨。空气和液体导轨已经频繁应用于精密机床设计和替换接触式导轨。而驱动器方面，高速主轴的直流和交流电刷电机频繁介入以抵消主轴产生的惯性和摩擦水平。直流和交流直线电机驱动能够产生长行程直接驱动并因此能够避免机械传动装置比如像丝杠、皮带轮、齿轮齿条，因而在刚度、加速度、运动平稳性、精度、可重复性等指标上产生了更好的性能11。摩擦传动是非常有前途的因为一个可预见的预加载荷是作用在静定的接触轮上的，并能够用于加工镜面12。但是一些具体考虑限制了摩擦传动在机床上的应用。其中一个限制因素就是热容量。
9、因而摩擦传动应用于高速操作相当困难。2.3 工装和夹具系统工装和夹具系统是加工系统的重要组成部分。他们同样在机床设计扮演重要角色，并处于机床的工装-加工环的末端。夹具系统中工装任何变形，无论是静态还是动态条件想，都会复制到被加工件的表面并进一步从尺寸精度和表面纹理及形貌方面影响到工件。在论及机床动力学方面，工装和夹具系统的动力学状态会有重大变化，这取决于切削刀具对工件载荷的响应，并与固定结构和毛坯形状有关13。在精密机床设计中，设计人员将动力学纳入考虑而不管其可能的困难是很重要的，因为这会使机械动力学和误差预期得打精确评估。在实践中，刀具定位对工件的响应会导致动力学条件的改变，这可以通过采用更
10、大的刀具安全区来解决，并能够通过设计限制主轴转速来减少动力学条件的改变。2.4 控制系统数控技术在二十世纪七十年代早期被引入机床工业中，许多公司为他们的机床开发了控制系统。控制子系统包含电机、放大器、开关、顺序控制器及计数器。高速多轴数控控制器对有效控制着高精度闭环同步仿形伺服系统至关重要，同时对热变形和几何误差具有补偿功能，并能优化刀具安装，直接进入外形方程14。从动力学观点看来，控制系统的刚度对在动态载荷条件下确保位置精度的能力具有关键作用。因而，一个适当的控制系统及其算法的设计可以成就一个高伺服刚度并有助于改善机床的加工精度。2.5 测量和检查系统测量和检查系统是精密机床质量保证体系的基
11、础，并促使技术广泛应用与工业实践当中。这样，这一系统的改进将有助于在装备制造业的新过程中已达到更高的精度要求。操作员通过视频系统快速精确地确定刀具和工件表面的相对位置并监控刀具状况，尤其适合在线操作。2.6 机床性能评估机床子系统设计的总体目标是达到机床性能的必要条件已经在上面予以讨论。性能通常从一些方面进行：（a） 精度；（b） 运动学；（c） 静态性能；（d） 动态性能；（e） 强度性能；（f） 热性能（g） 噪音；（h） 振动。这些机床的性能全部反映到刀具-工件环中，动力学关系也反映在图1中。以下的章节关注刀具-工件环，并潜在强调机床动力学。3 刀具-工件环和机床振动精密机床需要高的动力
12、学系统，因为其要用满足精度、生产率和可重复性要求的能力。切削刀具位置精度对机床精度有影响，并通过工件表面和他们的相关结构予以复现，这在机床设计中是基本的和重要的。从加工的角度来说，机床的主要功能是精确并可重复地控制刀具与毛坯的接触点即加工界面。这一界面通常都定义为刀具-工件环。图2展示了一个典型的机床刀具-工件环。位置环（工件和刀具间的相对位置）直接作用于机床并与加工误差直接相关。刚度和热影响环引入的变形是刀具-工件环的两个重要因素。机床刚度环是一个成熟的系统。机床刚度环包括刀具、刀夹、导轨和移动刀具和工作台的滑道、主轴夹头、夹具和内振动及其他动态效应。刚度环中的物理量是力和位移。在加工中，加
13、工点的切削力通过刚度环递到机床并通过闭环回到原点。结构环的外部因素会对环产生影响并造成误差，包括基础振动、温度改变、和切削不稳定。热动力环与刚度环在对切削刀具工件的影响点相似。机床振动在决定动态变形和动力学特性中扮演了一个重要角色。此外，过度的振动会导致刀具的磨损和折断，导致较差的表面质量，损毁机床部件。正如图2所示，在机床设计阶段确定振动类型并抑制这些振动相当有用。4 预期的实现和方法论4.1精密机床设计过程正如图三所示，精密机床的设计过程可以被划分为几个相关的步骤：客户需求和系统功能需求、概念设计、分析和仿真、试验分析、细节设计、和后续设计。总的设计过程总是反复、并行、非线性、多学科综合并
14、且不排斥创新、关联创新和改进。精密机床的功能要求需要考虑几何学、运动学、动力学、动力要求、材料、传感器及控制系统、安全系统、人家工程学、可制造性、组装、质量控制、运输、维修、成本和进程等等方面的影响1。设计的艺术与技巧在于使设计更合理成本更低。最终技术条件决定了机床的最终技术状态。概念设计的最终结果对精密机床创新设计大有帮助。概念设计通常自由讨论的方式产生。在这一阶段，关键组件的选择被纳入考虑。这些关键组件包括机床结构、材料、主轴、导轨、进给驱动器、控制单元、检测单元、刀具和夹具等等。这些组件的优缺点将综合系统操作要求和其他原因比如成本进行比较与评估。其中一些关键组件在前序章节已经简要讨论了。
15、几个因分析和仿真不同而不同的相互竞争的设计方案在这一阶段被提出、研究和测试。从动力学观点上看，振动应该从开始设计到最终操作都小心的避免。分析和仿真技术包括关键组件的模型化、系统模型化、静态分析程和动态分析等等。在分析和仿真方法中使用最广泛的是有限元分析法（FEA）。分析的结果，综合了误差预期和成本预计，通常都和机床说明书一同确定。分析结果同样有助于确定机床结构中的危险零件并为结构优化提供数据以加快决策过程。精密机床动力学实验分析包括测试方法的选择频率响应函数分析、模型改进和仿真结果对比等等。实验性研究允许获得机床关键组件和机床整体的重要的动力学特性，比如工作方式、外形、固有频率、阻尼比。实验结
16、果同样有助于指导结构优化并检验仿真模型。应该强调的是结构设计、结构动态分析、和测试过程不是一些一个独立的过程，但又事实上又是独立的。精密机床设计应该在工程环境中与结构设计、分析和实验相结合。动力学实验检验最初是用于支持动力学仿真的，但自从许多未知存在于纯分析和仿真过程中，尤其是当全新设计外形结构时。对各种仿真程序认识的不完整，新材料的特性，或是采用不同的结构设计方式，都会导致仿真过程的低效率并引发反复。结构动力学测试的首要任务是提高一个必要的反馈数据去支持设计和分析过程。反馈数据能够被大多数传感器所采集。通常情况下在完全组装的精密机床上或是遵循传统的反复试验方式时，动力学测试是不需要的。此外，空气导轨的动力学测试数据可以通过有限元方法建立一个精确的模型；超细/微细加工过程仿真标准模型的发展有
