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国内外微小型数控机床简介
日期：2009年11月05 来源：沈阳第一机床厂 关键字：数控机床
1．日本的微小型机床与微型工厂
尽管早在1970年Duaa等人就首次提出了微小型化机床的概念，但当时只是作为硅胡加工制作的微电动机的一种应用，并没有得到广泛的重视。
1990年，日本通产省工：业技术院机械工程实验室(MEL)提出了由微小型化机床和操9器组成微型工厂的概念，由此正式拉开了微小型化机床研究的序幕。1996年，MEL开发d0界上第一台微型化的机床——微型车床。该机床尺寸长x宽x高为32mm~25~mnx30．5mm，I量仅l跚z，数控机床主轴电动机额定功率]．5W，转速10000r／rain。图‘—26所示为谆车床与硬69Q较图。用该车床切削黄铜，加工表面粗糙度为Rzl．5gm，工件的圆度误差为2．Sgm，最州'直径可车削至6011m。日本金泽大学的ZinanLu和TakeshiYoneyama研究了一套微细车削系统，由檄细辄控制单元、光学显微装置和监视ge组成。图5-27所示为该微细车床的结构原理图。机床主轴用两个微型滚动轴承支承，沿z方向进给；刀架z向固定不动，以便于用光学显微装置观察。
因为工件的直径很小，车削时沿x、r方向移动的幅度不人，所以由刀架完成x和r向运动。机床长约200mm，主电动机功率0．5W，主轴转速3000—15 000r／min连续可调，径向跳动在1四以内，x、r、z轴的进给分辨率均为4nm。用直径0．3mm的黄铜丝毛坏，在这台机床上加工出直径10pm的外圆柱面，还加上出直径120gm、螺距12．5gm的丝杠，表面粗糙度小于Rzlgm，该机床尺寸长x宽x高为450rmnx300mmx380mm，土轴最高转速200000r／min，工作台三维直线进给分辨串为0．1l,xm，全闭环控制，最大进给速度为50mm／s，可实现3D曲面的数控加工。在7075锅合金材料上加工深槽和薄壁结构，其中槽深／宽比为40。通信人学合作研制的车床型超精密铣床，利用单刃单晶金刚石球头铣／J(R30gm)，在直秆lmm的18K金材料上铣削加工的。能面表面高低差30gm，表面数控机床粗糙度RzO．058[xm。这是世，界上首例用切削方法实现的自由曲面的微细加丁。微型工厂的概念由日本MEL首先提出。MEL在开发世界第‘台微型车床之后，又相继 开发微型铣床、微型冲床和操作机械手等，并十1999年推山世界第一台桌曲微型丁厂样机。该样机占地面积700mmx500mm，山车床、铣床、冲床、搬运机械手和装配用机械手组成，成功完成外径900gm、长3mm的枢轴球轴承的加了与装配。2000年，MEL设计制作了第二台微型丁厂样机——便携式微型刊。其质量仅23ks，可放在高x宽x长为 380mmx625mmx490mm的特制旅行箱，1，携带方便。
2．美国的微小型机床
2000年，美同密丙根大学、伊利诺斯大学和西北人学共同组织发起以微细机械制造为主 题的专题讨论会，分析采用小型化机床实现巾尺度精密加工的研究重点，推动微细制造技术的研究与应用。200数控机床1年，美国国家科学基金会(NSF)资助的“Micro／Meso-ScaleMachineToolSystems”研究计划，旨在通过微小型化机床的并行生产达到批量生产十问尺度微小军什的目的。在该计划下研制了两台微小型机床样机，本体尺寸分别为250mmxl50mmx200mm和60mmx90mmxlOOmm，主轴最高转速分别为]50000r／min和320000r／min。二者都采用闭环控制，其中前者还装备了一个测力传感器以测量微细切削力。试验结果表明，该机床刮以实现’维特征加下。另外，TaQin等研制了—‘台微小刷加—L：中心。据称，其土轴的回转精度和驱动进给分辨率都较门本最早的微小型机床高l～2个量级。
3．我国的微小型机床
近年来，我国的一些高校和企业在微小型数控机床的研究和开发中，取得 系列令址人瞩目的成果。尽管微小型工厂的研究尚未见报道，但2004年在上海举行的微型工／国际会议，足以说明我国的相关研究在世界舞台上已占有相当重要的地位。
2001年以来，哈尔滨工业大学的孙雅洲博十等发表了多篇很有价值的研究论文，介绍其研制的微小型机床试验台，如图5-32所示。该试验台包括主轴系统、进给驱动系统、控制系统和{腕测系统。采用卧式三坐标结构布局，主体尺寸长x宽x高为300nmlxl50mmxl65mm：采用r，木NSK小型空气涡轮主轴，最高转速可达140 000r／min，更换夹头可装央／J柄直径40．8--4．0mm的刀具，跳动量小于2Um；三维直线进给下台竖直轴行程为25mm，水平两轴行程均为30mm；驱动进给均采用以色列生产的Nanomotion比电陶瓷超声电动机(HR系列)，配以专用的ABIA驱动器盲接驱动，分辨率达O．1gm；调速范围儿10-~250innds。利用该试验台， 采用直径40．5mm、螺旋角30’的硬质合金两／J平头扛铣刀，以转速51000r／min、进给速度5．1mm／s、背吃刀量50gm，对黄铜H62进行铣削试验，槽底表面粗糙度为RdO．21gm。该机休采用高速空气静压电主轴，最高转速为90000r／min：永磁数控机床自线电动机直接驱动交叉滚柱支撑的高分辨率超精密滑台，分辨率达0．05gm；外形轮廓尺寸高x宽x长为300mmx400mmx500mrn，XYZ工作空间尺＼J为50mmx50mmx20mm，全闭环控制，能实现亚微米级加工精度。采用直径40．2mm、螺旋角30’的硬质合金两刃球头铣刀，对硬铝LYl2材料进行分层铣削，挟得薄壁结构。其主要厂艺参数为： 仁轴转速41 000r／rrdn，进给速度10 mm／min，z方向吃刀量5～10gm，千切削。测晕结果表明，薄壁的千均厚度小于40gm，竖直槽部分平均深度大于500gm，实现了人深宽比结构的微细铣削加厂。
上海交通大学来新民教授等研制的介观尺度微型铣床试验台，采用卧式结构，总体尺寸高X贪X长为270mmxl90mmx220mm，加工范围为30mmx30mmx30mm；采用气动马达，主轴最高转速为120000r／min，跳动度在II．tm以内；三向力传感器子系统采用Ki数控机床stler9317B三向高频切削力传感器：采用美国Optidyne公司激光干涉仪对丁作台进行测量，结果表明定位精度1．62gm、重复定位精度0．313gm。利用该微型试验台完成了上海交通大学校徽的微铣削加工，校徽直径6mm，图案高度10[xm，表明该系统具有很强的加工复杂特征微小零件的能力。哈尔滨量具刃具集团有限责任公司开发的MPM—1型新一‘代微小型超精密 3轴联动数控铣床，这是我国第一台由企业推出的微小型机床。该机床工作台x、r、z轴行程均为75mm：定位精度~0．5gm／75mm，重复定位精度~0．25gm，导轨直线度0．1~50mm：主轴转速160 000r／min，回转精度lgm，功率28W：显微视觉系统放大倍数为200倍：／)具直径最小可小到0．15mm。
来自企业界的微小型机床，还有—亡海机床厂有限公司与美国乔治亚理工学院合作开发的名为“Elite’’的纳米精度的微小型数控磨床。该机床创下中国磨床规格最小、精度最高的两项纪录，数控机床是具有国际首创水平的纳米级进给系统的外圆磨床；其外型尺寸高x宽x长为210nmax220mmx230mm，转速达到60000r／min：采用空气密封冷却系统；圆柱形砂轮最小直径200gm。这台纳米数控磨床将用于航大工业的精密加工，满足高糈，庹小孔、槽、台阶面的加丁。
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