1、成都学院学士学位论文（设计）微型立式铣床设计专 业：机械设计制造及其自动化 学 号：201010111433学 生： 指导教师： 摘要：本文提出了采用桌面式微型立式铣床进行微细加工的方案，根据该方案进行了桌面式微型立式铣床的结构设计和仿真分析。在本文中对桌面式微型立式铣床的各个关键部件进行了选型和设计；利用 solidworks软件对微小铣床进行三维建模；对零部件进行对比校核计算了选型。经计算后对微型立式铣床进行结构设计、丝杠的定型、轴承的选用，得出电主轴的静刚度并获得了电机主轴的模态和谐响应特性；研究电机主轴的固有频率、振型和临界转速，并对高转速下电机主轴在前端、后端、轴承所在的四个位置以及
2、电主轴中部位置所发生的最大动态位 移进行分析计算。对微小铣床床身进行了受力分析，得出了合格的床身。 关键词：微型立式铣床；结构设计；电机主轴；动态特性成都学院学士学位论文（设计）The Design Of Desktop Miniature Vertical Milli Machine Specialty: Mechanical Design, Manufacturing and Automation Student Number: 201010111433 Student:Yang Fuyun Supervisor: Liu LiAbstract: In this paper, the us
3、e of micro-vertical milling desktop micromachining programs carried out structural design and simulation desktop micro vertical milling under the program. In this article thevarious key components of a desktop micro vertical milling carried out the selection and design; SOLIDWORKS software for small
4、 milling machines use three-dimensional modeling; spindle using ANSYS software 2D and 3D static and dynamic finite element modeling, by calculated the static stiffness spindle and get a spindle modal harmony response; study the natural frequency of the spindle motor, vibration mode and the critical
5、speed, and high-speed electric spindles under the front and back, bearing the maximum dynamic displacement of the four locations, and the location of the central spindle occurred analyzed and calculated. Milling on the tiny bed finite element analysis, the first five of the bed modal and vibration m
6、ode.Key words: Desktopvertical milling machine；structural design；the spindlemotor；the dynamic characteristics成都学院学士学位论文（设计）目 录绪 论 .11 三轴联动数控微型立式铣床结构设计 .51.1总体设计方案 .51.1.1微型立式铣床技术要求 .51.1.2数控立式铣床结构布局形式 .51.2微型立式铣床的床身建模 .91.3微型立式铣床的关键零部件的设计 .121.3.1导轨的设计 .121.3.2滚珠丝杠的设计 .141.3.3滚珠丝杠的参数校核 .151.3.4工作台的驱
7、动方式有如下 .191.3.5铣床工作台结构的设计 .221.3.6轴承的设计： .252 三轴联动数控微型立式铣床结构设计 .2621 高速电机主轴动平衡设计 .262.1.1电机主机轴联结方式 .262.1.2轴与轴上零部件的过盈量计算 .272.2底座导轨的设计 .29结论 .30参考文献 .31致谢 .32成都学院学士学位论文（设计）0绪 论1 研究背景及意义随着航空航天、国防工业、微电子行业、现代医学以及生物工程技术的发展，精度高的或超高精的三维小型零件的需求日益迫切。其结构形状的复杂化、零件材料的多样化及表面质量的高要求成为现有三维小零件和它的微型装置设备的主要特点。对零件的表面质
8、量、疲劳强度、结构强度、可靠度方面的要求也变得更高了。在我国的各个工农业生产部门，科研单位和国防部门中，使用着大量各式各样的机器，仪器和工具。这些机器，仪器和工具大部分是由一定形状和尺寸的金属零件所组成，生产这些零件并将它们装配成机器，仪器和工具的工业，称为机械制造工业。机械制造工业的任务，就 是 为 国 民 经 济 各 部 门 ， 科研单位和国防部门提供现代化的技术装备。如果我们没有强大而完整的现代化机械制造工业，就无法用现代化的装备来武装各个国民经济部门，科研单位和国防部门就不能独立而迅速地发展我们国家的制造水平，这样会被国外的先进技术所替代，我们的国家就会落后，进而陷入没有自主产权的地步
9、。铣床主要是利用刀具的旋转将工件表面部分一层一层的切削而除去，从而形成具有一尺寸，形状和精度的工件。在一般的生产体系中，铣床的加工范围占整个机器生产的非常大的一部分，高效而精确的铣头是铣床切削毛坯必不可少的配置。铣床立铣头可绕水平轴在垂直平面内作回转调整，因而也可铣削斜面；机 床 采 用 头 和 圆 形 工 作 台 时 ，可铣削齿轮铰刀和钻头的螺旋面，以及凸轮和圆弧槽等；由于是多到断续切削，因而铣床的切削效率高。它的这种高效率和特殊的加工方法使得我们不断的研究和探索有关它的各种相关的配置及各式各样的机床微型加工就是一种介于普通宏观机床加工和 MEMS制造之间的一种技术。简而言之，微型加工就是用
10、微小机床加工微小零件，被加工零件的尺寸一般在1000xm 和10mm 之间，利用小型机床加工小零件在结构成型和材料多样性方面有其显著的优点。微型机床不只是能够提高空间使用效率和节约成本，并且它的惯性小，因而更容易满足高的切削加工和高精度的控制的需求。目前许多制成的许多高精度的三维零部件，基本都是利用普通的零件和精密零部件结合而成来组成高精度的机床。这类机床主要是被用于加工高精度的小零零件，但是生产小零部件的成本很高、效率比较低、不灵活。所以，小型铣床日益成为解决生产小零部件效率低、成本高不灵活的一项新技术。故对小型成都学院学士学位论文（设计）1机床及微型铣削加工技术的开发与研究具有里程碑的理论
11、意义和非常好的实际应用前景。2 国内外微型铣床的发展现状现在铣床主要向高效、高速、智能化、节约能源、小型化方向发展，而微型化由于其独特的优势，微小型机械制造系统被誉为20世纪10大关键技术之首。MMT 是属于微小型机械制造系统的重要组成部分，是连接微观和宏观制造领域的技术桥梁，是21世纪的重点发展方向，受到世界各国的高度重视。日本、美国和欧洲等发达国家都投入了大量的人力、物力和财力开展 MMT方面的研制与开发。日本是较早研发微型加工机床的国家。在1990年，日本机械技术研究所第一次提出了桌面微工厂(DesktopMicro factory)的理念，并且在1999年成功研制出世界上的第一套桌面微
12、型桌面加工工厂，该工厂由车、铣、冲压、搬运机械手和械手等有机组合而成。桌面式微工厂的概念就是机床体积小并且利用先进的加工生产技术来加工微小型的零件，该微型工厂不仅仅是加工小型高精尖的零部件而且具有节能环保等明显优势，是绿色制造业的一个重要发展方向和指引。日本的产业技术综合研究所(AIST)在1998年提倡进行的 Micro Factory开发计划(共投入了250亿日元)开发出那时在世界上最小的机床，并且在2000年“科学技术周“期间开发出了手提式微小型加工的系统，这个系统集成了车、磨、钻、冲压及搬运于一体的桌面式加工中心，从而验证了微型机床加工小零件是可行的在2002年美国 WTEC(Word
13、 Technology Evaluation Center，Inc 1和 NSF National Science Foundation)等机构共同出资针对国际上 NonMEMS微型加工技术发展现状与趋势组成了专家考察团进行了详细的考察调研，并且在2005年形成了关于微型加工技术的分析报告。在该分析报告中指出，Non MEMS微制造技术将会成为21世纪在微型加工方面的新型技术，该技术是连接微加工与宏观制造业的桥梁，足以称得上是改变传统加工理念的一项新型技术，同时也是改变方式和生产关系的技术(微制造可在家庭手工完成)，它被证明是可以增强美国在工业中的竞争优势的战略技术。麻省理工学院、伯克利分校、
14、加州大学密西根大学、美国佐治亚理工学院、威斯康辛大学等都针对微型制造加工系统开展了广泛且深入的研究，很多重要的阶段性成果已成功用在航空航天、生物医疗等关键领域。伊利诺伊斯大学和西北大学研制的微型铣床，其主轴的最高转速可以达到150000r/min。成都学院学士学位论文（设计）2德国的阿亨工业大学和卡尔斯鲁厄大学最近几年来也对淬火钢和硬铝材料微型零件的微型铣削技术进行了研究，与此同时卡尔斯鲁厄大学与奔驰汽车厂共同开发出了世界上首台转速达到 150000r/m的高精度微型铣床，该微型铣床可以用于加工微型零部件和模具，实现了利用微型设备在高速条件下加工高精度的小型零件。弗朗恩霍夫研究所针对大型机械加
15、工小零件暴露的这些问题，在近年来开展了微型加工系统方面的研究。并且己经成功研制出了微型加工系统的样机。我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在该领域的关键技术方面也取得了重大进展。据最近统计，目前我国在市场上的数控机床就有 1500多种，几乎包括了整个金属切削、非金属加工机床的所有类别和以及主要的锻压机械设备。由此可知我国在数控方面进入了高速的发展时期，而且在微型加工这类技术水平已经达到了国际同行的水平。通过对国内外桌面式微型机床的研究，现在微型机床的研究方向主要体现在以下几个方面：（1）微切削应用技术微切削技术包括微型零部件的切削加工等技术，它主要是利用主轴
16、系统的高速运动和工作台的精密定位、运动和控制技术来复合微切削的设备与技术；以及微切削刀具所使用的材料和刀具的加工制作技术；微切削所用的刀具、工件的快速夹装定位、测试和微切削加工过程中的控制检测技术。微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式。 随着微型机电系统和微型机械的不断发展，对于那些拥有良好的机械性能和控制性能的微电子元件的需求也越来越多。微型机电系统的这项技术已经成为现在世界上增长最快的新兴工业之一，那些需要制造出体积很小而精度要求很高零件的制造工业，比如生物设备、医疗装备和光学以及微电子 ( 包括移动通信和电脑组件 ) 等都对这些零件有着很大的需求。众所周知的是，并不是每种应用在
17、微机电系统或者是微型机械上的微小元件都能利用集成电路技术能够生产的，因而新型材料和前沿的微型制造技术和微切削加工技术不断的被研发出来满足市场需求。（2）微切削机理微切削原理主要是利用热和力的作用下的微切削挤压变形，微型尺寸下工件材料的微切削变形区的受力变形、非均匀应变、位错效应等对剪切应力和变形能的影响。切削厚度对切屑形状、以及工件表面的成形、切削力的大小、切削温度都有很大的影响，和工件表面的粗糙度和尺寸对加工效果的影响，微切削理论技术体系就是对工件成都学院学士学位论文（设计）3进行加工的提供的理论支撑和技术途径。（3）微切削工艺研究微切削技术就是研究不同材料的微切削加工工艺并对其进行加工的技
18、术。微切削加工艺的研究包括对不同的新材料如合金钢、复合材料、铁、特种陶瓷以及其他新型材料通过计算机辅助设计和制造等相关技术。3 本课题研究内容三轴联动微型立式铣床的总体设计方案：（1）根据实际使用要求确定要进行加工的工件和铣床的精度，并考虑机床尺寸结构、重要部件的精度、材料选用、以及对与热变形对铣床精度的影响。从而再对该微型立式铣床进行设计。（2）用 solidworks对该三轴联动微型立式铣床进行三维建模仿真；（3）对该三轴联动微型立式铣床的重要零部件进行强度分析；（3）对该微型立式铣床的导轨进行分析；（5）对关键的零部件进行受力分析成都学院学士学位论文（设计）41 三轴联动数控微型立式铣床
19、结构设计微型立式铣床一般由机床床身、升降台、伺服控制系统和测控系统组成。本设计将主要进行微型立式铣床的结构设计。1.1 总体设计方案1.1.1 微型立式铣床技术要求及其基本参数如表 1-1 所示表 1-1 微型立式铣床结构参数坐标轴数 3 主轴上下行程 30mm工作台外形尺寸 200mmx300mm 主轴端面到工作台距离 20-60mm工作台左右移动尺寸 200mm 主轴最高转速 10000r/min主轴电机功率 750W 机床总重量 9000rpmZ轴 20mmin 主轴径向及轴向跳动 0.05um定位精度 0.03mm 导轨的直线运动精度 0.5umlOOmm重复定位精度 0.006mm
20、加工精度 0.3um机床占地面积 900mmx600mm 表面粗糙度 Ra0.008um机床高度 600mm 1.1.2 数控立式铣床结构布局形式该三轴数控微型立式铣床主要用途是加工软质合金、铜合金和石英等非金属平面类、精细零件、复杂的曲面轮廓、薄壁类以及其它复杂的零部件。本次设计的这个微型立式铣床的总体方案是根据加工的零件的结构特征、零件的工艺要求和工件材料硬度和加工难度等综合了再对零件进行模块划分，然后确定各模块的加工工艺路线，根据模块的加工工艺再来确定这个微型立式铣床的基本参数和外观布局形式。该微型立式铣床凭借占用空间小、加工时间短为设计标准，对三轴数控成都学院学士学位论文（设计）5微型
21、立式铣床进行结构设计、用 solidworks对该铣床进行仿真分析，并根据三轴数控微小铣床的功能和控制要求进行系统集成，从而确定三轴数控铣床的设计方案。该铣床与大中型超精密机床相比具有体积小、容易控制和加工环境、成本低等优势。该微型立式数控铣床应满足以下要求：良好的动静态特性,较小的热变形量。机床的进给运动要拥有良好的低速性能；机床结构布局应该满足良好的人机关系(如面板、操作台位置布局等要合理)和较高的环保标准，满足低碳要求。本次课题设计的三轴微型数控立式铣床的布局形式应按满足上面的要求，既要满足机械加工性能，保着加工零件的精度、该机床加工的零件的基本尺寸范围应该也要充分考虑，同时也要保证外观
22、好看，符合美学角度的审美观、操作要容易、管理方便和人机关系应该处理好来设计总体布局。在微精加工的过程中，切削需要有两个方向的运动，主运动是刀具的旋转运动和进给运动。微铣削必须能够对不同厚度的微小零件进行加工，这就需要设计该微型立式铣床的主轴运动能够在 z轴上可以移动，水平方向上要能够实现水平进给；该微型立式铣床 z轴方向上决定采用主轴的升降来实现，而对于水平方向通过丝杠带动工作太运动来实现对工件的一定加工长度，这可以利用工作台的左右及前后移动来满足，再加上主轴旋转，所以整个微型立式铣床就有四个自由度，分别为 X轴方向、Y轴方向、Z 轴方向和主轴的旋转运动如图 11所示。成都学院学士学位论文（设
23、计）6图 1-1 微型立式铣床运动简图三轴数控微型立式铣床主要由床身设备、辅助设备及控制检测系统组成。床身设备主要由运动系统、进给系统、工件装夹系统等组成；辅助设备主要由冷却系统、检测控制系统等组成。该三轴数控微型立式铣床系统构成框架图，如图 1-2所示。图 12图 1-2 三轴数控微型立式铣床系统构成框架图由于加工零部件结构小等特征、以及对工艺要求以及通过对数控铣床不同结构布局形式的分析，该微型立式铣床准备采用三轴联动、立式铣床结构，并采用数控的形式，结构布局如图 1-3装配体、1-4 工作台、1-5 底座导轨所示。该微型立式铣床由五大部分组成：机床底座、悬臂梁、X，Y 方向导轨驱动电主轴、在线检测系统和控制系统。包括在水平方向上的 X，Y 二维工作台和垂直布置的 Z工作台，高速铣削主轴安装在 Z轴上。这样能够保证机床具有较高的刚度和良好的稳定性。三轴数控微型立式铣床系统构成框架图主体设备 辅助设备主运动系统 进给运动系统 工件装夹系统 冷却系统 机械检测系统 抗震系统检测与控制系统
