精密微小型五轴联动微细铣削机床的研制

摘要

微小型产品在生物工程、现代医疗、微电子工业、航空航天等高新技术领域的需求日益迫切。组成微小型产品的的零件特征尺寸处于中间尺度（0.01～10mm），其结构形状复杂、材料多样、尺寸与表面质量精度高，利用基于半导体制造工艺集成激光刻蚀技术、LIGA技术的特种加工方法对其进行加工无法满足复杂结构形状以及多种材料的加工，而采用常规尺寸精密、超精密机床进行加工存在成本高、工件材料利用率低、柔性不足、加工效率低等问题。机床的微小型化成为解决上述问题与不足的行之有效主要方法之一。
　　本文针对复杂三维微小零件的加工，首先制定了所要构建机床的设计要求以及总体构建方案。在此基础上，完成了机床各部件的选型和机床实体结构的搭建。对机床床身实体结构进行了实验模态分析得到了其动态特性，为后续力学特性的分析奠定了基础。利用多普勒激光测振仪在极端加工条件下对机床的实体结构进行了振动测试，验证了所构建机床实体结构的稳定性。在完成机床实体结构构建的基础上，为实现机床的加工功能，基于UMAC运动控制器完成机床数控系统的构建。然后，为进一步优化数控系统的运动控制性能，对各进给轴运动控制系统的响应特性进行分析，并对闭环 PID控制参数进行了调整，达到了较为理想的运动控制效果。最后，为便于机床加工操作，基于UMAC的二次开发功能，利用Visual C＃软件开发平台开发了模块化结构的数控系统软件，并进行了运行测试，验证了其工作性能。为实现复杂三维微小零件数控加工程序的自动编制以及提高机床的加工精度，首先对所构建的机床进行了运动学分析，得出刀位点坐标由工件坐标系到机床坐标系的转换关系，为数控加工程序的后置处理提供理论基础。同时，分析了机床运动误差对加工精度的影响，并对机床各进给轴定位误差进行了测量和补偿，大幅度提升了机床运动定位精度。使用MATLAB M文件编写了数控加工程序后置处理模块，通过与NX UG8.5的联合使用实现了复杂三维零件的自动数控编程。为验证数控加工程序的正确性，保证机床在加工过程中的安全，在 VERICUT中构建了机床的加工仿真模型。最后通过典型样件的加工测试，验证了所研制机床的加工性能。

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第一章 绪 论

1.1 课题相关背景及其研究的目的与意义

1.2 微小型机床的国内外研究发展现状

1.3 课题来源及主要研究内容

第二章 精密微小型五轴微细铣削机床的设计与构建

2.1 精密微小型五轴联动微细铣削机床的总体方案

2.2 机床机械结构设计及分析

2.3 机床各运动功能模块的构建

2.4 机床床身机械结构性能分析及检测

2.5 本章小结

第三章 基于UMAC运动控制器的机床数控系统开发

3.1 机床数控系统总体硬件系统

3.2 开放式运动控制器UMAC

3.3 机床各运动功能模块控制系统及辅助观测系统硬件结构

3.4 数控系统外围配电电路及总体硬件结构构建

3.5 数控系统相关控制参数调整及控制性能分析

3.6 数控系统软件系统开发

3.7 本章小结

第四章 数控后置处理模块开发及机床加工性能测试

4.1 机床运动学分析

4.2 机床运动误差分析及补偿

4.3 机床数控后置处理模块开发

4.4 微细铣削机床加工性能测试

4.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及申请的专利