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结合机械和指挥设计Micro-Milling机器
确认
我要感谢所有支持我攻读博士学位的人。家人的爱支持使我继续前进。甚至是我朋友们愉快的责骂一直让我坚持下去。我的实验室伙伴们提供了宝贵的资源。本科研究人员罗里、艾伦、尤斯蒂斯、弗拉德和布莱恩使我无法期望的事情成为可能我自己做。马德里ETSII的教授工作人员，尤其是Marquez博士使我的手与微型轧机的经验。我的委员会的形成值得感谢我的研究。最后，我的导师Singhose博士支持、建议和激励我在整个旅程中。
术语表
加速时间 一个给定的执行器将一个系统加速到a所花费的时间指定的速度
产业技术 日本工业科学技术厅
结合设计 包含机械参数以外的系统元素自己在设计中选择
命令或移动持续时间 机器完成移动或执行的时间一个命令组件
命令塑造 改变命令信号以提高动态性能
连续的元素 振动元件，其运动由连续运动方程规定
切削力 工件与刀具之间的力。
刀具 用于微磨机的旋转钻头，用于去除材料
工程学院 西班牙马德里，埃西埃斯奎拉科技公司
额外不敏感的塑造，EI 一种输入整形器，专门用来消除多个使用灵敏度限制的振荡频率
前馈控制 前馈控制是一种将指令引入控制器和执行器之间的反馈控制系统的控制技术
输入整形 使用一系列脉冲卷积的命令发送到减少系统振动。
微细铣削 通过旋转从工件上取下材料的过程钻头，以微米为单位测量
令塑造 从旋转工件上取下材料的过程一种固定的刀具，测量单位为微米
改进的加速方法 命令多轴跟踪成形技术空间轨迹很快
多模输入塑造者 输入整形器的设计，以消除多个振荡频率的模拟
最优命令设计 系统的整个命令的选择优化程序
s曲线 位置上的一种常见的时间运动剖面，由全动执行器组成紧跟着全停止执行器的工作
敏感性 系统性能下降的量度，如果系统不能下降模仿准确
牛头刨床时间 当一个输入整形器与a卷积时移动时间的增加命令
空间跟踪 沿着只在空间维度中定义的轨迹前进
主轴转速 刀具的转速
阶段 定位装置用于微铣床上移动两个工件和主轴
时间跟踪 尝试沿着在两个空间维度中定义的轨迹前进和时间
生产量 机器在一定时间内可以执行的操作量
轨迹频率比 期望运动的持续时间与周期的比值要移动的系统。它与移动速度成反比
轨迹跟踪 能够沿着预定的轨道穿越空间和/或时间。
轨迹跟踪输入整形器 由作者专门设计的输入整形器跟踪空间和/或时间轨迹单位零级振动，UMZV，输入整形器 一种为快速运动而设计的普通但不健壮的输入整形器，其持续时间为系统的三分之一振荡频率
振动吸收器 一种添加到系统中的辅助嗅觉元件，用于改善动态响应。
总结
微尺度技术的应用受到制造速度的限制。微铣削是制造微尺度零件的一种特殊工艺，这可以从吞吐量的增加中得到广泛的好处。微铣削是一种旋转刀具，其厚度略大于人类在高速旋转时去除毛发的材料，通常每分钟超过十万转。
本文还介绍了提高微粉磨机性能的技术
和其他柔性机器一样，这些改进是可能的通过利用输入整形的减振方案。通过深思熟虑地修改命令，对于柔性系统，其振动可显著降低。输入整形有效地应用于现有的微粉磨机，提高了零件公差，提高了产品质量和操作速度。然而，在极高的速度下，传统的输入整形方法无法有效地跟踪复杂的轨迹。因此，新的输入整形技术应运而生。
专为微型铣刀上极快运动的轨迹跟踪而开发，其他灵活的系统。通常机器在维护时无法达到这些高速。它们的精度取决于机器本身的机械设计。如果机械设计上考虑微型铣床等机械的柔性和轻量化设计替代方案，利用输入成型，以抑制振动，而不是僵硬和沉重设计，那么更快的机器运动将是可能的。通过考虑输入形状的灵活性系统作为传统机械设计过程的一部分，这些灵活的解决方案允许巨大的性能提升。具体地说，可以通过实施例设计来改进，考虑输入成形性能要求。
本文对微粉磨机的设计、控制和性能等方面进行了改进灵活的机器。
第一章
介绍
1.1问题
微米级零件的制造是一项费时耗力的工作
价格昂贵，因此对于许多应用程序来说，它还没有成本效益。一个特定的技术用于制造金属、塑料和陶瓷微尺度零件的是微铣削。这些部分用于微型光学器件、生物医用植入物等微型机械。在微铣削一种旋转钻头，通常在机械铅笔铅笔芯的尺寸上或更小就业。由于这种刀具的尺寸较小，必须经过多次加工才能制造出这种刀具的一个完整的部分。需要一种方法来加快切割过程，使小尺寸零件可以更快地制造，同时保持精确的公差。因此，微型轧机的生产速度加快，就会产生不必要的振动，提高工具的速度会适得其反。
采用输入成形减振方案是提高高速微铣削加工振动的一种可能的方法。该技术可以消除柔性系统中不必要的振动。然而,当前机械设计技术产生的微型铣刀不能充分发挥其优势输入成形。
如果能开发出一种能有效使用的微型铣刀的机械设计，对输入整形进行消振，可提高微铣削性能显著。
1.11微细铣削
微铣削是传统铣削的缩小版，因为它涉及旋转去除材料。这一点往往是直径20至200micro;m。如图1.1所示为典型的微磨机。这特殊的轧机位于Escuela Tecnica Superior de Ingenieros industrial (ETSII)，在西班牙马德里，它是很多实验工作的来源调查。微铣削有两个重要的问题，一是成品零件的公差，二是加工精度二是流程时间长。处理公差紧、分辨率高的线性问题。
图1.2:实例AIST轧机速度响应。编码器用于微米级零件。然而，只有高精度编码器，不保证零件的精度，因为轨迹偏差仍有可能发生。例如,在日本工业科学技术署(AIST)是他们的微型工厂之一，速度跟踪误差，如图1.2所示。同样ETSII轧机也有类似的问题，其位置误差如图所示1.3。简单地增加刀具的进给速度也不利于切削动力学本身。因为刀具的直径小，切削力大将打破他们。这就导致了每次通过每一个工具齿的材料也被删除图1.4:输入整形过程。
小导致低吞吐量。最近主轴的进步推动了速度每分钟30万转，可以显著降低切削力[203]。
图1.1:微型磨机
速度
时间
图1.2:实例AIST轧机速度响应
图1.3:ETSII轧机跟踪误差示例
所需的命令 输入整形器 输出 输入
图1.4:输入整形过程。
1.1.2输入成形
一个有效的版本依赖于输入这是一系列的脉冲，旨在造成最小的振动时使用驱动一个系统[248]。
如果将此输入整形器与发送到的所需命令进行卷积系统如图1.4所示，所得到的响应将减小振动。这种方法的缺点之一是所需的和之间的差异的命令。命令的总时间将随着持续时间的增加而增加脉冲序列和命令的几何/形状也不同于原创。图1.5说明了之前s曲线位置剖面(原始)的这一问题并在包含一个输入整形器(成形)之后。
当在a上实现时，这两个输入整形的副作用会导致问题micro-milling机器。命令持续时间的增加将增加整个进程的时间吞吐量降低，而轨迹形状的改变可能导致不正确，如果使用多个轴，则要切割模式。然而，如果这两个问题，延长时间而不同的几何形状，可以克服，输入整形将更适合精度轨迹跟踪应用程序。
目前系统设计的另一个主要不足是使用的机械系统输入整形不是为它的使用而设计的。通常，输入整形器是附加的机器建成后增加的纠正程序。这就引出了机制这不能充分利用输入整形所能提供的好处。
图1.5:轨迹比较。
命令牛头刨床 控制器 植物
图1.6:通用系统结构。
1.1.3主要研究问题:
在设计阶段如何考虑命令整形来创建机器提高性能的设计?
有效的精密机械系统结构如图1.6所示。所需的运动使用命令整形器修改。修改后，将结果发送给反馈控制器。控制器控制机械装置的运动。
虽然机械设计与输入成形的结合是本研究的重点，
通过微铣削的具体实例，对其它机床的设计具有一定的指导意义。
这种组合设计的目标是提高性能。因此本论文旨在提高机器的性能。然而,在保证新机器的设计之前，必须将现有的机器推到它们的机器上极限。图1.7本论文改进机器的方法示意图，首先，现有的机器是通过使用新技术而进步的。一旦技术对于现有的机器，新机器的设计也可以从现有的机器中获益作为新技术。这种任务的顺序方法在次要任务中很明显接下来是研究问题。
现有的机器 改进的机器 新机器
图1.7:性能改进方法
1.1.3.1二级研究问题1:
如何通过命令提高现有微铣床的性能塑造?
如何在不重新设计机器的情况下改善本章前面提到的两个问题是本研究的重点。ETSII微型轧机执行在高速移动时性能很差。此外，传统的输入整形无法提供高速精确轨迹跟踪。一旦解决了微磨机的性能和轨迹跟踪问题，只有考虑不同的情况才能提高微磨机的性能机械结构。另一个次要的研究问题解决了这个设计问题。
1.1.3.2二级研究问题2:
如何选择机械设计，以充分利用现有和改进的命令成形技术?
如果机械设计可以选择利用现有的和新的命令成型技术，然后性能可以进一步提高。
1.2解决方案
回答这些研究问题的方法如图1.8所示。这个过程主要有三个阶段:对现有技术的评价，对现有技术的改进以及新机器的设计。通过了解电流的性能机器和运动策略，需要改进的地方在章节中展示2和3。次要研究问题1推动现有机器的改进。
这项改进可细分为四个不同的领域:
1. 利用指令成形技术对现有的微型铣刀进行改进。
2提高微型铣刀所需的空间轨迹精度。
3实现对空间和时间轨迹的跟踪。
4开发连续体机械元件的技术，如在微型铣刀中发现的那些。
每一个领域都有一个单独的章节。然而，第5-7章可以集中在一起，因为所有地址的改进，使命令成型技术。一个
提高现有机器性能的附加结果是一种理解，为有效利用指挥成形所必需的物理系统准则技术。对连续体领域的性能标准的知识，元件的减振设计使新元件和完整的机构成为可能
在第8章。
1.2.1机械系统的理解
为了解决微铣削与输入整形相结合时的具体问题，
第一步是研究现有的机械系统，重点是微型轧机
以及其他类似的制造机器。事实证明，输入成形对其他人是有益的，像起重机和坐标测量机这样的机构可以减少振动，将阻碍高速微型轧机。通过研究输入的动态性和实现，在这些其他的机器上整形，有用的方法为输入整形到微型铣刀可以被看到。此外，通过确定这些例子的动态特性这与输入成形效果最好，微型铣刀可以更好地利用设计输入成形。最后，现有的机械设计程序对设计很重要的新机器。本文的研究工作将借鉴前人的研究成果多目标设计。结合控制元素设计的特殊技术而机械元素提供了如何输入成型和机械设计的洞察力统一。所有这些机械系统技术将在第2章中讨论。
1.2.2纠正方法调查
现有的系统设计程序通过纠正方法处理机械设计振动。该方法可以采用机器调试后的反馈控制器的形式
构造，或添加诸如输入整形之类的开环技术。这些纠正必须理解方法有两个主要原因。首先将修正方法与机械设计相结合，在并行设计过程中同时进行的程序与传统的纠正方法是一致的。修正的第一个重要领域是添加机械元件。这些技术很容易实现，因为它们不依赖于任何电子反馈，下一个关键领域是传统的反馈控制，它利用的是实际之间的偏差以及驱动系统所需的运动。
图1.9:输入整形对零件表面的影响
1.2.3 Micro-Mill分析
在为微磨机创建统一的设计方法之前，先进行顺序应用必须对输入成形进行研究。这是一个现有的微型轧机应该进行改造输入成形方案。这一过程从一个完整的动态特性开始的ETSII micro-mill。
在输入成形控制器的研制中，微磨机对指令运动和扰动的响应是非常重要的。轧机定位的响应研究了系统与反馈控制器的耦合问题。指挥各种各样的动作的速度和方向以及具有不同大小扰动的运动制造的。最后，提出了一种新的输入整形方案来补偿这一缺陷，微型铣刀及其数控控制器存在的问题。结果提高了产品质量最后一部分，如图1.9所示，比较了用and制作的零件的表面，没有新的输入整形技术。本章将介绍这种新技术。
1.2.4输入成形改进
虽然传统的输入成形方法适用于微铣削，但并不理想微型铣刀的运动类型。输入整形最适合直线运动在一个轴。此外，它通常也适用于更长时间的运动即输入整形器的持续时间。
为了使输入成形能成功地应用于微型铣刀等机器上，更好的轨迹需要跟踪功能。在这项工作中特别提到的是输入的使用形状跟踪复杂的轨迹组件在时间和位置。也对输入成形方案的性能进行了研究之前考虑。
曾经的技术为这些快速运动段设计了输入整形器，发展了时间和位置轨迹要求，实现了复杂轨迹的跟踪。图1.10显示了新技术，轨迹跟踪与现有的输入整形方案相比，改进了跟踪性能。将展示这种轨迹跟踪输入整形技术，并与他方法进行比较。
输入成形的另一个关键领域需要在输入之前进一步开发，成形可用于设计阶段的是连续体系统的成形。传统的自其诞生之日起，形状就被用于连续体系统。
然而,这些系统在输入整形之前，通常将其视为集总参数系统
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