200krpm轴的台式数控铣床
祐一冈崎 日本国家产业技术综合研究所 1-2并木侍郎，筑波，305-8564，日本 Japan okazaki-u1@aist.go.jp 利通守
东京都工业技术研究所
3-13-10西丘，北区，东京， 115-8586 日本
Mori.Toshimichi@iri.metro.tokyo.jp
森田生 千叶大学
1-33 Yayoi-cho，稻毛区，千叶市, 263-8522 日本 nmorita@meneth.tm.chiba-u.ac.jp
1. 背景
精简机床可以提高空间的利用率，并且也可以减少包括空调在内的一些设备投资的价格
和能源消耗。重新在工厂中配置调整的生产线将在灵活性方面得以提高。除此之外，机器的
位置可以从工人工作的场地延伸到设计工作室、教室，还可以分布在小型生产实验室甚至居
民区。 在科技方面，精简所导致的惯性减少还可以更容易的达到高速运转和高精密度的运
动控制，那也自然的提升了更高的精度、质量和生产率。集合了这些目标特点，台式数控铣
床在使用微型高速主轴的前提下得到进一步的发展。发展的目的就在于评估在实践中极大程
度的精简机床在技术上的可能性。
2. 机械设计
以这台机器作为原型包含了堆叠了纵横移动载物
台和Z轴驱动装置并且最终控制着主轴部件，Z轴驱动
装置是安装在纵横移动载物台附近的顶端。（图1）X和
Y部分是用于许可交叉式缠绕滚针导轨和滚珠螺杆直接由
30W的交流电伺服电动机耦合驱动。
Z轴驱动装置应用于一个空心垂直的
M40x1.5的传动螺杆，并且由一个刷子式的力矩电动机
直接驱动（图2-3）。这个组件中的滑动零件由4个位于四角的
滑动点交叉式滚针导轨来指导运行的。转动螺杆是有个较薄的
滚珠球轴承支持的。编码器、主轴部分和DD马达都分配子一行。
这种配置是运动学上的超限制约束。每一个步骤的运转都必须是
有规则可循的，这样才可以控制引导每一个部件在其灵活运转下
的误差控制。这些设计提供了足够的结构刚度
和热量对称度。轴是一个微型高频的交流电动
机并且是特别为提供60W额定功率和最高
转速为200krpm设计而成的，它的直径有
27mm长度为26mm.，发动机会因为封套
中的气流可轻微的被冷却，除此之外空气
也可被用于在切割点的清理机。轴的末端保
留了铣削工具可以直接机器加工柄直径
为1.0mm的弹簧夹头。坚固的仪器底座
是用规格为450mm x 300mm的镁铝合金
制造而成。切割点是完全封闭的（图4）， 图2
以便于工件在Y台上的装载和卸载。切割点是用直径为7mm的电荷耦合摄像机来监控的。
Z滑动和DD马达
主轴马达（内）
工件
X滑动
Y滑动
图1 台式铣床的结构
主轴部分
编码器 DD马达
交叉式滚针导轨 滑动 螺母 滚珠轴承 导螺杆
图3 Z轴驱动图（去掉外壳的底部到顶部图）
表格1 机械轴的规格
轴 X轴（下级的） Y轴（上级的） Z轴（顶端）
导轨 交叉式滚针导轨（2） 交叉式滚针导轨（2） 交叉式滚针导轨（4）
Travel 60mm 100mm 30mm
进刀机构 滚珠螺杆（导线：2mm） 滚珠螺杆（导线：1mm） 滚珠螺杆（导线：1.5mm）
执行机构 交流伺服电动机（30W） 交流伺服电动机（30W） 直流力矩电动机（57W）
最高进给速率 50mm/s 50mm/s 3mm/s
指令加速 2mm2/s 2mm2/s 0.5mm2/s
编码器（分辨率） 光学线性范围(50nm) 光学线性范围(50nm) 光学线性范围(50nm)
3 运动控制系统
3.1 数字控制
完整的数字控制系统闭合回路是安装
了0.1-μm的分辨率系统。闭合回路
的反馈来自于两方面，一方面是在平
台上分辨率为50nm光学线性范围
(MicroE S132-M400)，另一方面是电
机轴上16比特的旋转编码器
（运行与X,Y）。这紧凑型定制的数字
系统的构成是由基于微处理器的控制器、
操作面板以及由笔记本电脑的监控和程
序控制组成的。（图5）DNC（直接数控）
操作是必要的。表格1概括了机械轴的
规格。对于X轴和Y轴，最高的进给速
率是受运行中可接收的脉冲速率（500kpps）
限制的。最高的进给加速率是受到转动螺杆 图4 铣床的外观
的强大摩擦力矩和DD发动机最大扭矩所限
制。轴运动系统是运行情况是通过对每个轴的编码器信号的观察和评估来实现的。实际上，
0.1 μm的分辨率定位便可取得所有轴的运行情况分析其原因就在于很高的环刚度。
图5 整体系统图
3.2 阶跃响应
动态的，校正时间对于阶跃响应是受依赖于阶跃的
级别的不同因素所支配的（图6）。对于高级阶跃（a），
规则就是最大进给速度。对于中级阶跃（b），需小于
200μm，校正时间是由加速度决定的，因为速率没有到达
极限。低级阶跃（c）是由伺服系统控制和解决的。由于
机制本身的性质，系统在很小的位移区域中变得刚性，而
且校正时间也随阶跃的升级而延长。在计算中，当伺服系 图6 X台的阶跃
统的误差范围在5 μm时收敛会减慢。
4 机械加工
4.1 平面加工
初步的机械加工实验是在使用R0.2mm的球头立铣刀等工具对硬铝合金(A7075-T651:
HB 165)和软膜钢(NAK55: HRC40)进行制造。旋转轴分别挑选了50krpm和200krpm，切削深
度（d）、进料速度（f）和拾起速度（pf）已被扫描。表面轮廓已经被扫描轮廓仪(TalyScan)
依据Sa（平均天线表面粗糙度）进行测量和评估。
(a) 80μm (b) 50 and 20μm (c) 蜂巢 (4mm 倾斜, 2mm 深)
图7 薄壁加工
60 50 40 30 20 10 0 高级阶跃（a） 低级阶跃（c） 120 100 80 60 40 20 0 30 25 20 15 10 5 7000
5000
3000
1000
-1000
0 50 100 150
Time ms
中级阶跃（b）
0 40 60 80 20
0 40 60 80 20
-5
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Time ms
50mm
尽管运动矢量拷贝已经在大范围的进给速率在0.3 到 50mm/s的铝合金制造上取得成
效，但是仍然会在高速的进给速率中有较小的表面摩擦。例如，在同时有拾起速度和50μm
的切削深度，测量出的表面粗糙度为2 μm Rz，是理论表面粗糙度1,56 μm的120%。单切刀
工作的进料数量和进料速度在50 mm/s的最大值是一样为7.5 μm。当周期进给降低到0.05mm
时，是软膜钢机械加工的最佳状态。
4.2 机械加工的高纵横比
薄壁加工出了高强度的铝合金（图7）。使用的工具是直径为0.5mm且带有校正装置的
直双刃立铣刀。厚度为80 μm高度为2mm的薄壁可以当场在插槽中依次完美加工。没有比这
个尺寸更薄的薄壁在这个插槽中进行加工。通过深化这两者，壁的厚度在50 μm就可以加工，
但是会有些许的畸形，造成的原因是其中的一边撞到了作为下部掏槽的壁，切削力损害了更
薄的薄壁。蜂巢型应用于薄壁加工。
表格2 腔槽加工的切削条件
工件材料 A7075
切截深度 0.1 mm x 2
进给速度 50 mm/s
周期进给 0.1 mm
刀剑半径 0.2 mm
主轴转速 200,000 rpm
图8 粗略数值的腔槽加工
4.3 腔槽加工
立体铣削也会利用直接数值控制功能，加工程序的过程是通过CAM系统产生的。腔槽
加工的样本（图8样本展示）在130s内和表格2的条件下完成。最终，成熟的小尺寸铣床原型
可以证明它自身的机械加工能力和常规尺寸的铣床相比是完全不逊色的。
5 功能消耗
小尺寸机床的其中一个优势就在于它自身能源消耗的最小化。在这个系统中，高速运转
的设备状态下总体的能源消耗只有120W。各个部件的消耗分别是：多轴钻床消耗30W，伺
服电动机运转消耗25W，数控机床消耗32W，计算机消耗18W，监视设备消耗15W。
6 结论
采纳小尺寸机床的优势在于由于减少了移动质量甚至使用了更小的制动器产生了能源
的最小消耗，至此研制出的铣床具有加速运转的特点。除此之外，超高速多轴钻床能够在硬
质材料中高速碾磨。高纵横比加工也有较好的执行。
7 感谢
本文作者们想要向提供多轴钻床的H. Aramaki博士和日本精工株式会社的H. Yui先生以
及在机械制造方面给予许多宝贵意见的来自于纽约科技大学的的K. Muto教授表示由衷的感
谢。