1、引言
隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，以精密加工、超精密加工、微細(xì)加工和納米加工等為代表的精密工程越來越引起人們的關(guān)注。通常我們把被加工零件的尺寸精度和形位精度達(dá)到零點(diǎn)幾微米，表面粗糙度低于百分之幾微米的加工技術(shù)稱為超精密加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)在國防工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)和民用產(chǎn)品中都有著廣泛的應(yīng)用前景。在國防工業(yè)中，導(dǎo)彈陀螺儀的質(zhì)量直接影響其命中率，1 kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)心偏離對稱軸0.0005μm ，就會引起100 m的射程誤差和50 m的軌道誤差。在宇航技術(shù)中，衛(wèi)星的姿態(tài)軸承為真空無潤滑軸承，其孔和外圓的圓度及圓柱度均為納米級。衛(wèi)星用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、電視攝像系統(tǒng)、紅外傳感器等，其光學(xué)系統(tǒng)中的高精度非球面透鏡等都必須經(jīng)過超精密車、磨、研、拋等超精密加工。此外，大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、紅外線探測器反射鏡，激光核聚變用的曲面鏡等都是靠超精密加工才能制造。在信息產(chǎn)業(yè)中，計(jì)算機(jī)芯片、磁盤和磁頭，復(fù)印機(jī)的感光鼓等都要經(jīng)過超精密加工才能達(dá)到要求。民用產(chǎn)品中的許多產(chǎn)品，如隱形眼鏡，就是用超精密數(shù)控車床加工而成的。
圖1 微加工機(jī)器人
2、超精密加工的實(shí)現(xiàn)方法
目前，實(shí)現(xiàn)超精密加工的方法主要有：超精密切削，如超精密金剛石刀具鏡面車削、鏜削和銑削等；超精密磨削、研磨和拋光；超精密微細(xì)加工（電子束、離子束、激光束加工以及硅微器件的加工、LIGA技術(shù)等）。
日本的一些學(xué)者提出了利用微機(jī)器人進(jìn)行超精密加工的概念，這一概念突破傳統(tǒng)加工觀念，設(shè)計(jì)出可以自由移動的微小機(jī)器人，讓機(jī)器人群在工件上爬，可實(shí)現(xiàn)納米級超精密加工。
機(jī)構(gòu)的小型化可以節(jié)約資源和能源，并且由于零件尺寸的減小，從而提高了單位體積和重量的功能的集成度。小型化也開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如在工業(yè)上的遙操作或細(xì)胞生物領(lǐng)域的應(yīng)用。源于微電子技術(shù)的硅微加工工藝對于機(jī)構(gòu)的小型化有著重大影響，它在同一個零件上集成了機(jī)械和電子功能，非常適合于加工MEMS系統(tǒng)。
3、基于微機(jī)器人的超精密加工技術(shù)
目前，微機(jī)器人在超精密加工領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有以下幾種方式：微加工機(jī)器人，宏微機(jī)器人雙重驅(qū)動，機(jī)床與機(jī)器人結(jié)合，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。
對于微小零件的精密加工中存在的主要問題是：如何以微觀精度和低成本實(shí)現(xiàn)微小零件的加工與裝配。由于基于傳統(tǒng)方法的加工產(chǎn)生驅(qū)動誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償控制需要消耗大量能量，近些年來，基于IC工藝和深層X射線技術(shù)也被成功用于復(fù)雜工藝的微機(jī)械零件的加工，但是，被加工材料局限性大，加工和維護(hù)的費(fèi)用也很昂貴。而攜帶有各種微操作、加工、測量工具的微小機(jī)器人，不僅可以進(jìn)行精密零件的加工、檢驗(yàn)和裝配，還可以合作完成一些大型機(jī)床難以完成的工序。因此，基于微機(jī)器人的超精密加工成為實(shí)現(xiàn)超精密加工的一種有效方式。
3.1 微加工機(jī)器人
日本靜岡大學(xué)開發(fā)了一組微小機(jī)器人。每個機(jī)器人尺寸大約在1立方英寸，由壓電晶體驅(qū)動，電磁鐵實(shí)現(xiàn)在工件表面的定位，這種機(jī)器人不僅可以在水平的表面移動，還可以在立面和天棚上移動，而不需要導(dǎo)軌等輔助裝置。它還提供了模塊化設(shè)計(jì)，因而為完成不同的微觀操作，可以選擇不同的工具，如小錘、微檢測工具和灰塵捕獲探針等。在實(shí)驗(yàn)中，多個機(jī)器人中有一個帶有減速齒輪驅(qū)動微鉆，其它的由直流電機(jī)帶動小齒輪驅(qū)動，可以合作進(jìn)行工件表面的微孔加工，如圖2。
圖2 多微機(jī)器人協(xié)作的微孔加工
毛利尚武等人利用“尺蠖驅(qū)動法”研制了超小型電火花加工機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)直徑為0.1mm的微孔的加工，如圖3。青山尚之等人研制了一種微小機(jī)器人，并且利用該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了壓印加工。
圖3 直接驅(qū)動的小型放電加工機(jī)
3.2 宏-微結(jié)合的驅(qū)動方式
將工業(yè)機(jī)器人與微動機(jī)器人結(jié)合在一起使用，可以制造成精密機(jī)器人，完成超精密加工及裝配。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以克服工業(yè)機(jī)器人精度低的缺點(diǎn)，利用微動機(jī)器人提高精度；同時又可以消除微機(jī)器人運(yùn)動行程小的弱點(diǎn)，使機(jī)器人可以進(jìn)行大范圍的作業(yè)。例如，在大規(guī)模集成電路裝配中常使用機(jī)器人。但是常規(guī)的機(jī)器人的精度和速度往往不能滿足要求。精度低多是源于驅(qū)動/伺服精度和機(jī)構(gòu)的傳動誤差。響應(yīng)時間慢是由于系統(tǒng)共振模態(tài)的帶寬窄。為實(shí)現(xiàn)精確而且快速操作，日本的電氣通訊大學(xué)設(shè)計(jì)了普通工業(yè)SCARA機(jī)器人與壓電陶瓷驅(qū)動器結(jié)合的高精度裝配機(jī)器人系統(tǒng)，用于IC芯片的加工，效果很好，如圖4所示。系統(tǒng)宏動是由SCARA機(jī)器人完成的，微動是由一對精密工作臺分別實(shí)現(xiàn)XY方向的精確運(yùn)動，工作臺由壓電陶瓷驅(qū)動。
圖4 日本的宏-微裝配機(jī)器人
3.3 機(jī)床與微機(jī)器人技術(shù)結(jié)合
在超精密加工中使用最多的金剛石精密車床、各種精密磨床等，由于環(huán)境對于加工精度的影響很大，因而需要在高度清潔車間內(nèi)進(jìn)行。并且為減小誤差，應(yīng)盡量減小振動、傳動誤差，實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。微機(jī)器人主要用于機(jī)床的床身與底座的振動抑制、數(shù)控與測量、微進(jìn)給系統(tǒng)等。如用金剛石車床車削鏡面磁盤，車刀的進(jìn)給量為5μm ，就是利用微動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的。將彈性薄膜和電致伸縮器組合成微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，利用電致伸縮器的伸縮帶動工作臺運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。王加春等利用壓電陶瓷伸長和收縮，制成超精密車床溜板的主動振動控制系統(tǒng)，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，可以抑制溜板的振動，提高加工精度。章云等將微動機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于新型鏜床，利用壓電陶瓷控制鏜刀的徑向進(jìn)給，設(shè)計(jì)出變形鏜桿，可以加工出高精度的活塞異形銷孔。該機(jī)構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，制造裝配容易。
3.4 掃描隧道顯微鏡
掃描隧道顯微鏡也可以看成是一種微動機(jī)器人，它一般由壓電陶瓷晶體驅(qū)動，可以XYZ三個方向上實(shí)現(xiàn)納米級移動，主要用于零件表面的檢測，也可用于分子、原子搬遷重組，其工作原理如圖5。
圖5 STM原理機(jī)構(gòu)圖
原子力顯微鏡能夠操作分子尺寸的粒子，在未來的納米級零件的裝配領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。MIT確立了一個名為Nanowalker項(xiàng)目，對于微操作機(jī)器人的集成化問題進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，研制多個微小的、具有多種功能的柔性微操作機(jī)器人。如圖6所示，該微小機(jī)器人與掃描探針等工具結(jié)合，可具備納米操作、三維微加工、表面檢測等多種功能。
圖6 多功能的柔性微機(jī)器人
3.5 未來的發(fā)展趨勢
RalphHollis等提出適用于精密裝配的微工廠的概念，包含了基于傳感器的微操作和自動裝配體系，可完成復(fù)雜MEMS系統(tǒng)的裝配工作。Hitosh建了一個微工廠的模型。在一個工作臺上，集中了微型車床、磨床、沖床、機(jī)械手、操作器等，可以實(shí)現(xiàn)微型零件的加工以及裝配。它的特點(diǎn)是空間小、能耗低、重量輕，可以根據(jù)生產(chǎn)的需要重新構(gòu)造，具有很高的柔性。
4、結(jié)論
綜上所述，微機(jī)器人技術(shù)對于超精密加工、檢測和裝配等都具有不可替代的作用。利用微機(jī)器人技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人，可提高加工質(zhì)量，降低加工成本。從單個機(jī)器人操作到多機(jī)器人協(xié)作，到桌面微工廠，微機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代通訊技術(shù)、微加工工藝、檢測技術(shù)等結(jié)合，不僅為機(jī)器人技術(shù)開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，也將在未來的先進(jìn)制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
