《電子技術應用》
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微機器人技術在超精密加工上的應用研究
中國自動化網(wǎng)
摘要: 隨著產(chǎn)品質量要求的不斷提高,,以精密加工,、超精密加工、微細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注,。通常我們把被加工零件的尺寸精度和形位精度達到零點幾微米,,表面粗糙度低于百分之幾微米的加工技術稱為超精密加工技術。超精密加工技術在國防工業(yè),、信息產(chǎn)業(yè)和民用產(chǎn)品中都有著廣泛的應用前景,。
Abstract:
Key words :

1、引言

隨著產(chǎn)品質量要求的不斷提高,,以精密加工,、超精密加工" title="超精密加工" target="_blank">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" 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title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工" title="超精密加工">超精密加工、微細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注,。通常我們把被加工零件的尺寸精度和形位精度達到零點幾微米,,表面粗糙度低于百分之幾微米的加工技術稱為超精密加工技術。超精密加工技術在國防工業(yè),、信息產(chǎn)業(yè)和民用產(chǎn)品中都有著廣泛的應用前景,。在國防工業(yè)中,導彈陀螺儀的質量直接影響其命中率,,1 kg的陀螺轉子,,其質心偏離對稱軸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)星用的光學望遠鏡,、電視攝像系統(tǒng)、紅外傳感器等,,其光學系統(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,計算機芯片,、磁盤和磁頭,,復印機的感光鼓等都要經(jīng)過超精密加工才能達到要求。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。


2,、超精密加工的實現(xiàn)方法

目前,,實現(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技術等),。

日本的一些學者提出了利用微機器人進行超精密加工的概念,這一概念突破傳統(tǒng)加工觀念,,設計出可以自由移動的微小機器人,,讓機器人群在工件上爬,可實現(xiàn)納米級超精密加工,。

機構的小型化可以節(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用領域,,比如在工業(yè)上的遙操作或細胞生物領域的應用。源于微電子技術的硅微加工工藝對于機構的小型化有著重大影響,,它在同一個零件上集成了機械和電子功能,,非常適合于加工 MEMS系統(tǒng)。

3,、基于微機器人的超精密加工技術

目前,,微機器人在超精密加工領域中的應用主要有以下幾種方式:微加工機器人,,宏微機器人雙重驅動,機床與機器人結合,,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)生驅動誤差補償和溫度補償控制需要消耗大量能量,,近些年來,,基于IC工藝和深層X射線技術也被成功用于復雜工藝的微機械零件的加工,但是,,被加工材料局限性大,,加工和維護的費用也很昂貴。而攜帶有各種微操作,、加工、測量工具的微小機器人,,不僅可以進行精密零件的加工,、檢驗和裝配,還可以合作完成一些大型機床難以完成的工序,。因此,,基于微機器人的超精密加工成為實現(xiàn)超精密加工的一種有效方式。

3.1 微加工機器人

日本靜岡大學開發(fā)了一組微小機器人,。每個機器人尺寸大約在1立方英寸,,由壓電晶體驅動,電磁鐵實現(xiàn)在工件表面的定位,,這種機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,而不需要導軌等輔助裝置,。它還提供了模塊化設計,,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。在實驗中,,多個機器人中有一個帶有減速齒輪驅動微鉆,,其它的由直流電機帶動小齒輪驅動,可以合作進行工件表面的微孔加工,,

毛利尚武等人利用“尺蠖驅動法”研制了超小型電火花加工機,,可以實現(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器人,,并且利用該機器人實現(xiàn)了壓印加工,。

3.2 宏-微結合的驅動方式

將工業(yè)機器人與微動機器人結合在一起使用,可以制造成精密機器人,,完成超精密加工及裝配,。這種方法的優(yōu)點是可以克服工業(yè)機器人精度低的缺點,利用微動機器人提高精度,;同時又可以消除微機器人運動行程小的弱點,,使機器人可以進行大范圍的作業(yè)。例如,,在大規(guī)模集成電路裝配中常使用機器人,。但是常規(guī)的機器人的精度和速度往往不能滿足要求。精度低多是源于驅動/伺服精度和機構的傳動誤差,。響應時間慢是由于系統(tǒng)共振模態(tài)的帶寬窄,。為實現(xiàn)精確而且快速操作,日本的電氣通訊大學設計了普通工業(yè)SCARA機器人與壓電陶瓷驅動器結合的高精度裝配機器人系統(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機器人完成的,,微動是由一對精密工作臺分別實現(xiàn)XY方向的精確運動,工作臺由壓電陶瓷驅動,。

3.3 機床與微機器人技術結合

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進行,。并且為減小誤差,應盡量減小振動,、傳動誤差,,實現(xiàn)微進給。微機器人主要用于機床的床身與底座的振動抑制,、數(shù)控與測量,、微進給系統(tǒng)等。如用金剛石車床車削鏡面磁盤,,車刀的進給量為5μm ,,就是利用微動機器人實現(xiàn)的。將彈性薄膜和電致伸縮器組合成微進給機構,,利用電致伸縮器的伸縮帶動工作臺運動,,實現(xiàn)微量進給。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),,結合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法,,可以抑制溜板的振動,提高加工精度,。章云等將微動機器人技術應用于新型鏜床,,利用壓電陶瓷控制鏜刀的徑向進給,設計出變形鏜桿,,可以加工出高精度的活塞異形銷孔,。該機構體積小,結構簡單,,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器人,,它一般由壓電陶瓷晶體驅動,,可以XYZ三個方向上實現(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,。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域中具有廣闊的應用前景,。MIT確立了一個名為 Nanowalker項目,,對于微操作機器人的集成化問題進行了進一步的探索,研制多個微小的,、具有多種功能的柔性微操作機器人,。如圖6所示,該微小機器人與掃描探針等工具結合,,可具備納米操作,、三維微加工、表面檢測等多種功能,。

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、機械手,、操作器等,,可以實現(xiàn)微型零件的加工以及裝配,。它的特點是空間小、能耗低,、重量輕,,可以根據(jù)生產(chǎn)的需要重新構造,具有很高的柔性,。

4,、結論

綜上所述,微機器人技術對于超精密加工,、檢測和裝配等都具有不可替代的作用,。利用微機器人技術改造傳統(tǒng)的機床、工業(yè)機器人,,可提高加工質量,,降低加工成本。從單個機器人操作到多機器人協(xié)作,,到桌面微工廠,,微機器人技術與現(xiàn)代通訊技術、微加工工藝,、檢測技術等結合,,不僅為機器人技術開拓了新的應用領域,也將在未來的先進制造領域發(fā)揮更大的作用,。

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