制造设备与系统的微型化技术

　　1　引言

　　随着现代科学技术的不断发展,环境和能源问题日益引起人们的重视。传统的生产系统中,即使最终产品的尺寸很小,制造设备与其所加工、装配的零件尺寸相比还是很大。比如手表、照相机零件一般长几毫米、重几毫克,使用的设备达几米,生产线达几十米。而设备及车间的动力和材料消耗近似地与其体积成正比,因此配置与其所加工零件尺寸不相称的大机床和厂房,浪费了能源、空间和资源。再者,由于航空航天、电子、医疗等行业和部门,有许多微小零件采用传统机床无法加工或加工困难,尤其在空间狭小、微重力、真空等特殊环境下,必须由小型或微型设备来实现。另一方面,随着微小机械逐步走向实用化,对其零件的材料、形状的复杂程度和精度提出了更高的要求。基于传统超精加工工艺的制造技术在三维复杂形状微小零件制造过程中具有特殊的作用,加工微小零件没有必要采用传统的大型设备,微型化的设备对微小零件制造有独特的优势。因此,近年来生产系统中对微型化设备和系统的需求越来越迫切。日本通产省工业技术院机械技术研究所研究了机床大幅度小型化的节能效果后认为:机床尺寸缩小为1/10时,车间动力消耗可减少到1/100。1990年他们首先提出了由微型化机床和操作器组成的微型制造系统,即微型工厂的概念[1,2]。1991年9月日本微机械中心在其实施的“微机械技术十年规划”中,制定了三大应用目标之一就是能生产微小零部件的低能耗工厂,即微型工厂工程[3]。

　　2　国内外研究发展概况　

　　有关微型工厂的研究主要集中于日本。1996年日本机械技术研究所开发了世界上第一台微型车床[1,2](图1),体积为32×25×30.5mm3,重量约100g,主轴电机额定功率1.5W,切削黄铜获得表面粗糙度Rmax1·5μm,圆度2.5μm,切削试验中功率消耗低于普通车床的1/500。随后,经过改进采用由OlympusOptical Co., Ltd.开发的微型线性编码器检测滑动导轨的运动,通过闭环控制运动分辨率达0.1μm,同时装备了袖珍式用户数控装置,提高了加工精度和柔性,成为目前世界上最小的微型数控车床。加工直径D200μm黄铜圆柱体,表面粗糙度约为Ry0.5μm,圆度误差约为0.4μm。

　　日本金　大学米山猛等人也研制了一台微型车削系统样机[4]。整个样机长约200mm,主轴驱动微电机DC 0.5W,X-Y工作台及Z方向均由计算机控制的步进电机驱动。在光学显微镜下,用单晶金刚石刀具以转速15000r/min对直径D0.3mm的黄铜进行切削实验,最小切削直径约D10μm,可以加工外圆、槽和螺纹等多种形状。

　　1999年日本机械技术研究所设计制作了世界上第一台桌面微型工厂样机[2](图2),由微型车床、铣床、搬运机械手和装配用的两个手指机械手组成,占地70cm×50cm,能进行加工和装配,并成功地试生产了外径D900μm,长3mm的枢轴球轴承。