張 曙 衛(wèi)漢華 張炳生

1 微小化是下一代制造的核心內(nèi)容之一

微小化制造（Minimal Manufacturing）是極端制造的另一極，是未來(lái)制造的新概念和新領(lǐng)域。微小化制造以最小的投入（省資源和節(jié)能）、最大的產(chǎn)出（高效率和低成本）建成最高性能的、環(huán)境友好的未來(lái)工廠，是勞動(dòng)力、經(jīng)驗(yàn)、智慧和技術(shù)的結(jié)晶。微小化制造的特征是將最少數(shù)量的資源和場(chǎng)地以及能源加以優(yōu)化配置，生產(chǎn)高科技、高附加值產(chǎn)品。歐美和日本都已經(jīng)將微小化制造列為今后10～20年產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)，其愿景是將工廠面積和能源消耗減少90%～98%、設(shè)備體積和投資降低到數(shù)百甚至上千分之一、資源利用率提高數(shù)十甚至上百倍，如圖1所示。

微小化制造正在向我們大步走來(lái)。具有微尺度特征的微型裝置在醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、航空航天和軍工等產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)成為科學(xué)研究、產(chǎn)品創(chuàng)新和醫(yī)療保健不可或缺的精密裝置。

這些微型器件往往由具有三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征、采用不同工程材料、要求達(dá)到10-3～10-5的相對(duì)精度，并且由難以裝夾、搬運(yùn)和測(cè)量的零件組成。而且對(duì)其使用功能和可靠性的要求也越來(lái)越高。典型的微型裝置和微型零件如圖2所示。

目前，微型零件的加工主要有光刻加工和機(jī)械加工兩種方式。光刻加工是以半導(dǎo)體制造工藝為基礎(chǔ)，用于微電機(jī)系統(tǒng)（Micro Electro-mechanical Systems--MEMS）的制造。光刻技術(shù)雖然較為成熟，但存在被加工材料品種單一、加工設(shè)備昂貴等問(wèn)題，且只能加工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二維或準(zhǔn)三維零件，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜三維微型零件的加工。

微型機(jī)床（Micro Machine Tools--MMT）和微加工（Micro Machining--MM）是將傳統(tǒng)加工工藝及裝備微型化，并用于微型零件批量生產(chǎn)的技術(shù)，也就是用小機(jī)床加工小工件的技術(shù)。微加工一般是指微型機(jī)床加工工件尺度范圍在100 μm～10 mm、加工精度范圍在0.1 μm～1 μm的金屬或塑料零件的非光刻加工技術(shù)。桌面工廠（Desktop Factory--DTF）是由微型機(jī)床、微型機(jī)械手和輸送裝置等組成的微小化工廠。微型機(jī)床和桌面工廠發(fā)展的歷程和不同年代的典型產(chǎn)品如圖3所示。

2 微型機(jī)床

微型機(jī)床由于體積小、慣性質(zhì)量小、發(fā)熱量小，因此具有能耗低、柔性大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以減小微型裝置生產(chǎn)線的全系統(tǒng)尺度規(guī)模，既可以節(jié)省能源又可以節(jié)省制造空間和資源，符合節(jié)能、環(huán)保的要求，是綠色制造的發(fā)展方向之一。

2.1 微型車削中心

日本NANO公司生產(chǎn)多種商品化微型機(jī)床，其MTS4S微型精密車削中心的外觀和配置如圖4所示。

從圖中可見(jiàn)，MTS4S微型車削中心的左側(cè)安裝有轉(zhuǎn)速為20 000 r/min的電主軸，右側(cè)安裝有可在Y軸和Z軸滑座上移動(dòng)的八角轉(zhuǎn)塔刀架，車刀截面尺寸10 mm×10 mm，氣動(dòng)回轉(zhuǎn)刀具主軸的外徑為20 mm或25 mm，換位時(shí)間為0.5 s。

滑座X軸的行程52 mm，Z軸的行程為102 mm。由精密滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，快速進(jìn)給為3 000 mm/min，最小進(jìn)給量為1 μm。此外，NANO公司提供油霧切削液裝置和加工＜Φ1 mm孔用的100 000 r/min的氣動(dòng)主軸作為選配件。

機(jī)床額定電功率為100 W，氣源壓力為0.5 MPa，流量為10 l/min。值得注意的是，該機(jī)床可以配置太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，體現(xiàn)綠色制造的理念。

2.2 微型銑床

NANO公司的MTS6R微型精密數(shù)控銑床的配置及其數(shù)控裝置如圖5所示。

從圖中可見(jiàn)，MTS6R微型銑床的十字滑座和立柱分別安裝在大理石床身上，左側(cè)的十字滑座上安裝有工件夾頭，右側(cè)的立柱上安裝有帶電主軸銑頭的滑座，主軸轉(zhuǎn)速為20 000 r/min。3個(gè)方向的滑座皆由精密滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，X軸和Y軸移動(dòng)范圍為52 mm，Z軸移動(dòng)范圍為32 mm，快速進(jìn)給3 000 mm/min，最小進(jìn)給量為1 μm。

銑刀刀柄和工件夾頭的錐度為BT05，可以?shī)A持小直徑的鉆頭和銑刀，最小加工孔徑0.1 mm。

NANO公司也可提供滑座、主軸、工件和刀具交換裝置等模塊，供用戶自行配置微型機(jī)床。例如，可提供2種不同規(guī)格的電主軸：

（1）大扭矩主軸。用于切削高硬度的金屬材料，額定扭矩為0.294 Nm，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

（2）高速平衡主軸。適用于加工表面質(zhì)量要求高的工件，最高轉(zhuǎn)速20 000 r/min。

2.3 多功能桌面機(jī)床

日本高島（Takashima Sangyo）公司推出的Multi Pro可換主軸頭多功能桌面機(jī)床的外觀和加工案例如圖6所示。機(jī)床的特點(diǎn)如下：

（1）高精度、高剛性；重復(fù)定位精度±2 μm以內(nèi)。

（2）能耗低，占地面積小，僅480 mm×725 mm。

（3）借助更換主軸頭，可實(shí)現(xiàn)銑削、磨削、電加工和激光加工等，可根據(jù)用戶需要進(jìn)行客戶化配置。

（4）工作行程：200 mm×200 mm×110 mm。

（5）工作臺(tái)面積：330 mm×260 mm。

（6）X、Y、Z軸交流伺服驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率150 W。

3 第一代桌面工廠

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST，前身是機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室NEL）在上世紀(jì)90年代末研制的可攜式桌面工廠是第一代微制造系統(tǒng)的代表作。該系統(tǒng)集車削、銑削、沖壓及工件交換機(jī)械手于一體的微柔性制造單元，以驗(yàn)證“用微型機(jī)床生產(chǎn)微型裝置”的技術(shù)可行性。整個(gè)系統(tǒng)可以放在一個(gè)625 mm×490 mm×380 mm的鋁合金箱中，重量34 kg，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示屏進(jìn)行操作，可攜性成為其一大特點(diǎn)?？蓴y式桌面工廠的操作、布局細(xì)節(jié)以及主要裝置如圖7所示。

從圖中可見(jiàn)，可攜式桌面工廠配備有微型車床、銑床、沖壓機(jī)和機(jī)械手，不僅可以完成微型零件的加工，還可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的裝配。

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所利用第一代可攜式桌面工廠進(jìn)行了多項(xiàng)有關(guān)微加工工藝、微型刀具、微加工切削機(jī)理和桌面工廠生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，工件搬運(yùn)機(jī)械手是提高生產(chǎn)率的主要瓶頸。

4 具有托板交換系統(tǒng)的桌面工廠

4.1 總體結(jié)構(gòu)

美國(guó)伊利諾斯州大學(xué)在美軍空間和導(dǎo)彈中心和自然科學(xué)基金會(huì)的資助下研發(fā)的自動(dòng)化桌面工廠屬于第二代桌面工廠，它的特點(diǎn)是引入3軸和5軸數(shù)控機(jī)床、測(cè)量機(jī)、托板交換、工件自動(dòng)搬運(yùn)等先進(jìn)使能技術(shù)，以建立一個(gè)柔性的（不同工藝過(guò)程和工件幾何形狀）、模塊化（可集成和可擴(kuò)展）、自動(dòng)化（運(yùn)作無(wú)需人介入）和高精度（亞微米級(jí)）的微型桌面工廠，易裝配、可重組，并預(yù)期達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）進(jìn)行1～1 000件的中小批量生產(chǎn)。

（2）能完成車、銑、鉆、電加工和裝配等不同工藝過(guò)程。

（3）能加工三維復(fù)雜形狀的工件。

（4）能加工工件的n-1個(gè)面（例如5面加工）。

桌面工廠的所有組成器件布置在一個(gè)900 mm×900 mm的氣墊隔振臺(tái)上，借助定位槽保持各組成部件的相互位置，托板庫(kù)供裝卸工件及工序間存貯托板之用。自動(dòng)化桌面工廠的平面布局如圖8所示。

自動(dòng)化桌面工廠特別是在物料流的設(shè)計(jì)上有根本性的改進(jìn)，采用托板自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和借助裝在橫梁上能夠在X軸和Y軸方向移動(dòng)的機(jī)械手在機(jī)床之間搬運(yùn)裝有工件的托板，實(shí)現(xiàn)了物料流的自動(dòng)化。

具有托板交換系統(tǒng)的自動(dòng)化桌面工廠的主要特征和所涉及的使能技術(shù)見(jiàn)表1。

4.2 微型機(jī)床的開(kāi)發(fā)

在自動(dòng)化桌面工廠中配置有3軸和5軸微型銑床各1臺(tái)，兩者都采用模塊化結(jié)構(gòu)，但不同的驅(qū)動(dòng)方式，以期驗(yàn)證機(jī)床總體配置和驅(qū)動(dòng)方式是否具有足夠的柔性，能否方便地更換主軸部件，轉(zhuǎn)換成車削、激光加工或電加工等其他加工工藝，實(shí)現(xiàn)低成本加工小工件的目標(biāo)。3軸和5軸微型銑床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示。

從圖中可見(jiàn)，盡管3軸和5軸機(jī)床的驅(qū)動(dòng)方式不同，但都采用重心驅(qū)動(dòng)原則，由左右兩側(cè)一對(duì)電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，減小偏轉(zhuǎn)力矩對(duì)導(dǎo)軌的負(fù)面影響，以保障機(jī)床的大進(jìn)給量、高加速度、高剛度和精度。5軸微型銑床的主軸安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，其軸線通過(guò)工作臺(tái)的中心，便于刀具位置的調(diào)整。5軸銑床主要用于加工形狀復(fù)雜的工件或進(jìn)行“n-1”面加工，它可以減少工件的裝夾次數(shù)，以保證加工精度。

4.3 激光測(cè)量和物料搬運(yùn)

激光測(cè)量機(jī)在自動(dòng)化桌面工廠中擔(dān)任工件識(shí)別和檢驗(yàn)的角色。借助橫臂搬運(yùn)系統(tǒng)的機(jī)械手將裝有工件的托板在機(jī)床、測(cè)量機(jī)和托板庫(kù)之間進(jìn)行搬運(yùn)和交換，如圖10所示。

從圖中可見(jiàn)，裝有工件的托板固定在3軸移動(dòng)的滑座上，采用精度為0.01 μm的激光測(cè)距儀進(jìn)行識(shí)別和測(cè)量?；捎弥绷魉欧妱?dòng)機(jī)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)、光柵尺反饋，分辨率100 nm，最大行程50 mm。

圖10右側(cè)是帶有機(jī)械手的、可在3個(gè)方向移動(dòng)的橫臂搬運(yùn)系統(tǒng)。機(jī)械手的夾爪夾住托板，托板的反面有3個(gè)精密定位鋼球和軟鐵片以及電氣接點(diǎn)，可以將托板準(zhǔn)確地固定到機(jī)床的接口版上。

5 桌面工廠研發(fā)聯(lián)盟

日本信州（SUWA）地區(qū)的高島產(chǎn)業(yè)（Takashima Sangyo）等22家公司在2009年組成桌面工廠（DTF）聯(lián)盟，共同開(kāi)發(fā)有關(guān)技術(shù)，以期將該地區(qū)打造成為桌面工廠的生產(chǎn)和應(yīng)用中心。

該聯(lián)盟的DTF理念（圖11）是：

（1）微小零件的柔性高效生產(chǎn)系統(tǒng)；

（2）可適應(yīng)不同零件的小批量生產(chǎn)；

（3）用于敏捷、快供貨、低成本的生產(chǎn)；

（4）以創(chuàng)新的方法和價(jià)值實(shí)現(xiàn)用戶友好；

（5）環(huán)境和生態(tài)友好：MONOZUKURI。

DTF聯(lián)盟推出的具有無(wú)線通信的生產(chǎn)線，由4臺(tái)不同設(shè)備組成，其中包括高島公司的Multi Pro多功能微型機(jī)床，如圖12所示。

高島公司建成了有300多臺(tái)微型桌面機(jī)床組成的工廠，用于生產(chǎn)高精度的微型零件，諸如：微型沖壓模、拉絲模、陶瓷噴嘴、微型金屬和塑料齒輪等。該工廠的車間屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏電池，最大輸出功率達(dá)30 kW，在正常日照的情況下，基本可滿足工廠生產(chǎn)的需要，如圖13所示。

該工廠由于產(chǎn)品微小化、設(shè)備微小化和工廠微小化，成為省能源、省人力和環(huán)境友好的企業(yè)典范。工廠投資和運(yùn)營(yíng)成本僅為產(chǎn)能相同的傳統(tǒng)工廠的1/5。車間布局可根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)整，是敏捷、可變、可重組、可持續(xù)的制造系統(tǒng)。

6 韓國(guó)的桌面工廠國(guó)家計(jì)劃

韓國(guó)機(jī)械與材料研究院（KIMM）在韓國(guó)知識(shí)和經(jīng)濟(jì)部以及企業(yè)的資助下，從2004～2011年進(jìn)行了“下一代微型工廠系統(tǒng)技術(shù)”的研發(fā)。總投資2 100萬(wàn)美元，有9家企業(yè)、15所大學(xué)、3家研究單位和6家國(guó)外機(jī)構(gòu)參加。計(jì)劃共分3個(gè)階段，第一階段2004～2007年，開(kāi)發(fā)微型機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)；第二階段2007～2009年，研發(fā)單元機(jī)床系統(tǒng)及其應(yīng)用；第三階段2009～2011年，高科技領(lǐng)域的未來(lái)微型工廠。該計(jì)劃的主要研究成果如圖14所示。

該項(xiàng)目完成了若干示范工程，如24 h制作假牙的系統(tǒng)和手機(jī)鏡頭裝配等。手機(jī)鏡頭裝配系統(tǒng)將傳統(tǒng)的人工裝配周期從3 min 縮短到約10 s，生產(chǎn)效率提高18倍，如圖15所示。

7 我國(guó)的微型機(jī)床

上海機(jī)床廠有限公司在國(guó)家科技重大專項(xiàng)的支持下，研發(fā)了納米級(jí)微型數(shù)控磨床，機(jī)構(gòu)精巧、技術(shù)性能高、加工精度優(yōu)越，為國(guó)內(nèi)之最。該機(jī)床主要用于各種脆性材料、超硬合金、模具鋼等材料的微小機(jī)電光學(xué)零件的超精度磨削加工，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)微型機(jī)床自主研發(fā)的新時(shí)代。

8 趨勢(shì)和展望

微型機(jī)床和桌面工廠是機(jī)床產(chǎn)業(yè)的藍(lán)海，方興未艾，前途無(wú)量。微型機(jī)床絕不僅是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，也不是教具，更不是玩具，而是未?lái)工廠的重要生產(chǎn)工具和裝備。重大裝備絕非從體積和重量來(lái)劃分，而應(yīng)該是從對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)大小的角度來(lái)衡量。

微小化是所有一切產(chǎn)品的發(fā)展方向。即使大型復(fù)雜的設(shè)備，也越來(lái)越多地集成有各種微型裝置。航空航天、汽車、武器裝備、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品莫不如此。

今天，我國(guó)成千上萬(wàn)的企業(yè)仍然在使用傳統(tǒng)機(jī)床、甚至精密數(shù)控機(jī)床加工諸如直徑＜10 mm、長(zhǎng)度＜50 mm的回轉(zhuǎn)體零件，以及體積＜10 cm3的棱形零件，嚴(yán)重浪費(fèi)了生產(chǎn)面積、能源、加重了環(huán)境負(fù)擔(dān)，投入大、產(chǎn)出少。背離了高效率、節(jié)能減排、綠色制造的大方向。

微加工工藝研究的進(jìn)展給微型機(jī)床的應(yīng)用打開(kāi)了嶄新的局面。微加工的切削機(jī)理和刀具設(shè)計(jì)已經(jīng)有了新的突破，使微型機(jī)床可以走出實(shí)驗(yàn)室、邁進(jìn)生產(chǎn)車間，成為未來(lái)工廠的一個(gè)主角。