基于微小機(jī)器人精密加工技術(shù)

1、報(bào)告人：ctj 學(xué)號(hào)： 40微小機(jī)器人精密加工技術(shù)是國(guó)外20世紀(jì)90年代中期制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，該技術(shù)完全突破了傳統(tǒng)機(jī)床加工的概念，不是把工件放在機(jī)床上加工，而是把微小機(jī)器人放在工件上“爬”，進(jìn)行加工。即用螞蟻啃骨頭的方式，一群小型機(jī)器人構(gòu)成一個(gè)加工系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)、傳感器及信息控制通信等組成的控制系統(tǒng)來(lái)控制。多機(jī)器人協(xié)同加工，采用實(shí)時(shí)加工、實(shí)時(shí)檢測(cè)的控制方法來(lái)完成精密和超精密加工。電極直接驅(qū)動(dòng)的微小機(jī)器人的主要部件是線性壓電驅(qū)動(dòng)器。線性壓電驅(qū)動(dòng)器工作原理是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即壓電材料在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生形變，依靠壓電材料的伸縮效應(yīng)或摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的。優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

2、響應(yīng)速度快和可控性好。在日本，日本東京大學(xué)的通口俊郎和豐田工業(yè)大學(xué)的毛利尚武等人先后研制出了蠕動(dòng)式、沖擊式和橢圓驅(qū)動(dòng)式等三種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)的電極直接驅(qū)動(dòng)微型電火花加工裝置，成功地實(shí)現(xiàn)了電火花加工裝置的微小型化。國(guó)內(nèi)，南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等也相繼開(kāi)展了此方面的研究工作，并研制出了多種形式的壓電驅(qū)動(dòng)微小型電火花加工裝置。橢圓運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的小型電火花加工機(jī)構(gòu)是利用兩組相互垂直排列的疊層壓電振子的振動(dòng)所合成的摩擦驅(qū)動(dòng)塊的橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電極前進(jìn)和回退。沖擊式小型電火花加工裝置是利用壓電振子的軸向快速伸縮運(yùn)動(dòng)及重物的沖擊慣性來(lái)驅(qū)動(dòng)電極運(yùn)動(dòng)。蠕動(dòng)式微小型電火花加工機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)壓

3、電陶瓷箝位器（其中一個(gè)軸向固定）、一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及電極絲等組成。為保證電極運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，在兩個(gè)箝位器與電極之間裝有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。通過(guò)控制箝位器和驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作時(shí)序和初始狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)電極的微量進(jìn)給與回退。利用線性超聲馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)電極的小型電火花加工裝置主要包括兩個(gè)線性步進(jìn)式超聲馬達(dá)定子、一個(gè)移動(dòng)體、摩擦材料、預(yù)緊彈簧、電極等部分。移動(dòng)體上下表面覆蓋有摩擦材料，以增大驅(qū)動(dòng)力并提高步進(jìn)式超聲馬達(dá)的使用壽命；預(yù)緊力由預(yù)緊螺釘通過(guò)預(yù)緊彈簧加在馬達(dá)定子上；馬達(dá)定子在其波節(jié)處由彈性橡膠固定。電極的進(jìn)給和回退通過(guò)上下兩馬達(dá)定子的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)。三、微小機(jī)器人精密加工典型應(yīng)用日本靜岡大學(xué)開(kāi)發(fā)了一組微小機(jī)器人。每個(gè)機(jī)器人

4、尺寸大約在16.4立方厘米，由壓電晶體驅(qū)動(dòng)，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上移動(dòng)，還可以在立面和天棚上移動(dòng)，而不需要導(dǎo)軌等輔助裝置。1、可施加預(yù)負(fù)載的板簧2、用于產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的壓電晶體3、用于夾緊的U型電磁鐵4、可安裝微元件的平臺(tái) 1、電極2、驅(qū)動(dòng)單元3、工件它還提供了模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的微觀操作可以選用不同的工具，如小錘、微探測(cè)工具和灰塵捕捉探針等。多個(gè)機(jī)器人可以合作對(duì)工件表面進(jìn)行微孔加工。毛利尚武等人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。將工業(yè)機(jī)器人與微動(dòng)機(jī)器人結(jié)合在一起使用，可以制作成精密機(jī)器人完成超精密加工及裝配。這種加工方法的優(yōu)點(diǎn)

5、是可以克服工業(yè)機(jī)器人加工精度低的缺點(diǎn)利用微動(dòng)機(jī)器人提高精度；同時(shí)又可以克服微動(dòng)機(jī)器人行程小的缺點(diǎn)，使機(jī)器人可以進(jìn)行大范圍的作業(yè)。日本的電氣通信大學(xué)將普通工業(yè)機(jī)器人與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)合成高精度裝配機(jī)器人系統(tǒng)，用于IC芯片的加工，加工效果非常理想。系統(tǒng)宏動(dòng)是由機(jī)器人完成的，微動(dòng)機(jī)器人利用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)對(duì)x方向和y方向的精確定位。 1、粗定位器 2、精定位器 3、IC芯片 4、電路板在超精密加工中使用最多的金剛石精密車(chē)床、各種精密磨床等，由于環(huán)境對(duì)加工精度的影響很大，因而需要在高度清潔車(chē)間內(nèi)運(yùn)行。并且為了減小誤差應(yīng)盡量減小振動(dòng)傳動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。微機(jī)器人主要用于機(jī)床床身與底座的振動(dòng)抑制、數(shù)控與測(cè)量、

6、微進(jìn)給系統(tǒng)等。用金剛石車(chē)床車(chē)削鏡面磁盤(pán)，車(chē)刀進(jìn)給量為5um，就是利用微動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的；將彈性薄膜和電制伸縮器組合成微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，利用電制伸縮器的伸縮帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給；利用壓電陶瓷伸長(zhǎng)和收縮，制成超精密車(chē)床溜板的主要振動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，可以抑制溜板的振動(dòng)，提高加工精度；將微動(dòng)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(xiāo)空。掃描探針?biāo)淼里@微鏡也可以看成是一種微動(dòng)機(jī)器人，它一般由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，可以在X、Y、Z三個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)納米級(jí)移動(dòng)，主要用于零件表面的檢測(cè)，也可用于分子、原子搬遷重組。原子力顯微鏡能夠操作分子尺寸的粒子，在未來(lái)的納米級(jí)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(gè)名為nanowalker的項(xiàng)目，對(duì)于微操作機(jī)器人的集成化問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，研制出多個(gè)微小的、具有多種功能的微操作機(jī)器人，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(cè)等多種功能。從單個(gè)