微型機床和桌面工廠及其發(fā)展趨勢與展望

       一、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)境友好的未來工廠，是勞動力、經(jīng)驗、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，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。
       微小化制造正在向我們大步走來。具有微尺度特征的微型裝置在醫(yī)療設(shè)備、消費電子產(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、要求達到10-3～10-5的相對精度，并且由難以裝夾、搬運和測量的零件組成。而且對其使用功能和可靠性的要求也越來越高。典型的微型裝置和微型零件有：微型機器人、微型液壓泵、膠囊式內(nèi)窺鏡、微型齒輪、微型零件等。
       目前，微型零件的加工主要有光刻加工和機械加工兩種方式。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)備昂貴等問題，且只能加工結(jié)構(gòu)簡單的二維或準三維零件，無法進行復(fù)雜三維微型零件的加工。
       微型機床（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)，也就是用小機床加工小工件的技術(shù)。微加工一般是指微型機床加工工件尺度范圍在100μm～10mm、加工精度范圍在0.1μm～1μm的金屬或塑料零件的非光刻加工技術(shù)。桌面工廠（Desktop Factory—DTF）是由微型機床、微型機械手和輸送裝置等組成的微小化工廠。
       二、微型機床
       微型機床由于體積小、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，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。
       1、微型車削中心
       日本NANO公司生產(chǎn)多種商品化微型機床，其MTS4S微型精密車削中心的外形尺寸為：700×400×600mm。
       MTS4S微型車削中心的左側(cè)安裝有轉(zhuǎn)速為20000 r/min的電主軸，右側(cè)安裝有可在Y軸和Z軸滑座上移動的八角轉(zhuǎn)塔刀架，車刀截面尺寸10mm×10mm，氣動回轉(zhuǎn)刀具主軸的外徑為20mm或25mm，換位時間為0.5 s。
       滑座X軸的行程52mm，Z軸的行程為102mm。由精密滾珠絲杠驅(qū)動，快速進給為3000 mm/min，最小進給量為1μm。此外，NANO公司提供油霧切削液裝置和加工＜Φ1mm孔用的100000 r/min的氣動主軸作為選配件。
       機床額定電功率為100W，氣源壓力為0.5MPa，流量為10L/min。值得注意的是，該機床可以配置太陽能供電系統(tǒng)，體現(xiàn)綠色制造的理念。
       2、微型銑床
       NANO公司的MTS6R微型精密數(shù)控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20000 r/min。3個方向的滑座皆由精密滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌驅(qū)動，X軸和Y軸移動范圍為52mm，Z軸移動范圍為32mm，快速進給3000 mm/min，最小進給量為1μm。
       銑刀刀柄和工件夾頭的錐度為BT05，可以夾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3000 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20000 r/min。
       3、多功能桌面機床
       日本高島（Takashima Sangyo）公司推出的Multi Pro可換主軸頭多功能桌面機床，其特點如下：
       （1）高精度、高剛性；重復(fù)定位精度±2μm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，可實現(xiàn)銑削、磨削、電加工和激光加工等，可根據(jù)用戶需要進行客戶化配置。
       （4）工作行程：200 mm×200 mm×110 mm。
       （5）工作臺面積：330 mm×260 mm。
       （6）X、Y、Z軸交流伺服驅(qū)動，電動機功率150 W。
       三、第一代桌面工廠
       日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST，前身是機械工程實驗室NEL）在上世紀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、沖壓及工件交換機械手于一體的微柔性制造單元，以驗證“用微型機床生產(chǎn)微型裝置”的技術(shù)可行性。整個系統(tǒng)可以放在一個625 mm×490 mm×380 mm的鋁合金箱中，重量34 kg，通過計算機顯示屏進行操作，可攜性成為其一大特點�？蓴y式桌面工廠配備有微型車床、銑床、沖壓機和機械手，不僅可以完成微型零件的加工，還可以進行簡單的裝配。
       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行了多項有關(guān)微加工工藝、微型刀具、微加工切削機理和桌面工廠生產(chǎn)運行的實驗研究。研究表明，工件搬運機械手是提高生產(chǎn)率的主要瓶頸。
       四、具有托板交換系統(tǒng)的桌面工廠
       1、總體結(jié)構(gòu)
       美國伊利諾斯州大學(xué)在美軍空間和導(dǎo)彈中心和自然科學(xué)基金會的資助下研發(fā)的自動化桌面工廠屬于第二代桌面工廠，它的特點是引入3軸和5軸數(shù)控機床、測量機、托板交換、工件自動搬運等先進使能技術(shù)，以建立一個柔性的（不同工藝過程和工件幾何形狀）、模塊化（可集成和可擴展）、自動化（運作無需人介入）和高精度（亞微米級）的微型桌面工廠，易裝配、可重組，并預(yù)期達到以下目標(biāo)：
       （1）進行1～1000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個面（例如5面加工）。
       桌面工廠的所有組成器件布置在一個900mm×900mm的氣墊隔振臺上，借助定位槽保持各組成部件的相互位置，托板庫供裝卸工件及工序間存貯托板之用。
       自動化桌面工廠特別是在物料流的設(shè)計上有根本性的改進，采用托板自動識別技術(shù)和借助裝在橫梁上能夠在X軸和Y軸方向移動的機械手在機床之間搬運裝有工件的托板，實現(xiàn)了物料流的自動化。
       具有托板交換系統(tǒng)的自動化桌面工廠的主要特征和所涉及的使能技術(shù)見表。
      

       2、微型機床的開發(fā)
       在自動化桌面工廠中配置有3軸和5軸微型銑床各1臺，兩者都采用模塊化結(jié)構(gòu)，但不同的驅(qū)動方式，以期驗證機床總體配置和驅(qū)動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，實現(xiàn)低成本加工小工件的目標(biāo)。
       盡管3軸和5軸機床的驅(qū)動方式不同，但都采用重心驅(qū)動原則，由左右兩側(cè)一對電動機同步驅(qū)動，減小偏轉(zhuǎn)力矩對導(dǎo)軌的負面影響，以保障機床的大進給量、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)工作臺上，其軸線通過工作臺的中心，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。
       3、激光測量和物料搬運
       激光測量機在自動化桌面工廠中擔(dān)任工件識別和檢驗的角色。借助橫臂搬運系統(tǒng)的機械手將裝有工件的托板在機床、測量機和托板庫之間進行搬運和交換。
       裝有工件的托板固定在3軸移動的滑座上，采用精度為0.01μm的激光測距儀進行識別和測量�；�座采用直流伺服電動機滾珠絲杠驅(qū)動、光柵尺反饋，分辨率100nm，最大行程50mm。
       右側(cè)是帶有機械手的、可在3個方向移動的橫臂搬運系統(tǒng)。機械手的夾爪夾住托板，托板的反面有3個精密定位鋼球和軟鐵片以及電氣接點，可以將托板準確地固定到機床的接口板上。
       五、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)新的方法和價值實現(xiàn)用戶友好；
       （5）環(huán)境和生態(tài)友好。
       DTF聯(lián)盟推出的具有無線通信的生產(chǎn)線，由4臺不同設(shè)備組成，其中包括高島公司的Multi Pro多功能微型機床。
       高島公司建成了有300多臺微型桌面機床組成的工廠，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)太陽能光伏電池，最大輸出功率達30 kW，在正常日照的情況下，基本可滿足工廠生產(chǎn)的需要。
       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。工廠投資和運營成本僅為產(chǎn)能相同的傳統(tǒng)工廠的1/5。車間布局可根據(jù)生產(chǎn)需要進行調(diào)整，是敏捷、可變、可重組、可持續(xù)的制造系統(tǒng)。
       六、韓國的桌面工廠國家計劃
       韓國機械與材料研究院（KIMM）在韓國知識和經(jīng)濟部以及企業(yè)的資助下，從2004～2011年進行了“下一代微型工廠系統(tǒng)技術(shù)”的研發(fā)�？偼顿Y2100萬美元，有9家企業(yè)、15所大學(xué)、3家研究單位和6家國外機構(gòu)參加。計劃共分3個階段，第一階段2004～2007年，開發(fā)微型機床的關(guān)鍵技術(shù)；第二階段2007～2009年，研發(fā)單元機床系統(tǒng)及其應(yīng)用；第三階段2009～2011年，高科技領(lǐng)域的未來微型工廠。該計劃的主要研究成果有：60000～3000000r/min的微型電主軸、多自由度高精度的微型工作臺、多軸微型數(shù)控機床、微型工廠的組建等。
       該項目完成了若干示范工程，如24h制作假牙的系統(tǒng)和手機鏡頭裝配等。手機鏡頭裝配系統(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。
       七、我國的微型機床
       上海機床廠有限公司在國家科技重大專項的支持下，研發(fā)了納米級微型數(shù)控磨床，機構(gòu)精巧、技術(shù)性能高、加工精度優(yōu)越，為國內(nèi)之最。該機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電光學(xué)零件的超精度磨削加工，開創(chuàng)了我國微型機床自主研發(fā)的新時代。
       八、趨勢和展望
       微型機床和桌面工廠是機床產(chǎn)業(yè)的藍海，方興未艾，前途無量。微型機床絕不僅是實驗?zāi)Ｐ停�也不是教具，更不是玩具，而是未來工廠的重要生產(chǎn)工具和裝備。重大裝備絕非從體積和重量來劃分，而應(yīng)該是從對國民經(jīng)濟和技術(shù)進步貢獻大小的角度來衡量。
       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、消費電子產(chǎn)品莫不如此。
       今天，我國成千上萬的企業(yè)仍然在使用傳統(tǒng)機床、甚至精密數(shù)控機床加工諸如直徑＜10 mm、長度＜50 mm的回轉(zhuǎn)體零件，以及體積＜10 cm³的棱形零件，嚴重浪費了生產(chǎn)面積、能源，加重了環(huán)境負擔(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展給微型機床的應(yīng)用打開了嶄新的局面。微加工的切削機理和刀具設(shè)計已經(jīng)有了新的突破，使微型機床可以走出實驗室、邁進生產(chǎn)車間，成為未來工廠的一個主角。