微型机床和桌面工厂——访同济大学现代制造技术研究所所长张曙教授
蒋亚宝
《金属加工》
收稿日期：2013-02-26
Received： 2013-02-26
微小化制造 (Minimal Manufacturing) 是极端制造的另一极。微小化制造以最小的投入、最大的产出, 建成最高性能的、环境友好的未来工厂, 是未来制造的新概念和新领域。
为了使广大读者深入了解这项未来加工技术, 《金属加工》记者专访同济大学现代制造技术研究所所长张曙教授, 为大家详细解读微小化制造的两个关键——微型机床和桌面工厂。
微小化是下一代制造的愿景
《金属加工》:对于极端制造来讲, 我们熟悉的可能是极大尺寸制造, 比如重型机床极限制造, 微小化制造则较少接触, 请您简单介绍一下?
张曙教授:微小化制造 (Minimal Manufacturing) 是极端制造的另一极, 是未来制造的新概念和新领域。微小化制造以最小的投入 (省资源和节能) 、最大的产出 (高效率和低成本) 、建成最高性能的、环境友好的未来工厂, 是劳动力、经验、智慧和技术的结晶。微小化制造的特征是将最少数量的资源和场地以及能源加以优化配置, 生产高科技、高附加值产品。欧美和日本都已经将微小化制造列为今后10年产业战略发展规划的重点之一, 其愿景是将工厂面积和能源消耗减少100倍、设备体积和投资降低1 000倍、资源利用率提高10倍以上。
微小化制造的基本概念 下载原图
微小化制造正在向我们大步走来。具有微尺度特征的微型装置在医疗设备、消费电子产品、航空航天和军工等产业的应用日益广泛, 已经成为科学研究、产品创新和医疗保健不可或缺的精密装置。这些微型器件往往由具有三维复杂结构特征、采用不同工程材料、要求达到10-3~10-5的相对精度, 并且难以装夹、搬运和测量的零件组成。而且对其使用功能和可靠性的要求也越来越高。
典型的微型装置与微型零件 下载原图
目前, 微型零件的加工主要有光刻加工和机械加工两种方式。光刻加工是以半导体制造工艺为基础, 广泛用于微机电系统 (Micro Electromechanical Systems) 的制造。光刻技术虽然较为成熟, 但存在被加工材料品种单一、加工设备昂贵等问题, 且只能加工结构简单的二维或准三维零件, 无法进行复杂三维微型零件的加工。
机械加工方式是利用车、铣、磨等切削工艺以及冲压、注塑、缠绕等成形工艺加工三维微型零件。尽管超精密加工机床和高精度加工机床大多都可以满足生产微型零件的尺度和精度要求, 但超精密机床价格高昂, 而高精度机床则由于针对尺度较大的工件而设计的, 因此行程较长、主轴功率较大, 用来加工微型零件往往造成场地占用大、原材料浪费严重、能源消耗大等缺点。此外, 由于微型零件上需要加工的特征尺寸非常小, 机床的刀具、夹具等经常和工件发生干涉, 使得工艺过程设计非常困难, 甚至难以实现。
微型机床 (Micro Machine Tools) 和微加工 (Micro Machining) 是将传统加工工艺及装备微型化, 并用于微型零件批量生产的技术, 也就是用小机床加工小工件的技术。微加工一般是指微型机床加工工件尺度范围在100μm~10m m、加工精度范围在1~0.1μm的金属或塑料零件的非光刻加工技术。
微型机床
《金属加工》:您刚才提到的微型机床, 与传统机床相比有哪些特点?目前世界上哪些公司推出了商品化的微型机床?
张曙教授:微型机床由于体积小、惯性质量小、发热量小, 因此具有能耗低、柔性大、效率高的优点, 可以减小微型装置生产线的全系统尺度规模, 既可以节省能源又可以节省制造空间和资源, 符合节能、环保的要求, 是绿色制造的发展方向之一。
日本NANO公司是商品化微型机床及系统的制造厂家, 该公司推出模块化的NOWAVE系列精密微型数控车床、精密数控铣床和精密非球面车床3大类、9种不同规格的微型机床以及由微型机床组成的复合加工系统。美国Microlution公司也推出363-S微型铣床。此外, 上海机床厂也完成了的国家重大专项:2MNKA9820型纳米级精度微型数控磨床。
(1) 微型车床和车削中心NANO公司的MTS4R微型精密数控车床采用T形布局, 两个相互垂直配置的滑座安装在大理石床身上, 左侧的Z轴滑座上安装有转速为20 000r/min的电主轴, 右侧的Y轴滑座安装有两个刀夹。X轴和Z轴滑座皆由精密滚珠丝杠、线性导轨驱动, 移动范围为52mm, 快速进给3 000mm/min, 最小进给量为1μm。
MTS4R微型车床的最大加工长度为10m m, 最大工件直径5mm, 最小加工直径10μm, 车刀截面尺寸10mm×10mm。加工工件的圆度可达0.19μm, 表面粗糙度值Ra可达0.03μm。机床功率为55W。
NANO公司为MTS系列微型机床开发了基于微机的简易数控系统。数控装置的外形尺寸为370mm×450mm×155mm。
NANOWAVE MTS4R微型车床 下载原图
NANO公司的MTS4S微型车削中心的左侧安装有转速为20 000r/min的电主轴, 右侧安装有可在Y轴和Z轴滑座上移动的8角转塔刀架, 车刀截面尺寸10mm×10mm, 气动回转刀具主轴的外径为φ20mm或φ25mm, 换位时间为0.5s。
滑座X轴的行程52mm, Z轴的行程为102mm。由精密滚珠丝杠驱动, 快速进给为3 000mm/min, 最小进给量为1μm。此外, NANO公司提供油雾切削液供给装置、加工小于φ1mm孔用的100 000r/min的气动主轴作为选配件。机床额定电功率为100W, 气源压力为0.5MPa, 流量为10L/min。值得注意的是, 该机床可以配置太阳能供电系统, 体现绿色制造的理念。
NANOWAVE MTS4S微型车削中心 下载原图
(2) 微型铣床NANO公司MTS6R微型铣床的十字滑座和立柱分别安装在大理石床身上, 左侧的十字滑座上安装有工件夹头, 右侧的立柱上安装有带电主轴铣头的滑座, 主轴转速为20 000r/min。3个方向的滑座皆由精密滚珠丝杠、线性导轨驱动, X轴和Y轴移动范围为52mm, Z轴移动范围为32mm, 快速进给3 000mm/min, 最小进给量为1μm。
NANOWAVE MTS6R微型铣床 下载原图
铣刀刀柄和工件夹头的锥度为BT05, 可以夹持小直径的钻头和铣刀, 最小加工孔径0.1mm。NANO公司也可提供滑座、主轴、工件和刀具交换装置等模块, 供用户自行配置微型机床。例如, 可提供2种不同规格的电主轴: (1) 高转矩主轴。用于切削高硬度的金属材料, 额定转矩为294m N·m, 最高转速3 000r/min。 (2) 高速平衡主轴。适用于加工表面质量要求高的工件, 最高转速20 000r/min。
在更微小的掌上机床上, 通常采用类似牙科器械的气动涡轮驱动的主轴, 以及动圈式或磁致伸缩驱动的滑座。目前, 掌上机床仍处于试验研究阶段, 大多属于实验装置, 还未获得工业应用。
桌面工厂
《金属加工》:以微机床为核心的桌面工厂发展情况如何?
张曙教授:日本产业技术综合研究所 (AIST, 前身是机械工程实验室NEL) 在20世纪90年代末研制的可携式桌面工厂 (Portable Microfactory) 是第一代微制造系统的代表作。该系统集车削、铣削、冲压及工件交换机械手于一体的微柔性制造单元, 以验证“用微型机床生产微型装置”的技术可行性。整个系统可以放在一个625mm×490m m×380m m的铝合金箱中, 重量34k g, 通过计算机显示屏进行操作, 可携性成为其一大特点。
可携式桌面工厂 下载原图
可携式桌面工厂配备有微型车床、铣床、冲压机和机械手, 不仅可以完成微型零件的加工, 还可以进行简单的装配。
日本产业技术综合研究所利用第一代可携式桌面工厂进行了多项有关微加工工艺、微型刀具、微加工切削机理和桌面工厂生产运行的实验研究。结果表明, 工件搬运机械手是提高该微制造系统生产率的主要瓶颈。
美国伊利诺斯州大学近年研发的自动化桌面工厂属于第二代桌面工厂, 它的特点是引入3轴和5轴数控机床、测量机、托板交换、工件自动搬运等先进技术, 以建立一个柔性的 (不同工艺过程和零件几何形状) 、模块化 (可集成和可扩展) 、自动化 (运作无需人介入) 和高精度 (亚微米级) 的微型桌面工厂, 易装配可重组, 并达到以下目标: (1) 进行1~1 000件的中小批量生产。 (2) 能完成不同工艺过程, 车削、铣削、钻削、电加工和装配。 (3) 能加工三维复杂形状的零件。 (4) 能加工零件的n-1个面 (例如五面加工) 。
桌面工厂的所有组成器件布置在一个900mm×900mm的气垫隔振台上, 借助定位槽保持各组成部件的相互位置, 托板库供装卸工件及工序间存贮托板之用。
自动化桌面工厂 下载原图
自动化桌面工厂比第一代桌面工厂在物料流的设计上有根本性的改进, 采用托板自动识别技术的和借助装在横梁上能够在X轴和Y轴方向移动的机械手在机床之间搬运装有工件的托板, 实现了物料流的自动化。
在自动化桌面工厂中配置有3轴和5轴微型铣床各1台, 两者都采用模块化结构, 但不同的驱动方式, 以期验证机床总体配置和驱动方式是否具有足够的柔性, 能否方便地更换主轴部件, 转换成车削、激光加工或电加工等其他加工工艺, 实现低成本加工小型精密零件的目标。
3 轴和5轴微型铣床的内部结构 下载原图
从图中可见, 尽管3轴和5轴机床的驱动方式不同, 但都采用重心驱动原则, 由左右两侧一对电动机同步驱动, 减少偏转力矩对导轨的负面影响, 以保障机床的大进给量、高加速度、高刚度和精度。
5轴微型铣床的主轴是安装在回转工作台上, 其轴线通过工作台的中心, 便于刀具位置的调整。5轴铣床主要用于加工形状复杂的零件或进行“n-1”面加工, 它可以减少零件的装夹次数, 以保证加工精度。
激光测量机和托板搬运系统 下载原图
激光测量机在自动化桌面工厂中担任工件识别和检验的角色。借助横臂搬运系统的机械手将装有工件的托板在机床、测量机和托板库之间进行搬运和交换。
装有工件的托板固定在3轴移动的滑座上, 采用精度为0.01μm的激光测距仪进行识别和测量。滑座采用直流伺服电动机滚珠丝杠驱动、光栅尺反馈, 分辨率100nm, 最大行程50mm。
带有机械手的、可在3个方向移动的横臂搬运系统工作原理是:机械手的夹爪夹住托板, 托板的反面有3个精密定位钢球和软铁片以及电气接点, 可以将托板准确地固定到机床的接口板上。
发展前景
《金属加工》:您如何看待微机床和桌面工厂的发展前景?
张曙教授:微型机床绝不是实验模型, 也不是教具, 更不是玩具, 而是未来工厂的重要装备。重大装备绝非从体积和重量来划分, 而应该是从对国民经济和技术进步贡献大小的角度来衡量。
微小化是所有产品的发展方向。即使大型复杂的设备, 也越来越多地集成有各种微型装置和传感器。如航空航天、汽车、军事装备、医疗设备、消费电子产品莫不如此。
我国成千上万的企业仍然在使用传统机床、甚至精密数控机床加工微小零件, 严重浪费生产面积、能源、加重环境负担, 投入大、产出少。背离高效率、节能减排、绿色制造的大方向。
微加工工艺研究的进展给微型机床的应用打开了崭新的局面。微加工的切削机理和刀具设计已经有了新的突破, 使微型机床可以走出实验室, 迈进生产车间, 成为未来工厂的重要角色。