1、引言

隨著產品質量要求的不斷提高，以精密加工、超精密加工、微細加工和納米加工等為代表的精密工程越來越引起人們的關注。通常我們把被加工零件的尺寸精度和形位精度達到零點幾微米，表面粗糙度低于百分之幾微米的加工技術稱為超精密加工技術。超精密加工技術在國防工業、信息產業和民用產品中都有著廣泛的應用前景。在國防工業中，導彈陀螺儀的質量直接影響其命中率，1 kg的陀螺轉子，其質心偏離對稱軸0.0005μm ，就會引起100 m的射程誤差和50 m的軌道誤差。在宇航技術中，衛星的姿態軸承為真空無潤滑軸承，其孔和外圓的圓度及圓柱度均為納米級。衛星用的光學望遠鏡、電視攝像系統、紅外傳感器等，其光學系統中的高精度非球面透鏡等都必須經過超精密車、磨、研、拋等超精密加工。此外，大型天體望遠鏡的透鏡、紅外線探測器反射鏡，激光核聚變用的曲面鏡等都是靠超精密加工才能制造。在信息產業中，計算機芯片、磁盤和磁頭，復印機的感光鼓等都要經過超精密加工才能達到要求。民用產品中的許多產品，如隱形眼鏡，就是用超精密數控車床加工而成的。

圖1 微加工機器人

2、超精密加工的實現方法

目前，實現超精密加工的方法主要有：超精密切削，如超精密金剛石刀具鏡面車削、鏜削和銑削等；超精密磨削、研磨和拋光；超精密微細加工（電子束、離子束、激光束加工以及硅微器件的加工、LIGA技術等）。

日本的一些學者提出了利用微機器人進行超精密加工的概念，這一概念突破傳統加工觀念，設計出可以自由移動的微小機器人，讓機器人群在工件上爬，可實現納米級超精密加工。

機構的小型化可以節約資源和能源，并且由于零件尺寸的減小，從而提高了單位體積和重量的功能的集成度。小型化也開辟了許多新的應用領域，比如在工業上的遙操作或細胞生物領域的應用。源于微電子技術的硅微加工工藝對于機構的小型化有著重大影響，它在同一個零件上集成了機械和電子功能，非常適合于加工MEMS系統。

3、基于微機器人的超精密加工技術

目前，微機器人在超精密加工領域中的應用主要有以下幾種方式：微加工機器人，宏微機器人雙重驅動，機床與機器人結合，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。

對于微小零件的精密加工中存在的主要問題是：如何以微觀精度和低成本實現微小零件的加工與裝配。由于基于傳統方法的加工產生驅動誤差補償和溫度補償控制需要消耗大量能量，近些年來，基于IC工藝和深層X射線技術也被成功用于復雜工藝的微機械零件的加工，但是，被加工材料局限性大，加工和維護的費用也很昂貴。而攜帶有各種微操作、加工、測量工具的微小機器人，不僅可以進行精密零件的加工、檢驗和裝配，還可以合作完成一些大型機床難以完成的工序。因此，基于微機器人的超精密加工成為實現超精密加工的一種有效方式。

3.1 微加工機器人

日本靜岡大學開發了一組微小機器人。每個機器人尺寸大約在1立方英寸，由壓電晶體驅動，電磁鐵實現在工件表面的定位，這種機器人不僅可以在水平的表面移動，還可以在立面和天棚上移動，而不需要導軌等輔助裝置。它還提供了模塊化設計，因而為完成不同的微觀操作，可以選擇不同的工具，如小錘、微檢測工具和灰塵捕獲探針等。在實驗中，多個機器人中有一個帶有減速齒輪驅動微鉆，其它的由直流電機帶動小齒輪驅動，可以合作進行工件表面的微孔加工，如圖2。

圖2 多微機器人協作的微孔加工

毛利尚武等人利用“尺蠖驅動法”研制了超小型電火花加工機，可以實現直徑為0.1mm的微孔的加工，如圖3。青山尚之等人研制了一種微小機器人，并且利用該機器人實現了壓印加工。

圖3 直接驅動的小型放電加工機

3.2 宏-微結合的驅動方式

將工業機器人與微動機器人結合在一起使用，可以制造成精密機器人，完成超精密加工及裝配。這種方法的優點是可以克服工業機器人精度低的缺點，利用微動機器人提高精度；同時又可以消除微機器人運動行程小的弱點，使機器人可以進行大范圍的作業。例如，在大規模集成電路裝配中常使用機器人。但是常規的機器人的精度和速度往往不能滿足要求。精度低多是源于驅動/伺服精度和機構的傳動誤差。響應時間慢是由于系統共振模態的帶寬窄。為實現精確而且快速操作，日本的電氣通訊大學設計了普通工業SCARA機器人與壓電陶瓷驅動器結合的高精度裝配機器人系統，用于IC芯片的加工，效果很好，如圖4所示。系統宏動是由SCARA機器人完成的，微動是由一對精密工作臺分別實現XY方向的精確運動，工作臺由壓電陶瓷驅動。

圖4 日本的宏-微裝配機器人

3.3 機床與微機器人技術結合

在超精密加工中使用最多的金剛石精密車床、各種精密磨床等，由于環境對于加工精度的影響很大，因而需要在高度清潔車間內進行。并且為減小誤差，應盡量減小振動、傳動誤差，實現微進給。微機器人主要用于機床的床身與底座的振動抑制、數控與測量、微進給系統等。如用金剛石車床車削鏡面磁盤，車刀的進給量為5μm ，就是利用微動機器人實現的。將彈性薄膜和電致伸縮器組合成微進給機構，利用電致伸縮器的伸縮帶動工作臺運動，實現微量進給。王加春等利用壓電陶瓷伸長和收縮，制成超精密車床溜板的主動振動控制系統，結合模糊神經網絡控制方法，可以抑制溜板的振動，提高加工精度。章云等將微動機器人技術應用于新型鏜床，利用壓電陶瓷控制鏜刀的徑向進給，設計出變形鏜桿，可以加工出高精度的活塞異形銷孔。該機構體積小，結構簡單，重量輕，制造裝配容易。

3.4 掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡也可以看成是一種微動機器人，它一般由壓電陶瓷晶體驅動，可以XYZ三個方向上實現納米級移動，主要用于零件表面的檢測，也可用于分子、原子搬遷重組，其工作原理如圖5。

圖5 STM原理機構圖

原子力顯微鏡能夠操作分子尺寸的粒子，在未來的納米級零件的裝配領域中具有廣闊的應用前景。MIT確立了一個名為Nanowalker項目，對于微操作機器人的集成化問題進行了進一步的探索，研制多個微小的、具有多種功能的柔性微操作機器人。如圖6所示，該微小機器人與掃描探針等工具結合，可具備納米操作、三維微加工、表面檢測等多種功能。

圖6 多功能的柔性微機器人

3.5 未來的發展趨勢

  RalphHollis等提出適用于精密裝配的微工廠的概念，包含了基于傳感器的微操作和自動裝配體系，可完成復雜MEMS系統的裝配工作。Hitosh建了一個微工廠的模型。在一個工作臺上，集中了微型車床、磨床、沖床、機械手、操作器等，可以實現微型零件的加工以及裝配。它的特點是空間小、能耗低、重量輕，可以根據生產的需要重新構造，具有很高的柔性。

4、結論

綜上所述，微機器人技術對于超精密加工、檢測和裝配等都具有不可替代的作用。利用微機器人技術改造傳統的機床、工業機器人，可提高加工質量，降低加工成本。從單個機器人操作到多機器人協作，到桌面微工廠，微機器人技術與現代通訊技術、微加工工藝、檢測技術等結合，不僅為機器人技術開拓了新的應用領域，也將在未來的先進制造領域發揮更大的作用。