1、引言

　　隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，以精密加工、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和形位達到零點幾微米，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。超精密加工目前就其質(zhì)來說是要實現(xiàn)以現(xiàn)有普通精密加工手段還達不到的高加工，就其量來說是要加工出亞微米乃至毫微米級的形狀與尺寸賴皮并獲得納米級的表面粗糙度，但究竟多少值才算得上超精密加工一段要視零件大小、復雜程度以及是否容易變形等因素而定。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）超精密磨削、超精密研磨（機械研磨、機械化學研磨、研拋、非接觸式浮動研磨、彈性發(fā)射加工等）以及超精密特種加工（電子束、離子束以及激光束加工等）。上述各種方法均能加工出普通精密加工所達不到的尺寸、形狀和表面質(zhì)量。每種超精密加工方法都是針對不同零件的要求而選擇的。

　　我國目前已是一個“制造大國”，制造業(yè)規(guī)模名列世界第四位，僅次于美國、日本和德國，近年來在精密加工技術和精密機床設備制造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個“制造強國”，與發(fā)達國外相比仍有較大差距。目前國外已開發(fā)了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，發(fā)展了新的精密加工和精密測量技術。為了使我國的國防和科技發(fā)展不受制于人，我們必須投入必要的人力物力，自主發(fā)展精密和超精密加工技術，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。

　　2、超精密加工的實現(xiàn)方法

　　目前，實現(xiàn)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。

　　目前，使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果，一方面深化了對極薄層材料切削去除機理的認識，同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預報。由超精密切削所形成加工表面的計算機仿真模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶面時的切削力可以看到，由于晶體的各向異性，導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬，可以對超精密切削極薄層材料的動態(tài)切除過程進行觀察和分析，并能對切除過程進行動畫演示。

　　機構的小型化可以節(jié)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(yè)上的遙操作或細胞生物領域的應用。

　　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(qū)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：如何以微觀和低成本實現(xiàn)微小零件的加工與裝配。由于基于傳統(tǒng)方法的加工產(chǎn)生驅(qū)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。

　　3.1 微加工機器人

　　日本靜岡大學開發(fā)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(qū)動，電磁鐵實現(xiàn)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，在實驗中，多個機器人中有一個帶有減速齒輪驅(qū)動微鉆，其它的由直流電機帶動小齒輪驅(qū)動，可以合作進行工件表面的微孔加工，

　　毛利尚武等人利用“尺蠖驅(qū)動法”研制了超小型電火花加工機，可以實現(xiàn)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(xiàn)了壓印加工。

　　3.2 宏-微結合的驅(qū)動方式

　　將工業(yè)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(yōu)點是可以克服工業(yè)機器人低的缺點，利用微動機器人提高；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(yè)。例如，在大規(guī)模集成電路裝配中常使用機器人。但是常規(guī)的機器人的和速度往往不能滿足要求。低多是源于驅(qū)動/伺服和機構的傳動誤差。響應時間慢是由于系統(tǒng)共振模態(tài)的帶寬窄。為實現(xiàn)而且快速操作，日本的電氣通訊大學設計了普通工業(yè)SCARA機器人與壓電陶瓷驅(qū)動器結合的高裝配機器人系統(tǒng)，用于IC芯片的加工，效果很好，如圖4所示。

　　3.3 機床與微機器人技術結合

　　在超精密加工中使用多的金剛石精密車床、各種精密磨床等，由于環(huán)境對于加工的影響很大，因而需要在高度清潔車間內(nèi)進行。并且為減小誤差，應盡量減小振動、傳動誤差，實現(xiàn)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(shù)控與測量、微進給系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)，結合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法，可以抑制溜板的振動，提高加工。

　　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(qū)動，可以XYZ三個方向上實現(xiàn)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。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。

　　3.5 未來的發(fā)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(tǒng)的裝配工作。 Hitosh建了一個微工廠的模型。在一個工作臺上，可以實現(xiàn)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(jù)生產(chǎn)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(tǒng)的機床、工業(yè)機器人，可提高加工質(zhì)量，降低加工成本。從單個機器人操作到多機器人協(xié)作，到桌面微工廠，微機器人技術與現(xiàn)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(fā)揮更大的作用。