微型化制造设备与微型制造系统

　　1　微型机床与微型工厂的提出

　　机床自18世纪末出现以来,其加工精度和自动化程度不断提高,然而,在减小其尺寸方面的努力却很少。微型机床和微型工厂是Dutta等[1,2]在1970年首次提到的,当时只是作为他们采用硅微细加工制作微电机的一种应用。随着微机械技术的兴起和整个世界日益严峻的能源和环境问题,使得生产系统中对微型化设备和系统的需求日益迫切。

　　一方面,微机械技术经过多年的研究开发,已迅速发展成为具有多学科交叉性质的前沿研究领域,在工农业、国防、航空航天、生物医学和家庭等诸多领域有着广阔的应用前景。微型机械正逐步走向实用化,这对微小型零件结构的复杂程度、材料的多样性、形状精度、表面粗糙度等均提出了越来越高的要求。传统精密机械加工技术面向3维形状,对加工对象的材料适应性强,而且目前精密机械、电子、光学等领域有大量的精密微小型零件都是采用传统精密机械加工工艺和精密机床制作的。以半导体制造技术为基础的微机械加工技术与传统的精密加工技术之间,尚存在二者结合的“中间部分”[3],而填补“中间部分”的技术可以由传统精密加工方法如切削、磨削、电火花加工等延伸而来。因而近年来,人们已经开始探索这类用于产品微小型化的有效技术方法,称为M4(micro/meso mechanical manufacturing)技术[4],而且注意到,如果设备小型化到与被加工零件尺寸相称的程度,并能够达到与现有精密加工技术同样的结果,那么成本将大幅降低。再者,由于航空航天、电子、医疗、模具等行业和部门,有许多微小型零件采用传统机床无法加工或加工困难,尤其在狭小空间内作业、移动作业、微重力、真空等特殊环境下,必须由小型或微型机械设备来实现。

　　另一方面,精密机械、电子、光学等领域的零件变得越来越小。在传统工厂的生产系统中,即使最终的产品很小,生产设备与其所加工、装配和调整的零件尺寸相比还是很大。而生产设备及车间的动力和材料消耗近似地与其体积成正比,因此配置与其所加工零件尺寸不相称的大机床和厂房,浪费了能源、空间和资源。

　　因此,人们开始考虑微小型零件制造设备及生产系统的微型化,以期可以节省能源、空间和资源,这方面的研究工作主要集中于日本。首先,从节省空间和提高加工精度的角度出发,把机床尺寸小型轻量化到原有机床1/2左右的研究广泛地开展起来,但达到微型化(缩至1/10～1/100)程度的却极少。日本通产省工业技术院机械技术研究所(MEL)进行了加工小型工业产品用的各种加工设备的小型化试验,研究了机床大幅度小型化的节能效果后认为,机床尺寸缩小到1/10时,车间的动力消耗可减少到1/100。该研究所于1990年提出了由微型化的机床和操作器组成微型制造系统,即微型工厂(micro-factory)的概念[2,5,6],见图1。为了促进微机械技术的开发和应用,1991年9月日本微机械中心(MMC)在其实施的《微机械技术十年规划》中制定的三大应用目标之一,就是能生产微小型零部件的低能耗工厂,面积不超过数平方米,即微型工厂工程,图2为MMC桌面微型工厂的概念[5]。