論文作者：Peiyuan Ding, Jianfu Zhang, Pingfa Feng, Xiangyu Zhang, Jianjian Wang*
DOI：10.1002/aisy.202400322
研究背景
受自然界啟發(fā)，表面微結(jié)構(gòu)因能提升材料表面的性能和具備特殊功能而受到越來越多的關(guān)注，如制備結(jié)構(gòu)色、調(diào)控?zé)彷椛洹⒏纳颇湍バ缘龋诒姸囝I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的機(jī)理研究不斷深入，功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法日趨成熟，而制備工藝則逐漸成為制約其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。解決大型工件表面微結(jié)構(gòu)制造工藝可擴(kuò)展性問題對表面微結(jié)構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。
文章概述
近期，清華大學(xué)機(jī)械工程系的王健健副教授、馮平法教授、張建富教授、張翔宇助理研究員、丁培員博士（第一作者）提出了一種可擴(kuò)展的表面功能結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，使用便攜式小型（30 mm×19 mm×22 mm）三足機(jī)器人在工件表面行走和工作。由于刀具的橢圓振動(dòng)，工件表面周期性地形成微槽；同時(shí)，加工力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前行走。該機(jī)器人的最大移動(dòng)速度可達(dá)約6.3 mm/s，并可在工件表面形成間距為4 ~ 14 μm的微結(jié)構(gòu)。由于其獨(dú)特的工作原理，機(jī)器人可以保持恒定的切深，顯示出其適應(yīng)工件表面波紋度的能力。最后，將其與輔助軌道相結(jié)合，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)直線度，獲得了多行微結(jié)構(gòu)。簡而言之，開發(fā)的小型機(jī)器人為表面微結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展制造提供了一個(gè)有希望的解決方案。
圖文導(dǎo)讀
小型加工機(jī)器人整體設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)思路如圖1所示。對于小型加工加工機(jī)器人而言，要獲得平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)特征和良好的加工效果，首先要確保加工機(jī)器人的振動(dòng)軌跡較為平穩(wěn)。由此設(shè)計(jì)加工機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1a所示，機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)為不銹鋼，組裝完成后由三個(gè)部分支撐，最前端采用金剛石刀具為支撐部分，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)時(shí)也可起到加工作用。金剛石刀具前刀面為圓弧形，圓弧半徑為500 μm，前角為0°、后角為20°。
圖1 a加工機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)；b驅(qū)動(dòng)和加工原理；c機(jī)器人的實(shí)物照片
通過有限元仿真定性分析微加工機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效果并獲取其近似位移曲線。如圖2(a)所示為仿真界面設(shè)定，此處采用的仿真軟件為Workbench 2022（ANSYS，USA）。在完成上述設(shè)置后進(jìn)行分析求解，獲得機(jī)器人前進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)曲線如圖2(b)所示。可以觀察到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有波動(dòng)特性，即分為前進(jìn)和后退兩個(gè)部分，并且由于前者的距離大于后者因而產(chǎn)生了宏觀上的前進(jìn)效果。
圖2 運(yùn)動(dòng)機(jī)理的有限元仿真。a仿真界面設(shè)置；b運(yùn)動(dòng)曲線仿真結(jié)果；c運(yùn)動(dòng)起始區(qū)域的間距特性；d單周期分段運(yùn)動(dòng)機(jī)理
刀具振動(dòng)頻率和軌跡對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，即微結(jié)構(gòu)的加工效率起著至關(guān)重要的作用。下圖展示了在不同輸入?yún)?shù)下的機(jī)器人加工效率及微結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量。可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)幅值對微結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響不明顯，但振動(dòng)頻率和相位差對微結(jié)構(gòu)質(zhì)量有顯著影響。當(dāng)振動(dòng)頻率增加到一個(gè)臨界值時(shí)，微結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量開始波動(dòng)。這可以歸因于振動(dòng)周期的縮短，導(dǎo)致了移動(dòng)速度的波動(dòng)，從而導(dǎo)致了微觀結(jié)構(gòu)間距的波動(dòng)。同樣，當(dāng)相位差過大時(shí)，橢圓的短軸開始減小，這減少了刀具縮進(jìn)工件的時(shí)間，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)變得無序。
圖3 加工機(jī)器人在不同參數(shù)下的微結(jié)構(gòu)加工效率
圖4 加工機(jī)器人在不同參數(shù)下的微結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量
所研制的機(jī)器人對工件的表面波紋度有較好的適應(yīng)能力。對于粗糙的表面，傳統(tǒng)的加工通常需要先拋光處理才能進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)加工，但此類具有自適應(yīng)能力的機(jī)器人可以在重力下保持恒定的切削深度。圖5(a)展示了機(jī)器人的輪廓自適應(yīng)原理。支撐機(jī)器人的是金剛石工具和兩條后支腳。金剛石刀具在重力作用下始終與工件接觸。當(dāng)工件表面不平坦時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)會(huì)有一定傾斜，然而這種傾斜很小，以至于它不會(huì)影響工件提供的法向力，因此刀具的切削深度對波紋表面保持不變。在鋁和銅上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了機(jī)器人的表面波紋度自適應(yīng)性能。
圖5 a機(jī)器人對粗糙工件表面的自適應(yīng)加工效果。b鋁和銅工件的表面波紋度。c兩個(gè)工件上不同采樣點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)寬度。d加工機(jī)器人對鋁工件的加工效果。e加工機(jī)器人對銅工件的加工效果。
輔助軌道使得微結(jié)構(gòu)加工的直線度大大提高。圖6(a)為輸入?yún)?shù)為120 V、700 Hz、160°時(shí)，機(jī)器人加工單線微結(jié)構(gòu)的SEM圖像。得到截面處的微結(jié)構(gòu)輪廓如圖6(c)所示。圖6(d)展示了機(jī)器人橫向進(jìn)給的多行加工原理。完成一行微結(jié)構(gòu)的加工后，向垂直于運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)給，機(jī)器人復(fù)位。然后，機(jī)器人進(jìn)行下一行的加工。圖6(e)顯示了多行微結(jié)構(gòu)的結(jié)果。得到的微結(jié)構(gòu)質(zhì)量幾乎可以達(dá)到超精密機(jī)床的加工質(zhì)量，而工件表面沒有被刮平。機(jī)器人只需要放置在工件表面并給予信號即可開始工作。
圖6 a軌道輔助加工機(jī)器人的單行加工效果；b微結(jié)構(gòu)特征；c白光干涉測量微結(jié)構(gòu)輪廓曲線；d軌道輔助加工機(jī)器人的多行微結(jié)構(gòu)加工機(jī)理。e多行微結(jié)構(gòu)加工效果。
未來展望
便攜式加工機(jī)器人作為解決表面功能結(jié)構(gòu)加工可擴(kuò)展和自適應(yīng)加工的重要手段在航空航天、船舶設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用。未來，相關(guān)機(jī)器人提升的重點(diǎn)將面向微結(jié)構(gòu)制備的更高自由度和更為靈活的運(yùn)動(dòng)反饋控制策略，以及多機(jī)器人的協(xié)同工作等方面。
圖7未來應(yīng)用展望
期刊簡介
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Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指標(biāo)1.11，期刊影響因子6.8，在計(jì)算機(jī)科學(xué)，人工智能和自動(dòng)化與控制系統(tǒng)中分類皆為Q1。(源自Clarivate 2023)
