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，表面微結構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注，如制備結構色、調控熱輻射、改善耐磨性等，在眾多領域具有廣闊的應用前景。隨著結構與功能關系的機理研究不斷深入，功能結構的設計方法日趨成熟，而制備工藝則逐漸成為制約其大規模工業應用的主要技術瓶頸。解決大型工件表面微結構制造工藝可擴展性問題對表面微結構的工業應用至關重要。
文章概述
近期，清華大學機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）提出了一種可擴展的表面功能結構制造技術，使用便攜式小型（30 mm×19 mm×22 mm）三足機器人在工件表面行走和工作。由于刀具的橢圓振動，工件表面周期性地形成微槽；同時，加工力驅動機器人向前行走。該機器人的最大移動速度可達約6.3 mm/s，并可在工件表面形成間距為4 ~ 14 μm的微結構。由于其獨特的工作原理，機器人可以保持恒定的切深，顯示出其適應工件表面波紋度的能力。最后，將其與輔助軌道相結合，提高了機器人的運動直線度，獲得了多行微結構。簡而言之，開發的小型機器人為表面微結構的可擴展制造提供了一個有希望的解決方案。
圖文導讀
小型加工機器人整體設計及驅動思路如圖1所示。對于小型加工加工機器人而言，要獲得平穩的運動特征和良好的加工效果，首先要確保加工機器人的振動軌跡較為平穩。由此設計加工機器人結構如圖1a所示，機器人主體結構為不銹鋼，組裝完成后由三個部分支撐，最前端采用金剛石刀具為支撐部分，同時在運動時也可起到加工作用。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加工機器人的三維結構；b驅動和加工原理；c機器人的實物照片
通過有限元仿真定性分析微加工機器人的運動效果并獲取其近似位移曲線。如圖2(a)所示為仿真界面設定，此處采用的仿真軟件為Workbench 2022（ANSYS，USA）。在完成上述設置后進行分析求解，獲得機器人前進方向上的運動曲線如圖2(b)所示。可以觀察到機器人的運動具有波動特性，即分為前進和后退兩個部分，并且由于前者的距離大于后者因而產生了宏觀上的前進效果。
圖2 運動機理的有限元仿真。a仿真界面設置；b運動曲線仿真結果；c運動起始區域的間距特性；d單周期分段運動機理
刀具振動頻率和軌跡對機器人的運動速度，即微結構的加工效率起著至關重要的作用。下圖展示了在不同輸入參數下的機器人加工效率及微結構加工質量。可以發現振動幅值對微結構質量的影響不明顯，但振動頻率和相位差對微結構質量有顯著影響。當振動頻率增加到一個臨界值時，微結構的表面質量開始波動。這可以歸因于振動周期的縮短，導致了移動速度的波動，從而導致了微觀結構間距的波動。同樣，當相位差過大時，橢圓的短軸開始減小，這減少了刀具縮進工件的時間，導致微結構變得無序。
圖3 加工機器人在不同參數下的微結構加工效率
圖4 加工機器人在不同參數下的微結構加工質量
所研制的機器人對工件的表面波紋度有較好的適應能力。對于粗糙的表面，傳統的加工通常需要先拋光處理才能進行表面微結構加工，但此類具有自適應能力的機器人可以在重力下保持恒定的切削深度。圖5(a)展示了機器人的輪廓自適應原理。支撐機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。當工件表面不平坦時，機器人運動會有一定傾斜，然而這種傾斜很小，以至于它不會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。在鋁和銅上的實驗結果均驗證了機器人的表面波紋度自適應性能。
圖5 a機器人對粗糙工件表面的自適應加工效果。b鋁和銅工件的表面波紋度。c兩個工件上不同采樣點的微結構寬度。d加工機器人對鋁工件的加工效果。e加工機器人對銅工件的加工效果。
輔助軌道使得微結構加工的直線度大大提高。圖6(a)為輸入參數為120 V、700 Hz、160°時，機器人加工單線微結構的SEM圖像。得到截面處的微結構輪廓如圖6(c)所示。圖6(d)展示了機器人橫向進給的多行加工原理。完成一行微結構的加工后，向垂直于運動方向進給，機器人復位。然后，機器人進行下一行的加工。圖6(e)顯示了多行微結構的結果。得到的微結構質量幾乎可以達到超精密機床的加工質量，而工件表面沒有被刮平。機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軌道輔助加工機器人的單行加工效果；b微結構特征；c白光干涉測量微結構輪廓曲線；d軌道輔助加工機器人的多行微結構加工機理。e多行微結構加工效果。
未來展望
便攜式加工機器人作為解決表面功能結構加工可擴展和自適應加工的重要手段在航空航天、船舶設計等領域有著重要的潛在應用。未來，相關機器人提升的重點將面向微結構制備的更高自由度和更為靈活的運動反饋控制策略，以及多機器人的協同工作等方面。
圖7未來應用展望
期刊簡介
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