簡介
微型工廠微小型化桂術領域，工具機電器依據微機械特徵尺寸可將其劃分為lnm—lgm的納米機械、lgm—Imm的微型機械和1—100mm的小型機械，相應地依據零件特徵尺寸可分為納米尺度(o．I—t00am)、微米尺度(100nm～100}．tm)和介於宏微之間的中間尺度(100f．tm~10mm)。傳統精密機械製造技術所涉及的零件特徵尺寸一般在腳級以上，微米和中間尺度加工涉及的微小零件特徵尺寸一般在10gm~10mm範圍。因而微米和中間尺度機械製造技術是指覆蓋微米和中間尺度範圍，填補傳統精密加工技術與MEMS技術之間空白的，具有較高相對精度的精密31)微小零件的製造技術。
由來
微型工廠第一批微細切削加工設備是美國在20世紀60年代末開發的，工具機電器主要用於加工光學零件表面，並由此誕生了超精加工技術。檄細切削所採用的設備主要是常規精密和超精密工具機。如年代以來，人們逐漸認識到工具機的微小型化有利於許多誤差的縮小，包括熱變形等與體積有關的因素導致的誤差等，而工具機運動精度與鏇轉精度卻不會固體積變小而受到影響。同時，工具機執行件的微小型化，使得運動部件的慣性減小，容易達到高速加工和高精度、高剛度的運動控制，這又將提高精度、質量和生產效率，節省能源、空間和資源。因此，研究開發與所加工零件尺寸相稱的微小型化工具機(Micro／Meso-ScaleMachineT001)及其系統逐漸被提到研究日程上來。
套用
微型工廠套用半導體量子點是由半導體材料製作的納米晶體，是顯微鏡下可見的晶體。其用途相當廣泛，可用於藍光鐳射、光感測元件、太陽能電池、單電子電晶體、記憶存儲、觸媒以及量子計算等，在醫療上可利用各種發光波長不同的半導體量子點製成螢光標記，成為生物檢測用的“納米條碼”。王豪傑的研究是組建以微小型連續流化學反應器為核心，批量生產粒徑可控，重複性好，單分散性半導體納米量子點的微化學工廠，使半導體納米材料批量連續合成成為可能。其優勢在於，以連續過程代替準連續或間歇過程；工廠規模小；安全性提高；生產能力容易放大；輸送、能量和材料消耗低；研究成果可快速轉化為生產力；市場應變能力強。
目前，半導體量子點是理論上與實驗上熱門的研究題目。目前在國外僅有美國麻省理工學院、倫敦帝國理工大學等幾家高校科研院所在半導體納米量子點合成方面有比較系統的研究，而利用微型化工廠進行批量連續合成半導體納米量子點在國際上尚屬首次。
對於許多小型產品來說,現有生產系統的規模,與其生產對象相比,往往顯得龐大無比.比如象手錶、照相機等小型精密機械,都是由眾多"毫米"級的零件組成的;而用於加工這些零件的工具機等設備,其尺寸卻是"米"級的.更有甚者,將這些小零件組裝成小型產品(成品)的設備,則是由眾多與真人差不多大小的機器人構成的生產線,其長度則達二、三十米的程度,設備與產品的數量級形成巨大反差.再說半導體工業吧,其發展是隨著高技術化、高集成化的發展而發展的,其結果則是製造設備的大型化、大規模系統化,於是設備製造成本猛增、生產系統的柔性受到嚴重製約.為此,就需要一種與產品尺寸數量級相應的小型製造設備來製造、組裝小型產品的微型生產系統,即所謂的"微型工廠".其目的就是要在有限的狹小空間內巧妙地統籌安排加工、組裝、搬運、檢驗等多道工序所用的設備,建立一種微型的生產系統,使之具有生產微型產品的能力
微型工廠如果iPod有任何暗示的話，那就是越小越好。iPod已經變成成功占領市場的最流行的小玩意之一，為蘋果公司帶來大把利潤的同時也把股票價格推向新高。不僅在最初iPod的外形就已經很小，而且它正使其變得更小。現在取代iPod mini機型的是更小的iPod nano機型；而且然後有非常小的iPod機型。
並非只有iPod正變得更小。計算機和電視機也不斷地變得更薄。醫療設備的進步使得越來越多的微型器械能安裝到我們的身體內；甚至是一個極小的照相機能穿行於身體內。
不僅是東西正變得更小，它們被裝配了更多的零件，能提供額外的動力和功能。微型零件在航空、汽車、生物醫學、電子、信息技術光學和電信等行業具有各種廣泛的套用。
所有這些產品的開發都正在對小型部件和產品提出更高的要求。為了不斷降低成本，這些小型部件中的大多數使用模具進行生產。這些趨勢對模具製造商提出形形色色新的挑戰，範圍從使用新的太空時代材料到特殊的模具塗層，用直徑0.1mm的刀具銑削零件並獲得亞微米級的精度。
同時，微型零件的內在複雜性也為模具製造商帶來新的機遇。每當簡單和中等複雜的模具製造被轉移到勞動力成本低的國家時，美國和歐洲的模具製造商能轉向諸如微型模具和微型銑削等更先進的技術以維持他們的競爭優勢。
小型部件的加工
為小型零件加工模具的主要挑戰之一是微型零件的加工。模具有效區域的直接銑削和小型EDM電極的製造都對銑削工藝提出極高的要求。
與微型銑削相關的挑戰包括直徑降為100微米(μm)或更小的微型刀具的使用並運轉於達到150,000 rpm的非常高的轉速。表面質量(Ra)需要達到0.2微米。而且既然對於如此小的零件和微小的細節，拋光是不現實的，微型銑削要求是一種無需拋光的加工。
微型銑削技術
微型銑削以下是一個在微型銑削環境中應該提出的主要問題的清單：
1) 刀具、刀柄和主軸
◆ 小規格的刀具是微型銑削的實現者。根據工件的大小，它們可小至0.1mm，而且在將來可能變得更小。在託付一個微型銑削項目時必須考慮刀具的可用性和成本。
◆ 在是用小直徑刀具時，高轉速的主軸是至關重要的。在主軸10,000 rpm下使用0.1mm直徑的刀具，意味著切削速度(Vc)僅為3.3 m/min，這太低了！
◆ 對於轉速級別20,000-150,000的主軸，主軸和熱脹刀柄結合在一起作完全動平衡、跳動量為零是必須的。否則，將損害表面質量並顯著縮短刀具壽命。
2) 夾具、夾緊系統和製造工藝
◆ 在多數情況下，微型銑削零件的生產應該在一次裝夾中完成。例如，把EDM和銑削結合在一起很可能引起不能接受的不重合和接刀痕。
3) 工具機和車間地面
◆ 不用說工具機必須是精度的一致性好並能分辨出四位小數（尺寸感測器）。
◆ 微型銑削能很好地利用五軸銑削的功能。傾斜刀具並遠離材料的能力使其能使用更短的刀具。但是，既然五軸聯動銑削目前的精度比三軸銑削差，當把五軸聯動用於微型銑削時，必須仔細驗證工具機規格和實際性能。
◆ 工具機環境必須具有可控的溫度（光有軟體補償可能是不夠的）並避免振動。如果工具機沒有正確地隔離，即使是一輛重型卡車經過廠房外，可能產生的振動足以在工件表面上留下痕跡。
4) 銑削技術
◆ 取決於零件的幾何形狀，微型銑削可能需要超越簡單的按比例縮小的特殊加工策略。例如，在很多情況下，逆銑（和非順銑）將是優先考慮的銑削策略。
微型銑削系統每個人在直覺上認為銑床、刀柄和刀具是難以按比例縮小至微型銑削需要的極小的尺寸和極高的精度。初看起來，軟體似乎也許是更容易地匹配。畢竟有人要說，處理象0.0001這樣的數字對於軟體來說應該象處理1.0或10那樣容易。
用於模具製造的高精度微型銑削的CAD/CAM解決方案，有一整套易於使用的3-D刀具。
但是它比呈現在眼前的更複雜。生成和修改具有正確的精度、平滑度和連續性的幾何形狀對於小型部件的CAD解決方案僅僅是一個入口點。為了得到一個適用於微型銑削的功能性解決方案，CAD系統必須要仔細調整和最佳化以支持下述要求：
1. 可靠和精確地閱讀零件模型。對於維持詳細模型的精度，最小化多重數據轉化的需要是至關重要的。
2. 當生成分型面或為滑塊、推桿和頂出桿創建幾何形狀時，很緊的0.1-0.01微米的形位公差是起作用的。為了防止分型面之間的間隙並保持C1和C2的連續性，這是必需的。
3. 處理規格非常小的多型腔模具，包括專門的樣品零件和組件。
CAM系統也必須為微型銑削進行最佳化。NC軟體必須處理緊公差和超高精度的加工。而且既然操作工不能幹預防止刀具的破壞，NC軟體必須精確地考慮貫穿加工過程的切屑載荷。
為了充分支持微型銑削，CAM軟體應該能：
◆ 精確地使用非常細化的數學模型，從而維持其複雜程度。擁有一個集成的CAD/CAM解決方案是理想的，因為它消除了處理中的任何數據轉換。
◆ 在CAD系統內包括高精度的、內置的CAD能力，提供在CAM系統內的具有合適的精度和相切的造型幫助（例如，型面的封頂、延伸等）。
◆ 支持偏差低到0.1微米的刀具路徑計算。當在大型零件上加工微細特徵時，這尤其有挑戰性。
◆ 支持考慮實際工具機約束時的微型銑削級參數的計算。例如，CAM系統可能要求用一把直徑0.1mm的刀具、0.005mm的步距和大10倍的0.05mm刀尖圓弧半徑來提供超精的結果。生成的刀具路徑必須精確到小數點後五位。
◆ 支持針對微型銑削最佳化的加工策略，如以相同的NC操作來進行粗加工、半精加工和精加工。
◆ 為了降低加工時間的同時保護精密的刀具免於損壞，在整個加工過程使用根據實際加工餘量調整進給量以控制實際刀具負載的知識。
微型工廠從好的方面看，微型系統和微型銑削為正尋找差異性、得到更多業務和比低工資競爭對手處於更有利位置的模具製造商帶來新的機遇。
這個領域的有效開發需要行業、研究機構和政府之間的合作。這種合作在歐洲已經在進行之中。歐盟的技術合作研究行動(CRAFT) 項目集合了Fraunhofer生產技術研究所(IPT)和CAD/CAM、CNC工具機、刀具、夾具的領先供應商來開發針對微型製造的下一代材料、工具機和軟體工具及工作方法學。該是北美刀具行業加入到開發這個新興的引人注意且有利可圖的細分市場的時候了。
微型系統技術已經成為全球增長最快的工業之一，需要製造極小的高精密零件的工業，例如生物－醫療裝備、光學、以及微電子（包括移動通信和電腦組件）等都有大量的需求。
需要微系統加工的零件其精度高達5mm或更小以及曲面質量達0.2mm 或更小，其零件硬度也達到45 HRC 或更高。
微銑削（Micro-milling）是加工微小零件和高精密零件的一種全新加工技術。微銑削使用非常小的刀具（直徑小於0.1mm）並能獲得非常小的曲面公差和高質量的曲面精度，通用的NC軟體是不能達到這個精度的，所以製造商不得不面對以下巨大的挑戰：零件變形，複雜程度增加，必須以極高的精度加工微小特徵的工件，以及使用微米級的特殊刀具。例如直徑為0.1mm的工件，為了獲得高精度要求的曲面，達到以上要求，微銑削技術需要達到以下支持：100mm或更小的小直徑刀具；外形比例（L/D）10或高達100的高速刀具；150000 r/min或更高速主軸轉速； 0.1mm或更小的加工公差；能夠修正幾何體。
微銑削是高速銑削的未來，精通微精模具的公司將會擁有更大的競爭力。
微型車床
微型車床微型機電系統技術衍生於微電子技術，由於這種歷史原因，矽微細加工在微機械製造中占據主要地位，矽微細加工具有批量製作、預組裝及容易與微電子電路集成的技術特點，適合於微型感測器的製作，但成型結構形狀有限，不利於微致動器的製作。
可以進行微細加工的特種加工方法主要有電火花加工、電化學加工、超聲加工、雷射加工、離子束加工、電子束加工等。這些特種加工方法有的設備昂貴、對環境要求較高，有的加工速度偏低。對於加工三維實體結構的零件來說，單獨使用特種加工方法並沒有優勢可言。
可以用來進行微細加工的切削方法有：微細車削、微細銑削、微細鑽削、微細磨削、微衝壓等。
微細車削
微型機器人日本金澤大學的Zinan Lu和Takeshi Yoneyama研究了一套微細車削系統，由微細車床、控制單元、光學顯微裝置和監視器組成。工具機長約200mm。在該系統中，採用了一套光學顯微裝置來觀察切削狀態，還配備了專用的工件裝卸裝置。主軸用兩個微型滾動軸承支承。主軸沿Z方向進給，刀架固定不動，車刀與工件的接觸位置是固定的，以便於用光學顯微裝置觀察。因為工件的直徑很小，車削時沿X-Y方向移動的幅度不大，所以令刀架沿X-Y移動。車刀的 刀尖材料為金剛石。驅動主軸的微電機通過彈性聯軸器與主軸聯接。工具機的主要性能參數如下：主軸功率0.5W；轉速3000~15000r/min，連續變 速；徑向跳動1µm 以內；裝夾工件直徑0.3mm；X、Y、Z軸的進給解析度為4nm。用0.3mm 的黃銅絲為毛坯，在這台工具機上加工出了直徑10µm 的外圓柱面，還加工出了直徑120µm、螺距12.5µm 的絲槓。該工具機的明顯不足是切削速度低，因此得不到滿意的表面質量，表面粗糙度值為Rz1µm 以下。
它的開發成功，證實了利用切削加工技術也能加工出微米尺度的零件。
從以上兩例可知，並非工具機的尺寸越小，加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微細車床的發展方向一方面是微型化和智慧型化，另一方面是提高系統的剛度和強度，以便於加工硬度比較大、強度比較高的材料。
微細鑽削
微型工廠在鐘錶製造業中，最早使用鑽頭加工小孔。隨著工藝方法的不斷改進，相繼出現了各種特種加工方法，但至今，一般情況下仍採用機械鑽削小孔的方法。近年來，研製出多種形式的小孔鑽床，如手動操作的單軸精密鑽床、數控多軸高速自動鑽床、曲柄驅動群孔鑽床及加工精密小孔的精密車床和銑床等。上世紀80年代後，由於NC技術和CAD/CAM的發展，小孔加工技術向高自動化和無人化發展。目前機械鑽削小孔的研究方向主要有：難加工材料的鑽削機理研究；小孔鑽削工具機研製和小鑽頭的刃磨、製造工藝研究；超聲振動鑽削等新工藝的研究等。
微細鑽削的關鍵除了車削要求的幾項之外，還有微細鑽頭的製作問題。目前，商業供應的微細鑽頭的最小直徑為50µm，要得到更細的鑽頭，必須藉助於特種加工方法。有人用聚焦離子束濺射技術製成了直徑分別為1cmmicro;m、22µm 和35µm 的鑽、銑削刀具。但是，聚焦離子束濺射設備複雜，加工速度較慢。用電火花線電極磨削（WEDG）技術則可以穩定地製成10µm 的鑽頭，最小可達6.5µm。
用WEDG技術製作的微細鑽頭，如果從微細電火花工具機上卸下來再裝夾到微細鑽床的主軸上，勢必造成安裝誤差而產生偏心。這將影響鑽頭的正常工作甚至無法加工。因此，用這種鑽頭鑽削時，必須在製作該鑽頭的微細電火花工具機上進行。
微細銑削
微型工廠日本FANUC公司和電氣通信大學合作研製的車床型超精密銑床，在世界上首例用切削方法實現了自由曲面的微細加工。這種超精密切削加工技術可使用切削刀具對包括金屬在內的各種可切削材料進行微細加工，而且可利用CAD/CAM技術實現三維數控加工，生產率高，相對精度高。
其加工數據由三坐標測量機從真實“能面”上採集，採用單刃單晶金剛石球形銑刀（R30µm）， 在18K金材料上加工出的三維自由曲面。其直徑為1mm，表面高低差為30µm，加工後的表面粗糙度值為Rz0.058µm。這是光刻技術領域中的微細加 工技術，如半導體平面矽工藝以及同步輻射X射線深度光刻、電鍍工藝和鑄塑工藝組成的LIGA工藝等技術所不及的。
目前數控銑削技術幾乎可以滿足任意複雜曲面和超硬材料的加工要求。與某些特種加工方法如電火花、超聲加工相比，切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。
微細銑削可以實現任意形狀微三維結構的加工，生產率高，便於擴展功能。微細銑床的研究對於微型機械的實用化開發研究是很有價值的。
微細衝壓
微型工廠沖小孔技術的研究方向是如何減小沖床的尺度、增大微小凸模的強度和剛度以及微小凸模的導向和保護等。
MEL開發的微衝壓工具機，長111mm，寬66mm，高170mm，裝有一個100W的交流伺服電機，可產生3kN的壓力。伺服電機的鏇轉通過同步帶傳動和滾珠絲槓傳動轉換成直線運動。該衝壓工具機帶有連續的衝壓模，能實現沖裁和彎板。
日本東京大學生產技術研究所利用WEDG技術，製作微衝壓加工的沖頭和沖模，然後進行微細衝壓加工，在50µm厚的聚醯胺塑膠上衝出寬度為40µm的非圓截面微孔。
攜帶型工廠
微型工廠雖然採用切削方法進行微細加工取得了進展，但是，這些方法也存在著本身難以克服的缺點，例如：加工時都存在切削力，不能加工比刀具硬的材料；工件小，切削速度低，限制了表面質量的提高等。微細切削技術與其它加工技術相互融合，可以克服這些缺點，從而進一步提高微細加工的微細程度和擴大工藝範圍。
微細切削技術在微小型三維實體結構、致動器的製作上有其獨到之處，且其批量製作可以通過模具加工、電鑄、注塑等方法實現。微型機械的加工一方面在向三維複雜形狀的製作發展，同時也在向更高加工精度和更小尺度推進。
