1月6日，第十二屆中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新大會在京舉行，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所牽頭、海天塑機集團有限公司等公司參與申報的“面向智能制造裝備的精密驅(qū)動與控制關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化”項目獲得2018中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎。

▲大推力高精度直線電機

▲協(xié)作機器人一體化關(guān)節(jié)

這一結(jié)果并不令人意外，此前，該項目成果已經(jīng)獲得多項省部級、全國行業(yè)科技獎及中國專利優(yōu)秀獎。數(shù)字能更直觀地反映項目組取得的成果：從2011年1月1日立項以來，該項目共研發(fā)各類伺服電機及驅(qū)動器、運動控制系統(tǒng)、精密數(shù)控裝備等新產(chǎn)品80余種，推廣核心部件10萬多套，數(shù)控裝備2萬多臺。不僅如此，其所授權(quán)的發(fā)明專利達31項、實用新型專利35項，發(fā)表論文51篇、專著4部。而體現(xiàn)在經(jīng)濟效益上，項目近3年新增產(chǎn)值達63.3億元、利潤達15.5億元。

“高效”“高速”“精密”“關(guān)鍵核心技術(shù)”是項目團隊負責(zé)人張弛面對記者采訪時提及最多的詞匯。作為中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進制造技術(shù)研究所的一名研究員、精密運動與先進機器人團隊負責(zé)人，張弛坦言，其所做的事情其實就是瞄準(zhǔn)智能制造的核心關(guān)鍵技術(shù)做工作。

核心部件技術(shù)與國外差距顯著

談及高端智能裝備，相關(guān)領(lǐng)域業(yè)內(nèi)人士就不能回避驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)。在中國新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟遞交的項目推薦書中這樣描述驅(qū)動與控制系統(tǒng)的作用：精密驅(qū)動與控制系統(tǒng)是數(shù)控機床、機器人、精密注塑機、半導(dǎo)體制造設(shè)備等高端智能制造裝備的關(guān)鍵核心部件，是實現(xiàn)精密加工、節(jié)能減排和高效生產(chǎn)的重要保證。

“驅(qū)動裝置一般指電機系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心臟,為裝備提供動力;而控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的大腦，解決設(shè)備‘怎么走’‘走多準(zhǔn)’‘走多快’的問題?！睆埑诟嬖V記者，電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)是智能裝備關(guān)鍵核心部件。

張弛表示，中國已成為世界第一大機床消費國、進口國和生產(chǎn)國，但90%的高檔數(shù)控機床仍需進口，伺服電機、驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)水平與國外差距顯著。

以機器人為例，2011年起，我國機器人銷售年平均增長38.5%以上，但伺服電機、驅(qū)動器、控制器、傳感器和精密減速器等核心部件技術(shù)依然遠遠落后于ABB、庫卡、日本安川和發(fā)那科等公司，絕大部分需進口，這些部件成本占機器人系統(tǒng)總成本的75%。

作為數(shù)控機床、機器人、精密注塑機等智能制造裝備的核心部件，張弛團隊的項目圍繞精密驅(qū)動與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)取得了多項成果。

中國工程院院士薛群基在推薦專家意見中寫到，該項目面向智能制造裝備核心部件精密驅(qū)動與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展產(chǎn)學(xué)研合作研究與產(chǎn)業(yè)化，建立了永磁直驅(qū)電機的高推力/力矩密度、低推力/力矩波動的設(shè)計理論與方法，提出了一系列創(chuàng)新的伺服控制與振動抑制方法，解決了運動系統(tǒng)中高速與高精度的矛盾;提出了伺服電機精密冷卻結(jié)構(gòu)和高性能伺服驅(qū)動方法，提高了系統(tǒng)可靠性和動態(tài)響應(yīng)能力;發(fā)明了高速重載磁懸浮門機、自由活塞式內(nèi)燃直線發(fā)電機、全電動注塑機用伺服電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)，技術(shù)成果達到國際領(lǐng)先水平。

“研制成功一系列伺服電機及驅(qū)動器、運動控制系統(tǒng)及數(shù)控裝備，并在數(shù)控機床、注塑機、紡織機械等領(lǐng)域進行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。”薛群基在推薦意見中肯定了該項目成果的社會轉(zhuǎn)化能力。

研制出與西門子對標(biāo)的直線電機

高推力密度低推力波動直線電機是成果之一，張弛告訴記者，該成果揭示了永磁直線電機氣隙磁密正弦化機理，建立了極間和齒頂漏磁解析模型，提出了考慮槽口影響并融入矢量控制的場路結(jié)合設(shè)計方法，發(fā)明了優(yōu)化端部長度、繞組及鐵心齒的雙層交叉精密冷卻直線電機，提高了推力密度、降低了推力波動和溫升。

“我們研制出了與西門子1FN3600對標(biāo)的直線電機，在國內(nèi)首臺行程8米的復(fù)合加工中心得以應(yīng)用，重復(fù)定位精度10微米?！睆埑谡f。而這一直線電機技術(shù)也成功應(yīng)用于國內(nèi)首臺效率37.4%的15千瓦內(nèi)燃直線發(fā)電機。

高性能伺服旋轉(zhuǎn)電機是項目組的另一重要成果。多年來，國產(chǎn)伺服電機及其驅(qū)控系統(tǒng)的效率、精度、動態(tài)響應(yīng)等性能和國外差距顯著，高端裝備的伺服電機、驅(qū)動器、控制器大多依賴進口。我國與之相關(guān)的戰(zhàn)略規(guī)劃指出，亟須突破伺服電機、控制器、傳感器與驅(qū)動器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計制造等技術(shù)瓶頸，打破國際壟斷，推動智能制造產(chǎn)業(yè)升級。

瞄準(zhǔn)這一目標(biāo)，張弛介紹說，其團隊提出了力矩電機齒槽轉(zhuǎn)矩/磁阻力最小化、磁路優(yōu)化設(shè)計方法，構(gòu)建了基于數(shù)值解析的多參數(shù)優(yōu)化策略，提出了通過改變電樞及磁極參數(shù)、磁導(dǎo)調(diào)制等降低力矩波動的方法。這些努力使得項目組研制的定子齒軛分離和HALBACH永磁轉(zhuǎn)子的力矩電機，轉(zhuǎn)矩密度優(yōu)于美國科爾摩根電機近30%，具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工等優(yōu)點的注塑機用風(fēng)冷伺服電機組合殼體，在同體積下，繞組溫升降低34%，同溫升下，過載能力提高22%。

同時，張弛表示，高速高精伺服驅(qū)動控制作為項目成果的重要組成部分，提出了運動系統(tǒng)模態(tài)自動辨識與動力學(xué)精確建模方法，探明了直驅(qū)進給系統(tǒng)振動產(chǎn)生機理及誤差來源，發(fā)明了能精確測量位移的低成本雙讀頭測量系統(tǒng)，解決了直徑超過0.5米的轉(zhuǎn)臺圓形光柵或磁柵成本高、拼接光柵或磁柵尺位移測量不準(zhǔn)確的難題。

此外，高速重載磁浮門機采用國際首創(chuàng)的磁懸浮與直線電機直接驅(qū)動一體化設(shè)計，發(fā)明了運行速度世界最快(1.8米/秒)、載重1噸的磁懸浮直驅(qū)門機，解決了門機在大行程、重載情況下的啟動慢、磨損大、壽命短等問題;注塑機雙伺服驅(qū)動控制提出了雙伺服電機復(fù)合驅(qū)動及速度同步控制方法，解決了大型電動注塑機采用單臺電機帶來的系統(tǒng)慣量大、輸出扭矩低、動態(tài)響應(yīng)慢等問題。

實現(xiàn)下一代人機協(xié)作功能

以這些成果為基礎(chǔ)，高性能電機和控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域和科研方面得到廣泛應(yīng)用。電機是先進機器人的核心動力裝置，張弛對記者介紹了基于高性能電機和控制系統(tǒng)的機器人一體化柔順關(guān)節(jié)。

張弛表示，一體化集成設(shè)計的驅(qū)動關(guān)節(jié)是新一代機器人系統(tǒng)的核心驅(qū)動控制單元，直接決定著整機的運動學(xué)性能和動力學(xué)行為，是新一代機器人的研發(fā)重點。

張弛團隊一體化集成設(shè)計的驅(qū)動關(guān)節(jié)則結(jié)合了高功率高轉(zhuǎn)矩密度力矩電機設(shè)計、高精度高響應(yīng)伺服驅(qū)動控制器、一體化關(guān)節(jié)系統(tǒng)集成。他提供的數(shù)據(jù)顯示，這一設(shè)計實現(xiàn)了帶載情況下一體化關(guān)節(jié)的柔順運動控制，定位誤差小于0.003度，電機力控精度可達0.06牛米。

有了高功率密度力矩電機、高性能驅(qū)動器、主動萬向腳輪等技術(shù)加持，張弛科研團隊研發(fā)了基于解耦式主動腳輪的全向移動單元，國內(nèi)第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，使用自主研發(fā)伺服電機、驅(qū)動器、控制系統(tǒng)的全向移動機器人因此誕生。

張弛表示，利用全向移動平臺，搭載輕量化柔順操作臂，可實現(xiàn)下一代全新的人機協(xié)作功能，為制造服務(wù)和社會服務(wù)提供技術(shù)支撐。

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