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▲大推力高精度直線電機

▲協作機器人一體化關節

1月6日，第十二屆中國產學研合作創新大會在京舉行，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所牽頭、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動與控制關鍵技術研究及產業化”項目獲得2018中國產學研合作創新成果一等獎。

這一結果并不令人意外，此前，該項目成果已經獲得多項省部級、全國行業科技獎及中國專利優秀獎。數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，該項目共研發各類伺服電機及驅動器、運動控制系統、精密數控裝備等新產品80余種，推廣核心部件10萬多套，數控裝備2萬多臺。不僅如此，其所授權的發明專利達31項、實用新型專利35項，發表論文51篇、專著4部。而體現在經濟效益上，項目近3年新增產值達63.3億元、利潤達15.5億元。

“高效”“高速”“精密”“關鍵核心技術”是項目團隊負責人張弛面對《中國科學報》采訪時提及最多的詞匯。作為中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進制造技術研究所的一名研究員、精密運動與先進機器人團隊負責人，張弛坦言，其所做的事情其實就是瞄準智能制造的核心關鍵技術做工作。

核心部件技術與國外差距顯著

談及高端智能裝備，相關領域業內人士就不能回避驅動裝置和控制系統。在中國新材料產業技術創新戰略聯盟遞交的項目推薦書中這樣描述驅動與控制系統的作用：精密驅動與控制系統是數控機床、機器人、精密注塑機、半導體制造設備等高端智能制造裝備的關鍵核心部件，是實現精密加工、節能減排和高效生產的重要保證。

“驅動裝置一般指電機系統，相當于人的心臟,為裝備提供動力；而控制系統就相當于人的大腦，解決設備‘怎么走’‘走多準’‘走多快’的問題。”張弛告訴《中國科學報》, 電機及其驅動控制系統是智能裝備關鍵核心部件。

張弛表示，中國已成為世界第一大機床消費國、進口國和生產國，但90%的高檔數控機床仍需進口，伺服電機、驅動器、數控系統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、驅動器、控制器、傳感器和精密減速器等核心部件技術依然遠遠落后于ABB、庫卡、日本安川和發那科等公司，絕大部分需進口，這些部件成本占機器人系統總成本的75%。

作為數控機床、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動與控制系統的關鍵技術取得了多項成果。

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動與控制系統的關鍵技術開展產學研合作研究與產業化，建立了永磁直驅電機的高推力/力矩密度、低推力/力矩波動的設計理論與方法，提出了一系列創新的伺服控制與振動抑制方法，解決了運動系統中高速與高精度的矛盾；提出了伺服電機精密冷卻結構和高性能伺服驅動方法，提高了系統可靠性和動態響應能力；發明了高速重載磁懸浮門機、自由活塞式內燃直線發電機、全電動注塑機用伺服電機及驅動控制系統，技術成果達到國際領先水平。

“研制成功一系列伺服電機及驅動器、運動控制系統及數控裝備，并在數控機床、注塑機、紡織機械等領域進行了產業化應用，取得了顯著的經濟和社會效益。”薛群基在推薦意見中肯定了該項目成果的社會轉化能力。

研制出與西門子對標的直線電機

高推力密度低推力波動直線電機是成果之一，張弛告訴《中國科學報》，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合設計方法，發明了優化端部長度、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對標的直線電機，在國內首臺行程8米的復合加工中心得以應用，重復定位精度10微米。”張弛說。而這一直線電機技術也成功應用于國內首臺效率37.4%的15千瓦內燃直線發電機。

高性能伺服旋轉電機是項目組的另一重要成果。多年來，國產伺服電機及其驅控系統的效率、精度、動態響應等性能和國外差距顯著，高端裝備的伺服電機、驅動器、控制器大多依賴進口。我國與之相關的戰略規劃指出，亟須突破伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統集成設計制造等技術瓶頸，打破國際壟斷，推動智能制造產業升級。

瞄準這一目標，張弛介紹說，其團隊提出了力矩電機齒槽轉矩/磁阻力最小化、磁路優化設計方法，構建了基于數值解析的多參數優化策略，提出了通過改變電樞及磁極參數、磁導調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永磁轉子的力矩電機，轉矩密度優于美國科爾摩根電機近30%，具有結構簡單、易加工等優點的注塑機用風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，高速高精伺服驅動控制作為項目成果的重要組成部分，提出了運動系統模態自動辨識與動力學精確建模方法，探明了直驅進給系統振動產生機理及誤差來源，發明了能精確測量位移的低成本雙讀頭測量系統，解決了直徑超過0.5米的轉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確的難題。

此外，高速重載磁浮門機采用國際首創的磁懸浮與直線電機直接驅動一體化設計，發明了運行速度世界最快（1.8米/秒）、載重1噸的磁懸浮直驅門機，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；注塑機雙伺服驅動控制提出了雙伺服電機復合驅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慣量大、輸出扭矩低、動態響應慢等問題。

實現下一代人機協作功能

以這些成果為基礎，高性能電機和控制系統在工業領域和科研方面得到廣泛應用。電機是先進機器人的核心動力裝置，張弛對《中國科學報》介紹了基于高性能電機和控制系統的機器人一體化柔順關節。

張弛表示，一體化集成設計的驅動關節是新一代機器人系統的核心驅動控制單元，直接決定著整機的運動學性能和動力學行為，是新一代機器人的研發重點。

張弛團隊一體化集成設計的驅動關節則結合了高功率高轉矩密度力矩電機設計、高精度高響應伺服驅動控制器、一體化關節系統集成。他提供的數據顯示，這一設計實現了帶載情況下一體化關節的柔順運動控制，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、高性能驅動器、主動萬向腳輪等技術加持，張弛科研團隊研發了基于解耦式主動腳輪的全向移動單元，國內第一臺具有完全自主知識產權，使用自主研發伺服電機、驅動器、控制系統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，可實現下一代全新的人機協作功能，為制造服務和社會服務提供技術支撐。