▲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“麵向智能製造裝備的精密驅動與控製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。

這一結果並不令人意外，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、運動控製係統、精密數控裝備等新產品80餘種
，推廣核心部件10萬多套，數控裝備2萬多台。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麵對《中國科學報》采訪時提及最多的詞彙。作為中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進製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製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tan及ji高gao端duan智zhi能neng裝zhuang備bei，相xiang關guan領ling域yu業ye內nei人ren士shi就jiu不bu能neng回hui避bi驅qu動dong裝zhuang置zhi和he控kong製zhi係xi統tong。在zai中zhong國guo新xin材cai料liao產chan業ye技ji術shu創chuang新xin戰zhan略lve聯lian盟meng遞di交jiao的de項xiang目mu推tui薦jian書shu中zhong這zhe樣yang描miao述shu驅qu動dong與yu控kong製zhi係xi統tong的de作zuo用yong：精密驅動與控製係統是數控機床、機器人、精密注塑機、半導體製造設備等高端智能製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係統，相當於人的心髒,為裝備提供動力；而控製係統就相當於人的大腦，解決設備‘怎麼走’‘走多準’‘走多快’的問題。”張弛告訴《中國科學報》, 電機及其驅動控製係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、數控係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、控製器、傳感器和精密減速器等核心部件技術依然遠遠落後於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係統總成本的75%。

作為數控機床、機器人、精密注塑機等智能製造裝備的核心部件

，張弛團隊的項目圍繞精密驅動與控製係統的關鍵技術取得了多項成果。

中(zhong)國(guo)工(gong)程(cheng)院(yuan)院(yuan)士(shi)薛(xue)群(qun)基(ji)在(zai)推(tui)薦(jian)專(zhuan)家(jia)意(yi)見(jian)中(zhong)寫(xie)到(dao)，該(gai)項(xiang)目(mu)麵(mian)向(xiang)智(zhi)能(neng)製(zhi)造(zao)裝(zhuang)備(bei)核(he)心(xin)部(bu)件(jian)精(jing)密(mi)驅(qu)動(dong)與(yu)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)開(kai)展(zhan)產(chan)學(xue)研(yan)合(he)作(zuo)研(yan)究(jiu)與(yu)產(chan)業(ye)化(hua)，建(jian)立(li)了(le)永(yong)磁(ci)直(zhi)驅(qu)電(dian)機(ji)的(de)高(gao)推(tui)力(li)/力矩密度

、低推力/力矩波動的設計理論與方法，提出了一係列創新的伺服控製與振動抑製方法，解決了運動係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，提高了係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製係統
，技術成果達到國際領先水平。

“研製成功一係列伺服電機及驅動器、運動控製係統及數控裝備，並在數控機床
、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。

研製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(gai)成(cheng)果(guo)揭(jie)示(shi)了(le)永(yong)磁(ci)直(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)氣(qi)隙(xi)磁(ci)密(mi)正(zheng)弦(xian)化(hua)機(ji)理(li)，建(jian)立(li)了(le)極(ji)間(jian)和(he)齒(chi)頂(ding)漏(lou)磁(ci)解(jie)析(xi)模(mo)型(xing)，提(ti)出(chu)了(le)考(kao)慮(lv)槽(cao)口(kou)影(ying)響(xiang)並(bing)融(rong)入(ru)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)的(de)場(chang)路(lu)結(jie)合(he)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)，發(fa)明(ming)了(le)優(you)化(hua)端(duan)部(bu)長(chang)度(du)
、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。

“我們研製出了與西門子1FN3600對標的直線電機，在國內首台行程8米的複合加工中心得以應用
，重複定位精度10微米。”張弛說。而這一直線電機技術也成功應用於國內首台效率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係統的效率、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、控製器大多依賴進口。我國與之相關的戰略規劃指出，亟須突破伺服電機、控製器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及係統集成設計製造等技術瓶頸，打破國際壟斷
，推動智能製造產業升級。

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
，構建了基於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、磁導調製等降低力矩波動的方法。這些努力使得項目組研製的定子齒軛分離和HALBACH永磁轉子的力矩電機，轉矩密度優於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(tong)時(shi)，張(zhang)弛(chi)表(biao)示(shi)，高(gao)速(su)高(gao)精(jing)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)控(kong)製(zhi)作(zuo)為(wei)項(xiang)目(mu)成(cheng)果(guo)的(de)重(zhong)要(yao)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)，提(ti)出(chu)了(le)運(yun)動(dong)係(xi)統(tong)模(mo)態(tai)自(zi)動(dong)辨(bian)識(shi)與(yu)動(dong)力(li)學(xue)精(jing)確(que)建(jian)模(mo)方(fang)法(fa)
，探(tan)明(ming)了(le)直(zhi)驅(qu)進(jin)給(gei)係(xi)統(tong)振(zhen)動(dong)產(chan)生(sheng)機(ji)理(li)及(ji)誤(wu)差(cha)來(lai)源(yuan)，發(fa)明(ming)了(le)能(neng)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)位(wei)移(yi)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)雙(shuang)讀(du)頭(tou)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)，解(jie)決(jue)了(le)直(zhi)徑(jing)超(chao)過(guo)0.5米的轉台圓形光柵或磁柵成本高、拚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製提出了雙伺服電機複合驅動及速度同步控製方法，解決了大型電動注塑機采用單台電機帶來的係統慣量大、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，高性能電機和控製係統在工業領域和科研方麵得到廣泛應用。電機是先進機器人的核心動力裝置，張弛對《中國科學報》介紹了基於高性能電機和控製係統的機器人一體化柔順關節。

張zhang弛chi表biao示shi

，一yi體ti化hua集ji成cheng設she計ji的de驅qu動dong關guan節jie是shi新xin一yi代dai機ji器qi人ren係xi統tong的de核he心xin驅qu動dong控kong製zhi單dan元yuan，直zhi接jie決jue定ding著zhe整zheng機ji的de運yun動dong學xue性xing能neng和he動dong力li學xue行xing為wei，是shi新xin一yi代dai機ji器qi人ren的de研yan發fa重zhong點dian。

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製器
、一體化關節係統集成。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製，定位誤差小於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、zhudongwanxiangjiaolundengjishujiachi，zhangchikeyantuanduiyanfalejiyujieoushizhudongjiaolundequanxiangyidongdanyuan
，guoneidiyitaijuyouwanquanzizhuzhishichanquan，shiyongzizhuyanfasifudianji
、驅動器、控製係統的全向移動機器人因此誕生。

張弛表示，利用全向移動平台，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
，為製造服務和社會服務提供技術支撐。