解锁智能装备的“心脏”与“大脑” 智能装备 伺服电机

▲大推力高精度直线电机

 

▲协作机器人一体化关节

1月6日，第十二届中国产学研合作创新大会在京举行，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所牵头、海天塑机集团有限公司等公司参与申报的“面向智能制造装备的精密驱动与控制关键技术研究及产业化”项目获得2018中国产学研合作创新成果一等奖。

这一结果并不令人意外，此前，该项目成果已经获得多项省部级、全国行业科技奖及中国专利优秀奖。数字能更直观地反映项目组取得的成果：从2011年1月1日立项以来，该项目共研发各类伺服电机及驱动器、运动控制系统、精密数控装备等新产品80余种，推广核心部件10万多套，数控装备2万多台。不仅如此，其所授权的发明专利达31项、实用新型专利35项，发表论文51篇、专著4部。而体现在经济效益上，项目近3年新增产值达63.3亿元、利润达15.5亿元。

“高效”“高速”“精密”“关键核心技术”是项目团队负责人张弛面对《中国科学报》采访时提及最多的词汇。作为中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进制造技术研究所的一名研究员、精密运动与先进机器人团队负责人，张弛坦言，其所做的事情其实就是瞄准智能制造的核心关键技术做工作。

核心部件技术与国外差距显著

谈及高端智能装备，相关领域业内人士就不能回避驱动装置和控制系统。在中国新材料产业技术创新战略联盟递交的项目推荐书中这样描述驱动与控制系统的作用：精密驱动与控制系统是数控机床、机器人、精密注塑机、半导体制造设备等高端智能制造装备的关键核心部件，是实现精密加工、节能减排和高效生产的重要保证。

“驱动装置一般指电机系统，相当于人的心脏,为装备提供动力；而控制系统就相当于人的大脑，解决设备‘怎么走’‘走多准’‘走多快’的问题。”张弛告诉《中国科学报》, 电机及其驱动控制系统是智能装备关键核心部件。

张弛表示，中国已成为世界第一大机床消费国、进口国和生产国，但90%的高档数控机床仍需进口，伺服电机、驱动器、数控系统水平与国外差距显著。

以机器人为例，2011年起，我国机器人销售年平均增长38.5%以上，但伺服电机、驱动器、控制器、传感器和精密减速器等核心部件技术依然远远落后于ABB、库卡、日本安川和发那科等公司，绝大部分需进口，这些部件成本占机器人系统总成本的75%。

作为数控机床、机器人、精密注塑机等智能制造装备的核心部件，张弛团队的项目围绕精密驱动与控制系统的关键技术取得了多项成果。

中国工程院院士薛群基在推荐专家意见中写到，该项目面向智能制造装备核心部件精密驱动与控制系统的关键技术开展产学研合作研究与产业化，建立了永磁直驱电机的高推力/力矩密度、低推力/力矩波动的设计理论与方法，提出了一系列创新的伺服控制与振动抑制方法，解决了运动系统中高速与高精度的矛盾；提出了伺服电机精密冷却结构和高性能伺服驱动方法，提高了系统可靠性和动态响应能力；发明了高速重载磁悬浮门机、自由活塞式内燃直线发电机、全电动注塑机用伺服电机及驱动控制系统，技术成果达到国际领先水平。

“研制成功一系列伺服电机及驱动器、运动控制系统及数控装备，并在数控机床、注塑机、纺织机械等领域进行了产业化应用，取得了显著的经济和社会效益。”薛群基在推荐意见中肯定了该项目成果的社会转化能力。

研制出与西门子对标的直线电机

高推力密度低推力波动直线电机是成果之一，张弛告诉《中国科学报》，该成果揭示了永磁直线电机气隙磁密正弦化机理，建立了极间和齿顶漏磁解析模型，提出了考虑槽口影响并融入矢量控制的场路结合设计方法，发明了优化端部长度、绕组及铁心齿的双层交叉精密冷却直线电机，提高了推力密度、降低了推力波动和温升。

“我们研制出了与西门子1FN3600对标的直线电机，在国内首台行程8米的复合加工中心得以应用，重复定位精度10微米。”张弛说。而这一直线电机技术也成功应用于国内首台效率37.4%的15千瓦内燃直线发电机。

高性能伺服旋转电机是项目组的另一重要成果。多年来，国产伺服电机及其驱控系统的效率、精度、动态响应等性能和国外差距显著，高端装备的伺服电机、驱动器、控制器大多依赖进口。我国与之相关的战略规划指出，亟须突破伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈，打破国际垄断，推动智能制造产业升级。

瞄准这一目标，张弛介绍说，其团队提出了力矩电机齿槽转矩/磁阻力最小化、磁路优化设计方法，构建了基于数值解析的多参数优化策略，提出了通过改变电枢及磁极参数、磁导调制等降低力矩波动的方法。这些努力使得项目组研制的定子齿轭分离和HALBACH永磁转子的力矩电机，转矩密度优于美国科尔摩根电机近30%，具有结构简单、易加工等优点的注塑机用风冷伺服电机组合壳体，在同体积下，绕组温升降低34%，同温升下，过载能力提高22%。

同时，张弛表示，高速高精伺服驱动控制作为项目成果的重要组成部分，提出了运动系统模态自动辨识与动力学精确建模方法，探明了直驱进给系统振动产生机理及误差来源，发明了能精确测量位移的低成本双读头测量系统，解决了直径超过0.5米的转台圆形光栅或磁栅成本高、拼接光栅或磁栅尺位移测量不准确的难题。

此外，高速重载磁浮门机采用国际首创的磁悬浮与直线电机直接驱动一体化设计，发明了运行速度世界最快（1.8米/秒）、载重1吨的磁悬浮直驱门机，解决了门机在大行程、重载情况下的启动慢、磨损大、寿命短等问题；注塑机双伺服驱动控制提出了双伺服电机复合驱动及速度同步控制方法，解决了大型电动注塑机采用单台电机带来的系统惯量大、输出扭矩低、动态响应慢等问题。

实现下一代人机协作功能

以这些成果为基础，高性能电机和控制系统在工业领域和科研方面得到广泛应用。电机是先进机器人的核心动力装置，张弛对《中国科学报》介绍了基于高性能电机和控制系统的机器人一体化柔顺关节。

张弛表示，一体化集成设计的驱动关节是新一代机器人系统的核心驱动控制单元，直接决定着整机的运动学性能和动力学行为，是新一代机器人的研发重点。

张弛团队一体化集成设计的驱动关节则结合了高功率高转矩密度力矩电机设计、高精度高响应伺服驱动控制器、一体化关节系统集成。他提供的数据显示，这一设计实现了带载情况下一体化关节的柔顺运动控制，定位误差小于0.003度，电机力控精度可达0.06牛米。

有了高功率密度力矩电机、高性能驱动器、主动万向脚轮等技术加持，张弛科研团队研发了基于解耦式主动脚轮的全向移动单元，国内第一台具有完全自主知识产权，使用自主研发伺服电机、驱动器、控制系统的全向移动机器人因此诞生。

张弛表示，利用全向移动平台，搭载轻量化柔顺操作臂，可实现下一代全新的人机协作功能，为制造服务和社会服务提供技术支撑。