新型精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造綜述

王國(guó)彪 賴一楠 范大鵬 楊華勇 王時(shí)龍

1.國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，北京，100085 2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，長(zhǎng)沙，410073 3.浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310027 4.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044

0 引言

機(jī)械基礎(chǔ)件作為機(jī)電裝備發(fā)展的基礎(chǔ)和核心，品種規(guī)格繁多、量大面廣，其性能和水平?jīng)Q定著主機(jī)和機(jī)械裝備的質(zhì)量與可靠性，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防重大裝備研制和新型制造業(yè)發(fā)展的重要保障和條件。其基礎(chǔ)研究的突破不但對(duì)機(jī)械學(xué)科的發(fā)展起支撐作用，也有利于提高我國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)件的自主創(chuàng)新能力，改變長(zhǎng)期以來(lái)高端基礎(chǔ)件依賴進(jìn)口的局面。

已經(jīng)有十余年歷史的“雙清論壇”是國(guó)內(nèi)自然科學(xué)最高層次的論壇之一，也是國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)確定優(yōu)先資助領(lǐng)域的一個(gè)重要平臺(tái)。面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，以國(guó)家重大需求和學(xué)科前沿為立足點(diǎn)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)機(jī)械工程學(xué)科借助“雙清論壇”這個(gè)高端平臺(tái)于2009年10月30日至11月1日在重慶召開(kāi)了第43期主題為“新型精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造”的學(xué)術(shù)研討會(huì)。研討會(huì)旨為：以提高我國(guó)基礎(chǔ)件的科學(xué)研究水平和自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以高性能機(jī)械傳動(dòng)件的基礎(chǔ)研究為突破口，匯集國(guó)內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域科學(xué)家的智慧，研討機(jī)械傳動(dòng)件研究中的學(xué)科前沿問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)科交叉，形成戰(zhàn)略規(guī)劃。

論壇議題如下：①新型精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀、機(jī)遇與挑戰(zhàn)，相關(guān)科學(xué)發(fā)展前沿、技術(shù)動(dòng)態(tài)、需求分析；②新型精密傳動(dòng)的基礎(chǔ)理論、共性技術(shù)、裝備以及多學(xué)科交叉與集成；③柔性／柔順結(jié)合精密傳動(dòng)新原理及新機(jī)構(gòu)研究；④精密分布柔順運(yùn)動(dòng)副新原理及設(shè)計(jì)方法；⑤面向典型應(yīng)用的精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析與集成優(yōu)化；⑥極端環(huán)境下精密傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)性能與失效機(jī)理研究；⑦柔順傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精密制造與質(zhì)量保證技術(shù)。

1 精密傳動(dòng)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

我國(guó)能源、交通、航空、航天、航海、兵器等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)部件及系統(tǒng)的精度、效率、功率密度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等提出了更高的要求。作為裝備的基礎(chǔ)與核心，基礎(chǔ)件和通用部件在“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”中被列為優(yōu)先主題。國(guó)家16個(gè)重大專項(xiàng)中，14個(gè)專項(xiàng)都涉及機(jī)械傳動(dòng)部件與單元相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

如圖1所示，圍繞低碳經(jīng)濟(jì)、新能源戰(zhàn)略及可持續(xù)發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)部件的需求，當(dāng)前精密傳動(dòng)領(lǐng)域面臨著眾多的挑戰(zhàn)。

圖1 當(dāng)前精密傳動(dòng)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

（1）新能源裝備、基礎(chǔ)制造裝備對(duì)大功率、高效和高可靠性提出的挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能、核能、水能和海洋能等新能源裝備必須滿足大功率、高可靠性、特殊環(huán)境適應(yīng)性等要求，如關(guān)鍵部件的抗冷脆性特性、長(zhǎng)壽命、特殊環(huán)境自適應(yīng)能力。目前我國(guó)此類裝備的壽命與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有較大差距。究其原因在于對(duì)大功率、長(zhǎng)壽命驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)部件的性能成因、演變規(guī)律等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不夠深入，制約了大功率傳動(dòng)技術(shù)與裝備研發(fā)和制造水平的提高。隨著高檔數(shù)控機(jī)床等國(guó)家重大專項(xiàng)的實(shí)施，一批基礎(chǔ)制造裝備陸續(xù)開(kāi)始研制，如萬(wàn)噸級(jí)鍛壓機(jī)、巨型操作機(jī)、大型升降平臺(tái)、高能量阻攔裝置等，其軸承、齒輪、液壓泵閥、密封等基礎(chǔ)件是這些裝備的關(guān)鍵部件，我國(guó)尚未完全掌握其傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，因而產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱，高端產(chǎn)品被國(guó)外廠家壟斷［1－2］。其主要原因是我國(guó)相關(guān)基礎(chǔ)研究缺乏，對(duì)關(guān)鍵摩擦副界面間的力、運(yùn)動(dòng)相互作用與潤(rùn)滑機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠，這嚴(yán)重限制了基礎(chǔ)元件負(fù)載能力、傳動(dòng)精度和使用壽命的提高。高效、高可靠、智能化、機(jī)電一體化的傳動(dòng)系統(tǒng)與部件迫切需要大量的多場(chǎng)耦合問(wèn)題的基礎(chǔ)研究，這些研究將大大促進(jìn)機(jī)械基礎(chǔ)件設(shè)計(jì)制造水平的提高，并顯著提升我國(guó)自主品牌機(jī)械基礎(chǔ)傳動(dòng)部件產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）高精尖裝備對(duì)高精度和高動(dòng)態(tài)性能提出的挑戰(zhàn)。微納制造、光制造、超精加工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都迫切需要現(xiàn)代精密驅(qū)動(dòng)的理論和技術(shù)支撐，以實(shí)現(xiàn)加工工具或核心部件空間位置的精確定位和快速調(diào)整。如航空遙感相機(jī)位移補(bǔ)償需要采用回轉(zhuǎn)精度為30μrad以上的精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；在激光約束核聚變工程中需要對(duì)光柵實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的超精密位姿調(diào)整，直線和回轉(zhuǎn)精度要求分別為20nm和1μrad。

（3）國(guó)防裝備對(duì)新型驅(qū)動(dòng)與作動(dòng)器的形式和性能提出的挑戰(zhàn)。在國(guó)防需求的牽引下，大型飛機(jī)、新一代戰(zhàn)機(jī)、載人航天與探月工程等裝備對(duì)驅(qū)動(dòng)器件提出了很高的性能要求，如變體飛行器的驅(qū)動(dòng)器要求驅(qū)動(dòng)應(yīng)變能達(dá)到10%，應(yīng)力達(dá)到200MPa，同時(shí)響應(yīng)頻率達(dá)到100Hz。

2 精密傳動(dòng)的主要研究?jī)?nèi)容

在各種機(jī)械和自動(dòng)化裝備中，傳動(dòng)主要用于實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、分配以及運(yùn)動(dòng)形態(tài)的調(diào)整和控制功能，以達(dá)到裝備所需的精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及傳動(dòng)效率等要求。按能量轉(zhuǎn)換的原理不同，傳動(dòng)既包括機(jī)械、流體、氣體等傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，也包括直驅(qū)、磁力、功能材料、智能結(jié)構(gòu)、一體化作動(dòng)器等新型傳動(dòng)方式，傳動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)形式隨應(yīng)用場(chǎng)合不同也多種多樣。從機(jī)械裝備的綠色化、精密化與智能化的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，目前的研究集中在以關(guān)注能量轉(zhuǎn)換和傳遞效率為主的多介質(zhì)多形式高效功率傳動(dòng)、以關(guān)注傳動(dòng)精度為主的精密復(fù)合傳動(dòng)和以關(guān)注智能化為主的基于功能材料的新型驅(qū)動(dòng)三大方面，其傳動(dòng)功率、傳動(dòng)精度關(guān)系曲線如圖2所示。

（1）多介質(zhì)多形式高效功率傳動(dòng)。多介質(zhì)是指機(jī)、電、液、氣、磁、光等介質(zhì)；多形式是指機(jī)電、機(jī)液、電液（氣）、光電、功能材料等兩種或多種能量轉(zhuǎn)換與傳遞形式集成化；高效是指低摩擦損耗、高效率、工況和環(huán)境變化適應(yīng)性強(qiáng)的空間運(yùn)動(dòng)和功率傳遞方式。這類傳動(dòng)以傳遞功率為主要目的，典型的如車(chē)輛的機(jī)械變速箱和液力變矩器、風(fēng)電設(shè)備的齒輪箱、盾構(gòu)設(shè)備的液壓傳動(dòng)裝置等。通過(guò)精密化設(shè)計(jì)和制造，實(shí)現(xiàn)高的傳動(dòng)效率和可靠性是該類傳動(dòng)設(shè)計(jì)制造追求的主要目標(biāo)。

圖2 新型傳動(dòng)方式的功率、精度關(guān)系

（2）精密復(fù)合傳動(dòng)。精密復(fù)合傳動(dòng)指采用嚙合、摩擦、柔性／柔順、宏微復(fù)合、氣浮、液浮、磁浮、電浮等直接或間接的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式，結(jié)合傳感及控制單元，實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)變換和負(fù)載功率匹配。這類傳動(dòng)以實(shí)現(xiàn)高的運(yùn)動(dòng)變換精度和動(dòng)態(tài)性能為主要目的，典型的如數(shù)控機(jī)床的直線工作臺(tái)用的機(jī)械、氣浮、液浮導(dǎo)軌和絲杠傳動(dòng)裝置、IC制造裝備中的微納米定位裝置、衛(wèi)星上的精密指向傳動(dòng)裝置。高的傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是這類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造關(guān)注的主要目標(biāo)。

（3）基于功能材料的新型驅(qū)動(dòng)?；诠δ懿牧希▔弘娞沾?、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金（SMA）等）的新型驅(qū)動(dòng)是一個(gè)集機(jī)械、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、控制等多學(xué)科交叉、相互融合的研究方向［3－4］。這類驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和能量變換為主要目的，典型的如用于新型飛機(jī)氣動(dòng)性能補(bǔ)償?shù)闹悄軝C(jī)翼結(jié)構(gòu)、飛機(jī)操縱用液壓和電傳動(dòng)作動(dòng)器［5］。研究具有高的運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換效率的功能材料，開(kāi)發(fā)新的智能結(jié)構(gòu)和高性能作動(dòng)器是這類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)理論和應(yīng)用研究關(guān)注的主要目標(biāo)。

3 精密傳動(dòng)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)論何種傳動(dòng)方式，精密化是有效保證其使用性能和可靠性的前提，而掌握不同傳動(dòng)的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)與能量傳遞機(jī)理、傳動(dòng)性能成因及其調(diào)控方法，是研究新型精密傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造、保證制造裝配精度的基礎(chǔ)。

如圖3所示，本文從多介質(zhì)多形式功率傳動(dòng)、精密復(fù)合傳動(dòng)、新型智能結(jié)構(gòu)與作動(dòng)器傳動(dòng)三個(gè)方面介紹當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 新型精密傳動(dòng)的研究?jī)?nèi)容和熱點(diǎn)

3.1 多介質(zhì)多形式高效功率傳動(dòng)

3.1.1 新型直驅(qū)系統(tǒng)

原動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”是最理想的高效傳遞方式，然而由于傳統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)本身輸出扭矩、轉(zhuǎn)速性能的約束，使其與負(fù)載的直接匹配能力受到限制，雖然出現(xiàn)了電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和液壓直接驅(qū)動(dòng)裝置，但可選方案仍較為有限。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩適應(yīng)范圍寬、沒(méi)有傳動(dòng)鏈、能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的高效原動(dòng)機(jī)研究一直受到高度的重視，如在電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方面，可以取消從電機(jī)到工作負(fù)載部件之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作部件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)所謂“近零傳動(dòng)（near－zero transmission）”；在液壓直接驅(qū)動(dòng)方面，汽車(chē)制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)出寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供90%以上的扭矩輸出的高效發(fā)動(dòng)機(jī)和總效率超過(guò)90%的液壓泵，并在新型液壓混合動(dòng)力高級(jí)轎車(chē)和風(fēng)力發(fā)電液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，為液壓無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間。

采用泵控容積驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)液壓直驅(qū)是解決傳統(tǒng)閥控液壓調(diào)速系統(tǒng)能量利用率低、系統(tǒng)發(fā)熱、故障率高問(wèn)題的理想途徑，其能量利用率較閥控方式可提高40%以上，已成為重載大功率流體傳動(dòng)裝備發(fā)展的方向之一，但其核心驅(qū)動(dòng)部件——液壓泵／馬達(dá)仍難以滿足現(xiàn)代裝備寬調(diào)速范圍和高效率的要求。與此同時(shí)，與發(fā)動(dòng)機(jī)融為一體的軸向柱塞泵（往復(fù)式原動(dòng)液壓泵）也逐漸成為前沿研究的熱點(diǎn)。但就液壓直接驅(qū)動(dòng)而言，開(kāi)展泵關(guān)鍵摩擦副部件高速高壓下其結(jié)構(gòu)、支承條件、摩擦／磨損／潤(rùn)滑及材料制備工藝等基礎(chǔ)研究，建立相關(guān)設(shè)計(jì)理論與方法，為提高制造精度、改善潤(rùn)滑條件提供科學(xué)依據(jù)，是研制出高性能液壓直驅(qū)部件的關(guān)鍵。

3.1.2 液壓基礎(chǔ)元件基礎(chǔ)理論

隨著液壓元件向著高壓、高速、高精度、高可靠性、高頻響、輕量化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、潤(rùn)滑理論、密封技術(shù)已很難滿足現(xiàn)代高壓、高性能液壓部件和系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的要求。液壓基礎(chǔ)元件的基礎(chǔ)理論研究受到高度重視。如高性能驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)基礎(chǔ)部件的研究隨著摩擦學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)以及有限元分析技術(shù)的發(fā)展在最近20年來(lái)發(fā)展非常迅速，取得了許多重要的成果。高精度油膜厚度位移傳感器、掃描電鏡（SEM）等新的測(cè)試手段得到較多應(yīng)用，更深入地探明了摩擦副粗糙尺度微米級(jí)油膜的潤(rùn)滑機(jī)理，解析了初期設(shè)計(jì)摩擦副超出材料許用pV值而仍能正常工作的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)油膜承載能力、油膜動(dòng)力學(xué)、敏感度分析、流體動(dòng)壓等潤(rùn)滑特性的分析更為精確和迅速，近年來(lái)在摩擦副形貌與摩擦力關(guān)系、能量耗散、熱楔效應(yīng)、耐磨涂層的摩擦界面行為、磨損規(guī)律、超小摩擦因數(shù)材料、氣穴噪聲等方面取得了一系列的成果，部分成果已經(jīng)在高壓柱塞泵、軸承、密封等的摩擦副和泵體運(yùn)行的減振降噪中得到應(yīng)用。

液壓基礎(chǔ)元件特性研究在我國(guó)的一些高校及研究單位取得了較大進(jìn)展，目前研究存在的主要問(wèn)題是基礎(chǔ)理論研究不夠深入。隨著載荷和轉(zhuǎn)速的不斷提高和優(yōu)化，對(duì)其摩擦副的潤(rùn)滑提出了新的更高要求。如液壓元件要實(shí)現(xiàn)70MPa的壓力，潤(rùn)滑特性產(chǎn)生強(qiáng)烈的粗糙度效應(yīng)；轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升，正比于速度的流體動(dòng)壓力、慣性力將超過(guò)流體靜壓力，摩擦副的動(dòng)力學(xué)特性將占據(jù)主導(dǎo)地位。摩擦表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微細(xì)精密加工方式將成為改善潤(rùn)滑特性的關(guān)鍵。

3.1.3 混合驅(qū)動(dòng)的匹配與控制

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)已引起了關(guān)注，熱點(diǎn)研究首推混合動(dòng)力汽車(chē)的研究方向，眾多學(xué)者對(duì)內(nèi)燃機(jī)－電混合、內(nèi)燃機(jī)－液壓混合兩種主要的技術(shù)方案進(jìn)行了大量的研究工作，通過(guò)把兩種或以上不同驅(qū)動(dòng)形式集成化，就可以得到性能優(yōu)異的高效驅(qū)動(dòng)單元，可大幅提高能量的利用率。這兩種混合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)的方式在裝備中的應(yīng)用前景廣闊。另外，結(jié)合電池、電容、蓄能器或飛輪等能量存儲(chǔ)部件的混合驅(qū)動(dòng)方式也逐漸成為了新型能源動(dòng)力裝備研究的熱點(diǎn)。

3.2 精密復(fù)合傳動(dòng)

3.2.1 精密齒輪傳動(dòng)

近年來(lái)，新型精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在航空航天、微機(jī)械傳動(dòng)、工業(yè)機(jī)器人、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中的使用越來(lái)越廣泛，對(duì)精密齒輪傳動(dòng)提出了三大（傳動(dòng)比大、承載能力大、剛度大）、二高（運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高）、一小（回差?。┑囊蟆Ｌ剿鞲呔?、低／無(wú)側(cè)隙傳動(dòng)的新原理、新方法，解決現(xiàn)有精密傳動(dòng)特別是擺線類精密傳動(dòng)的設(shè)計(jì)以及制造、潤(rùn)滑、可靠性等關(guān)鍵問(wèn)題，是眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

3.2.2 新的精密傳動(dòng)方式基礎(chǔ)理論研究

追求高的傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)性能是新型精密傳動(dòng)方式探索的主要目標(biāo)之一。以精密齒輪傳動(dòng)為例，盡管高精密級(jí)諧波減速器的傳動(dòng)誤差已能小于250μrad左右，但仍不能滿足光學(xué)精密機(jī)械裝備中對(duì)傳動(dòng)精度要優(yōu)于20μrad的要求，兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，新的傳動(dòng)原理，如摩擦傳動(dòng)、柔索傳動(dòng)、柔順傳動(dòng)、宏微復(fù)合傳動(dòng)及氣浮和磁浮傳動(dòng)等精密傳動(dòng)方式受到廣泛的重視并得到深入的研究［6］。

摩擦傳動(dòng)是利用主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的摩擦來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的力，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高的特點(diǎn)，采用扭輪摩擦傳動(dòng)的直線定位精度可達(dá)數(shù)十納米量級(jí)，研究的焦點(diǎn)在于如何從過(guò)去的減小摩擦到主動(dòng)利用摩擦，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)力和位移的精確控制，研究的方法是采用彈性力學(xué)和有限元理論對(duì)摩擦副的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)特性進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

柔索傳動(dòng)是通過(guò)主從動(dòng)輪之間精確預(yù)緊的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng)［7］，具有傳動(dòng)方式靈活、精度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。目前柔索傳動(dòng)的精度已優(yōu)于100μrad，效率在99%以上，研究的重點(diǎn)包括鋼絲繩預(yù)緊力、摩擦力與傳遞力矩間的關(guān)系以及用于實(shí)現(xiàn)兩軸以上復(fù)合傳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)耦合特性和解耦方法等方面。

柔順傳動(dòng)利用構(gòu)件的彈性變形特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)變形的精確控制實(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)分辨率高、無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、制造工藝簡(jiǎn)單等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已在微納米測(cè)量、IC制造、精密加工、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)等儀器設(shè)備中得到大量應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞柔順機(jī)構(gòu)在多自由度微米、納米定位中的應(yīng)用已開(kāi)展了較多的研究，研究的核心問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)變形所需柔度和支撐負(fù)載所需剛度的統(tǒng)一。在柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及運(yùn)動(dòng)自由度計(jì)算、基于偽剛體模型方法的動(dòng)力學(xué)性能分析等方面目前已取得了重要的進(jìn)展，但相關(guān)研究以平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化、運(yùn)動(dòng)分析、準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性為主。由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)副，柔順傳動(dòng)可以具有高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但是面向高響應(yīng)傳動(dòng)特性應(yīng)用要求所需的動(dòng)力學(xué)分析和建模、多自由度運(yùn)動(dòng)與力學(xué)特性耦合等問(wèn)題近年來(lái)才受到重視［8］，研究還不夠深入，尚不能完全解釋柔順傳動(dòng)的固有模態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、頻率特性、耦合特性的成因機(jī)理，設(shè)計(jì)參數(shù)、制造工藝因素與傳動(dòng)特性之間的靈敏度關(guān)系還不夠清楚，這使得柔順傳動(dòng)的應(yīng)用主要集中在負(fù)荷較小、動(dòng)態(tài)使用性能要求不高的場(chǎng)合，所形成的理論與方法還不能滿足高性能復(fù)合精密傳動(dòng)對(duì)承載能力、行程范圍、精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析與設(shè)計(jì)的要求。精密柔順傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)行為的系統(tǒng)分析與建模、傳動(dòng)過(guò)程的能量流轉(zhuǎn)換規(guī)律及動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等將是今后一個(gè)時(shí)期研究的熱點(diǎn)。

宏微復(fù)合傳動(dòng)由于具有大行程、高精度、高速度的特點(diǎn)，在生物分子操作、微納米制造、微光機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，受到高度的重視。研究的重點(diǎn)集中在基于各種功能材料的多軸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)原理、宏微運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)與力學(xué)特性不確定性、剛性與柔性傳動(dòng)耦合特性分析、多自由度運(yùn)動(dòng)誤差建模以及智能傳感與控制方面。

氣浮和磁浮傳動(dòng)具有行程范圍大和定位精度速度高的特點(diǎn)，它通過(guò)對(duì)氣膜、磁力控制實(shí)現(xiàn)懸浮和直線推動(dòng)，據(jù)此原理設(shè)計(jì)的氣浮、磁浮軸承和導(dǎo)軌能夠滿足高性能電子、IT等行業(yè)產(chǎn)品制造設(shè)備中超精密、超潔凈、高效率的要求，是將來(lái)高速高精直線運(yùn)動(dòng)的最佳選擇。由于懸浮導(dǎo)向原理、承載與導(dǎo)向支撐的理論方法是開(kāi)發(fā)各種直線副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、平面副、球面副等運(yùn)動(dòng)副的基礎(chǔ)，因此得到較多的研究，研究的重點(diǎn)集中在浮動(dòng)邊界條件分析與設(shè)計(jì)、承載能力計(jì)算、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)瞬態(tài)分析、大位移納米分辨率測(cè)量及定位控制方法這些方面。

3.2.3 機(jī)構(gòu)控制集成分析理論與方法

精密復(fù)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置都由驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、控制三部分組成，各自的行為特性及相互作用特性共同影響著裝置的整體精度和動(dòng)力學(xué)性能。只有實(shí)現(xiàn)三者之間的性能互補(bǔ)，才能達(dá)到裝置整體性能的最優(yōu)，因此必須要研究各部分之間機(jī)電磁等物理場(chǎng)之間的信息、能量作用與轉(zhuǎn)換規(guī)律，掌握各部分性能對(duì)整體性能的作用機(jī)制，明確各自的為實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)目標(biāo)。這樣也才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的機(jī)構(gòu)控制一體化最優(yōu)設(shè)計(jì)［9－10］。目前開(kāi)展機(jī)構(gòu)控制一體化的研究還只局限于對(duì)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)或傳動(dòng)部件建模和一體化設(shè)計(jì)，還未能形成完整的設(shè)計(jì)理論框架和設(shè)計(jì)流程，主要原因在于從理論上尚不能完全解釋驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)過(guò)程的力運(yùn)動(dòng)特性成因、能量傳遞及耦合機(jī)理、質(zhì)量動(dòng)量相互作用及其不確定性等因素對(duì)傳動(dòng)行為的影響等問(wèn)題。在技術(shù)上造成傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)與控制單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，復(fù)合運(yùn)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確協(xié)同控制方法等問(wèn)題研究的理論依據(jù)不完備。

3.3 基于功能材料的新型驅(qū)動(dòng)

3.3.1 基于功能材料的驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)各種功能材料的驅(qū)動(dòng)機(jī)理展開(kāi)了深入的研究，并取得了許多突出的研究成果。如在新型壓電功能材料的研究方面，通過(guò)對(duì)弛豫式壓電單晶材料驅(qū)動(dòng)機(jī)理的研究，使壓電材料的應(yīng)變提高了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)。在SMA研究方面，由于需要不斷對(duì)其加熱、冷卻及加載、卸載，且材料變化具有遲滯性，因此其只適用于低頻（10Hz以下）窄帶振動(dòng)中，這就大大限制了材料的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)理的研究，可大幅改善位移與溫度的遲滯特性，但是其頻響特性還有待進(jìn)一步提高。另外，現(xiàn)有的SMA本構(gòu)模型在實(shí)際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷，如何克服這些缺陷，從而精確地模擬出SMA的材料行為也是一個(gè)需要研究的重要課題［6，11］。在離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC）方面，IPMC產(chǎn)生宏觀變形的微細(xì)觀機(jī)理一直是科學(xué)界極為關(guān)注的焦點(diǎn)［12］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究學(xué)者從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，提出了許多解釋其變形現(xiàn)象的理論［13］，為后續(xù)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。研究主要偏重于材料制作、實(shí)驗(yàn)分析、性能檢測(cè)和定性描述等材料科學(xué)領(lǐng)域，而對(duì)于IPMC的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及理論建模等方面還有待進(jìn)一步研究。另外，為適應(yīng)工程結(jié)構(gòu)逐漸向智能化方向發(fā)展的需求，未來(lái)新型功能材料的研究應(yīng)具有高效率、多元化、精細(xì)化、智能化和綠色化的特點(diǎn)。近年來(lái)智能高分子材料得到一定發(fā)展，如高分子凝膠被作為人工肌肉的候選材料加以研究，以用于未來(lái)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)或醫(yī)療器械中［14－15］。

3.3.2 新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究

為了滿足工程中不同用途對(duì)驅(qū)動(dòng)形式提出的要求，在研究新型功能材料性能的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)形式等也得到不斷改進(jìn)，使得驅(qū)動(dòng)器的性能逐步提高。如在壓電復(fù)合驅(qū)動(dòng)器方面，國(guó)內(nèi)外在壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)器、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器、復(fù)合式壓電驅(qū)動(dòng)器等方面取得了顯著進(jìn)展［6］。雖然國(guó)內(nèi)外在新的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式與原理研究方面做了不少工作，取得了一些進(jìn)展，但距實(shí)際應(yīng)用還有較大差距，迫切需要加強(qiáng)深層次的基礎(chǔ)研究。如壓電驅(qū)動(dòng)器雖然具有高頻響、大推力、小體積等優(yōu)點(diǎn)，但通常也存在位移小、非線性、滯回大等缺陷，為了匹配負(fù)載輸出特性（連續(xù)更大位移驅(qū)動(dòng)要求），就必須采用機(jī)械、流體等方式的轉(zhuǎn)換放大，因此空間尺度的轉(zhuǎn)化新方法新原理是研究的新方向。壓電泵是將壓電陶瓷的變形或振動(dòng)作用于液體，通過(guò)能量變換來(lái)形成驅(qū)動(dòng)的壓電流體輸送器或壓電能量傳遞器，以實(shí)現(xiàn)大位移的連續(xù)驅(qū)動(dòng)，是目前的研究熱點(diǎn)之一，其高頻高壓條件下的液固耦合特性是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。在功能材料新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，將兩種或多種功能材料以多層微米級(jí)的薄膜復(fù)合，可獲得優(yōu)化的綜合性能或多功能特性，是新型驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展方向之一，如將鐵彈性的形狀記憶合金與鐵磁或鐵電驅(qū)動(dòng)材料復(fù)合在一起，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決SMA響應(yīng)速度慢和壓電材料應(yīng)變小的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵是要解決界面結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)互協(xié)調(diào)性［12］?？傊?，工程應(yīng)用對(duì)功能材料驅(qū)動(dòng)器提出了高可靠性、高性能、易于集成等要求，單一功能材料驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)無(wú)法滿足，因此新型驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式必須向多相、復(fù)合、多物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形式發(fā)展。結(jié)合相關(guān)學(xué)科的新成果，包括新原理、新材料，開(kāi)發(fā)具有多物理場(chǎng)耦合的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)成為未來(lái)新型驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3.3.3 功能材料驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)理論研究

基于功能材料的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)是朝著集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展的。集成化可以分為兩個(gè)方面，一方面是將功能材料與機(jī)械放大機(jī)構(gòu)、液壓放大系統(tǒng)等相集成，提高驅(qū)動(dòng)器的性能；另一方面是將功能材料直接與被驅(qū)動(dòng)的對(duì)象相集成，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械或結(jié)構(gòu)的一體化［12－13］。多功能化也分為兩個(gè)方面，一方面是用一種功能材料實(shí)現(xiàn)多種功能，如壓電材料既用于驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也用于傳感，實(shí)現(xiàn)所謂的自感知驅(qū)動(dòng)器；再如將壓電材料用于驅(qū)動(dòng)，同時(shí)又用于能量回收，實(shí)現(xiàn)能量自供給的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；另一方面是集成多種功能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能，如將壓電材料與形狀記憶合金集成，實(shí)現(xiàn)小位移高精度驅(qū)動(dòng)和低頻大位移驅(qū)動(dòng)。智能化是在驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)一步集成信號(hào)處理系統(tǒng)或控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具有一定智能特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，驅(qū)動(dòng)器的智能化已經(jīng)成為一個(gè)重要研究方向。

4 未來(lái)5～10年優(yōu)先資助方向建議

與會(huì)專家建議將高性能高效功率傳遞部件與單元、復(fù)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)精密調(diào)控理論與方法，以及智能結(jié)構(gòu)與新型作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理等作為未來(lái)5～10年優(yōu)先資助方向，具體如圖4所示。

圖4 新型精密傳動(dòng)領(lǐng)域未來(lái)5～10年優(yōu)先資助方向

4.1 高性能高效功率傳遞部件與單元

驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)部件的可靠性設(shè)計(jì)、精密制造與實(shí)驗(yàn)方法目前仍然是研究薄弱的領(lǐng)域，應(yīng)進(jìn)一步研究以電磁場(chǎng)、剛性體、流體等作為傳動(dòng)介質(zhì)的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)與液力等傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)功率傳遞和能量分配的理論，以及其在特殊環(huán)境下的服役行為規(guī)律，把機(jī)、電、液、磁物理過(guò)程的能量流從匯集、分配、調(diào)制和變換層面進(jìn)行協(xié)同組織，從而構(gòu)筑新型的傳動(dòng)原理。

建議重點(diǎn)開(kāi)展如下研究：①高性能功率傳動(dòng)的宏微性能作用機(jī)理及其調(diào)控理論；②混合動(dòng)力傳動(dòng)的復(fù)合模式與參數(shù)匹配；③ 直接驅(qū)動(dòng)的高效部件的新原理新結(jié)構(gòu)和精密制造方法；④特殊環(huán)境下功率傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)服役行為規(guī)律及其適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

4.2 復(fù)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)精密調(diào)控理論與方法

典型機(jī)器裝備的工作特點(diǎn)是大行程、高精度、高速度，而且受工作環(huán)境與特殊工況條件的約束，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式在體積、質(zhì)量、行程、靜動(dòng)態(tài)精度、可靠性等方面難以滿足要求。通過(guò)精度設(shè)計(jì)、載荷匹配、動(dòng)力學(xué)與控制集成建模及優(yōu)化、制造裝配精度與動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)和嵌入式傳感驅(qū)動(dòng)并行優(yōu)化等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，構(gòu)建面向整體性能優(yōu)化的新型復(fù)合精密傳動(dòng)單元的設(shè)計(jì)、制造、控制的理論和方法體系。

建議重點(diǎn)開(kāi)展如下研究：①精密復(fù)合驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)、力、能量的匹配與控制策略；②特殊環(huán)境下精密傳動(dòng)的精度與動(dòng)力學(xué)行為；③具有智能結(jié)構(gòu)特征的機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、測(cè)試和控制集成優(yōu)化；④制造裝配過(guò)程的精度與動(dòng)力學(xué)特性綜合設(shè)計(jì)。

4.3 智能結(jié)構(gòu)與新型作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理

智能結(jié)構(gòu)與新型作動(dòng)器的精度、動(dòng)態(tài)特性的研究需要多學(xué)科相互結(jié)合、相互滲透。然而到目前為止，該領(lǐng)域的研究仍然處在一個(gè)起步階段，遠(yuǎn)未達(dá)到工程應(yīng)用的要求。

建議重點(diǎn)開(kāi)展如下研究：①新原理作動(dòng)器的多場(chǎng)、多相耦合作用規(guī)律及其設(shè)計(jì)與制造；②功能材料與運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)復(fù)合傳動(dòng)的新原理新方法；③各種尺度并適應(yīng)不同環(huán)境的新型作動(dòng)器原理；④自感知自診斷自修復(fù)的智能型作動(dòng)器原理。

5 結(jié)束語(yǔ)

精密傳動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，對(duì)運(yùn)載、機(jī)器人、機(jī)床、新能源裝備等機(jī)電裝備的整體性能、安全與可靠性有直接的影響。在新能源、大飛機(jī)、高分辨率對(duì)地觀測(cè)、高檔數(shù)控機(jī)床等國(guó)家重大專項(xiàng)和新型武器裝備研制中，有諸多與精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有關(guān)的重要科學(xué)問(wèn)題有待解決。應(yīng)當(dāng)及時(shí)抓住國(guó)家重大裝備發(fā)展的機(jī)遇，組織全國(guó)優(yōu)勢(shì)研究力量，瞄準(zhǔn)學(xué)科前沿，針對(duì)高效精密傳動(dòng)設(shè)計(jì)與制造前沿涉及的科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展深入、系統(tǒng)的研究，探索傳動(dòng)精度、效率、承載、磨損、失效等性能的成因機(jī)理和變化規(guī)律，突破傳動(dòng)內(nèi)部的多相、多場(chǎng)作用與耦合等內(nèi)容的研究瓶頸，研究設(shè)計(jì)、制造和環(huán)境等因素對(duì)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)性能的作用機(jī)理，形成精密傳動(dòng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法體系，為我國(guó)新型傳動(dòng)基礎(chǔ)部件設(shè)計(jì)制造水平提升和可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的學(xué)科基礎(chǔ)支撐。

［1］ 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).2008－2009機(jī)械工程（機(jī)械制造）學(xué)科發(fā)展報(bào)告［M］.北京：中國(guó)科技出版社，2009.

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