王國彪 賴一楠 范大鵬 楊華勇 王時龍

1.國家自然科學基金委員會，北京，100085 2.國防科學技術(shù)大學，長沙，410073 3.浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室，杭州，310027 4.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400044

0 引言

機械基礎(chǔ)件作為機電裝備發(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定著主機和機械裝備的質(zhì)量與可靠性，是國民經(jīng)濟、國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)研究的突破不但對機械學科的發(fā)展起支撐作用，也有利于提高我國關(guān)鍵基礎(chǔ)件的自主創(chuàng)新能力，改變長期以來高端基礎(chǔ)件依賴進口的局面。

已經(jīng)有十余年歷史的“雙清論壇”是國內(nèi)自然科學最高層次的論壇之一，也是國家自然科學基金委員會確定優(yōu)先資助領(lǐng)域的一個重要平臺。面對機遇與挑戰(zhàn)，以國家重大需求和學科前沿為立足點，國家自然科學基金委員會機械工程學科借助“雙清論壇”這個高端平臺于2009年10月30日至11月1日在重慶召開了第43期主題為“新型精密傳動機構(gòu)設(shè)計與制造”的學術(shù)研討會。研討會旨為：以提高我國基礎(chǔ)件的科學研究水平和自主創(chuàng)新能力為目標，以高性能機械傳動件的基礎(chǔ)研究為突破口，匯集國內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域科學家的智慧，研討機械傳動件研究中的學科前沿問題，促進學科交叉，形成戰(zhàn)略規(guī)劃。

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

1 精密傳動領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

我國能源、交通、航空、航天、航海、兵器等領(lǐng)域的發(fā)展，對傳動部件及系統(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“國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”中被列為優(yōu)先主題。國家16個重大專項中，14個專項都涉及機械傳動部件與單元相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

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

圖1 當前精密傳動領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

（1）新能源裝備、基礎(chǔ)制造裝備對大功率、高效和高可靠性提出的挑戰(zhàn)。太陽能、風能、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、長壽命、特殊環(huán)境自適應(yīng)能力。目前我國此類裝備的壽命與國外產(chǎn)品相比仍有較大差距。究其原因在于對大功率、長壽命驅(qū)動與傳動部件的性能成因、演變規(guī)律等基礎(chǔ)科學問題的認識不夠深入，制約了大功率傳動技術(shù)與裝備研發(fā)和制造水平的提高。隨著高檔數(shù)控機床等國家重大專項的實施，一批基礎(chǔ)制造裝備陸續(xù)開始研制，如萬噸級鍛壓機、巨型操作機、大型升降平臺、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，我國尚未完全掌握其傳動系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，因而產(chǎn)品市場競爭力弱，高端產(chǎn)品被國外廠家壟斷［1－2］。其主要原因是我國相關(guān)基礎(chǔ)研究缺乏，對關(guān)鍵摩擦副界面間的力、運動相互作用與潤滑機理認識不夠，這嚴重限制了基礎(chǔ)元件負載能力、傳動精度和使用壽命的提高。高效、高可靠、智能化、機電一體化的傳動系統(tǒng)與部件迫切需要大量的多場耦合問題的基礎(chǔ)研究，這些研究將大大促進機械基礎(chǔ)件設(shè)計制造水平的提高，并顯著提升我國自主品牌機械基礎(chǔ)傳動部件產(chǎn)品市場競爭力。

（2）高精尖裝備對高精度和高動態(tài)性能提出的挑戰(zhàn)。微納制造、光制造、超精加工、生物醫(yī)學等領(lǐng)域都迫切需要現(xiàn)代精密驅(qū)動的理論和技術(shù)支撐，以實現(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。如航空遙感相機位移補償需要采用回轉(zhuǎn)精度為30μrad以上的精密傳動機構(gòu)；在激光約束核聚變工程中需要對光柵實現(xiàn)5個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）國防裝備對新型驅(qū)動與作動器的形式和性能提出的挑戰(zhàn)。在國防需求的牽引下，大型飛機、新一代戰(zhàn)機、載人航天與探月工程等裝備對驅(qū)動器件提出了很高的性能要求，如變體飛行器的驅(qū)動器要求驅(qū)動應(yīng)變能達到10%，應(yīng)力達到200MPa，同時響應(yīng)頻率達到100Hz。

2 精密傳動的主要研究內(nèi)容

在各種機械和自動化裝備中，傳動主要用于實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、分配以及運動形態(tài)的調(diào)整和控制功能，以達到裝備所需的精度、動態(tài)響應(yīng)及傳動效率等要求。按能量轉(zhuǎn)換的原理不同，傳動既包括機械、流體、氣體等傳統(tǒng)的傳動方式，也包括直驅(qū)、磁力、功能材料、智能結(jié)構(gòu)、一體化作動器等新型傳動方式，傳動部件的結(jié)構(gòu)形式隨應(yīng)用場合不同也多種多樣。從機械裝備的綠色化、精密化與智能化的發(fā)展趨勢來看，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、以關(guān)注傳動精度為主的精密復(fù)合傳動和以關(guān)注智能化為主的基于功能材料的新型驅(qū)動三大方面，其傳動功率、傳動精度關(guān)系曲線如圖2所示。

（1）多介質(zhì)多形式高效功率傳動。多介質(zhì)是指機、電、液、氣、磁、光等介質(zhì)；多形式是指機電、機液、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)性強的空間運動和功率傳遞方式。這類傳動以傳遞功率為主要目的，典型的如車輛的機械變速箱和液力變矩器、風電設(shè)備的齒輪箱、盾構(gòu)設(shè)備的液壓傳動裝置等。通過精密化設(shè)計和制造，實現(xiàn)高的傳動效率和可靠性是該類傳動設(shè)計制造追求的主要目標。

圖2 新型傳動方式的功率、精度關(guān)系

（2）精密復(fù)合傳動。精密復(fù)合傳動指采用嚙合、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)動與傳動方式，結(jié)合傳感及控制單元，實現(xiàn)精確的運動變換和負載功率匹配。這類傳動以實現(xiàn)高的運動變換精度和動態(tài)性能為主要目的，典型的如數(shù)控機床的直線工作臺用的機械、氣浮、液浮導(dǎo)軌和絲杠傳動裝置、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裝置。高的傳動精度和動態(tài)響應(yīng)性能是這類傳動機構(gòu)設(shè)計制造關(guān)注的主要目標。

（3）基于功能材料的新型驅(qū)動?；诠δ懿牧希▔弘娞沾伞㈦娭律炜s材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金（SMA）等）的新型驅(qū)動是一個集機械、力學、電學、磁學、光學、控制等多學科交叉、相互融合的研究方向［3－4］。這類驅(qū)動以實現(xiàn)復(fù)雜的運動和能量變換為主要目的，典型的如用于新型飛機氣動性能補償?shù)闹悄軝C翼結(jié)構(gòu)、飛機操縱用液壓和電傳動作動器［5］。研究具有高的運動和能量轉(zhuǎn)換效率的功能材料，開發(fā)新的智能結(jié)構(gòu)和高性能作動器是這類傳動機構(gòu)理論和應(yīng)用研究關(guān)注的主要目標。

3 精密傳動的研究熱點及發(fā)展趨勢

無論何種傳動方式，精密化是有效保證其使用性能和可靠性的前提，而掌握不同傳動的內(nèi)在運動與能量傳遞機理、傳動性能成因及其調(diào)控方法，是研究新型精密傳動設(shè)計理論、實現(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、精密復(fù)合傳動、新型智能結(jié)構(gòu)與作動器傳動三個方面介紹當前的研究熱點和發(fā)展趨勢。

圖3 新型精密傳動的研究內(nèi)容和熱點

3.1 多介質(zhì)多形式高效功率傳動

3.1.1 新型直驅(qū)系統(tǒng)

原動機直接帶動負載實現(xiàn)“零傳動”是最理想的高效傳遞方式，然而由于傳統(tǒng)的原動機本身輸出扭矩、轉(zhuǎn)速性能的約束，使其與負載的直接匹配能力受到限制，雖然出現(xiàn)了電機直接驅(qū)動和液壓直接驅(qū)動裝置，但可選方案仍較為有限。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩適應(yīng)范圍寬、沒有傳動鏈、能直接驅(qū)動負載的高效原動機研究一直受到高度的重視，如在電機直接驅(qū)動方面，可以取消從電機到工作負載部件之間的機械傳動環(huán)節(jié)，由電機直接驅(qū)動工作部件動作，實現(xiàn)所謂“近零傳動（near－zero transmission）”；在液壓直接驅(qū)動方面，汽車制造商已經(jīng)設(shè)計出寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供90%以上的扭矩輸出的高效發(fā)動機和總效率超過90%的液壓泵，并在新型液壓混合動力高級轎車和風力發(fā)電液壓驅(qū)動系統(tǒng)中得到應(yīng)用，為液壓無級調(diào)速技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間。

采用泵控容積驅(qū)動實現(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裝備發(fā)展的方向之一，但其核心驅(qū)動部件——液壓泵／馬達仍難以滿足現(xiàn)代裝備寬調(diào)速范圍和高效率的要求。與此同時，與發(fā)動機融為一體的軸向柱塞泵（往復(fù)式原動液壓泵）也逐漸成為前沿研究的熱點。但就液壓直接驅(qū)動而言，開展泵關(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／潤滑及材料制備工藝等基礎(chǔ)研究，建立相關(guān)設(shè)計理論與方法，為提高制造精度、改善潤滑條件提供科學依據(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)計理論、潤滑理論、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)動和傳動基礎(chǔ)部件的研究隨著摩擦學、計算流體力學以及有限元分析技術(shù)的發(fā)展在最近20年來發(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油膜的潤滑機理，解析了初期設(shè)計摩擦副超出材料許用pV值而仍能正常工作的問題，同時對動態(tài)油膜承載能力、油膜動力學、敏感度分析、流體動壓等潤滑特性的分析更為精確和迅速，近年來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的一些高校及研究單位取得了較大進展，目前研究存在的主要問題是基礎(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，對其摩擦副的潤滑提出了新的更高要求。如液壓元件要實現(xiàn)70MPa的壓力，潤滑特性產(chǎn)生強烈的粗糙度效應(yīng)；轉(zhuǎn)速的進一步提升，正比于速度的流體動壓力、慣性力將超過流體靜壓力，摩擦副的動力學特性將占據(jù)主導(dǎo)地位。摩擦表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計、微細精密加工方式將成為改善潤滑特性的關(guān)鍵。

3.1.3 混合驅(qū)動的匹配與控制

混合動力驅(qū)動方式的獨特技術(shù)優(yōu)勢已引起了關(guān)注，熱點研究首推混合動力汽車的研究方向，眾多學者對內(nèi)燃機－電混合、內(nèi)燃機－液壓混合兩種主要的技術(shù)方案進行了大量的研究工作，通過把兩種或以上不同驅(qū)動形式集成化，就可以得到性能優(yōu)異的高效驅(qū)動單元，可大幅提高能量的利用率。這兩種混合驅(qū)動與傳動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部件的混合驅(qū)動方式也逐漸成為了新型能源動力裝備研究的熱點。

3.2 精密復(fù)合傳動

3.2.1 精密齒輪傳動

近年來，新型精密傳動機構(gòu)在航空航天、微機械傳動、工業(yè)機器人、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中的使用越來越廣泛，對精密齒輪傳動提出了三大（傳動比大、承載能力大、剛度大）、二高（運動精度高、傳動效率高）、一?。ɑ夭钚。┑囊?。探索高精度、低／無側(cè)隙傳動的新原理、新方法，解決現(xiàn)有精密傳動特別是擺線類精密傳動的設(shè)計以及制造、潤滑、可靠性等關(guān)鍵問題，是眾多研究者關(guān)注的熱點之一。

3.2.2 新的精密傳動方式基礎(chǔ)理論研究

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

摩擦傳動是利用主動輪與從動輪之間的摩擦來傳遞運動的力，具有傳動平穩(wěn)、傳動精度高的特點，采用扭輪摩擦傳動的直線定位精度可達數(shù)十納米量級，研究的焦點在于如何從過去的減小摩擦到主動利用摩擦，以實現(xiàn)對傳動力和位移的精確控制，研究的方法是采用彈性力學和有限元理論對摩擦副的運動和力學特性進行分析和設(shè)計。

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

柔順傳動利用構(gòu)件的彈性變形特點，通過對變形的精確控制實現(xiàn)精密傳動，具有運動分辨率高、無摩擦、無需潤滑、制造工藝簡單等獨特優(yōu)點，已在微納米測量、IC制造、精密加工、光學對準等儀器設(shè)備中得到大量應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外學者圍繞柔順機構(gòu)在多自由度微米、納米定位中的應(yīng)用已開展了較多的研究，研究的核心問題是如何實現(xiàn)機構(gòu)變形所需柔度和支撐負載所需剛度的統(tǒng)一。在柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化及運動自由度計算、基于偽剛體模型方法的動力學性能分析等方面目前已取得了重要的進展，但相關(guān)研究以平面運動機構(gòu)的拓撲優(yōu)化、運動分析、準靜態(tài)力學特性為主。由于沒有運動副，柔順傳動可以具有高的動態(tài)響應(yīng)性能，但是面向高響應(yīng)傳動特性應(yīng)用要求所需的動力學分析和建模、多自由度運動與力學特性耦合等問題近年來才受到重視［8］，研究還不夠深入，尚不能完全解釋柔順傳動的固有模態(tài)、動態(tài)響應(yīng)、頻率特性、耦合特性的成因機理，設(shè)計參數(shù)、制造工藝因素與傳動特性之間的靈敏度關(guān)系還不夠清楚，這使得柔順傳動的應(yīng)用主要集中在負荷較小、動態(tài)使用性能要求不高的場合，所形成的理論與方法還不能滿足高性能復(fù)合精密傳動對承載能力、行程范圍、精度和動態(tài)響應(yīng)特性分析與設(shè)計的要求。精密柔順傳動的動力學行為的系統(tǒng)分析與建模、傳動過程的能量流轉(zhuǎn)換規(guī)律及動力學特性設(shè)計準則等將是今后一個時期研究的熱點。

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

氣浮和磁浮傳動具有行程范圍大和定位精度速度高的特點，它通過對氣膜、磁力控制實現(xiàn)懸浮和直線推動，據(jù)此原理設(shè)計的氣浮、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，是將來高速高精直線運動的最佳選擇。由于懸浮導(dǎo)向原理、承載與導(dǎo)向支撐的理論方法是開發(fā)各種直線副、轉(zhuǎn)動副、平面副、球面副等運動副的基礎(chǔ)，因此得到較多的研究，研究的重點集中在浮動邊界條件分析與設(shè)計、承載能力計算、運動與動力學瞬態(tài)分析、大位移納米分辨率測量及定位控制方法這些方面。

3.2.3 機構(gòu)控制集成分析理論與方法

精密復(fù)合驅(qū)動與傳動裝置都由驅(qū)動、傳動、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力學性能。只有實現(xiàn)三者之間的性能互補，才能達到裝置整體性能的最優(yōu)，因此必須要研究各部分之間機電磁等物理場之間的信息、能量作用與轉(zhuǎn)換規(guī)律，掌握各部分性能對整體性能的作用機制，明確各自的為實現(xiàn)性能互補應(yīng)滿足的設(shè)計約束和設(shè)計目標。這樣也才能實現(xiàn)真正意義上的機構(gòu)控制一體化最優(yōu)設(shè)計［9－10］。目前開展機構(gòu)控制一體化的研究還只局限于對簡單的驅(qū)動或傳動部件建模和一體化設(shè)計，還未能形成完整的設(shè)計理論框架和設(shè)計流程，主要原因在于從理論上尚不能完全解釋驅(qū)動傳動過程的力運動特性成因、能量傳遞及耦合機理、質(zhì)量動量相互作用及其不確定性等因素對傳動行為的影響等問題。在技術(shù)上造成傳動、驅(qū)動與控制單元的優(yōu)化設(shè)計目標，復(fù)合運動力和運動參數(shù)的精確協(xié)同控制方法等問題研究的理論依據(jù)不完備。

3.3 基于功能材料的新型驅(qū)動

3.3.1 基于功能材料的驅(qū)動機理研究

近年來國內(nèi)外對各種功能材料的驅(qū)動機理展開了深入的研究，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，通過對弛豫式壓電單晶材料驅(qū)動機理的研究，使壓電材料的應(yīng)變提高了將近一個數(shù)量級。在SMA研究方面，由于需要不斷對其加熱、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）窄帶振動中，這就大大限制了材料的應(yīng)用，通過對其驅(qū)動機理的研究，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一步提高。另外，現(xiàn)有的SMA本構(gòu)模型在實際工程應(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需要研究的重要課題［6，11］。在離子聚合物金屬復(fù)合材料（IPMC）方面，IPMC產(chǎn)生宏觀變形的微細觀機理一直是科學界極為關(guān)注的焦點［12］。近年來，國內(nèi)外一些研究學者從實驗現(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、實驗分析、性能檢測和定性描述等材料科學領(lǐng)域，而對于IPMC的驅(qū)動機理及理論建模等方面還有待進一步研究。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，未來新型功能材料的研究應(yīng)具有高效率、多元化、精細化、智能化和綠色化的特點。近年來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，以用于未來的機器人驅(qū)動或醫(yī)療器械中［14－15］。

3.3.2 新型驅(qū)動結(jié)構(gòu)的研究

為了滿足工程中不同用途對驅(qū)動形式提出的要求，在研究新型功能材料性能的同時，驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動形式等也得到不斷改進，使得驅(qū)動器的性能逐步提高。如在壓電復(fù)合驅(qū)動器方面，國內(nèi)外在壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動器、壓電疊堆驅(qū)動器、復(fù)合式壓電驅(qū)動器等方面取得了顯著進展［6］。雖然國內(nèi)外在新的驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式與原理研究方面做了不少工作，取得了一些進展，但距實際應(yīng)用還有較大差距，迫切需要加強深層次的基礎(chǔ)研究。如壓電驅(qū)動器雖然具有高頻響、大推力、小體積等優(yōu)點，但通常也存在位移小、非線性、滯回大等缺陷，為了匹配負載輸出特性（連續(xù)更大位移驅(qū)動要求），就必須采用機械、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作用于液體，通過能量變換來形成驅(qū)動的壓電流體輸送器或壓電能量傳遞器，以實現(xiàn)大位移的連續(xù)驅(qū)動，是目前的研究熱點之一，其高頻高壓條件下的液固耦合特性是需要進一步研究的問題。在功能材料新型驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面，將兩種或多種功能材料以多層微米級的薄膜復(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)動材料復(fù)合在一起，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，解決SMA響應(yīng)速度慢和壓電材料應(yīng)變小的問題。實現(xiàn)這種復(fù)合驅(qū)動器的關(guān)鍵是要解決界面結(jié)構(gòu)及動力學互協(xié)調(diào)性［12］?？傊こ虘?yīng)用對功能材料驅(qū)動器提出了高可靠性、高性能、易于集成等要求，單一功能材料驅(qū)動器已經(jīng)無法滿足，因此新型驅(qū)動與傳動方式必須向多相、復(fù)合、多物理場驅(qū)動形式發(fā)展。結(jié)合相關(guān)學科的新成果，包括新原理、新材料，開發(fā)具有多物理場耦合的驅(qū)動技術(shù)應(yīng)成為未來新型驅(qū)動器發(fā)展的一個重要方向。

3.3.3 功能材料驅(qū)動一體化設(shè)計理論研究

基于功能材料的驅(qū)動與傳動技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是朝著集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展的。集成化可以分為兩個方面，一方面是將功能材料與機械放大機構(gòu)、液壓放大系統(tǒng)等相集成，提高驅(qū)動器的性能；另一方面是將功能材料直接與被驅(qū)動的對象相集成，實現(xiàn)驅(qū)動器和機械或結(jié)構(gòu)的一體化［12－13］。多功能化也分為兩個方面，一方面是用一種功能材料實現(xiàn)多種功能，如壓電材料既用于驅(qū)動，同時也用于傳感，實現(xiàn)所謂的自感知驅(qū)動器；再如將壓電材料用于驅(qū)動，同時又用于能量回收，實現(xiàn)能量自供給的驅(qū)動系統(tǒng)；另一方面是集成多種功能材料來實現(xiàn)多種功能，如將壓電材料與形狀記憶合金集成，實現(xiàn)小位移高精度驅(qū)動和低頻大位移驅(qū)動。智能化是在驅(qū)動器上進一步集成信號處理系統(tǒng)或控制系統(tǒng)，實現(xiàn)具有一定智能特點的驅(qū)動器。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，驅(qū)動器的智能化已經(jīng)成為一個重要研究方向。

4 未來5～10年優(yōu)先資助方向建議

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

圖4 新型精密傳動領(lǐng)域未來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)動與傳動部件的可靠性設(shè)計、精密制造與實驗方法目前仍然是研究薄弱的領(lǐng)域，應(yīng)進一步研究以電磁場、剛性體、流體等作為傳動介質(zhì)的機械、液壓、氣動與液力等傳動方式，實現(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、電、液、磁物理過程的能量流從匯集、分配、調(diào)制和變換層面進行協(xié)同組織，從而構(gòu)筑新型的傳動原理。

建議重點開展如下研究：①高性能功率傳動的宏微性能作用機理及其調(diào)控理論；②混合動力傳動的復(fù)合模式與參數(shù)匹配；③ 直接驅(qū)動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)境下功率傳動的動態(tài)服役行為規(guī)律及其適應(yīng)性設(shè)計。

4.2 復(fù)合驅(qū)動與傳動精密調(diào)控理論與方法

典型機器裝備的工作特點是大行程、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)動與傳動方式在體積、質(zhì)量、行程、靜動態(tài)精度、可靠性等方面難以滿足要求。通過精度設(shè)計、載荷匹配、動力學與控制集成建模及優(yōu)化、制造裝配精度與動力學特性設(shè)計、機構(gòu)和嵌入式傳感驅(qū)動并行優(yōu)化等基礎(chǔ)科學問題的研究，構(gòu)建面向整體性能優(yōu)化的新型復(fù)合精密傳動單元的設(shè)計、制造、控制的理論和方法體系。

建議重點開展如下研究：①精密復(fù)合驅(qū)動傳動的運動、力、能量的匹配與控制策略；②特殊環(huán)境下精密傳動的精度與動力學行為；③具有智能結(jié)構(gòu)特征的機構(gòu)、驅(qū)動、測試和控制集成優(yōu)化；④制造裝配過程的精度與動力學特性綜合設(shè)計。

4.3 智能結(jié)構(gòu)與新型作動器的驅(qū)動機理

智能結(jié)構(gòu)與新型作動器的精度、動態(tài)特性的研究需要多學科相互結(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起步階段，遠未達到工程應(yīng)用的要求。

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

5 結(jié)束語

精密傳動應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，對運載、機器人、機床、新能源裝備等機電裝備的整體性能、安全與可靠性有直接的影響。在新能源、大飛機、高分辨率對地觀測、高檔數(shù)控機床等國家重大專項和新型武器裝備研制中，有諸多與精密傳動機構(gòu)有關(guān)的重要科學問題有待解決。應(yīng)當及時抓住國家重大裝備發(fā)展的機遇，組織全國優(yōu)勢研究力量，瞄準學科前沿，針對高效精密傳動設(shè)計與制造前沿涉及的科學問題開展深入、系統(tǒng)的研究，探索傳動精度、效率、承載、磨損、失效等性能的成因機理和變化規(guī)律，突破傳動內(nèi)部的多相、多場作用與耦合等內(nèi)容的研究瓶頸，研究設(shè)計、制造和環(huán)境等因素對驅(qū)動和傳動性能的作用機理，形成精密傳動領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法體系，為我國新型傳動基礎(chǔ)部件設(shè)計制造水平提升和可持續(xù)發(fā)展提供強有力的學科基礎(chǔ)支撐。

［1］ 中國科學技術(shù)協(xié)會.2008－2009機械工程（機械制造）學科發(fā)展報告［M］.北京：中國科技出版社，2009.

［2］ 中國機械工程學會生產(chǎn)工程分會.機械制造科技發(fā)展研究報告［M］.北京：中國科學技術(shù)出版社，2008.

［3］ Garcia E.Smart Structures and Actuators：Past，Present，and Future［C］／／Proc.SPIE，Smart Structures and Materials 2002：Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies.San Diego，2002：1－12.

［4］ Pasquale M.Mechanical Sensors and Actuators［J］.Sensors and Actuators A，2003，160：142－148.

［5］ Motahari S A，Ghassemieh M.Multilinear One－dimensional Shape Memory Material Model for Use in Structural Engineering Applications［J］.Engineering Structures，2007，29（6）：904－913.

［6］ Hubbard N B.Actuators for Micropositioners and Nanopositioners［J］.Applied Mechanics Reviews，2006，59：324－334.

［7］ Behzadipour S.Kinematics and Dynamics of a Selfstressed Cartesian Cable－driven Mechanism［J］.Journal of Mechanical Design，2009，131（6）：1－10.

［8］ Hopkins J B，Culpepper M L.Synthesis of Multidegree of Freedom，Parallel Flexure System Concepts via Freedom and Constraint Topology（FACT）－Part I：Principles［J］.Precision Engineering，2010，34（2）：259－270.

［9］ Chen S C，Culpepper M L.Design of a Six－axis Micro－scale Nanopositioner－uHexFlex［J］.Precision Engineering，2006，30：314－324.

［10］ Huang S J，Wang Sushan.Mechatronics and Control of a Long－range Nanometer Positioning Servomechanism［J］.Mechatronics，2009，19（1）：14－28.

［11］ Ouyang P.Hybrid Intelligent Machine：Design，Modeling and Control［D］.Saskatoon：University of Saskatchewan，2005.

［12］ Cagatay S，Koc B.A 1.6mm Metal Tube Ultrasonic Motor［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，2003，50（7）：782－786.

［13］ 趙淳生.超聲電機技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：科學出版社，2007.

［14］ Nguyen T T，Goo N S，Nguyen V K，et al.Design，F(xiàn)abrication，and Experimental Characterization of a Flap Valve IPMC Micro Pump with a Flexibly Supported Diaphragm［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2008，141（2）：640－648.

［15］ Jeon J H，Yeom S W，Oh I K.Fabrication and Actuation of Ionic Polymer Metal Composites Patterned by Combining Electroplating with Electroless Plating［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2008，39（4）：588－596.