南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊 淋 趙淳生
作動器是高端裝備和智能裝備的重要基礎(chǔ)部件,廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備及機(jī)器人等領(lǐng)域,作為現(xiàn)代裝備向高精度、高效率、高可靠性、智能化和輕量化方向發(fā)展的核心部件之一,其水平對提升國家科技影響力和國防威懾力具有重要作用。
作動器性能包括精度、效率、可靠性、穩(wěn)定性、功率密度、響應(yīng)速度、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性等。以電磁電機(jī)-減速傳動機(jī)構(gòu)為代表的傳統(tǒng)作動機(jī)構(gòu),受傳動鏈中間隙、彈性變形等因素的限制,其重量不易減輕,精度難以提高。同時,由于作動器在抗電磁干擾、改善高/低溫和真空環(huán)境適應(yīng)能力等方面都較差,需增配保障裝置,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的重量和復(fù)雜性增加、可靠性降低。20世紀(jì) 80 年代以來,在振動和波動學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電力電子、材料及控制科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展和交叉融合的基礎(chǔ)上,新型作動器超聲電機(jī)(USM)實(shí)現(xiàn)了從原理到實(shí)際運(yùn)行的突破,已逐步成為發(fā)達(dá)國家提升航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備運(yùn)動與定位精度的關(guān)鍵部件之一。
超聲電機(jī)及其結(jié)構(gòu)分解圖如圖 1 所示。超聲電壓施加在壓電陶瓷片上,使定子產(chǎn)生微幅波動,在定子和轉(zhuǎn)子(動子)間界面的摩擦作用下,定子的微幅波動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子(動子)的宏觀轉(zhuǎn)動(直線運(yùn)動)。超聲電機(jī)具有與電磁機(jī)不同的一些特點(diǎn):(1)扭矩與重量比大(為電磁電機(jī)的 3~10 倍);(2)無需減速齒輪箱,就能實(shí)現(xiàn)低速大扭矩等;(3)響應(yīng)快(毫秒級);(4)分辨率高,控制性好。此外,還具有斷電自鎖、電磁兼容性好、噪聲小、可在真空和高/低溫環(huán)境下工作、形狀多樣化、效率不隨尺寸減小而下降等特點(diǎn),這些正是航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備特別需要的。
自20世紀(jì) 80 年代開始,超聲電機(jī)技術(shù)在日本得到了長足的發(fā)展,在90 年代末達(dá)到商業(yè)化水平。90年代,日本 Canon 公司花費(fèi) 10 億日元建立了一條超聲電機(jī)生產(chǎn)線,年產(chǎn) 20萬~40 萬臺超聲電機(jī),并成功應(yīng)用在照相機(jī)自動聚焦系統(tǒng)、手表、汽車、機(jī)器人、核磁共振儀、電動窗簾以及卡片傳輸機(jī)等產(chǎn)品上。豐田公司成立了專門生產(chǎn)超聲電機(jī)的子公司,將超聲電機(jī)應(yīng)用在汽車工業(yè)。此外,日本 Shinsei 公司、Technohands 公司、Fukoku 公司、Seiko 公司也都在銷售超聲電機(jī)。圖2為超聲電機(jī)在高端裝備和智能裝備上的應(yīng)用。此后,其他發(fā)達(dá)國家如美國、德國、法國、以色列、韓國等,也掀起了研究和應(yīng)用超聲電機(jī)的熱潮,他們投入了大量人力、物力開發(fā)超聲電機(jī),努力追趕日本。目前,美國 DTI 公司、Micromechatronics公司、Piezo Systems 公司、New Scale Technologies 公司,韓國Piezo Electric Technology 公司,德國 PI 公司和Ellipt 公司,以色列 Nanomotion公司,英國 Morgan、Flexmotor 公司,瑞典 Piezomotor 公司等都在研究或生產(chǎn)超聲電機(jī)。特別值得注意的是,美國正在不斷把超聲電機(jī)應(yīng)用在航空航天器和武器系統(tǒng)上。
早在1997 年,美國國家航空航天局(NASA)與麻省理工學(xué)院(MIT)合作,首次將超聲電機(jī)應(yīng)用于火星探測器:MicroArmⅠ使用了1臺力矩為 0.05 N·m的超聲電機(jī);MarsArm Ⅱ使用3臺力矩為 0.68 N·m 和1臺力矩為0.11 N·m 的超聲電機(jī),它們比具有同等功能的直流電機(jī)輕 40%。隨后,美國又在核彈頭解密鎖和導(dǎo)彈制導(dǎo)中應(yīng)用了超聲電機(jī)。據(jù)美國國防部導(dǎo)彈防御組織(BMDO)報道,AERC 公司正在按照合同為BMDO 研發(fā)超聲電機(jī),并使之應(yīng)用于導(dǎo)彈子系統(tǒng)的安全引信裝置中。為了研發(fā) BMDO 要求的原型超聲電機(jī),AERC 公司和美國聯(lián)合信息公司(美國國防部八大軍火供應(yīng)商之一)簽訂了合同。AERC 公司是美國制造超聲電機(jī)最好的工廠之一,且得到美國能源部的支持。在國防和國家安全領(lǐng)域,受到一些關(guān)鍵性能的限制,傳統(tǒng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)不再適用,而早在2008 年美國 DTI 公司就曾報道過,該公司研制的新型超聲電機(jī)系統(tǒng)可應(yīng)用于這些領(lǐng)域。最近幾年,美國一直致力于將超聲電機(jī)推廣應(yīng)用于智能飛機(jī)上,NASA正在研制隱形智能機(jī)翼。他們分別對電磁電機(jī)、形狀記憶合金、電活性聚合物、壓電/液壓泵以及超聲電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明應(yīng)用超聲電機(jī)的方案效果最好,可實(shí)現(xiàn)無鉸鏈的變形翼展、高效和快速驅(qū)動,達(dá)到 80°/s偏轉(zhuǎn)速率,能有效抑制飛機(jī)顫振。
在20 多年時間里,南京航空航天大學(xué)趙淳生院士研究團(tuán)隊(duì)開展的超聲電機(jī)研究工作取得顯著成果,研發(fā)了3個系列(板式、桿式和空心式), 60多種樣機(jī);發(fā)表論文700多篇,出版中、英文專著《超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用》各一部;申請了300多項(xiàng)國家發(fā)明專利,其中已授權(quán)170多項(xiàng);趙淳生院士獲得“江蘇省十大杰出專利發(fā)明人”榮譽(yù)稱號;“超聲電機(jī)的研究”項(xiàng)目獲國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎,“新型超聲電機(jī)技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎;“大行程、高精度、快響應(yīng)直線壓電電機(jī)”獲教育部技術(shù)發(fā)明獎一等獎和國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎;2014年趙淳生院士先后獲得何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎,IWPMA(Interational Workshop on Piezoelectirc Materials and Applications in Actuators)組委會頒發(fā)的“壓電超聲領(lǐng)域終生成就獎”及美國Virginia Tech的能量收集材料和系統(tǒng)中心(CEHMS)頒發(fā)的“超聲電機(jī)技術(shù)突出貢獻(xiàn)獎”;作為起草單位制定了軍用超聲電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);主導(dǎo)制定的超聲電機(jī)技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)已完成初稿;目前已著手起草國際超聲電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
為了響應(yīng)國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的號召,依托南京航空航天大學(xué)并以趙淳生院士團(tuán)隊(duì)為核心,成立了南京航大超控科技有限公司,將不斷推動超聲電機(jī)走向產(chǎn)業(yè)化。其中小批量生產(chǎn)的超聲電機(jī)產(chǎn)品已用于嫦娥3以及其他衛(wèi)星上,效果顯著,如圖3所示。民用方面,超聲電機(jī)已應(yīng)用于核磁共振注射器、細(xì)胞穿刺裝置及多種光學(xué)儀器上。表1為南京航大超控科技有限公司生產(chǎn)的超聲電機(jī)產(chǎn)品的性能指標(biāo)。
表1 超聲電機(jī)產(chǎn)品的性能指標(biāo)
現(xiàn)階段我國生產(chǎn)的超聲電機(jī)的性能還不能完全滿足航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備的要求。雖然國外生產(chǎn)的超聲電機(jī)性能不斷提高,在航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備中已經(jīng)廣泛應(yīng)用,但由于涉及航空航天、武器裝備等領(lǐng)域,超聲電機(jī)核心技術(shù)資料均處于保密狀態(tài),鮮有文章發(fā)表,其產(chǎn)品也禁止對我國出售。因此,我們只能依靠自己的力量,對超聲電機(jī)技術(shù)進(jìn)行更深入、更系統(tǒng)的研究,從提高超聲電機(jī)的精度、穩(wěn)定度、耐沖擊強(qiáng)度和降低轉(zhuǎn)速極限等方面入手,研制出能滿足高端裝備和智能裝備要求的超聲電機(jī),以打破其他國家在高性能超聲電機(jī)產(chǎn)品上對我國的封鎖。為此,針對航空航天、武器裝備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)Τ曤姍C(jī)的要求與應(yīng)用現(xiàn)狀,以趙淳生院士團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有的超聲電機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),對超聲電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),深入而系統(tǒng)地研究超聲電機(jī),揭示其系統(tǒng)的時變非線性規(guī)律, 提出實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定度和極慢轉(zhuǎn)速輸出的驅(qū)動與控制理論和方法,研制出一種精度、穩(wěn)定度、強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速梯度都較高的超聲電機(jī),其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造方便, 可實(shí)現(xiàn)以下性能指標(biāo):(1)位置精度高于1";(2)位置分辨率優(yōu)于0.1";(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度接近編碼器極限精度;(4)極低轉(zhuǎn)速,可達(dá)到0.5"/s(1r/月);(5)耐沖擊加速度(峰值)不小于20000g(g為重力加速度)。
為了實(shí)現(xiàn)上述性能指標(biāo),必須研究和解決以下關(guān)鍵技術(shù):(1)超聲電機(jī)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及方法,如建立響應(yīng)面模型,最后通過相應(yīng)算法獲取定、轉(zhuǎn)子尺寸的目標(biāo)最優(yōu)解;(2)研制碟形彈簧,保證超聲電機(jī)在零剛度區(qū)域內(nèi)工作,實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)預(yù)壓力的恒定,從而提升超聲電機(jī)的精度、穩(wěn)定度;(3)研究超聲電機(jī)非線性現(xiàn)象及其控制規(guī)律,增加超聲電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性;(4)實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)高精度、高穩(wěn)定度的驅(qū)動與控制,設(shè)計(jì)出雙PWM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)超聲電機(jī)驅(qū)動控制器,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號的精確控制;(5)優(yōu)化超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì),研制出能耐20000g沖擊加速度(g為重力加速度)的超聲電機(jī)。
本文得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目號:51575265)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助。