新型精密传动机构设计与制造综述

王国彪 赖一楠 范大鹏 杨华勇 王时龙

1.国家自然科学基金委员会，北京，100085 2.国防科学技术大学，长沙，410073 3.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州，310027 4.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400044

0 引言

机械基础件作为机电装备发展的基础和核心，品种规格繁多、量大面广，其性能和水平决定着主机和机械装备的质量与可靠性，是国民经济、国防重大装备研制和新型制造业发展的重要保障和条件。其基础研究的突破不但对机械学科的发展起支撑作用，也有利于提高我国关键基础件的自主创新能力，改变长期以来高端基础件依赖进口的局面。

已经有十余年历史的“双清论坛”是国内自然科学最高层次的论坛之一，也是国家自然科学基金委员会确定优先资助领域的一个重要平台。面对机遇与挑战，以国家重大需求和学科前沿为立足点，国家自然科学基金委员会机械工程学科借助“双清论坛”这个高端平台于2009年10月30日至11月1日在重庆召开了第43期主题为“新型精密传动机构设计与制造”的学术研讨会。研讨会旨为：以提高我国基础件的科学研究水平和自主创新能力为目标，以高性能机械传动件的基础研究为突破口，汇集国内相关研究领域科学家的智慧，研讨机械传动件研究中的学科前沿问题，促进学科交叉，形成战略规划。

论坛议题如下：①新型精密传动机构的现状、机遇与挑战，相关科学发展前沿、技术动态、需求分析；②新型精密传动的基础理论、共性技术、装备以及多学科交叉与集成；③柔性／柔顺结合精密传动新原理及新机构研究；④精密分布柔顺运动副新原理及设计方法；⑤面向典型应用的精密传动机构动力学分析与集成优化；⑥极端环境下精密传动装置的结构性能与失效机理研究；⑦柔顺传动机构精密制造与质量保证技术。

1 精密传动领域面临的挑战

我国能源、交通、航空、航天、航海、兵器等领域的发展，对传动部件及系统的精度、效率、功率密度、可靠性、环境适应性等提出了更高的要求。作为装备的基础与核心，基础件和通用部件在“国家中长期科学和技术发展规划纲要”中被列为优先主题。国家16个重大专项中，14个专项都涉及机械传动部件与单元相关的关键技术。

如图1所示，围绕低碳经济、新能源战略及可持续发展对基础部件的需求，当前精密传动领域面临着众多的挑战。

图1 当前精密传动领域面临的挑战

（1）新能源装备、基础制造装备对大功率、高效和高可靠性提出的挑战。太阳能、风能、氢能、核能、水能和海洋能等新能源装备必须满足大功率、高可靠性、特殊环境适应性等要求，如关键部件的抗冷脆性特性、长寿命、特殊环境自适应能力。目前我国此类装备的寿命与国外产品相比仍有较大差距。究其原因在于对大功率、长寿命驱动与传动部件的性能成因、演变规律等基础科学问题的认识不够深入，制约了大功率传动技术与装备研发和制造水平的提高。随着高档数控机床等国家重大专项的实施，一批基础制造装备陆续开始研制，如万吨级锻压机、巨型操作机、大型升降平台、高能量阻拦装置等，其轴承、齿轮、液压泵阀、密封等基础件是这些装备的关键部件，我国尚未完全掌握其传动系统设计的关键技术，因而产品市场竞争力弱，高端产品被国外厂家垄断［1－2］。其主要原因是我国相关基础研究缺乏，对关键摩擦副界面间的力、运动相互作用与润滑机理认识不够，这严重限制了基础元件负载能力、传动精度和使用寿命的提高。高效、高可靠、智能化、机电一体化的传动系统与部件迫切需要大量的多场耦合问题的基础研究，这些研究将大大促进机械基础件设计制造水平的提高，并显著提升我国自主品牌机械基础传动部件产品市场竞争力。

（2）高精尖装备对高精度和高动态性能提出的挑战。微纳制造、光制造、超精加工、生物医学等领域都迫切需要现代精密驱动的理论和技术支撑，以实现加工工具或核心部件空间位置的精确定位和快速调整。如航空遥感相机位移补偿需要采用回转精度为30μrad以上的精密传动机构；在激光约束核聚变工程中需要对光栅实现5个自由度的超精密位姿调整，直线和回转精度要求分别为20nm和1μrad。

（3）国防装备对新型驱动与作动器的形式和性能提出的挑战。在国防需求的牵引下，大型飞机、新一代战机、载人航天与探月工程等装备对驱动器件提出了很高的性能要求，如变体飞行器的驱动器要求驱动应变能达到10%，应力达到200MPa，同时响应频率达到100Hz。

2 精密传动的主要研究内容

在各种机械和自动化装备中，传动主要用于实现能量的转换、传递、分配以及运动形态的调整和控制功能，以达到装备所需的精度、动态响应及传动效率等要求。按能量转换的原理不同，传动既包括机械、流体、气体等传统的传动方式，也包括直驱、磁力、功能材料、智能结构、一体化作动器等新型传动方式，传动部件的结构形式随应用场合不同也多种多样。从机械装备的绿色化、精密化与智能化的发展趋势来看，目前的研究集中在以关注能量转换和传递效率为主的多介质多形式高效功率传动、以关注传动精度为主的精密复合传动和以关注智能化为主的基于功能材料的新型驱动三大方面，其传动功率、传动精度关系曲线如图2所示。

（1）多介质多形式高效功率传动。多介质是指机、电、液、气、磁、光等介质；多形式是指机电、机液、电液（气）、光电、功能材料等两种或多种能量转换与传递形式集成化；高效是指低摩擦损耗、高效率、工况和环境变化适应性强的空间运动和功率传递方式。这类传动以传递功率为主要目的，典型的如车辆的机械变速箱和液力变矩器、风电设备的齿轮箱、盾构设备的液压传动装置等。通过精密化设计和制造，实现高的传动效率和可靠性是该类传动设计制造追求的主要目标。

图2 新型传动方式的功率、精度关系

（2）精密复合传动。精密复合传动指采用啮合、摩擦、柔性／柔顺、宏微复合、气浮、液浮、磁浮、电浮等直接或间接的驱动与传动方式，结合传感及控制单元，实现精确的运动变换和负载功率匹配。这类传动以实现高的运动变换精度和动态性能为主要目的，典型的如数控机床的直线工作台用的机械、气浮、液浮导轨和丝杠传动装置、IC制造装备中的微纳米定位装置、卫星上的精密指向传动装置。高的传动精度和动态响应性能是这类传动机构设计制造关注的主要目标。

（3）基于功能材料的新型驱动。基于功能材料（压电陶瓷、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金（SMA）等）的新型驱动是一个集机械、力学、电学、磁学、光学、控制等多学科交叉、相互融合的研究方向［3－4］。这类驱动以实现复杂的运动和能量变换为主要目的，典型的如用于新型飞机气动性能补偿的智能机翼结构、飞机操纵用液压和电传动作动器［5］。研究具有高的运动和能量转换效率的功能材料，开发新的智能结构和高性能作动器是这类传动机构理论和应用研究关注的主要目标。

3 精密传动的研究热点及发展趋势

无论何种传动方式，精密化是有效保证其使用性能和可靠性的前提，而掌握不同传动的内在运动与能量传递机理、传动性能成因及其调控方法，是研究新型精密传动设计理论、实现数字化制造、保证制造装配精度的基础。

如图3所示，本文从多介质多形式功率传动、精密复合传动、新型智能结构与作动器传动三个方面介绍当前的研究热点和发展趋势。

图3 新型精密传动的研究内容和热点

3.1 多介质多形式高效功率传动

3.1.1 新型直驱系统

原动机直接带动负载实现“零传动”是最理想的高效传递方式，然而由于传统的原动机本身输出扭矩、转速性能的约束，使其与负载的直接匹配能力受到限制，虽然出现了电机直接驱动和液压直接驱动装置，但可选方案仍较为有限。转速与转矩适应范围宽、没有传动链、能直接驱动负载的高效原动机研究一直受到高度的重视，如在电机直接驱动方面，可以取消从电机到工作负载部件之间的机械传动环节，由电机直接驱动工作部件动作，实现所谓“近零传动（near－zero transmission）”；在液压直接驱动方面，汽车制造商已经设计出宽转速范围内提供90%以上的扭矩输出的高效发动机和总效率超过90%的液压泵，并在新型液压混合动力高级轿车和风力发电液压驱动系统中得到应用，为液压无级调速技术提供了广阔的发展空间。

采用泵控容积驱动实现液压直驱是解决传统阀控液压调速系统能量利用率低、系统发热、故障率高问题的理想途径，其能量利用率较阀控方式可提高40%以上，已成为重载大功率流体传动装备发展的方向之一，但其核心驱动部件——液压泵／马达仍难以满足现代装备宽调速范围和高效率的要求。与此同时，与发动机融为一体的轴向柱塞泵（往复式原动液压泵）也逐渐成为前沿研究的热点。但就液压直接驱动而言，开展泵关键摩擦副部件高速高压下其结构、支承条件、摩擦／磨损／润滑及材料制备工艺等基础研究，建立相关设计理论与方法，为提高制造精度、改善润滑条件提供科学依据，是研制出高性能液压直驱部件的关键。

3.1.2 液压基础元件基础理论

随着液压元件向着高压、高速、高精度、高可靠性、高频响、轻量化方向发展，传统的液压元件与系统设计理论、润滑理论、密封技术已很难满足现代高压、高性能液压部件和系统数字化设计制造的要求。液压基础元件的基础理论研究受到高度重视。如高性能驱动和传动基础部件的研究随着摩擦学、计算流体力学以及有限元分析技术的发展在最近20年来发展非常迅速，取得了许多重要的成果。高精度油膜厚度位移传感器、扫描电镜（SEM）等新的测试手段得到较多应用，更深入地探明了摩擦副粗糙尺度微米级油膜的润滑机理，解析了初期设计摩擦副超出材料许用pV值而仍能正常工作的问题，同时对动态油膜承载能力、油膜动力学、敏感度分析、流体动压等润滑特性的分析更为精确和迅速，近年来在摩擦副形貌与摩擦力关系、能量耗散、热楔效应、耐磨涂层的摩擦界面行为、磨损规律、超小摩擦因数材料、气穴噪声等方面取得了一系列的成果，部分成果已经在高压柱塞泵、轴承、密封等的摩擦副和泵体运行的减振降噪中得到应用。

液压基础元件特性研究在我国的一些高校及研究单位取得了较大进展，目前研究存在的主要问题是基础理论研究不够深入。随着载荷和转速的不断提高和优化，对其摩擦副的润滑提出了新的更高要求。如液压元件要实现70MPa的压力，润滑特性产生强烈的粗糙度效应；转速的进一步提升，正比于速度的流体动压力、惯性力将超过流体静压力，摩擦副的动力学特性将占据主导地位。摩擦表面微结构设计、微细精密加工方式将成为改善润滑特性的关键。

3.1.3 混合驱动的匹配与控制

混合动力驱动方式的独特技术优势已引起了关注，热点研究首推混合动力汽车的研究方向，众多学者对内燃机－电混合、内燃机－液压混合两种主要的技术方案进行了大量的研究工作，通过把两种或以上不同驱动形式集成化，就可以得到性能优异的高效驱动单元，可大幅提高能量的利用率。这两种混合驱动与传动的方式在装备中的应用前景广阔。另外，结合电池、电容、蓄能器或飞轮等能量存储部件的混合驱动方式也逐渐成为了新型能源动力装备研究的热点。

3.2 精密复合传动

3.2.1 精密齿轮传动

近年来，新型精密传动机构在航空航天、微机械传动、工业机器人、卫星通信等领域中的使用越来越广泛，对精密齿轮传动提出了三大（传动比大、承载能力大、刚度大）、二高（运动精度高、传动效率高）、一小（回差小）的要求。探索高精度、低／无侧隙传动的新原理、新方法，解决现有精密传动特别是摆线类精密传动的设计以及制造、润滑、可靠性等关键问题，是众多研究者关注的热点之一。

3.2.2 新的精密传动方式基础理论研究

追求高的传动精度和动态性能是新型精密传动方式探索的主要目标之一。以精密齿轮传动为例，尽管高精密级谐波减速器的传动误差已能小于250μrad左右，但仍不能满足光学精密机械装备中对传动精度要优于20μrad的要求，两者相差一个数量级以上。因此，新的传动原理，如摩擦传动、柔索传动、柔顺传动、宏微复合传动及气浮和磁浮传动等精密传动方式受到广泛的重视并得到深入的研究［6］。

摩擦传动是利用主动轮与从动轮之间的摩擦来传递运动的力，具有传动平稳、传动精度高的特点，采用扭轮摩擦传动的直线定位精度可达数十纳米量级，研究的焦点在于如何从过去的减小摩擦到主动利用摩擦，以实现对传动力和位移的精确控制，研究的方法是采用弹性力学和有限元理论对摩擦副的运动和力学特性进行分析和设计。

柔索传动是通过主从动轮之间精确预紧的钢丝绳实现精密传动［7］，具有传动方式灵活、精度高、质量轻的特点。目前柔索传动的精度已优于100μrad，效率在99%以上，研究的重点包括钢丝绳预紧力、摩擦力与传递力矩间的关系以及用于实现两轴以上复合传动时的运动学、动力学耦合特性和解耦方法等方面。

柔顺传动利用构件的弹性变形特点，通过对变形的精确控制实现精密传动，具有运动分辨率高、无摩擦、无需润滑、制造工艺简单等独特优点，已在微纳米测量、IC制造、精密加工、光学对准等仪器设备中得到大量应用。近年来，国内外学者围绕柔顺机构在多自由度微米、纳米定位中的应用已开展了较多的研究，研究的核心问题是如何实现机构变形所需柔度和支撑负载所需刚度的统一。在柔顺机构拓扑优化及运动自由度计算、基于伪刚体模型方法的动力学性能分析等方面目前已取得了重要的进展，但相关研究以平面运动机构的拓扑优化、运动分析、准静态力学特性为主。由于没有运动副，柔顺传动可以具有高的动态响应性能，但是面向高响应传动特性应用要求所需的动力学分析和建模、多自由度运动与力学特性耦合等问题近年来才受到重视［8］，研究还不够深入，尚不能完全解释柔顺传动的固有模态、动态响应、频率特性、耦合特性的成因机理，设计参数、制造工艺因素与传动特性之间的灵敏度关系还不够清楚，这使得柔顺传动的应用主要集中在负荷较小、动态使用性能要求不高的场合，所形成的理论与方法还不能满足高性能复合精密传动对承载能力、行程范围、精度和动态响应特性分析与设计的要求。精密柔顺传动的动力学行为的系统分析与建模、传动过程的能量流转换规律及动力学特性设计准则等将是今后一个时期研究的热点。

宏微复合传动由于具有大行程、高精度、高速度的特点，在生物分子操作、微纳米制造、微光机电系统等领域有广泛的应用前景，受到高度的重视。研究的重点集中在基于各种功能材料的多轴驱动传动原理、宏微运动转换状态下的运动与力学特性不确定性、刚性与柔性传动耦合特性分析、多自由度运动误差建模以及智能传感与控制方面。

气浮和磁浮传动具有行程范围大和定位精度速度高的特点，它通过对气膜、磁力控制实现悬浮和直线推动，据此原理设计的气浮、磁浮轴承和导轨能够满足高性能电子、IT等行业产品制造设备中超精密、超洁净、高效率的要求，是将来高速高精直线运动的最佳选择。由于悬浮导向原理、承载与导向支撑的理论方法是开发各种直线副、转动副、平面副、球面副等运动副的基础，因此得到较多的研究，研究的重点集中在浮动边界条件分析与设计、承载能力计算、运动与动力学瞬态分析、大位移纳米分辨率测量及定位控制方法这些方面。

3.2.3 机构控制集成分析理论与方法

精密复合驱动与传动装置都由驱动、传动、控制三部分组成，各自的行为特性及相互作用特性共同影响着装置的整体精度和动力学性能。只有实现三者之间的性能互补，才能达到装置整体性能的最优，因此必须要研究各部分之间机电磁等物理场之间的信息、能量作用与转换规律，掌握各部分性能对整体性能的作用机制，明确各自的为实现性能互补应满足的设计约束和设计目标。这样也才能实现真正意义上的机构控制一体化最优设计［9－10］。目前开展机构控制一体化的研究还只局限于对简单的驱动或传动部件建模和一体化设计，还未能形成完整的设计理论框架和设计流程，主要原因在于从理论上尚不能完全解释驱动传动过程的力运动特性成因、能量传递及耦合机理、质量动量相互作用及其不确定性等因素对传动行为的影响等问题。在技术上造成传动、驱动与控制单元的优化设计目标，复合运动力和运动参数的精确协同控制方法等问题研究的理论依据不完备。

3.3 基于功能材料的新型驱动

3.3.1 基于功能材料的驱动机理研究

近年来国内外对各种功能材料的驱动机理展开了深入的研究，并取得了许多突出的研究成果。如在新型压电功能材料的研究方面，通过对弛豫式压电单晶材料驱动机理的研究，使压电材料的应变提高了将近一个数量级。在SMA研究方面，由于需要不断对其加热、冷却及加载、卸载，且材料变化具有迟滞性，因此其只适用于低频（10Hz以下）窄带振动中，这就大大限制了材料的应用，通过对其驱动机理的研究，可大幅改善位移与温度的迟滞特性，但是其频响特性还有待进一步提高。另外，现有的SMA本构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷，如何克服这些缺陷，从而精确地模拟出SMA的材料行为也是一个需要研究的重要课题［6，11］。在离子聚合物金属复合材料（IPMC）方面，IPMC产生宏观变形的微细观机理一直是科学界极为关注的焦点［12］。近年来，国内外一些研究学者从实验现象出发，提出了许多解释其变形现象的理论［13］，为后续的研究奠定了一定的基础。研究主要偏重于材料制作、实验分析、性能检测和定性描述等材料科学领域，而对于IPMC的驱动机理及理论建模等方面还有待进一步研究。另外，为适应工程结构逐渐向智能化方向发展的需求，未来新型功能材料的研究应具有高效率、多元化、精细化、智能化和绿色化的特点。近年来智能高分子材料得到一定发展，如高分子凝胶被作为人工肌肉的候选材料加以研究，以用于未来的机器人驱动或医疗器械中［14－15］。

3.3.2 新型驱动结构的研究

为了满足工程中不同用途对驱动形式提出的要求，在研究新型功能材料性能的同时，驱动器的结构、驱动形式等也得到不断改进，使得驱动器的性能逐步提高。如在压电复合驱动器方面，国内外在压电纤维复合材料驱动器、压电叠堆驱动器、复合式压电驱动器等方面取得了显著进展［6］。虽然国内外在新的驱动结构形式与原理研究方面做了不少工作，取得了一些进展，但距实际应用还有较大差距，迫切需要加强深层次的基础研究。如压电驱动器虽然具有高频响、大推力、小体积等优点，但通常也存在位移小、非线性、滞回大等缺陷，为了匹配负载输出特性（连续更大位移驱动要求），就必须采用机械、流体等方式的转换放大，因此空间尺度的转化新方法新原理是研究的新方向。压电泵是将压电陶瓷的变形或振动作用于液体，通过能量变换来形成驱动的压电流体输送器或压电能量传递器，以实现大位移的连续驱动，是目前的研究热点之一，其高频高压条件下的液固耦合特性是需要进一步研究的问题。在功能材料新型驱动结构方面，将两种或多种功能材料以多层微米级的薄膜复合，可获得优化的综合性能或多功能特性，是新型驱动器的发展方向之一，如将铁弹性的形状记忆合金与铁磁或铁电驱动材料复合在一起，可实现优势互补，解决SMA响应速度慢和压电材料应变小的问题。实现这种复合驱动器的关键是要解决界面结构及动力学互协调性［12］。总之，工程应用对功能材料驱动器提出了高可靠性、高性能、易于集成等要求，单一功能材料驱动器已经无法满足，因此新型驱动与传动方式必须向多相、复合、多物理场驱动形式发展。结合相关学科的新成果，包括新原理、新材料，开发具有多物理场耦合的驱动技术应成为未来新型驱动器发展的一个重要方向。

3.3.3 功能材料驱动一体化设计理论研究

基于功能材料的驱动与传动技术的总体发展趋势是朝着集成化、多功能化、智能化方向发展的。集成化可以分为两个方面，一方面是将功能材料与机械放大机构、液压放大系统等相集成，提高驱动器的性能；另一方面是将功能材料直接与被驱动的对象相集成，实现驱动器和机械或结构的一体化［12－13］。多功能化也分为两个方面，一方面是用一种功能材料实现多种功能，如压电材料既用于驱动，同时也用于传感，实现所谓的自感知驱动器；再如将压电材料用于驱动，同时又用于能量回收，实现能量自供给的驱动系统；另一方面是集成多种功能材料来实现多种功能，如将压电材料与形状记忆合金集成，实现小位移高精度驱动和低频大位移驱动。智能化是在驱动器上进一步集成信号处理系统或控制系统，实现具有一定智能特点的驱动器。随着微电子技术的迅速发展，驱动器的智能化已经成为一个重要研究方向。

4 未来5～10年优先资助方向建议

与会专家建议将高性能高效功率传递部件与单元、复合驱动与传动精密调控理论与方法，以及智能结构与新型作动器的驱动机理等作为未来5～10年优先资助方向，具体如图4所示。

图4 新型精密传动领域未来5～10年优先资助方向

4.1 高性能高效功率传递部件与单元

驱动与传动部件的可靠性设计、精密制造与实验方法目前仍然是研究薄弱的领域，应进一步研究以电磁场、刚性体、流体等作为传动介质的机械、液压、气动与液力等传动方式，实现功率传递和能量分配的理论，以及其在特殊环境下的服役行为规律，把机、电、液、磁物理过程的能量流从汇集、分配、调制和变换层面进行协同组织，从而构筑新型的传动原理。

建议重点开展如下研究：①高性能功率传动的宏微性能作用机理及其调控理论；②混合动力传动的复合模式与参数匹配；③ 直接驱动的高效部件的新原理新结构和精密制造方法；④特殊环境下功率传动的动态服役行为规律及其适应性设计。

4.2 复合驱动与传动精密调控理论与方法

典型机器装备的工作特点是大行程、高精度、高速度，而且受工作环境与特殊工况条件的约束，传统的驱动与传动方式在体积、质量、行程、静动态精度、可靠性等方面难以满足要求。通过精度设计、载荷匹配、动力学与控制集成建模及优化、制造装配精度与动力学特性设计、机构和嵌入式传感驱动并行优化等基础科学问题的研究，构建面向整体性能优化的新型复合精密传动单元的设计、制造、控制的理论和方法体系。

建议重点开展如下研究：①精密复合驱动传动的运动、力、能量的匹配与控制策略；②特殊环境下精密传动的精度与动力学行为；③具有智能结构特征的机构、驱动、测试和控制集成优化；④制造装配过程的精度与动力学特性综合设计。

4.3 智能结构与新型作动器的驱动机理

智能结构与新型作动器的精度、动态特性的研究需要多学科相互结合、相互渗透。然而到目前为止，该领域的研究仍然处在一个起步阶段，远未达到工程应用的要求。

建议重点开展如下研究：①新原理作动器的多场、多相耦合作用规律及其设计与制造；②功能材料与运动变换机构复合传动的新原理新方法；③各种尺度并适应不同环境的新型作动器原理；④自感知自诊断自修复的智能型作动器原理。

5 结束语

精密传动应用领域广泛，对运载、机器人、机床、新能源装备等机电装备的整体性能、安全与可靠性有直接的影响。在新能源、大飞机、高分辨率对地观测、高档数控机床等国家重大专项和新型武器装备研制中，有诸多与精密传动机构有关的重要科学问题有待解决。应当及时抓住国家重大装备发展的机遇，组织全国优势研究力量，瞄准学科前沿，针对高效精密传动设计与制造前沿涉及的科学问题开展深入、系统的研究，探索传动精度、效率、承载、磨损、失效等性能的成因机理和变化规律，突破传动内部的多相、多场作用与耦合等内容的研究瓶颈，研究设计、制造和环境等因素对驱动和传动性能的作用机理，形成精密传动领域的基础理论和设计方法体系，为我国新型传动基础部件设计制造水平提升和可持续发展提供强有力的学科基础支撑。

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