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给精密制造插上腾飞的翅膀
            ——记NSFC—浙江省两化融合联合基金中科院宁波材料所研究员张驰课题组

发布时间:2018-06-12 阅读数:709

 你会发现,随着科技的进步,手机芯片和笔记本电脑的硬盘,体积都变得越来越小,而容量却越来越大,这些变化的背后,与精密制造密不可分。特别是伴随着微机电系统、精密仪器、航空航天装备等产业在我国的升级,精密制造日益显示出它的重要性。

 精密制造是21世纪前沿科技的基础支撑技术,处于产业链的最顶端,是制造业中利润最丰厚的部分,也代表着一个国家的综合技术实力。然而,在中国制造业全面振兴的大形势下,精密制造业已成为制约中国经济发展的一块短板。

         在中科院宁波材料所,就有这么一位年轻的科研工作者,带领团队持之以恒地奋斗在精密制造领域。他就是中科院“百人计划”专家、浙江省机器人与智能制造装备重点实验室副主任——张驰。目前,他所主持的科研项目《面向精密制造的宏微操作机器人运动学、动力学与控制研究》获得NSFC—浙江省两化融合联合基金,从今年开始,历时四年。

 

剑指关键技术

         要攻克精密制造难题,并非易事。人的头发丝的直径一般为60微米左右,要实现0.3微米以下甚至纳米级(头发丝直径的万分之一)的定位精度,一般的机械装备是非常难实现的。

 近年来,精密制造装备所面临的挑战主要有两个方面:一是既要通过微纳米级定位系统实现微小器件的超精密制造,又要通过较大的运动范围实现高效、高通量生产,而高速和高精度本身是一对矛盾,就好比开车,速度快了刹车就很难。二是目前国际上的微定位系统,其定位精度虽能够达到纳米级,但行程通常只能达到几十微米,而高端光刻机处理的晶圆尺寸已达到12英寸(300mm),正向18英寸发展,精度已达10纳米制程。因此,大行程范围内(几百毫米)实现高精度定位(纳米级)的高精度多自由度运动系统,就成了精密制造领域亟需解决的关键技术。

         为破解这一难题,张驰课题组使用的利器便是“宏微操作机器人”。这个机器人与我们平常见到的机器人不一样,它由基于直线电机的大行程宏平台和基于柔性支撑高精度微平台共同组成。“宏”主要用来实现大行程,“微”用来完成超精密操作。

       随着国内外研究的进展,“宏微操作机器人”呈现出从微米向纳米转变,自由度从少到多转变,微平台行程从微米级到毫米级转变这三大趋势,但依然有很多难题有待破解,技术上发展的空间还很大。特别在精密制造过程中,由于传统的微平台行程小,高通量生产需要频繁启停宏平台,容易引起微平台振动,影响定位精度;而如果增大宏微平台调停时间,则会降低效率。

         为此,张驰希望通过两化融合联合基金这个项目,解决大行程和高精度之间的矛盾,为刚柔混合多自由度宏微操作机器人系统的设计、分析与控制提供新方法,以此来提高我国高精度操作机器人的研究水平,促进我国精密制造业的升级换代。

 

精心磨剑齐发力

         如今,面向精密制造的大行程高精度“宏微操作机器人”,已成为精密制造装备的重要发展方向,国内外的科研竞争异常激烈,张驰团队能有这样的魄力剑指关键技术,离不开团队成员长期以来的科研积累和共同发力。

         身为IEEE高级会员,英国特许工程师的张驰,每天的行程都安排得满满当当。曾在ASM、希捷从事微/纳米级运动控制、宏微控制多年的他,至今已主持过20余项国家自然科学基金、科技支撑计划和国际科技合作专项等国家、省部级等课题,发表过62SCI/EI检索论文,还拥有1项美国授权专利,以及40项国内专利,曾获2015年中国专利优秀奖。

         项目其它核心成员,还包括了华南理工大学机械与汽车工程学院院长、机械制造及其自动化学科带头人张宪民教授,以及长期从事该领域研究的新加坡先进制造研究院的Teo Tat Joo研究员。

         有了良好的人才基础,张驰和他的团队经过反复探索和实验,终于使项目呈现出了几大特色和创新点。特别是对于其中关键的宏微协调控制问题,课题组采用的是先微后宏的协调控制策略:如果在微动行程内,只动微平台,减少宏平台启停来提高效率;如果超出微动行程,以微带宏,致使宏微一起运动。这些看似技术问题,其实也是哲学问题,其中蕴含着如何处理好“大与小”、“动与不动”之间辩证关系的学问。

 短短半年下来,项目组已完成了“宏平台”高速高精直线电机优化设计和精密运动控制的研究与开发,并研制出了基于柔性支撑的单自由度“微平台”。该微平台由音圈电机驱动,使用柔性铰链机构进行支撑以减小机械摩擦。音圈电机经过磁路的优化设计,推力常数比团队2014年获得的美国“百大科技研发奖”的音圈电机提高了58%,为微平台的大行程运动提供了良好的支撑作用;不但通过3套独立线圈的新颖设计,减小了推力波动,而且通过其中一套线圈产生阻尼力,使用基于自适应滑模的分段式阻尼力控制,显著减小了系统振动,实现了纳米级的定位精度。

“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”。张驰表示,目前的科研工作仅仅取得了一小步的进展,后面还有很多难题需要攻克。我们也期待张驰课题组研发的“宏微操作机器人”能早日应用于晶圆检测、细胞的操作和成像、纳米压印、手机相机镜头装配等诸多精密制造领域,为我国在这一领域的发展,插上腾飞的翅膀。

 

 

   (记者 浙江省科技信息研究院科技传播中心徐静休    通讯员  林思达 朱瑞瑜)

 

 

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