南京航空航天大学江苏朝宇电机有限责任公司创业计划 .doc

以精度之强，创民族之光 i 铸精度之强，展民族之光 I 目目 录录 第一章 执行总结.-1-1.1 公司概况.-2-1.2 产品技术.-2-1.3 市场营销.-3-1.4 投资与财务.-4-1.5 公司战略.-5-1.6 组织及人力资源.-6-第二章 产品与技术.-7-2.1 项目背景.-8-2.2 产品概述.-9-2.2.1 产品构成.-9-2.2.2 产品性能.-10-2.3 核心技术.-12-2.3.1 定子设计.-12-2.3.2 夹持设计.-13-2.3.3 控制器.-15-2.4 产品特色和优势.-16-2.4.1 产品特色.-16-2.4.2 竞争优势.-17-2.4.3 国内外同类产品比较.-18-2.5 技术发展.-19-2.5.1 直线超声电机发展方向.-19-2.5.2 公司产品发展方向.-19-第三章 产品用途及商业概念.-21-3.1 产品用途.-22-3.2 价值实现.-25-3.2.1 盈利模式.-26-3.2.2 服务模式.-26-第四章 公司管理与战略.-28-4.1 公司概况.-29-4.2 公司文化.-29-4.3 治理结构.-30-4.4 组织机构.-31-4.4.1 公司组织结构.-31-4.4.2 部门职能.-32-4.5 创业团队.-33-4.5.1 团队成员及分工.-33-II 铸精度之强，展民族之光 4.5.2 公司顾问.-34-4.6 人力资源规划.-35-4.6.1 人员规划.-35-4.6.2 人员招聘.-36-4.7 薪酬激励.-37-4.8 公司战略.-39-4.8.1 总体战略.-39-4.8.2 竞争战略.-41-第五章 市场分析与预测.-43-5.1 宏观环境分析.-44-5.1.1 政策环境.-44-5.1.2 经济环境.-44-5.1.3 社会环境.-45-5.1.4 技术环境.-45-5.2 行业环境分析.-46-5.2.1 行业竞争力分析.-46-5.2.2 SWOT 分析.-49-5.3 市场分析与预测.-51-5.3.1 市场细分.-51-5.3.2 目标市场.-51-5.3.3 市场定位.-52-5.3.4 市场调查.-53-5.3.5 市场预测.-56-第六章 营销策略.-61-6.1 产品策略.-62-6.1.1 有形产品.-62-6.1.2 产品服务策略.-63-6.2 价格策略.-64-6.2.1 定价策略.-64-6.2.2 定价方案.-65-6.3 渠道策略.-65-6.3.1 直销.-66-6.3.2 电子商务.-66-6.3.3 代理分销.-66-6.4 促销策略.-67-6.4.1 人员推销.-67-6.4.2 体验式营销.-67-6.4.3 广告策略.-68-6.4.4 公共关系和宣传.-69-6.4.5 搜索引擎营销.-70-6.4.6 微博营销.-70-6.4.7 微信营销.-71-6.5 关系营销.-71-铸精度之强，展民族之光 III 第七章 生产管理.-73-7.1 厂址选择.-74-7.2 生产流程.-76-7.2.1 生产装配流程.-77-7.2.2 外包加工.-78-7.2.3 厂房安排.-78-7.2.4 生产设备及人员安排.-79-7.3 生产计划.-81-7.3.1 产能分析.-81-7.3.2 生产计划编制.-83-7.3.3 生产周期.-84-7.4 物流及运输.-84-7.5 现场管理.-85-7.6 设备管理.-86-7.7 质量管理.-86-7.8 供应商管理.-88-7.8.1 供应商管理的原则.-88-7.8.2 零部件供应商管理策略.-89-7.8.3 服务供应商管理策略.-90-第八章 融资与投资分析.-91-8.1 融资计划及资金运用.-92-8.1.1 资金需求.-92-8.1.2 融资方案.-93-8.2 财务分析.-93-8.2.1 财务假设.-93-8.2.2 全面预算.-94-8.2.3 主要财务报表.-100-8.2.4 主要财务比率分析.-105-8.3 投资分析.-107-8.3.1 资金来源与运用.-107-8.3.2 投资假设.-107-8.3.3 投资收益分析.-107-8.3.4 敏感性分析.-109-8.3.5 盈亏平衡分析.-110-8.3.6 投资回报.-112-8.3.7 股利政策.-113-第九章 风险分析.-114-9.1 技术风险.-115-9.1.1 技术外溢风险.-115-9.1.2 技术发展风险.-115-9.2 市场风险.-115-9.2.1 外部风险.-115-9.2.2 经营风险.-117-IV 铸精度之强，展民族之光 9.2.3 供给风险.-118-9.3 财务风险.-118-9.3.1 偿债风险.-118-9.3.2 存货风险.-118-9.4 人力资源风险.-119-9.4.1 人员缺乏风险.-119-9.4.2 人员流失风险.-119-9.5 风险资本退出.-120-9.5.1 退出方式.-120-9.5.2 退出时间.-121-9.6 法律保护.-121-9.6.1 商业秘密保护.-121-9.6.2 商标保护措施.-123-9.6.3 公司法保护.-123-9.6.4 其他法律保护.-123-附录 1 直线超声电机鉴定结果.-124-附录 2 应用证明.-129-附录 3 专家推荐表.-134-附录 4 相关专利.-136-附录 5 投资意向书.-137-附录 6 采购意向书.-138-附录 7 查新报告.-140-附录 8 市场调查问卷.-141-铸精度之强，展民族之光 -1-2-铸精度之强，展民族之光 第一章第一章 执行总结执行总结 1.1 公司概况公司概况 江苏朝宇电机有限责任公司是一家拟创建公司，依托国家重点实验室，以“高精度直线超声电机”技术和产品为核心，形成了多项自主专利为基础、多型产品销售为支撑的大学生高科技创新创业团体。随着科学技术迅猛发展，传统电磁电机受工作原理和结构形式的限制已无法满足特定需求。公司核心产品高精度直线超声电机具有高精度、无磁性、大推重比、结构简单、环境要求低等突出特点，位移分辨率达 50nm，最大推力达21N，核心技术指标均处于国际先进、国内领先地位，性价比明显优于市场同类产品。优越的性能和高性价比使得公司产品已在生物工程、电子技术等领域崭露头角，取得良好的使用效果，并受到了超声电机权威、中国科学院院士的高度评价。公司已与多家企业合作，签订了投资意向书与采购意向书。公司以成为全球精密驱动技术的领先者为愿景，秉承“技术为基、人才为本、品质为先、创新为径”的经营理念，通过持续创新拓展技术优势，通过高品质产品不断填补我国市场空白，打破国外垄断，通过精益经营实现公司价值持续增长，为我国精密驱动技术从引进到自主研发，再到领先世界而不断努力。1.2 产品技术产品技术 本公司的核心产品“高精度直线超声电机”是一种新型微特电机，主要利用压电元件的逆压电效应驱动电机运动。团队在驱动原理、定子设计、夹持方式、驱动控制等电机核心技术方面进行了重要创新和改进，通过原理创新、结构创新和工艺创新，大幅提升了直线超声电机的定位精度、稳定性及实用性。铸精度之强，展民族之光 -3-产品抛弃了传统电机的电磁绕组和磁路，在精度、推重比、环保等方面产生了传统直线电磁电机难以匹敌的技术优势，因而能广泛应用于集成电路制造、生物工程、精密加工等高新技术领域。简洁的结构不仅节约了材料，而且简化了生产流程，使公司产品产生较大的成本优势。产品位移分辨率达到 50nm，提高到传统电机的二十分之一；最大推力为21.4N，是同类产品的 2 倍以上，主要技术指标处于国内领先地位。同时具有断电自锁，快响应，直接输出直线运动等突出优点。创业团队依托国家重点实验室，传承 10 年研究积累，形成了多项完全自主知识产权的国家发明专利。产品在挑战杯竞赛、全国压电会议等诸多场合进行公开展示和现场推介，并获得了凤凰网、中国江苏网等媒体的报道。未来，公司将在致力于直线超声电机核心技术的创新研发的同时，持续拓展产品线，扩大应用范围，努力成为以直线超声电机产品为核心的精密驱动一体化解决方案提供商。1.3 市场营销市场营销 高精度超声电机是技术壁垒较高的高技术产品。目前，国内超声电机领域被国外产品所垄断，自主生产的商业化超声电机产品几乎是空白。本产品在技术指标上较国外产品具有更快、更稳、更准的优势，价格低于同等水平的进口产品，并且可以为国内客户提供本土化的各类服务。因此，本公司在近期瞄准特定市场，力求取代进口；在远期扩大应用领域，力争成为全球精密驱动解决方案的领先者。公司建立伊始，产品目标市场定位为规模较大、利润较高的以光刻机为主的集成电路制造设备市场。该市场对于高精度电机的基础需求量大约为 200 万台，且年增长率保持在 10%20%左右，是高精度直线超声电机的主要市场。随着公司规模的发展和产品系列的不断丰富，公司在中期将开拓数控机床制造设备市场和生物工程市场，远期则进军航空航天、汽车工业等领域，并积极开拓国际市场。-4-铸精度之强，展民族之光 公司采取“品质取市场，服务行天下”的产品+服务模式，致力于成为新技术、高品质、优服务的高精度直线超声电机供应商。公司专注于产品生命周期的每一阶段，通过持续技术创新发展技术优势，通过产品系列化拓展市场，通过差异化服务为顾客提供超额价值。在坚持系统化、专业化、密切化的服务态度和原则的同时，为客户研发系统化的产品并制定详尽的全寿命周期服务方案，与客户形成密切的联系，进行有效的客户关系管理，在远期，公司还将致力于大规模定制模式，通过与客户共同研发提供个性化电机；通过建立战略联盟，形成多渠道集成营销，为客户提供精密驱动的一体化解决方案。1.4 投资与财务投资与财务 公司拟设立在南京金港科技创业中心科技园，预计注册资本共 700 万元，其中：技术入股 175 万元，占股本总额的 25%；战略投资 90 万元，占股本总额的 12.9%；创业团队自有资金 200 万元，占股本总额的 28.57%；其余的 235 万元期望吸收一到两家风险投资公司共同参股。公司目前已经成功争取到安徽百富安公司战略投资资金 90 万元，双方签订了投资意向书。经过合理的财务测算，未来五年，公司主营业务收入、净利润等指标均稳步增长，其中：主营业务利润从第一年的 1974.38 万元持续增长到第五年的 6334.56 万元，净利润从 330.58 万元增长到 1057.15 万元。显示了公司产品具有较强的盈利能力。各项财务比率指标也充分显示了公司具有较强的盈利、营运、偿债和发展能力。投资分析显示在折现率为 18%的前提下，本投资项目的投资净现值为1299.10 万元，内含报酬率为 89.94%，静态投资回收期为 1.25 年，动态投资回收期为 1.53 年，表明我公司投资方案具有较强的可行性、较高的投资回报和可控的投资风险。本投资计划在第五年末进行风险资本的退出，公司拟通过股东回购与管理层回购相结合，吸引新的战略投资者等方式共同实现资本退出。铸精度之强，展民族之光 -5-1.5 公司战略公司战略 本公司以成为全球高精度驱动一体化解决方案供应商为愿景，实施“三步走”的发展战略：初创期，以技术为先导，采取密集成长战略，将市场聚焦于以光刻机为主的集成电路制造设备市场，并以产品替代等方式快速渗透市场，提升产品市场占有率，充分利用技术领先优势力争5年内在以南京为中心的华东地区占一席之地，打响产品的知名度；成长期（第6-10年），以规模为目标，采取密集成长与一体化相结合的战略，一方面实施规模发展，通过增加产品线，扩展产能，扩大产品覆盖范围和应用领域。另一方面探寻通过技术入股部分精度要求较高的光刻机企业的可能性以提升产业链整体能力、扩大市场份额；成熟期（10年以后），以品牌为核心，实施一体化和多元化发展战略，通过持续技术创新不断深化产品集成应用，并且开发有利于强化技术专长的其它精密驱动技术，服务更广市场需求。在进一步扩大国内市场占有率的同时，努力进军国际市场。从竞争战略看，初期公司实施差异化聚焦战略，凭借以光刻机为主的集成电路制造设备市场对电机的高精度要求，快速在该市场渗透本公司产品力求取得先机。中期公司采取低成本差异化战略，高技术含量的产品、高可靠性的质量、紧密的客户关系使差异化显著。本公司产品具有高精度、无磁性、大推重比、结构简单和环境要求低五大特点；严格的质量检验和定期维修使产品实现高可靠性和较优的使用经济性；而从客户利益出发为其量身定做产品的服务使公司与消费者建立紧密的客户关系。在保证差异化的同时，公司实现了较优的成本控制。无需宏/微结构就能兼顾大行程与高精度的创新性结构节约了大量结构性成本，规模化的生产以及工艺的持续改进使生产成本大幅下降。-6-铸精度之强，展民族之光 1.6 组织及人力资源组织及人力资源 初期，公司性质为有限责任公司，采取董事会领导下的总经理负责制，建立高效的直线职能制组织结构。未来，随着业务范围和整体规模的不断扩大，公司将建立以事业部为主体的组织结构。公司实施人才强企战略，广邀各类人才加盟。预计五年内公司在职员工将达到一百一十余人。公司创业团队由技术、管理、市场、财务等各方面优秀人才组成。其成员多人次获得国家奖学金、挑战杯全国大学生课外学术科技竞赛一等奖、江苏省三好学生、校长嘉奖令等，每位成员均具有丰富的科研和（或）商务开发项目的经验。团队成员将成为技术、营销、财务管理、人力资源等工作中的核心人员。创业团队将以雄厚的技术实力建立一个高赢利和高回报的公司。为支撑快速发展的需要，公司将采用多种方式争取外部优质资源的支持，聘请超声电机领域专家出任公司技术顾问，聘请国家自然科学基金评审专家作为公司市场顾问和管理顾问，不求拥有，但求所用，保证公司健康发展。铸精度之强，展民族之光 -7-8-铸精度之强，展民族之光 第二章第二章 产品与技术产品与技术 2.1 项目背景项目背景 传统电磁电机的发明和发展至今已有一百多年的历史。它们作为作动器和动力源已在世界各领域得到了广泛应用，为人类文明和社会进步做出了巨大的贡献。目前，电磁电机无论在理论上，或在设计方法和制造技术上，均已达到了较为完美的地步。但是，随着科学技术的进步，特别是宇宙飞船、人造卫星、运载火箭、飞机以及各种电子设备、精密仪器等高新技术产品的发展，对电机提出了许多新的要求，诸如短、小、轻、薄、低噪声、无电磁干扰等，由于受工作原理和结构形式的限制，传统电机已经无法满足这些要求。于是，世界各国开始不断探索和研发能满足上述要求的各种新型微特电机，其中超声电机就是目前各种微特电机研究中较为重要的方向。超声电机是 20 世纪 80 年代开始发展起来的一种全新概念微特电机。它是利用压电材料的逆压电效应，使弹性体（定子）在超声频段内产生震动，通过定子、转子之间的摩擦获得运动和扭矩，能够满足人们对微特电机提出的诸多新的要求，具有体积小、重量轻、结构简单、响应快、低噪声、无电磁干扰等优点，因而发展迅速，应用日益广泛。1982 年日本成功地开发出行波型超声波电动机，仅在 5 至 7 年之后，佳能、新生等几家日本公司就把超声波电动机推向市场，其中相机和打印机最为成熟。精工仪器、佳能精机、京瓷、奥林巴斯光学工业等单位也都引入了超声电机的研发。目前，日本在超声电机的研究和应用上处于领先地位。日本企业掌握着世界上大多数超声电机技术发明专利，基本形成市场的垄断。此外，美国、德国、法国、瑞士、韩国、土耳其、新加坡等都有超声电机产品进入市场。美国的一些著 铸精度之强，展民族之光 -9-名大学等都投入很多力量研究超声电机。美国国防部门也投入很多人力物力从事超声电机的研究。美国某些公司生产的超声电机产品已经在航空航天、半导体工业、微机电系统等领域先后得到应用。我国超声电动机的研究是从 20 世纪 80 年代末、90 年代初开始的，大致经历了跟踪学习、自主开发、实际应用推广 3 个发展时期。1985 年到 1991 年间，国内学者开始撰写文章介绍超声电动机。1989 年清华大学和上海大学分别研究开发出了压电蠕动型超声致动器，哈尔滨船舶工程学院研制了环形超声电机。1993 年，浙江大学试制了行波型旋转超声电动机。1994 年南京航空航天大学成立超声电机研究小组，并于 1995 年研制成功输出力矩和速度较稳定的环型行波型超声电动机。1997 年南京航空航天大学成立了超声电机研究中心，仅比美国宾州大学的换能器和驱动器研究中心晚 5 年。我国的超声电机事业在国家自然科学基金的支持下，进行了应用基础研究和关键技术研究，迄今得到长足的发展。但相比于国外超声电机行业的蓬勃发展，由于缺乏核心技术等因素，我国自主的超声电机产品几乎是空白。本公司团队依靠团队成员在国家重点实验室的学习和研究积累逐步建立了超声电机领域的领先地位，推出产品“高精度直线超声电机”，填补我国在超声电机产品上的空白。2.2 产品概述产品概述 2.2.1 产品构成产品构成 本公司核心产品为高精度直线超声电机，如图 2.1 所示。高精度指产品的目标市场为定位精度在亚微米范围的高新技术应用领域。直线超声电机表示公司定位为电机市场，主要对比对象为国内广泛应用的直线电磁电机。直线超声电机是超声电机的一个分类，电机由定子和动子两个部分组成。电 -10-铸精度之强，展民族之光 机定子有两个兰杰文振子构成。在它们的前段用前端盖链接起来，其前端盖断面作为定子的驱动端面。电机动子由滑轮和滑条构成。兰杰文振子是该电机的关键部件，它有前后金属端盖和压电元件组成。压电元件为多篇沿轴线计划的圆环形压电陶瓷片组成，由前后端盖通过螺栓压紧。当两个兰杰文振子上的 PZT 元件同时接上特定的交变电压后，利用压电元件的逆压电效应就可以激发定子工作所需的震动模态，使电机动子做直线运动。定子滑条弹簧压紧螺栓底板后板前板滑块 图图 2.1 双变幅杆双变幅杆 V 形直线超声电机形直线超声电机 2.2.2 产品性能产品性能 公司产品主要技术指标如下：表表 2.1 产品主要技术指标产品主要技术指标 位移分辨率 50nm 速度范围 1m/s-235mm/s 最大推力 21N 最大加速度 6g 质量 87.3g 推重比 25 定位精度 0.36m 公司产品核心技术指标与直线电磁电机产品比较如下：铸精度之强，展民族之光 -11-（1）更高的位移分辨率更高的位移分辨率。目前直线电磁电机的精度普遍较低，高精度直线电磁电机位移分辨率能达到 1m，但其生产成本超 10 万元；本公司产品位移分辨率最高达到 50nm 即 0.05m，大幅提高了 20 倍，远远高于直线电磁电机，在电机领域属于国内领先地位。（2）更大的推力更大的推力。目前，在高精度电机输出推力普遍在 5N-10N，本公司产品输出推力可达 21N，达到同类产品的 2 倍以上，高于市场上同类电机，因此，此技术指标处于国内领先地位。（3）更快的最大速度更快的最大速度。国内主要高精度电机最大速度在 100-200mm/s，本产品速度略高于国内同类产品。与市场上广泛应用的直线电磁相比，本公司产品具有高精度、惯量小、响应快、控制特性好、不受磁场影响，其本身亦不产生磁场、运动准确等特点。它不需要附加齿轮变速机构，避免了使用齿轮变速而产生的振动、冲击与噪声、低效率、难控制等一系列问题。它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合（接触型）来转换能量。由于本公司具有许多优于传统电磁电机的特点，特别是精度优于电磁电机，因此它在工业界获得了许多应用，并显示出广泛的应用前景，其应用面涉及到航空航天、半导体制造、生物医学、化工、轻工、精密仪器仪表等领域。本公司产品已在生物工程领域崭露头角，取得良好效果，获得东南大学的应用证明。产品核心技术指标得到国家权威部门监测报告，核心技术已申请国家发明专利。公司与安徽百富安公司签订投资意向书，并与齐安电力签订采购意向书。产品曾获第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技产品竞赛二等奖，受到凤凰网、中国航空新闻网等多家媒体的报道，并获得了赵淳生院士等专家的高度评价与推荐。-12-铸精度之强，展民族之光 2.3 核心技术核心技术 本公司产品高精度直线超声电机由定子、动子（导轨）、电机夹持、夹框等组成；电机夹持是将定子固定在夹框上且最小化影响定子的运动状态，最终由定子驱动动子做直线运动。平台控制系统以 TMS320F28335 数字信号处理（DSP）作为下位机，以高精度的位移传感器（分辨率 0.1m 光栅尺）作为定位反馈，对直线超声电机进行实时控制，以 LabVIEW 为上位机开发平台，实现了直线超声电机运动位置的实时采集、显示、处理和存储。2.3.1 定子设计定子设计 为了获得最好的运行特性，一般需要采用解析法或者有限元法对电机定子结构进行定量分析设计。解析法只适合于简单、规则的弹性体的建模，对于复杂结构弹性体，其应用相当局限，甚至无法求解，且其精度也受到限制。故大多数的超声电机研究人员一般采用有限元方法对定子进行理论分析。双变幅杆 V 型直线超声电机的设计流程如图 2.2 所示。图图 2.2 设计流程设计流程 铸精度之强，展民族之光 -13-定子材料选用更加耐磨的 65Mn：弹簧钢有着优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。图图 2.3 正对称及反对成模态正对称及反对成模态 压电陶瓷材料选用 PZT-8。其特点主要是强场介电损耗小，并且机械强度高；大功率驱动时，材料的温度稳定性好。PZT-8 具有低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场，并具有较大的介电常数，特别适合于强电场、大机械振幅的激励场合。定子有限元仿真与分析的目的是得到定子的模态频率与振型，使之满足设 计原则，从而选择合适的电机定子结构尺寸。本产品采用大型商业有限元软件ANSYS 来进行仿真。图 2.3 是定子模态图，正对称模态及反对成模态频率分别为 36.5kHz 及 36.52kHz。2.3.2 夹持设计夹持设计 直线超声电机定子的夹持直接影响着电机稳定性和输出效率，是电机实现市场化应用的技术关键。夹持位置设计一般选择纵振节面处或弯振最大振幅处。双变幅杆 V 型直线超声电机传统夹持方式是通过弹簧与其他刚性结构共同组成的复杂机构，如图 2.4 所示。这就需要较多的结构元件，造成在装配过程中需要一系列工序，给加工和装配带来了不必要的麻烦，同时不能保证装配后整个结构的精确性，并且在各结构元件连接之间存在间隙，使得电机边界条件为非线性不可 -14-铸精度之强，展民族之光 测，所以在施加预压力时，出现受力不平衡，造成电机运行不稳定、卡死等问题，精度更是没法得到保证。单轴导轨yx弹簧 图图 2.4 传统导轨夹持方式传统导轨夹持方式 图图 2.5 半柔性夹持半柔性夹持 V 型直线超声电机型直线超声电机 传统的夹持方式还包括导轨夹持，如图 2.4 所示。虽然稳定性得到一定程度的提高，然而，装配过于繁琐，成本较高，夹持的接触间隙问题仍未解决，单个电机性能差异较大。利用柔顺机构改善电机结构的稳定性是一种发展方向。近几年来，一些国内外超声电机专家把柔顺机构引入超声电机领域，如日本东京大学的 Kurosawa 采用柔顺铰链设计直线超声电机定子的驱动足，提高了直线超声电机的输出性能及输出效率。光州科学技术学院和韩国工业技术学院 Hyeon-Min Lee 等人设计的直线超声电机也用到了横向柔性支撑来固定超声电机定子。为了改善 V 型直线超声电机的运行稳定性，提高电机定位精度，本产品提出一种半柔性夹持结构形式，如图 2.5 所示。其材料选用弹性模量更大的铍青铜，采用侧向刚性夹持，既能有效调整电机头部与导轨的贴合角度，又能保证结构不易发生位置变形。两边的柔性铰链代替弹簧施加适合的预压力，消除了装配引起的接触间隙，减小了夹持边界的非线性状态；中间的柔性铰链能够消除定子装配中的附加应力，减小因定子装配对定子振动模态的影响。铸精度之强，展民族之光 -15-图图 2.6 VH-S5 耐震，高倍率观察系统耐震，高倍率观察系统 图图 2.7 三种夹持电机漂移量对比三种夹持电机漂移量对比 图 2.6 为 VH-S5 耐震高倍率观察系统，利用这个装置可对比多种夹持结构在断电情况下的机械漂移量，对比结果如图 2.6 所示。加阻尼情况是在所用的导轨中注入粘性润滑剂测得的。在 30 分钟内，弹簧夹持结构与导轨夹持结构均有十几个微米的机械漂移，而半柔性夹持，由于运动副数目的减少，其状态非常稳定，机械漂移量不超过 0.5m。实验结果表明：半柔性夹持能够获得更高稳定性能及定位精度，使得 V 型直线超声电机向商业化应用迈出重要了一步。2.3.3 控制器控制器 产品采用一种为直线型超声电机设计的专用控制器，以 TMS320F28335DSP为主控芯片，外围包括 CPLD（用于滤波及扩展硬件电路），DA（用于电机调速或产生驱动信号），差分信号转换（用于编码器信号的转换），光耦（用于控制驱动器），串口（用于上位机通信）及其它电路（USB，485 等）。直线超声电机控制器的实物图如图 2.8 所示。控制器的软件设计主要分为以下几个部分：串口通信，手动控制部分，自动控制部分以及位置保持。串口通信部分的程序主要有两个方面需要进行考虑：一是制定简单上下位机的通信协议；二是设计 DSP 程序使其片上 SCI 模块能正常工作。产品选用了RS-232 标准协议，协议的基本时序、数据帧格式定义不需要进行设计，只需要 -16-铸精度之强，展民族之光 将上、下位机的串口配置成相同模式，包括波特率和信息格式等。图图 2.8 直线超声电机控制器实物图直线超声电机控制器实物图 2.4 产品特色和优势产品特色和优势 2.4.1 产品特色产品特色 直线超声电机利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动，直接推动负载而不需要转换装置。直线超声电机具有以下特点：（1）更大的）更大的推重比推重比 由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降，相比于旋转电机在高精度领域更有优势，具有更大的推重比。这使得本公司产品具有更大的适用领域。（2）更高的定位精度和控制精度）更高的定位精度和控制精度 由于直线超声电机没有连杆、滚珠丝杠、绳带等辅助机构带来的运动误差，所以其定位精度和速度控制精度高，可达纳米级，而目前的直线电磁电机由于受到工作原理和结构形式的原因，精度只能达到微米级别。可以看出本公司产品具有更高的精度，并响应了技术发展的需求。（3）更精简的结构）更精简的结构 铸精度之强，展民族之光 -17-由于产品突破了传统电机的概念，不用电磁相互作用来转换能量，没有电磁绕组和磁路，结构简单，制造工艺也更适于大规模生产。并且由于电机仅有动子、定子、外壳等部分，因此其重量轻。（4）更好的散热性能）更好的散热性能 传统电机由于摩擦作用会产生大量热，需要通过附加装置、系统进行散热，而直线超声电机的间歇性接触驱动方式以及非封闭的接触环境使得电机因摩擦产生的热量得到很好的散发。这使得本公司产品具有更好的工作稳定性和更长的工作寿命。2.4.2 竞争优势竞争优势（1）技术优势）技术优势 本公司产品直线超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动控制其运动，与目前国内广泛采用电磁电机不同。随着科学技术的不断进步，半导体加工、电子设备、精密仪器等高新技术产品蓬勃发展，由于受工作原理和结构形式的限制，传统的电磁电机无法满足诸如高精度、短小轻薄、低噪声、无电磁干扰等要求。由于市场上缺乏直线超声电机产品，并且电磁电机的广泛应用，因此将超声电机与电磁电机在技术上进行比较。直线超声电机与传统电机相比，具有结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，具体技术优势如下：精度更高、响应更快精度更高、响应更快。由于直线超声电机没有连杆、滚珠丝杠、绳带等辅助机构带来的运动误差，所以其定位精度和速度控制精度比电磁电机更高。本公司产品位移分辨率达 50nm，而高精度直线电磁电机只能达到微米级，即 1m，可以看出公司产品在精度方面远高于直线电磁电机。直接产生直线运动和牵引力直接产生直线运动和牵引力。由于直线超声电机不需要附加齿轮等变速结 -18-铸精度之强，展民族之光 构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、低效率等一系列问题，直线电磁电机输出推力可达 21N 超过普通电机的 5N-10N。环境要求低环境要求低。直线超声电机突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能力，而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现了安静、污染小、不受电磁干扰等优点。因此在安装时不需要考虑环境对电机的影响，而电磁电机对环境要求较高，对环境要求相对严格。（2）价格优势）价格优势 直线超声电机结构简单，一般都是由压电陶瓷、弹性振动体、动子（可能是滑块或者转子）、施加压力装置等部件组成。而且系统在使用时，可以直接将一些系统中的部件作为超声电机内部结构，因此电机的结构十分简单，电机重量也可以大大减轻。超声电机定子和转子一般都是由金属加工而成，压电陶瓷通过烧结成形，因此超声电机的零件易于大规模生产。电机本身没有线圈绕组，简化了生产工艺。相比于电磁电机，超声电机由于结构简单、易于生产的特点，其原材料、生产等成本均低于电磁电机，以 1m 精度电机为例，直线电磁电机价格约 5 万元左右，而直线超声电机由于突破了传统电机的概念，属于革命性技术，价格不到1 万元，在价格上均有巨大优势。2.4.3 国内外同类产品比较国内外同类产品比较 直线超声电机具有低成本，快响应，大推重比，体积小等突出优点，作为新型的精密驱动方式正发挥的越来越大的作用。我国在研制直线电机方面虽然已经取得了不少成果，但至今还没有商品化的直线电机产品。公司产品与国内广泛应用的直线电磁电机相比，产品具有技术、价格上的明显优势。而相较于国外产品有技术、价格等优势，特别是价格低于国外产品。铸精度之强，展民族之光 -19-表表 2.2 各各产品主要技术指标产品主要技术指标对比对比 本公司产品 国内电磁电机 国外超声电机 位移分辨率 50nm 1m 100nm 最大速度 235mm/s 100mm/s 200mm/s 最大推力 21N 5N 10N 电磁干扰 无 有 无 噪音 无 有 无 环境要求 低 高 低 价格 7300-17500 元 50000 元 11000-30000 元 2.5 技术发展技术发展 2.5.1 直直线超声电机发展方向线超声电机发展方向 直线超声电机目前还属于新生事物，许多理论研究还不是很成熟，很多都是通过计算机仿真实验来进行验证的，没有具体的结构方案、机械机构及控制方案，因此做出具体的产品还需要进一步的研究和实验来不断完善。目前超声电机研究方向主要有超声电机的微细化及测量问题、高重复位移精度情况下的稳定性问题、更大范围稳定性、制造工艺降低成本、压电多层层叠式结构的超声电机和驱动器、直线超声电机与精密微动工作台的结合、高温严寒真空等特种环境使用的超声电机、集成可控的超声电源等。2.5.2 公司产品发展方向公司产品发展方向 公司在未来仍将围绕直线超声电机核心技术展开相关创新与研发，旨在提升技术壁垒以及拓宽相关市场。一是本公司产品还需要在直线超声电机的关键核心问题如：精度、推力、稳定性和速度可调性方面继续完善。二是公司将在超声电机的产业化、超声电机的应用研究、新型超声电机的发展等方面不断深入研究。-20-铸精度之强，展民族之光 三是公司还将以高精度直线超声电机为核心，将直线超声电机和精密微动工作台相结合，开发相关产品如：三维超声电机平台，其运用拓展至航空航天、精密装配等高尖端领域和汽车工业，光学仪器等民用行业。我们不应消极等待着若干年后应用别国的产品，而应把握现在积极发展拥有自主知识产权的超声电机，因为“世界上有些最先进的技术是买不来的”。我们应该而且有能力、有基础赶上世界超声电机的发展步伐，跟踪这一世界先进科技前沿，大力发展我国的超声电机技术，迅速缩小与国外超声电机技术的差距。同时，尽快地开拓国内超声电机应用市场，继而打入国际市场。铸精度之强，展民族之光 -21-22-铸精度之强，展民族之光 第三章第三章 产品用途及商业概念产品用途及商业概念 3.1 产品用途产品用途 近年，航空、电子、生物、医疗、通信、机器人、高精度加工等领域追求既小型轻量，又有高性能、高精度、智能化的驱动装置，以往的电磁电机已难以适应当今时代的要求。而直线型超声电机的特点决定了它在小型、微型机械、精密定位、伺服控制等方面的应用具有明显的优越性，应用前景很广阔。（1）以光刻机为主的集成电路制造设备市场）以光刻机为主的集成电路制造设备市场 近年来，微机电系统(MEMS)己成为人们研究的热点领域，而平板液晶显示、半导体照明、微传感器制造已成为新的工业经济增长点。直线超声电机在半导体超精加工装备及检测装备中有着广泛的应用，并发挥着极其重要的作用。其中光刻机是最为主要的，光刻机的性能直接影响着集成电路的特征尺寸。图图 3.1 德国德国 Karl Suss MA6/BA6 型光刻机型光刻机 在过去的几十年里，应用于光刻技术中的超声电机在材料、测量技术、驱动技术、控制技术等方面有了长足的进步，使光刻机朝高精度、高速度、大行程的方向发展。亚微米级的光刻技术已经较为常见，图 3.1 为德国 Karl Suss 公司所 铸精度之强，展民族之光 -23-研制的 MA6/BA6 型光刻机，双面曝光，线宽 1m，对准精度 1m，4掩膜版。在国内，一些大学和研究机构在国家攻关项目的资助下进行过各种类型光刻设备的研制工作。限于苛刻的环境要求，多数实验台只能用在实验研究上，其高昂的制作成本使其市场化发展受到极大影响。直线超声电机以其高精度，大行程，快响应，低成本的突出优点将在发展半导体光刻技术中起到飞跃式的促进作用。本公司产品直线超声电机 USM101 型号其精度为 1m，与国外同类产品精度相当，并且还有精度更高的 USM102、USM103 型号可供选择，不仅可以替代国内外同类产品，而且可以满足更高的定位精度要求。（2）数控机床领域）数控机床领域 直线超声电机具有定位精度高、低速大力矩、响应速度快、功率密度大、断电自锁、结构简单小巧、行程不受限制、分辨率高、可直接输出直线运动、无需减速机构减速、结构设计灵活等特点，在高精度和超高精度加工机床进给系统（如工作台精确定位、工件准确定位等）的运用中具有巨大优势。它可以提高机床工作台的定位精度和控制刚度，简化控制系统结构，能更好地适应微小零件微细切削加工的需要，很好地弥补了电磁电机在机床进给系统应用中的不足，非常适合取代传统的伺服电机及步进电机，并且随着超声电机发展的日趋成熟,其将在机床的进给系统中具有更广泛的应用前景，如机床的精密进给机构、刀具的磨损调度装置、微细电火花机的加工装置、工件准确定位与装夹、缩紧装置及夹具的快速调整。目前，国外精密加工机床进给系统已经采用直线超声电机，其精度一般在0.5m。而在我国相关产品还属于空白。本公司产品 USM102 型号精度约 0.5m，精度指标与国外同类产品相关，并有 USM103 型号可供选择。-24-铸精度之强，展民族之光 图图 3.2 机床进给系统机床进给系统（3）生物工程制造设备领域）生物工程制造设备领域 在产品研发之初，本公司已经认识到细胞穿刺与注射对我国生物医学工程以及微、纳制造科学和技术的发展具有重要的理论和应用价值。而全球范围内细胞注射市场基本被日本 Narishige、德国 Eppendorf 和美国 Sutter 三家公司占领，现有细胞注射系统仍处于手工或半自动化阶段，如日本 Narishige 的 NT-88NE 机械式细胞注射系统，对操作人员依赖性很强，系统稳定性差，产品售价高。本产品针对细胞穿刺与注射实验，设计出探针夹持结构，成功进行过数次细胞穿刺实