工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台

摘要

本发明涉及一种工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台。它包含有固定支承于机座上的导轨、套装在导轨上的移动平台和直线电机，直线电机位于导轨的中心线上，而其两侧的导轨上下面设置承载电磁铁，导轨的两侧面设置导向电磁铁，承载电磁铁和导向电磁铁与移动平台固定连接，它们中部均设置位移传感器，并连接一个移动平台位置控制系统。本发明能极大地提高平台进给速度和精度，延长使用寿命，并具有支承刚度阻尼可调、无摩擦、无需润滑、无环境污染等优点，能实现机床进给系统的高速高精度化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高档数控机床直线电机进给平台，特别是一种工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台。

背景技术

随着科学的发展和技术的进步，高速切削在航空航天、汽车和摩托车、模具等机械制造工业的金属加工领域得以迅速发展，在某种程度上彻底改变了金属切削的状况，大大提高了金属切削的效率和表面加工精度，在很多情况下实现了以铣代磨、以车代磨，如模具的硬铣削、硬车削作为最终精加工工序等。实现高速切削，除了机床的高速主轴系统、高速切削刀具系统之外，机床进给系统的高速高精度化是另一个必备条件。采用高速直线电机技术是实现机床进给平台系统高速化的一个主要途径。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过任何中间转换机构(如链条、齿条或丝杠等)的新型直线驱动装置，与非直线电机相比，它具有结构简单、噪音低、速度快、精度高、组合灵活等优点，由于它省去了中间转换装置，简化了整个装置，保证了系统的可靠运行，提高了传递效率，降低了制造成本。它是20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新技术，将像微电子技术和计算机技术一样，在人类的各个领域具有广阔的应用前景。

在现代制造业中，超高速超精密加工是近10年来在发达国家发展十分迅速的一项先进制造技术，要得到超高精度的产品，必须有超高精度的定位和驱动系统。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式所能达到的平台最高进给速度为30m/min，加速度仅3m/s²，因此已不适应现代制造业的要求。而直线电机直接驱动进给平台所具有的优点则恰恰可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚珠丝杆副的30倍，加速度是滚珠丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了7倍，定位精度和重复定位精度可达到微米级，甚至纳米级。所有这些优点的发挥必须建立在直线电机驱动的进给平台具有良好的支承技术基础之上。

目前，国内外已有技术中对直线电机驱动进给平台的支承技术，工业应用的机床直线电机进给平台均采用传统的机械支承技术，如滚动导轨和V-V型滑动导轨、液体静压导轨和气体静压导轨等。前两种导轨在高加速度和高速度运动过程中，由于冲击和高速，易产生爬行和磨损。后两种属于非接触式导轨，其中液体静压导轨的液压装置大、辅助设备多、油路的维修保养麻烦，油污染严重；气体静压导轨要求超洁净的使用防尘条件，因此加工困难。随着磁悬浮支承技术的发展，可望象磁悬浮列车那样把磁悬浮导轨应用到机床直线电机进给平台中去。然而，比磁悬浮列车中直线电机驱动车身更难的是，磁悬浮导轨支承的机床直线电机进给平台除了要求高速驱动外，还要求高精度定位。据查新，目前国内外还没有采用磁悬浮导轨支承的机床直线电机驱动进给平台工业应用实施例的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，实现机床进给系统的高速高精度化。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，包括固定支承于机座上的导轨、套装在导轨上的移动平台和直线电机，其特征在于直线电机位于导轨的中心线上，而其两侧的导轨上下面设置承载电磁铁，导轨的两侧面设置导向电磁铁，承载电磁铁和导向电磁铁与移动平台固定连接，它们中部均设置位移传感器，并连接一个移动平台位置控制系统。

上述的移动平台位置控制系统的结构是：位移传感器的电信号输出连接一个控制器的输入，控制器的输出经功率放大器而连接承载电磁铁和导向电磁铁。

上述的移动平台位置控制系统的控制器共有6路通道，每路通道的电路由二块TL071型芯片、一块TL072型芯片、三块TL074型芯片、四个可调电阻、22个电阻和四个电容组成。

上述的工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台的承载电磁铁和导向电磁铁与移动平台之间有调节板，承载电磁铁和导向电磁铁以及直线电机的电线通过电缆拖链连接到固定于机座上的插座。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明中采用承载电磁铁和导向电磁铁将移动平台悬浮于导轨上，并设有移动平台位置控制系统，从而大大提高了平台进给速度和精度，延长了使用寿命，并具有支承刚度阻尼可调、无摩擦、无需润滑、无环境污染等优点。

附图说明

图1是本发明一个实施例的总体结构示意图。

图2是图1示例电磁铁与导轨结构控制原理图。

图3是图1示例中的移动平台位置控制系统方框图。

图4是图3中移动平台位置控制系统中控制器的每路通道电路图。

图5是图1示例的机械结构示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是图5的左视图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是：参见图1、图5、图6和图7，本工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台包含有固定支承于机座7上的导轨5、套装在导轨5上的移动平台4和直线电机3，直线电机3位于导轨5的中心线上，而其两侧的导轨5上下面设置承载电磁铁2，导轨5的两侧面设置导向电磁铁6，承载电磁铁2和导向电磁铁6与移动平台4固定连接，它们中部均设置位移传感器1，并连接一个移动平台位置控制系统。承载电磁铁2和导向电磁铁6与移动平台4之间有调节板10，承载电磁铁2和导向电磁铁6以及直线电机3的电线通过电缆拖链11连接到固定于机座7上的插座12。

图2为本实施例的电磁铁与导轨结构控制原理图。当有一个外干扰力f_x作用时，导轨与电磁铁间产生相对位移x，改变了导轨与上、下电磁铁间的原有距离c₀，导轨与上电磁铁I间的距离变为c₀+x，与下电磁铁II间的距离变为c₀-x，由于电磁铁的吸力与该间隙距离的平方成反比，随着x的增加，上电磁铁I的吸力F₁迅速减小，下电磁铁II的吸力F₂迅速增加，导轨很快会碰到下电磁铁II。因此，不加控制的导轨与电磁铁系统是一个天生不稳定的系统。为了使导轨在外干扰力f_x作用下不碰到电磁铁II，必须对该系统实施主动控制。采用一个非接触传感器探头探测导轨与电磁铁间的相对距离(即输出位移)，该距离由传感前置器转换为电压信号，该信号与给定值U_r进行比较后输入控制器，控制器发出一个调整控制电流信号i_c，经功率放大器后使上电磁铁I的电流在原有偏置电流I₀的基础上增加为I₀+i_c，下电磁铁II的电流在原有偏置电流I₀的基础上减小为I₀-i_c，由于电磁铁的吸力与该电流的平方成正比，这样，上电磁铁I的吸力F₁迅速增加，下电磁铁II的吸力F₂迅速减小，使得导轨与电磁铁间的相对位移x减小到近似为零，系统达到新的平衡。

参见图5、图6和图7，本实施例的结构特征和工作原理是：进给平台4在垂直方向采用4对承载电磁铁2及其控制系统无接触地支承在导轨5上，在4个上电磁铁或下电磁铁上固定4个传感器探头1探测电磁铁与导轨间的垂直相对距离，在水平横向采用2对导向电磁铁6及其控制系统无接触地支承在导轨5上进行导向，在2个左电磁铁或右电磁铁上固定2个传感器探头1探测电磁铁6与导轨5间的水平相对距离，在水平纵向采用1对上、下直线电机3对称无接触地利用导轨次级与电机初级间产生的直线推力进行进给驱动，导轨5支承在基座7上，8个承载电磁铁2和4个导向电磁铁6分别通过12个调节板10固定在进给平台4的上板、下板和2个左、右侧板上，调节板10可用来微调电磁铁2、6与导轨5间的间隙，2个直线电机3分别固定在进给平台4的上板和下板上，上、下板分别与左、右侧板固定成一个矩形框架平台4，并用2个左、右肋板增加矩形框架平台4的刚性，电磁铁2、6的所有引线通过外侧2个电缆拖链11与固定在机座7外侧的2个航空插座12相连，传感器探头1的引线也通过外侧2个电缆拖链11与相应的传感前置器相连，上、下直线电机的引线通过内侧2个电缆拖链11与固定在机座7内侧的2个航空插座12相连。航空插座12再与磁悬浮移动平台位置控制系统和直线电机控制系统相连接。

参见图3，上述的移动平台位置控制系统的结构是：位移传感器1的电信号输出连接控制器9的输入，控制器9的输出经功率放大器8而连接承载电磁铁2和导向电磁铁6。

参见图4，上述的控制器9每通道的电路由二块TL071型芯片IC1、IC6、一块TL072型芯片IC3、三块TL074型芯片IC2、IC4、IC5、四个可调电阻R_s、R_p、R_i、R_d、22个电阻R和四个电容C₁、C₂、C_i、C_d组成。本控制器的电路中，采用线性集成运算放大器构成比例积分微分控制环节，简称PID控制环节，通过调节可调电阻R_s、R_p、R_i、R_d的阻值，可调节导轨系统的动力学性能和稳定性。

整个磁悬浮导轨位置控制系统的工作原理是：由主动磁悬浮支承导轨-平台系统的机电耦合动力学理论分析系统的动力学性能，把得到的最佳控制参数(R_s、R_p、R_i、R_d的阻值)主动输入给控制器9，系统在工作时给出导轨5与平台4的相对参考零位给定值，垂直悬浮方向和水平导向方向均有传感器探头1测量导轨5与平台4的相对位移信号。当某一方向上的外载荷发生干扰变化时，作用在导轨5与电磁铁2、6间的力将失去平衡，从而使导轨5与电磁铁2、6间相对该方向发生相对位移，传感器1将该相对位移信号反馈给控制器9，控制器9对该信号进行比较处理，根据导轨5与电磁铁2、6间相对位移的变化，发出一个调整信号，经功率放大器8后输出至电磁铁2、6线圈，从而改变线圈中的电参量，使各方向上产生的电磁拉力将导轨5与平台4重新拉回至相对参考零位，导轨5和平台4在新的系统力作用下达到新的平衡。由于采用了由主动磁悬浮支承导轨-平台系统的机电耦合动力学理论分析得到的最佳控制参数，导轨-平台系统能安全到达工作频率，可获得高的定位精度。这样，磁悬浮导轨5就能平稳无接触地支承着进给平台4，而直线电机3及其控制系统能驱动进给平台4高速高精度地运行，实现了机床进给平台系统的高速高精度化。

例如，对于具体研制的磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，通过求解主动磁悬浮支承导轨-平台系统的机电耦合动力学振动方程：

                       MQ″+CQ′+KQ＝0

可以算得表1所示的一组最佳主动控制参数，表2为这组控制参数下的最佳动力学性能。

                    表1  一组最佳控制参数

通道    R_s(kΩ)    R_p(kΩ)    R_i(kΩ)    R_d(kΩ)    1    6.79    0.750    3.94    4.72    2    4.34    0.692    1.73    5.18    3    3.80    0.690    3.87    4.37    4    6.56    0.950    4.79    3.13    5    3.60    0.780    6.12    6.18    6    3.65    0.760    6.32    6.18

表2  对应表1控制参数的动力学性能

    无临界振动频率  失稳频率    (Hz)    1400

由表2可以看出，系统在最佳控制参数控制下，直线电机进给平台不存在临界振动，在工作过程中运行比较平稳，不会因为共振而导致加工精度下降，其动力学性能最佳。由于采用了由主动磁悬浮支承导轨-平台系统的机电耦合动力学理论分析得到的最佳控制参数，进给平台系统在稳定频率范围内能安全工作，可获得高的定位精度。这样，磁悬浮导轨就能平稳无接触地支承着进给平台，而直线电机及其控制系统能驱动进给平台高速高精度地运行，实现了机床进给系统的高速高精度化。