專利名稱：工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高檔數控機床直線電機進給平臺，特別是一種工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺。
背景技術：
隨著科學的發展和技術的進步，高速切削在航空航天、汽車和摩托車、模具等機械制造工業的金屬加工領域得以迅速發展，在某種程度上徹底改變了金屬切削的狀況，大大提高了金屬切削的效率和表面加工精度，在很多情況下實現了以銑代磨、以車代磨，如模具的硬銑削、硬車削作為最終精加工工序等。實現高速切削，除了機床的高速主軸系統、高速切削刀具系統之外，機床進給系統的高速高精度化是另一個必備條件。采用高速直線電機技術是實現機床進給平臺系統高速化的一個主要途徑。
直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過任何中間轉換機構(如鏈條、齒條或絲杠等)的新型直線驅動裝置，與非直線電機相比，它具有結構簡單、噪音低、速度快、精度高、組合靈活等優點，由于它省去了中間轉換裝置，簡化了整個裝置，保證了系統的可靠運行，提高了傳遞效率，降低了制造成本。它是20世紀下半葉電工領域中出現的具有新原理、新理論的新技術，將像微電子技術和計算機技術一樣，在人類的各個領域具有廣闊的應用前景。
在現代制造業中，超高速超精密加工是近10年來在發達國家發展十分迅速的一項先進制造技術，要得到超高精度的產品，必須有超高精度的定位和驅動系統。傳統的“旋轉電機+滾珠絲杠”的傳動形式所能達到的平臺最高進給速度為30m/min，加速度僅3m/s2，因此已不適應現代制造業的要求。而直線電機直接驅動進給平臺所具有的優點則恰恰可以彌補傳統傳動方式的不足，其速度是滾珠絲桿副的30倍，加速度是滾珠絲桿副的10倍，最大可達10g，剛度提高了7倍，定位精度和重復定位精度可達到微米級，甚至納米級。所有這些優點的發揮必須建立在直線電機驅動的進給平臺具有良好的支承技術基礎之上。
目前，國內外已有技術中對直線電機驅動進給平臺的支承技術，工業應用的機床直線電機進給平臺均采用傳統的機械支承技術，如滾動導軌和V-V型滑動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌等。前兩種導軌在高加速度和高速度運動過程中，由于沖擊和高速，易產生爬行和磨損。后兩種屬于非接觸式導軌，其中液體靜壓導軌的液壓裝置大、輔助設備多、油路的維修保養麻煩，油污染嚴重；氣體靜壓導軌要求超潔凈的使用防塵條件，因此加工困難。隨著磁懸浮支承技術的發展，可望象磁懸浮列車那樣把磁懸浮導軌應用到機床直線電機進給平臺中去。然而，比磁懸浮列車中直線電機驅動車身更難的是，磁懸浮導軌支承的機床直線電機進給平臺除了要求高速驅動外，還要求高精度定位。據查新，目前國內外還沒有采用磁懸浮導軌支承的機床直線電機驅動進給平臺工業應用實施例的報道。

發明內容
本發明的目的在于提供一種工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，實現機床進給系統的高速高精度化。
為達到上述目的，本發明采用下述技術方案一種工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，包括固定支承于機座上的導軌、套裝在導軌上的移動平臺和直線電機，其特征在于直線電機位于導軌的中心線上，而其兩側的導軌上下面設置承載電磁鐵，導軌的兩側面設置導向電磁鐵，承載電磁鐵和導向電磁鐵與移動平臺固定連接，它們中部均設置位移傳感器，并連接一個移動平臺位置控制系統。
上述的移動平臺位置控制系統的結構是位移傳感器的電信號輸出連接一個控制器的輸入，控制器的輸出經功率放大器而連接承載電磁鐵和導向電磁鐵。
上述的移動平臺位置控制系統的控制器共有6路通道，每路通道的電路由二塊TL071型芯片、一塊TL072型芯片、三塊TL074型芯片、四個可調電阻、22個電阻和四個電容組成。
上述的工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺的承載電磁鐵和導向電磁鐵與移動平臺之間有調節板，承載電磁鐵和導向電磁鐵以及直線電機的電線通過電纜拖鏈連接到固定于機座上的插座。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優點本發明中采用承載電磁鐵和導向電磁鐵將移動平臺懸浮于導軌上，并設有移動平臺位置控制系統，從而大大提高了平臺進給速度和精度，延長了使用壽命，并具有支承剛度阻尼可調、無摩擦、無需潤滑、無環境污染等優點。


圖1是本發明一個實施例的總體結構示意圖。
圖2是圖1示例電磁鐵與導軌結構控制原理圖。
圖3是圖1示例中的移動平臺位置控制系統方框圖。
圖4是圖3中移動平臺位置控制系統中控制器的每路通道電路圖。
圖5是圖1示例的機械結構示意圖。
圖6是圖5的俯視圖。
圖7是圖5的左視圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例是參見圖1、圖5、圖6和圖7，本工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺包含有固定支承于機座7上的導軌5、套裝在導軌5上的移動平臺4和直線電機3，直線電機3位于導軌5的中心線上，而其兩側的導軌5上下面設置承載電磁鐵2，導軌5的兩側面設置導向電磁鐵6，承載電磁鐵2和導向電磁鐵6與移動平臺4固定連接，它們中部均設置位移傳感器1，并連接一個移動平臺位置控制系統。承載電磁鐵2和導向電磁鐵6與移動平臺4之間有調節板10，承載電磁鐵2和導向電磁鐵6以及直線電機3的電線通過電纜拖鏈11連接到固定于機座7上的插座12。
圖2為本實施例的電磁鐵與導軌結構控制原理圖。當有一個外干擾力fx作用時，導軌與電磁鐵間產生相對位移x，改變了導軌與上、下電磁鐵間的原有距離c0，導軌與上電磁鐵I間的距離變為c0+x，與下電磁鐵II間的距離變為c0-x，由于電磁鐵的吸力與該間隙距離的平方成反比，隨著x的增加，上電磁鐵I的吸力F1迅速減小，下電磁鐵II的吸力F2迅速增加，導軌很快會碰到下電磁鐵II。因此，不加控制的導軌與電磁鐵系統是一個天生不穩定的系統。為了使導軌在外干擾力fx作用下不碰到電磁鐵II，必須對該系統實施主動控制。采用一個非接觸傳感器探頭探測導軌與電磁鐵間的相對距離(即輸出位移)，該距離由傳感前置器轉換為電壓信號，該信號與給定值Ur進行比較后輸入控制器，控制器發出一個調整控制電流信號ic，經功率放大器后使上電磁鐵I的電流在原有偏置電流I0的基礎上增加為I0+ic，下電磁鐵II的電流在原有偏置電流I0的基礎上減小為I0-ic，由于電磁鐵的吸力與該電流的平方成正比，這樣，上電磁鐵I的吸力F1迅速增加，下電磁鐵II的吸力F2迅速減小，使得導軌與電磁鐵間的相對位移x減小到近似為零，系統達到新的平衡。
參見圖5、圖6和圖7，本實施例的結構特征和工作原理是進給平臺4在垂直方向采用4對承載電磁鐵2及其控制系統無接觸地支承在導軌5上，在4個上電磁鐵或下電磁鐵上固定4個傳感器探頭1探測電磁鐵與導軌間的垂直相對距離，在水平橫向采用2對導向電磁鐵6及其控制系統無接觸地支承在導軌5上進行導向，在2個左電磁鐵或右電磁鐵上固定2個傳感器探頭1探測電磁鐵6與導軌5間的水平相對距離，在水平縱向采用1對上、下直線電機3對稱無接觸地利用導軌次級與電機初級間產生的直線推力進行進給驅動，導軌5支承在基座7上，8個承載電磁鐵2和4個導向電磁鐵6分別通過12個調節板10固定在進給平臺4的上板、下板和2個左、右側板上，調節板10可用來微調電磁鐵2、6與導軌5間的間隙，2個直線電機3分別固定在進給平臺4的上板和下板上，上、下板分別與左、右側板固定成一個矩形框架平臺4，并用2個左、右肋板增加矩形框架平臺4的剛性，電磁鐵2、6的所有引線通過外側2個電纜拖鏈11與固定在機座7外側的2個航空插座12相連，傳感器探頭1的引線也通過外側2個電纜拖鏈11與相應的傳感前置器相連，上、下直線電機的引線通過內側2個電纜拖鏈11與固定在機座7內側的2個航空插座12相連。航空插座12再與磁懸浮移動平臺位置控制系統和直線電機控制系統相連接。
參見圖3，上述的移動平臺位置控制系統的結構是位移傳感器1的電信號輸出連接控制器9的輸入，控制器9的輸出經功率放大器8而連接承載電磁鐵2和導向電磁鐵6。
參見圖4，上述的控制器9每通道的電路由二塊TL071型芯片IC1、IC6、一塊TL072型芯片IC3、三塊TL074型芯片IC2、IC4、IC5、四個可調電阻Rs、Rp、Ri、Rd、22個電阻R和四個電容C1、C2、Ci、Cd組成。本控制器的電路中，采用線性集成運算放大器構成比例積分微分控制環節，簡稱PID控制環節，通過調節可調電阻Rs、Rp、Ri、Rd的阻值，可調節導軌系統的動力學性能和穩定性。
整個磁懸浮導軌位置控制系統的工作原理是由主動磁懸浮支承導軌-平臺系統的機電耦合動力學理論分析系統的動力學性能，把得到的最佳控制參數(Rs、Rp、Ri、Rd的阻值)主動輸入給控制器9，系統在工作時給出導軌5與平臺4的相對參考零位給定值，垂直懸浮方向和水平導向方向均有傳感器探頭1測量導軌5與平臺4的相對位移信號。當某一方向上的外載荷發生干擾變化時，作用在導軌5與電磁鐵2、6間的力將失去平衡，從而使導軌5與電磁鐵2、6間相對該方向發生相對位移，傳感器1將該相對位移信號反饋給控制器9，控制器9對該信號進行比較處理，根據導軌5與電磁鐵2、6間相對位移的變化，發出一個調整信號，經功率放大器8后輸出至電磁鐵2、6線圈，從而改變線圈中的電參量，使各方向上產生的電磁拉力將導軌5與平臺4重新拉回至相對參考零位，導軌5和平臺4在新的系統力作用下達到新的平衡。由于采用了由主動磁懸浮支承導軌-平臺系統的機電耦合動力學理論分析得到的最佳控制參數，導軌-平臺系統能安全到達工作頻率，可獲得高的定位精度。這樣，磁懸浮導軌5就能平穩無接觸地支承著進給平臺4，而直線電機3及其控制系統能驅動進給平臺4高速高精度地運行，實現了機床進給平臺系統的高速高精度化。
例如，對于具體研制的磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，通過求解主動磁懸浮支承導軌-平臺系統的機電耦合動力學振動方程MQ″+CQ′+KQ＝0可以算得表1所示的一組最佳主動控制參數，表2為這組控制參數下的最佳動力學性能。
表1 一組最佳控制參數

表2 對應表1控制參數的動力學性能

由表2可以看出，系統在最佳控制參數控制下，直線電機進給平臺不存在臨界振動，在工作過程中運行比較平穩，不會因為共振而導致加工精度下降，其動力學性能最佳。由于采用了由主動磁懸浮支承導軌-平臺系統的機電耦合動力學理論分析得到的最佳控制參數，進給平臺系統在穩定頻率范圍內能安全工作，可獲得高的定位精度。這樣，磁懸浮導軌就能平穩無接觸地支承著進給平臺，而直線電機及其控制系統能驅動進給平臺高速高精度地運行，實現了機床進給系統的高速高精度化。
權利要求
1.一種工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，包含有固定支承于機座(7)上的導軌(5)、套裝在導軌(5)上的移動平臺(4)和直線電機(3)，其特征在于直線電機(3)位于導軌(5)的中心線上，而其兩側的導軌(5)上下面設置承載電磁鐵(2)，導軌(5)的兩側面設置導向電磁鐵(6)，承載電磁鐵(2)和導向電磁鐵(6)與移動平臺(4)固定連接，它們中部均設置位移傳感器(1)，并連接一個移動平臺位置控制系統。
2.根據權利要求1所述的工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，其特征在于移動平臺位置控制系統的結構是位移傳感器(1)的電信號輸出連接控制器(9)的輸入，控制器(9)的輸出經功率放大器(8)而連接承載電磁鐵(2)和導向電磁鐵(6)。
3.根據權利要求2所述的工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，其特征在于位置控制系統的控制器(9)共有6路通道，每路通道的電路由二塊TL071型芯片(IC1、IC6)、一塊TL072型芯片(IC3)、三塊TL074型芯片(IC2、IC4、IC5)、四個可調電阻(Rs、Rp、Ri、Rd)、22個電阻(R)和四個電容(C1、C2、Ci、Cd)組成。
4.根據權利要求1所述的工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，其特征在于承載電磁鐵(2)和導向電磁鐵(6)與移動平臺(4)之間有調節板(10)，承載電磁鐵(2)和導向電磁鐵(6)以及直線電機(3)的電線通過電纜拖鏈(11)連接到固定于機座(7)上的插座(12)。
全文摘要
本發明涉及一種工業應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺。它包含有固定支承于機座上的導軌、套裝在導軌上的移動平臺和直線電機，直線電機位于導軌的中心線上，而其兩側的導軌上下面設置承載電磁鐵，導軌的兩側面設置導向電磁鐵，承載電磁鐵和導向電磁鐵與移動平臺固定連接，它們中部均設置位移傳感器，并連接一個移動平臺位置控制系統。本發明能極大地提高平臺進給速度和精度，延長使用壽命，并具有支承剛度阻尼可調、無摩擦、無需潤滑、無環境污染等優點，能實現機床進給系統的高速高精度化。
文檔編號B23Q5/22GK1528559SQ20031010794
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月16日 優先權日2003年10月16日
發明者張鋼, 汪希平, 朱禮進, 吳劍鋒, 楊新洲, 張建生, 張 鋼 申請人:上海大學