專利名稱：一種新型數控機床磁浮直線進給系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數控機床進給系統，采用磁力支撐與導向，直線電機驅動，可實現機床工作臺的高速度、高加速度、高精度的無摩擦進給。
背景技術：
傳統的機床進給系統包含許多中間傳動環節，整個系統的慣性質量較大，系統的動態性能較差。而且中間環節在運動過程中產生的彈性變形、摩擦磨損以及反向間隙等，會造成定位進給運動的滯后和非線性誤差，影響加工精度。此外，絲杠傳動的固有缺陷使工作臺難以達到很高進給速度和精度。為了提高機床工作臺的進給速度、加速度和定位精度，以直線電機代替“旋轉電機 +絲杠”驅動工作臺的機床進給系統出現了，它的應用取消了原動力和工作臺部件之間的所有中間傳動聯結環節，簡化了系統的結構，實現了機構直接驅動。與傳統機械直線導軌相比，目前導軌支撐方式中的滾動導軌、塑料滑動導軌雖然摩擦系數小且耐磨性高，但在高速重載下仍會磨損；液體靜壓導軌處于純液體磨擦狀態，故導軌不會磨損，精度保持性好，磨擦系數小，但油污嚴重，結構復雜，成本高；氣體靜壓導軌與液體靜壓導軌一樣，需要諸多輔助設備，如空氣壓縮機、蓄壓器、過濾減壓閥。氣壓傳動和控制部件等，而且氣體懸浮的剛度性能較差。為了克服上述缺點，滿足日益高速化的加工要求，本發明采用了磁浮導軌的結構。 該導軌不但具有無摩擦、無潤滑、精度高等特點，而且不需要任何輔助設備。此外，磁浮導軌的剛度性能好，適合重載加工。目前，磁懸浮支撐與導向配合直線電機驅動的進給機構，都存在著承載能力低、驅動力小等缺點，未能真正取代現有機床進給系統。例如孫寶玉等人在文獻《直線驅動磁懸浮進給機構的研究》中提出了一種結構，如附圖5所示，該磁懸浮直線進給機構只用兩個電磁鐵提供懸浮力和導向力，垂直和橫向承載能力低，而且難以滿足機床加工對工作臺上表面的平面度要求。所以迫切需要開發有足夠承載力和推力的，可應用于實際加工的磁懸浮直線進給系統。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所在專利文獻CN1214892C中公開了一種超精密微位移導軌磁懸浮方法及其裝置，但該專利只用兩個電磁鐵產生懸浮力，所以移動平臺沿橫向的轉動自由度沒有限制，從而變得不穩定；該專利中，用以產生懸浮力的兩個電磁鐵同時也起到導向的作用，必須進行解耦控制，增加了控制系統的復雜程度；該專利所用的直線電機為單邊定子結構，直線電機定子和動子之間存在單邊磁拉力，這給移動平臺造成很大負擔。上海大學在專利文獻CN1244432C中公開了一種工業應用型主動磁懸浮導軌直線電機進給平臺，但該專利中的固定部件為一兩端支撐的簡支梁結構，剛度性能差，容易變形，承載能力較差；該專利中的直線電機為雙邊動子結構，且雙邊動子都固定在移動部件上，這就增加了移動部件的無用重量。
發明內容
本發明的目的就是要提供一種新型數控機床進給系統，該系統無摩擦、無潤滑、無污染且可提供足夠承載力和推力，以滿足數控機床工作臺日益增長的高速度、高加速度及高精度運行要求。本發明的另一個目的就是針對現有技術中的諸多缺陷，尋求一個更為滿意的解決方案。為實現上述目的，本發明將磁懸浮支撐和直線電機驅動技術融為一體，消除了工作臺和導軌之間的摩擦，實現了機床工作臺的無接觸支撐和導向，摒棄了傳統機床進給系統的中間傳動環節，實現了機床工作臺的零傳動。本發明采用如下技術方案
一種數控機床磁浮直線進給系統，在結構上可分為定部件和動部件。定部件包括基座、 兩條導軌、光柵尺以及直線電機定子部件。動部件主要包括工作臺、四個支撐裝置、四組差動懸浮電磁鐵、兩組導向電磁鐵、八個電渦流位移傳感器、直線電機動子部件、光柵讀數頭以及四個支撐裝置。各部件的安裝位置為兩條導軌對稱地固定在基座上，光柵尺通過一輔助件安裝在導軌上，以便重復利用；四組差動懸浮電磁鐵分布于工作臺的四個角的下方，每組電磁鐵由上下兩個電磁鐵組成兩組導向電磁鐵安裝在懸浮電磁鐵的旁邊，且每組的兩個電磁鐵沿水平向正對安裝；四個支撐裝置也分別固定在工作臺靠近四個角位置的下方，其水平向位置在導軌上的光柵測量系統、和懸浮電磁鐵之間；用于檢測懸浮間隙的四個電渦流位移傳感器分別通過輔助件豎直安裝在四個下懸浮電磁鐵的旁邊10毫米處，用于檢測導向間隙的四個電渦流位移傳感器分別通過輔助件沿水平向兩兩正對安裝在四個導向電磁鐵的旁邊10毫米處，在電磁鐵和傳感器之間留出10毫米間隙是為了避免電磁鐵的磁場對傳感器造成影響。上述的數控機床磁浮直線進給系統各部件的具體作用為懸浮電磁鐵承載含工件、工作臺、直線電機動子部件，懸浮電磁鐵和導向電磁鐵及其聯接元件的自重以及垂直切削力在內的所有垂直方向的載荷；導向電磁鐵控制橫向間隙，消除切削力及其他不確定因素引起的進給部件的橫向擾動，保證工作臺的縱向精確進給；直線電機實現工作臺的縱向進給；支撐裝置可在故障、停機和突然斷電時起到橫向和垂直支撐的作用、此外，不銹鋼板機床導軌防護罩(圖中未畫出)可起到防屑和隔磁的作用。上述的數控機床磁浮直線進給系統的懸浮和導向電磁鐵都通過支架固定在工作臺上，各電磁鐵和支架之間通過過盈配合連接，支架用鋁基復合材料制成。懸浮電磁鐵和導向電磁鐵的各參數都進行了標準化、最優化，在實際操作中，只要工作臺尺寸允許，可將導向和懸浮電磁鐵沿工作臺的縱向多個排列，以提高垂直和橫向承載能力。此外，本數控機床磁浮直線進給系統的支撐裝置與導軌之間的橫向、垂直間隙，分別小于導向電磁鐵、懸浮電磁鐵和導軌之間的間隙，所以支撐裝置可在非工作狀態、突然斷電或故障停機的情況下起到垂直和橫向支撐的作用。本發明數控機床磁浮直線進給系統給出了一種實現機床工作臺無接觸支撐和導向的方法在工作臺四個角的下方布置四組差動控制的懸浮電磁鐵，每組懸浮電磁鐵由上下兩個電磁鐵組成，裝在下懸浮電磁鐵旁邊的電渦流位移傳感器實時檢測電磁鐵和導軌之間的間隙，并經A/D轉換裝置和電平匹配電路將間隙量以電流信號的形式送給數字DSP控制器，DSP經運算后將差動控制信號經D/A轉換和驅動器送給懸浮電磁鐵線圈繞組，以調節電磁鐵和導軌之間間隙，從而實現工作臺在垂直方向上的穩定懸浮。四組懸浮電磁鐵的解耦控制通過軟件實現，它們共約束工作臺三個自由度沿垂直方向的移動、繞縱向的轉動和繞橫向的轉動。四個導向電磁鐵安裝在工作臺四個角下方的懸浮電磁鐵旁邊，其工作原理與懸浮電磁鐵是相同的，不同的是四個導向電磁鐵分成兩組工作，而且每組電磁鐵沿橫向正對安裝，便于實現差動控制，導向電磁鐵共約束工作臺兩個自由度沿橫向的移動和繞豎直方向的轉動。上述的數控機床磁浮直線進給系統的直流直線電機的定子部件主要包括永磁體和永磁體磁軛，動子部件包括繞組、繞組支架以及導磁體。其中永磁體采用若干小塊NdFeB 永磁體沿縱向連續排列而成，永磁體磁軛采用#20鋼。動子繞組采用鋁導線繞制而成，繞組支架采用鋁基復合材料制成，這都是為了減輕動子的重量。動子導磁體采用Ni-Si軟磁鐵氧體制成，這是為了在保證較好的導磁性能的前提下，盡量提高其電阻率，以減少電機運行時由于反向感應電動勢引起的感應電流，從而減少反向電磁力，動子導磁體通過燕尾槽結構和繞組支架連接在一起。該直流直線電機的控制系統主要包括DSP主控制器、光電隔離電路、A/D及D/A裝換裝置、霍爾電流傳感器、光柵檢測系統以及H型橋式斬波驅動器，控制系統的電流逆變功能由驅動器完成，直線電機的位置及速度調節都由軟件實現。此外，直線電機的定子和動子基本呈水平向布置。綜上所述，本發明在實現機床工作臺的無接觸支撐、導向和直接驅動的同時，還給出提高承載能力和驅動力的方法，使其能夠應用于高速度、高加速度的數控機床的進給系統。相對于專利文獻CN1214892C來說，本發明采用了四組懸浮電磁鐵來提供懸浮力， 移動平臺沿橫向的轉動自由度得到了限制，同時由于每組電磁鐵都采用了差動控制，故提高了精度；另外本發明中，懸浮電磁鐵和導向電磁鐵的作用方向相互垂直不存在耦合現象； 本發明中的直線電機采用雙邊定子結構，不存在單邊磁拉力的問題。相對于專利文獻CN1244432C來說，本發明中承載導軌沿縱向處處和基座接觸，故剛度性能好，大大提高了承載能力；另外本發明中的直線電機采用雙邊定子結構，而且動子采用輕質材料，有效地減小了移動平臺的自重，進而提高了承載能力和整個系統的效率。
附圖1為數控機床磁浮直線進給系統機械結構主視示意圖。附圖2為數控機床磁浮直線進給系統機械結構側視示意圖。附圖3為數控機床磁浮直線進給系統機械結構俯視示意圖。附圖4為數控機床磁浮直線進給系統控制系統示意圖。附圖5為一種磁懸浮直線進給機構示意圖。
具體實施例方式首先，參見附圖1、2、3，本發明數控機床磁浮直線進給系統，包含有基座1、固定于基座1上的兩條導軌14、直線電機定子部件17、18、安裝在工作臺5的四個角的下方的四組差動懸浮電磁鐵4、10、安裝在懸浮電磁鐵10旁邊的兩組導向電磁鐵11、安裝在懸浮電磁鐵 4、10和導向電磁鐵11旁邊的電渦流位移傳感器19、21、安裝在工作臺5下面的直線電機動子部件8、15、16、安裝在導軌上的光柵尺6、安裝在工作臺下方的光柵讀數頭7、安裝在工作下方的支撐裝置9以及導軌防護罩(圖中未畫出)。下面結合附圖以本發明的一個工作周期為例作詳細說明。機床進給系統未啟動時，各電磁鐵線圈中沒有電流，所以電磁鐵不產生電磁吸力， 整個動平臺靠支撐裝置9支撐在導軌14上。由于支撐裝置9與導軌14之間的橫向、垂直間隙，分別小于導向電磁鐵11、懸浮電磁鐵4和導軌1 4之間的間隙，所以當整個機床進給系統未通電時，可保證支撐裝置9與導軌14保持橫向和垂直接觸，而各電磁鐵4、10、11與導軌14保持一定間隙。系統通電后，電磁鐵4、10、11產生對導軌9的垂直方向上的和橫向的電磁吸力，各電渦流位移傳感器19、21將檢測到的電磁鐵4、10、11和導軌9之間的間隙轉換成電信號， 該信號經A / D轉換、電平轉換電路等裝置被送入DSP主控制器，控制器經一系列運算輸出控制信號，再經過D / A轉換和驅動器將控制電流加到電磁鐵4、10、11的繞組3、12上，調節電磁鐵4、10、11與導軌9之間的間隙，從而使動平臺在很短的時間內自動找正，而以設定間隙懸浮起來，支撐裝置9亦脫離導軌14，整個系統進入工作狀態。動平臺穩定懸浮后，位移傳感器19實時監測懸浮電磁鐵4、10與導軌14之間的間隙，并將該信息反饋給控制系統，當懸浮間隙由于干擾而變化時，控制系統將差動控制電流信號分配給差動懸浮電磁鐵4、10，強迫移動平臺回到設定位置，通過DSP控制器的PID調節使移動平臺穩定懸浮.兩組導向電磁鐵11的工作原理與懸浮電磁鐵4、10是一樣的，只不過導向電磁鐵11的作用力方向沿橫向，它主要是為了控制橫向間隙，從而保障工作臺5沿縱向精確進給。當需要平臺做縱向進給運動時，上位機發出速度和位置指令，由光柵檢測系統6、 7、A/D裝置、DSP主控制器、D/A裝置以及驅動器組成的直流直線電機控制回路，驅動并調節直線電機動子8、15、16以指定的速度運動到指定位置。在此過程中，光柵6、7實時檢測動平臺的位置和速度.控制器根據此信號以很短的時間間隔做出控制反應，這一點在動平臺定位后尤為明顯，實際上動平臺不可能準確低定位在某一指定位置，而是在此位置附近作微小顫動，我們可以通過調節電機的PID控制參數而使該顫動控制在誤差允許的范圍內， 最高定位精度可達微米級。此外，值得一提的是，由于本發明的驅動裝置采用直流供電，所以需要電流換向裝置，本系統中，換向功能是由驅動器完成的。工作完成后，先給直線電機繞組16斷電，而后逐步減小各電磁鐵4、10、11線圈繞組3、12的電流，使支撐裝置9緩慢落在導軌14上，由于支撐裝置9和導軌14之間的間隙不到0. 3毫米，所以接觸時，幾乎沒有撞擊震動。
權利要求
1.一種新型數控機床磁浮直線進給系統，包含有定部件和動部件；定部件主要包括基座、固定于基座上的導軌以及直線電機定子部件、動部件主要包括工作臺、懸浮電磁鐵、導向電磁鐵、支撐裝置以及直線電機動子部件；其特征在于懸浮電磁鐵共有四組，并分布于工作臺的四個角的下方，每組電磁鐵由上下兩個電磁鐵組成，并設有懸浮間隙控制系統；導向電磁鐵共有四個并組成兩組，每組的兩個電磁鐵沿水平向正對著安裝，并設有導向間隙控制系統；直線電機的定子部件安裝在導軌上，直線電機動子部件安裝在工作臺底部，并設有直線電機位置和速度控制系統。
2.如權利要求1所述的數控機床磁浮直線進給系統，其特征在于懸浮電磁鐵和導向電磁鐵通過支架固定在工作臺上，各電磁鐵的鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，且和支架之間通過過盈配合連接，支架用鋁基復合材料制成；直線電機定子部件與直線電機動子部件基本呈水平向布置。
全文摘要
一種新型數控機床磁懸浮直線進給系統，主要包括機座固定于其上的兩條導軌、直線電機定子部件安裝在工作臺底部四個角的4對差動懸浮電磁鐵安裝在懸浮電磁鐵旁邊的2對導向電磁鐵安裝在工作臺下面的直線電機動子部件安裝在導軌上的光柵測量系統以及支撐裝置。本發明的控制系統為采用DSP主控制器的懸浮電磁鐵和導向電磁鐵與導軌之間的間隙控制系統以及直線電機伺服控制系統。本發明實現了機床工作臺的無接觸支撐與導向，消除了摩擦磨損，提高了進給速度與定位精度，并且提供了足夠的承載力和推力，可用于實際加工。
文檔編號H02N15/00GK102476310SQ201010555260
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者董海 申請人:大連創達技術交易市場有限公司