專利名稱：雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種運動平臺，特別是涉及一種用于精密重型數控機床的無摩 擦、直接進給的雙直線同步電動機驅動的磁懸浮運動平臺，屬于數控技術領域。
背景技術：
精密重型數控機床運動平臺在加工過程中產生的摩擦阻力，特別是在低速時的非 線性摩擦不可避免地影響運動平臺的精度，導致運動平臺產生爬行以及造成反向死區。摩 擦是引起精密重型數控機床熱變形的原因之一，是影響加工精度的重要因素。摩擦也是引 起磨損、產生噪音的因素，需要良好的潤滑來提高機床壽命。因此，減小或消除摩擦已成為 制約精密重型數控機床運動平臺性能的技術瓶頸。現有的精密重型數控機床磁懸浮運動平臺利用直線電動機作為驅動元件，附加多 點支撐的電磁鐵進行懸浮，裝置復雜，特別是缺乏運動平臺直接自動懸浮的能力，限制了磁 懸浮運動平臺的使用和推廣。同時，平板式直線電動機通常是軸向短而縱向長的結構，對于精密重型數控機床 較重的負載不可避免的產生軸向以及縱向傾斜，嚴重影響磁懸浮平臺運行的穩定性和可靠 性。
發明內容發明目的本實用新型提供一種雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運 動平臺，其目的是解決精密重型數控機床磁懸浮運動平臺對于較重的負載產生的軸向和縱 向傾斜，以及平臺在加工過程中的摩擦問題。克服以往的精密重型數控機床磁懸浮平臺結 構復雜、穩定性和可靠性差的技術問題。技術方案本實用新型是通過以下技術方案實現的雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，其特征在于所述平臺 包括運動平臺和兩個長定子直線同步電動機及其控制系統；長定子直線同步電動機包括定 子鐵心和使用時與定子鐵心做相對移動的動子鐵心；運動平臺安裝在動子鐵心上；在定子 鐵心內設置有能使動子鐵心在定子鐵心下懸浮的勵磁繞組；在動子鐵心內設置有能推動動 子鐵心相對于定子鐵心移動的推力繞組；在運動平臺上設置有電渦流傳感器；基座穿過運 動平臺和動子鐵心；在基座上設置有長光柵傳感器和輔助導軌；勵磁繞組和電渦流傳感器 連接至勵磁繞組的磁懸浮控制系統；推力繞組和長光柵傳感器連接至運動平臺控制系統； 定子鐵心固定安裝在基座的下方；另一個長定子直線同步電動機及其控制系統的結構與上述結構相同。所述磁懸浮控制系統包括直流PWM變換器、比例調節器P和電流比例積分調節器 PI ；電渦流傳感器連接至比例調節器P，比例調節器P連接至電流比例積分調節器PI，電流 比例積分調節器PI連接至直流PWM變換器，直流PWM變換器連接至勵磁繞組；所述運動平 臺控制系統包括SPWM變換器、位置比例調節器P、速度PI調節器、電流PI調節器和可以產
3生推力的逆變器；長光柵傳感器連接至位置比例調節器P，位置比例調節器P連接至速度PI 調節器，速度PI調節器連接至電流PI調節器，電流PI調節器經過坐標變換連接至SPWM變 換器，SPWM變換器連接至可以產生推力的逆變器，可以產生推力電流的逆變器與推力繞組 連接。磁懸浮運動平臺直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。兩個直線同步電動機的勵磁繞組固定安裝在基座下方的定子鐵心中，推力繞組安 裝在動子鐵心中隨運動平臺一起運動。優點及效果本實用新型提供一種雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮 運動平臺。包括運動平臺和兩個長定子直線同步電動機，所述的長定子直線同步電動機主 要包括定子鐵心和可以與定子鐵心做相對運動的動子鐵心，其特征在于所述運動平臺與 動子鐵心固定連接；在所述定子鐵心內設置有勵磁繞組，在所述動子鐵心內設置有推力繞 組；在所述運動平臺上設置有電渦流傳感器；在所述基座上設置有長光柵傳感器；所述勵 磁繞組和電渦流傳感器連接至磁懸浮控制系統；所述推力繞組和長光柵傳感器連接至平臺 的運動控制系統。為了解決以往的精密重型數控機床運動平臺存在的問題，本實用新型將平臺的運 動和磁懸浮由兩臺相同的直線同步電動機來實現，也就是說將直線同步電動機與運動平臺 結合起來，將運動平臺直接安裝在兩個長定子直線同步電動機的動子上，平臺的運動是由 兩個直線同步電動機的切向電磁推力來實現的，通過調節推力繞組的電流來改變電磁推 力；磁懸浮力是定子上的勵磁磁極和直線同步電動機的動子鐵心之間產生的單邊磁拉力， 通過電渦流傳感器檢測懸浮高度，調節勵磁電流來調節磁懸浮力使平臺保持穩定懸浮，而 不出現在水平運動方向以及軸向的傾斜。直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是 懸浮磁極，這不同于以往的電磁鐵磁懸浮系統，該發明是靠電動機自身產生的磁懸浮力來 運行，平臺具有直接自動懸浮的能力，能夠克服以往的電磁鐵多點支撐懸浮、裝置復雜，對 于精密重型數控機床較重的負載產生軸向以及縱向傾斜，嚴重影響磁懸浮平臺運行的穩定 性和可靠性。另外，該實用新型還包括以下技術特征運動平臺是由兩個相同的直線同步電動機驅動，其中每一邊有一個直線同步電動 機驅動，以便產生大的推力和平衡的懸浮力。直線同步電動機的推力繞組電流為整個裝置提供電磁推力，并采用id = 0的矢量 控制方式。每個電動機的勵磁電流大小，由獨立的磁懸浮控制系統來調節，系統的主電路為 直流PWM變換器，采用懸浮高度與勵磁電流雙閉環控制。懸浮高度控制器為比例調節器，以 防止懸浮高度超調，而勵磁電流采用PI調節器。平臺的水平運動過程是由控制系統來完成的，這是一個位置、速度和電流組成的 三環控制系統。位置環為比例調節器，速度和電流環均采用PI調節器。由于磁力線總是沿磁阻最小的路徑閉合，運動平臺與直線同步電動機的動子直接 相連，在磁拉力作用下，平臺與動子不會向側面偏斜，相當于現有技術中的導向電磁鐵。磁 拉力的作用遠遠大于電磁推力，因此，相當于在電動機的運動方向上兩側有多個導向電磁 鐵。[0020]本實用新型具體優點如下1、平臺的運動和磁懸浮是由兩臺長定子直線同步電動機共同來完成的，通過調節 勵磁電流來調節懸浮高度，無需電磁鐵多點支撐懸浮，平臺結構簡單、可靠性高。通過調節 電樞電流來調節電磁推力的大小。2、平臺直接與長定子直線同步電動機的動子固定相連，平臺的導軌同時也是直線 同步電動機的輔助導軌。3、與以往由純永磁直線同步電動機組成的運動平臺比較，克服了氣隙磁場難以調 節的缺點。4、與以往永磁和電勵磁混合勵磁直線同步電動機組成的運動平臺比較，具有磁極 結構簡單容易實現的特點。5、該實用新型的雙直線同步電動機驅動的精密重型數控機床磁懸浮運動平臺，采 用雙直線同步電動機驅動，具有承載能力強，無摩擦直接進給的特點，提高了運動平臺的精 度和響應速度，消除了爬行以及反向死區、熱變形、磨損、噪音以及免潤滑，提高了機床壽 命。該實用新型采用直流勵磁直線同步電動機的法向磁拉力使運動平臺懸浮以消除 摩擦，使精密重型數控機床運動平臺在直接驅動的同時能夠從根本上消除摩擦實現無摩 擦進給，而不用象以往那樣單獨另設電磁鐵，使運動平臺結構簡化，并且大大提高了工作效 率，對進一步提高精密重型數控機床運動平臺的加工精度具有重要意義。
圖1為本實用新型的雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺結 構示意圖；圖2為本實用新型的長定子直線同步電動機的結構示意圖；圖3為平臺運動控制系統和磁懸浮控制系統的原理框圖；圖中標號說明如下1.運動平臺、2.動子鐵心、3.推力繞組、4.定子鐵心、5.勵磁繞組、6.輔助導軌、 7.電渦流傳感器、8.長光柵傳感器、9.運動平臺控制系統、10.磁懸浮控制系統、11.另一個 長定子直線同步電動機及其控制系統、12.基座。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明如圖1、2所示，一種雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，包 括運動平臺1和兩臺平行安裝的直線同步電動機，所述長定子直線同步電動機主要包括定 子鐵心4和使用時與定子鐵心4做相對移動的動子鐵心2，所述運動平臺1安裝在動子鐵 心2上，基座12穿過運動平臺1和動子鐵心2 ；在所述定子鐵心4內設置有勵磁繞組5，勵 磁繞組5可以使得動子鐵心2在定子鐵心4下產生懸浮；在所述動子鐵心2內設置有推力 繞組3，推力繞組3可以使得動子鐵心2相對于定子鐵心4做相對移動。勵磁繞組5和推力 繞組3的布線方向與動子鐵心2的運動方向垂直。在所述進給平臺1上設置有電渦流傳感 器7 ；在所述基座12上設置有長光柵傳感器8 ；所述勵磁繞組5，電渦流傳感器7連接至磁 懸浮控制系統10 ；所述推力繞組3和長光柵傳感器8連接至運動平臺控制系統9。如圖3所示，所述磁懸浮控制系統10包括PWM變換器、比例調節器P和電流的比例積分調節器PI ；所述電渦流傳感器7連接至比例調節器P，比例調節器P連接至電流的比 例積分調節器PI，電流的比例積分調節器PI連接至PWM變換器，PWM變換器連接至勵磁繞 組5 ；勵磁繞組5在氣隙中產生磁場，其大小由懸浮高度來決定。將給定懸浮高度與電渦流 傳感器7檢測到的反饋高度相比較形成誤差信號，該誤差信號通過比例調節器運算得到勵 磁電流的給定量，經過電流調節器PI產生直流PWM變換器的控制信號，通過改變占空比來 調節勵磁電流的大小，對氣隙磁場進行調節，從而改變磁拉力的大小，形成一個懸浮高度的 自動調節系統。當運動平臺1、動子鐵心2以及運動平臺1所負載的總重量與磁拉力的大小相等時 平臺1處于懸浮狀態，這一過程是由兩個直線電機的兩個磁懸浮控制系統共同來完成的， 以保證在負載擾動時懸浮高度不變。所述運動平臺控制系統9，如圖3中上面部分所示。包括SPWM變換器、位置比例調 節器、速度PI調節器、電流PI調節器和可以產生推力的逆變器；所述SPWM變換器就是正弦 波脈沖寬度調制變換器；所述長光柵傳感器8連接至位置比例調節器，位置比例調節器連 接至速度PI調節器，速度PI調節器連接至電流PI調節器，電流PI調節器經過坐標變換連 接至SPWM變換器，SPWM變換器連接至產生推力的逆變器，逆變器與推力繞組3連接。當在動子鐵心2中的推力繞組3中通入三相對稱正弦電流后，在氣隙中產生行波 磁場。該行波磁場與在定子鐵心4上的勵磁繞組5產生的勵磁磁場相互作用產生電磁推 力。運動平臺1的運動過程是由運動平臺控制系統9來完成的，這是一個位置、速度和 電流組成的三環控制系統。將給定量與長光柵傳感器8檢測到的反饋量相比較形成位置誤 差信號，該誤差信號通過位置比例調節器運算得到運動速度的給定量，它與由長光柵傳感 器8檢測到的位置信號中分離出的速度反饋信號比較形成平臺運動速度誤差信號，該誤差 信號通過速度PI調節器運算后形成電流的給定量，再與電流的的反饋量相比較形成電流 誤差信號，該誤差信號通過電流PI調節器運算得到逆變器的控制信號，通過對推力繞組電 流采用、=0的矢量控制方式，來完成的系統的調節作用。因此，運動平臺控制系統9本質 上是一個位置伺服系統。另一個長定子直線同步電動機及其控制系統11的結構和控制過 程與上述結構相同。所述定子鐵心4設置在基座12下部，在基座12上部還設置有輔助導軌6。當磁懸 浮運動平臺1不工作時，停在基座12上的輔助導軌6上，所述動子鐵心2工作時就是沿著 輔助導軌6的方向懸浮移動。該實用新型的平臺水平方向運動和垂直方向磁懸浮運動，由兩臺平行安裝的相同 的長定子直線同步電動機同時驅動，平臺直接安裝在長定子直線同步電動機的動子上，平 臺的運動是由直線同步電動機的切向電磁推力來實現的，通過調節推力繞組的電流來改變 電磁推力；磁懸浮力是動子上的勵磁磁極和直線同步電動機的定子鐵心之間產生的單邊磁 拉力，通過調節勵磁電流來調節磁懸浮力，運動平臺依靠兩臺電動機自身產生的磁懸浮力 來運行，具有直接自動懸浮的能力。磁懸浮運動平臺直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。該實用新型采用直線同步電動機的法向磁拉力使運動平臺懸浮以消除摩擦，使精 密重型數控機床運動平臺在直接驅動的同時能夠從根本上消除摩擦實現無摩擦運動，并且不用單獨設置懸浮電磁鐵，結構簡潔合理，對進一步提高精密重型數控機床運動平臺加工 精度具有重要意義，比較利于在精密重型數控機床領域推廣應用。
權利要求1.雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，其特征在于所述平臺包 括運動平臺(1)和兩個長定子直線同步電動機及其控制系統；長定子直線同步電動機包括 定子鐵心(4)和使用時與定子鐵心(4)做相對移動的動子鐵心(2)；運動平臺(1)安裝在動 子鐵心(2)上；在定子鐵心(4)內設置有能使動子鐵心(2)在定子鐵心(4)下懸浮的勵磁繞 組(5);在動子鐵心(2)內設置有能推動動子鐵心(2)相對于定子鐵心(4)移動的推力繞組 (3)；在運動平臺(1)上設置有電渦流傳感器(7)；基座(12)穿過運動平臺(1)和動子鐵心 (2)；在基座(12)上設置有長光柵傳感器(8)和輔助導軌(6)；勵磁繞組(5)和電渦流傳感 器(7)連接至勵磁繞組的磁懸浮控制系統(10)；推力繞組(3)和長光柵傳感器(8)連接至 運動平臺控制系統(9);定子鐵心(4)固定安裝在基座(12)的下方；另一個長定子直線同步 電動機及其控制系統(11)的結構與上述結構相同。
2.根據權利要求1所述的雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，其 特征在于所述磁懸浮控制系統(10)包括直流PWM變換器、比例調節器P和電流比例積分 調節器PI ；電渦流傳感器(7)連接至比例調節器P，比例調節器P連接至電流比例積分調 節器PI，電流比例積分調節器PI連接至直流PWM變換器，直流PWM變換器連接至勵磁繞組 (5);所述運動平臺控制系統(9)包括SPWM變換器、位置比例調節器P、速度PI調節器、電流 PI調節器和可以產生推力的逆變器；長光柵傳感器(8)連接至位置比例調節器P，位置比例 調節器P連接至速度PI調節器，速度PI調節器連接至電流PI調節器，電流PI調節器經過 坐標變換連接至SPWM變換器，SPWM變換器連接至可以產生推力的逆變器，可以產生推力電 流的逆變器與推力繞組(3 )連接。
3.根據權利要求1所述的雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，其 特征在于磁懸浮運動平臺直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。
4.根據權利要求1所述的雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，其 特征在于兩個直線同步電動機的勵磁繞組(5)固定安裝在基座(12)下方的定子鐵心(4) 中，推力繞組(3)安裝在動子鐵心(2)中隨運動平臺(1) 一起運動。
專利摘要本實用新型提供一種雙直線同步電動機驅動的精密重型機床磁懸浮運動平臺，包括運動平臺和兩個長定子直線同步電動機及其控制系統。所述直線同步電動機主要包括定子鐵心和可以與定子鐵心做相對運動的動子鐵心。其特征在于所述運動平臺安裝在動子鐵心上；在所述定子鐵心內設置有勵磁繞組，在所述動子鐵心內設置有推力繞組；在所述運動平臺上設置有電渦流傳感器；在所述基座上設置有長光柵傳感器；所述勵磁繞組和電渦流傳感器連接至磁懸浮控制系統；所述推力繞組和長光柵傳感器連接至平臺運動控制系統。該發明采用電勵磁的直線同步電動機的法向磁拉力使平臺懸浮以消除摩擦，對進一步提高精密重型數控機床運動平臺的精度具有重要意義。
文檔編號H02N15/00GK201881156SQ20102061400
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者張鳳閣, 張武, 藍益鵬, 邱超, 韓曉明 申請人:沈陽工業大學