一种混合励磁磁悬浮进给平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种混合励磁磁悬浮进给平台，其包括悬浮工作台、V型导轨、两个直线电动机。其中，悬浮工作台为与V型导轨结构相匹配的框架结构，悬浮工作台与V型导轨关于一中心轴线对称；两个直线电动机安装在悬浮工作台及V型导轨上，且关于所述中心轴线对称。每一直线电动机包括动子铁心和定子铁心，所述动子铁心与悬浮工作台连接；所述定子铁心安装在V型导轨上。本发明通过实现了磁悬浮平台无需附加任何电磁铁的简单结构，减少了实现悬浮的功耗，节约了成本，同时降低了装置的复杂性，且能够提高悬浮稳定性和定位精度。
【专利说明】一种混合励磁磁悬浮进给平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数控机床进给平台技术，尤其涉及一种混合励磁磁悬浮进给平台。
【背景技术】
[0002]在数控机床进给过程中，运动部件与导轨之间存在着摩擦，而这种摩擦的存在对于进给运动来说是有百害而无一利的。首先，它增加了驱动系统的功率损耗，降低了效率、运动精度以及使用寿命，并且提高了维护费用。其次，它会产生运动噪声和系统发热，甚至会使精密部件变形。由于摩擦与运动速度之间存在着非线性关系，尤其是在微小量、低速进给情况下，这种非线性关系是很难把握的，甚至可能会产生爬行现象，严重破坏了驱动系统对高精度、高响应能力的性能要求。
[0003]行业研发人员致力于将磁悬浮技术应用于数控机床进给系统，希望使所有上述问题都能迎刃而解。Rong-Jong Wai等开发了一种长行程磁悬浮直线定位运动平台，能实现大行程的直线进给运动，但该平台并不能实现超精密运动。Chia-Hsiang Menq等开发了一种高精度磁浮平台，尝试了各种先进的控制方法并最终将平台的悬浮精度提高到了数十纳米左右，但该平台只能实现小行程的微运动并不能提供大行程的直线进给运动。
[0004]张钢等人申请的专利“工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电动机进给平台”，它包含有固定于机座上的导轨、套装在导轨上的移动平台和直线电动机，直线电动机位于导轨的中心线上，而其两侧的导轨上下面设置悬浮电磁铁，导轨的两侧面设置导向电磁铁，悬浮电磁铁和导向电磁铁与移动平台固定连接，它们中部均设置有位移传感器并连接至移动平台位置控制系统。葛研军等人申请的专利“数控机床磁浮直线进给系统一种新型数控机床磁悬浮直线进给系统”主要包括机座、固定于其上的两条导轨、直线电动机定子部件、安装在工作台底部四个角的四对差动悬浮电磁铁、安装在悬浮电磁铁旁边的两对导向电磁铁、安装在工作台下面的直线电动机动子部件、安装在导轨上的光栅测量系统以及支撑装置。
[0005]上述磁悬浮进给平台主要采用电磁铁实现磁悬浮，存在两方面缺陷。其一，悬浮系统的垂直悬浮力、水平导向力以及水平驱动力是由不同的系统独立产生，结构相对复杂，并且需要悬浮控制器、导向控制器、驱动控制器等至少三个控制器，所需控制环节繁多，成本昂贵。其二，直线电动机除了提供有用的电磁驱动力外，还存在固有的法向磁吸力，法向磁吸力往往比电磁驱动力大得多，并会随着电枢电流的变化而变化，从而影响悬浮平台的悬浮稳定性和定位精度。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是提供一种混合励磁磁悬浮进给平台，其将一种新型的混合励磁磁悬浮机构作为高速高精数控机床的进给机构，结构和控制相对简单，可以提高进给平台的定位精度和悬浮稳定性。[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种混合励磁磁悬浮进给平台，其包括悬浮工作台、V型导轨、两个直线电动机。其中，悬浮工作台为与V型导轨结构相匹配的框架结构，悬浮工作台与V型导轨关于一中心轴线对称；两个直线电动机安装在悬浮工作台及V型导轨上，且关于所述中心轴线对称。每一直线电动机包括动子铁心和定子铁心，所述动子铁心与悬浮工作台连接；所述定子铁心安装在V型导轨上。
[0008]在本发明一个较佳实施例中，所述混合励磁磁悬浮进给平台还包括第一方向电涡流传感器、光栅传感器、第二方向电涡流传感器，第一方向电涡流传感器和第二方向电涡流传感器设置在悬浮工作台上，光栅传感器设置在V型轨道上。
[0009]在本发明一个较佳实施例中，所述V型导轨包括一本体，其包括顶面、侧面及底面，其底面由完全中心对称的两个斜面形成。
[0010]在本发明一个较佳实施例中，所述定子铁心安装在V型导轨的本体底面上，其内部设置有励磁绕组，表面设置有永磁体。
[0011]在本发明一个较佳实施例中，所述悬浮工作台为由上梁、侧梁及悬臂形成的非封闭框架；其中，悬浮工作台的上梁、侧梁及悬臂与V型导轨本体的顶面、侧面及底面分别相对应且保持适当距离平行设置。
[0012]在本发明一个较佳实施例中，所述动子铁心与悬浮工作台的悬臂连接，其内部设置有电枢绕组。
[0013]在本发明一个较佳实施例中，所述悬浮工作台的侧梁内表面对称设置有所述第一方向电涡流传感器。
[0014]在本发明一个较佳实施例中，所述悬浮工作台的上梁内表面设置对称有所述第二方向电涡流传感器。
[0015]在本发明一个较佳实施例中，所述V型导轨的本体顶面上对称设置有所述光栅传感器。
[0016]在本发明一个较佳实施例中，所述混合励磁磁悬浮进给平台还包括控制系统，所述励磁绕组、电枢绕组、第一方向电涡流传感器、第二方向电涡流传感器及光栅传感器连接至所述控制系统。
[0017]本发明的有益效果是:本发明提出了一种V型结构导轨，对称布局两个直线电动机；通过直线电动机倒置，采用磁悬浮方式进给，由直线电动机同时提供悬浮力和导向力；为简化控制，采用混合励磁同步直线电动机；通过进给平台特殊结构与对称布置的混合励磁直线电动机结合，实现了磁悬浮平台无需附加任何电磁铁的简单结构。从而，减少了实现悬浮的功耗，节约了成本，同时降低了装置的复杂性；利用影响悬浮系统稳定性及定位精度的直线电动机法向磁吸力作为悬浮力和导向力，能够提高悬浮稳定性和定位精度。由于悬浮系统的驱动力、悬浮力和导向力都由直线电动机产生，驱动系统、悬浮系统和导向系统合三为一，简化了结构，减少了控制环节。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中:
图1为本发明混合励磁磁悬浮进给平台的结构示意图。
[0019]图2为图1沿虚线A-A的剖视图。
[0020]附图中各部件的标记如下:1、动子铁心；2、定子铁心；3、悬浮工作台；31、上梁；32、侧梁；33、悬臂；4、V型导轨；41、顶面；42、侧面；43、底面；5、电枢绕组；6、永磁体；7、励磁绕组；8、第一方向电涡流传感器；9、光栅传感器；10、第二方向电涡流传感器。
【具体实施方式】
[0021]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种混合励磁磁悬浮进给平台结构，其将一种新型的混合励磁磁悬浮机构作为高速高精数控机床的进给机构，结构和控制相对简单，同时又很好的避免了直线电动机法向磁吸力带来的问题，可以提高进给平台的定位精度和悬浮稳定性。
[0023]如图1、2所示，本发明混合励磁磁悬浮进给平台包括V型导轨4、悬浮工作台3、直线电动机(图未标)、第一方向电涡流传感器8、光栅传感器9、第二方向电涡流传感器10。V型导轨4的本体包括顶面41、侧面42及底面43，其底面由完全中心对称的两个斜面形成。
[0024]悬浮工作台3为与V型导轨4结构相匹配的框架结构，悬浮工作台与V型导轨关于一中心轴线B-B对称。如图1和2所示，悬浮工作台3为由上梁31、侧梁32及悬臂33形成的非封闭框架。其中，悬浮工作台3的上梁31、侧梁32及悬臂33与V型导轨4本体的顶面41、侧面42及底面43对应且平行设置。图1和图2中，悬浮工作台3工作状态下处于悬浮状态，也就是在通电后才会是图1、2所示的状态，不工作时悬浮工作台3是置于V型导轨4本体的顶面41上的。
[0025]两个直线电动机沿中心轴线B-B对称分布。两个直线电动机结构相同，此处以一侧的直线电动机为例进行说明。定子铁心2安装在V型导轨4的本体底面43上，其内部设置有励磁绕组7，表面设置有永磁体6。动子铁心I与悬浮工作台3的悬臂33连接，其内部设置有电枢绕组5。
[0026]悬浮工作台3的侧梁32内表面对称设置有第一方向电涡流传感器8，上梁31内表面设置对称有第二方向电涡流传感器10，V型导轨4的本体顶面41上对称设置有光栅传感器9。第二方向电涡流传感器10用于测量悬浮工作台竖直z方向的悬浮位移，第一方向电涡流传感器8用于测量悬浮工作台水平y方向的导向位移，光栅传感器9用于测量悬浮工作台水平X方向的进给位移。
[0027]本实施例通过两个直线电动机的法向磁吸力Fn的垂直分量Fz提供悬浮力，水平分量Fy提供水平导向力，直线电动机的电磁推力Fx提供水平驱动力。由混合励磁直线电动机的特性:法向磁吸力主要由励磁电流决定，电磁推力主要由电枢电流决定。因此调节励磁电流可以控制法向磁吸力，进而实现稳定悬浮；调节电枢电流可以控制水平驱动力，实现进给运动。[0028]所述励磁绕组7、电枢绕组5、第一方向电涡流传感器8、第二方向电涡流传感器10及光栅传感器9连接至控制系统，通过解耦控制算法，该进给平台x、y、z三个方向的运动可以实现完全解耦控制，即该磁悬浮进给平台的悬浮、导向、进给相互独立、互不影响，三个反向的运动可以分别控制而不干扰其他方向的运动，可以提高悬浮稳定性和定位精度。
[0029]需要说明的是:本发明所述混合励磁磁悬浮进给平台结构左右对称，这里只对其中一半的结构进行了详细说明，另一半结构完全相同。
[0030]本发明以简化数控机床直驱进给平台的结构和控制为根本目的，提出了一种V型结构导轨，对称布局两个直线电动机；且采用磁悬浮方式进给，由直线电动机同时提供悬浮力和导向力；为简化控制，采用混合励磁同步直线电动机。通过直线电动机倒置，同时提供悬浮力和导向力；通过进给平台特殊结构与对称布置的混合励磁直线电动机结合，实现了磁悬浮平台无需附加任何电磁铁的简单结构。
[0031]综上所述本发明提出的新型的混合励磁磁悬浮进给平台具有以下优点:
(I)不需要电磁铁悬浮系统，减少了实现悬浮的功耗，从而节约了成本，同时降低了装置的复杂性。
[0032](2)利用影响悬浮系统稳定性及定位精度的直线电动机法向磁吸力作为悬浮力和导向力，能够提高悬浮稳定性和定位精度。
[0033](3)悬浮系统的驱动力、悬浮力和导向力都由直线电动机产生,驱动系统、悬浮系统和导向系统合三为一，简化了结构，减少了控制环节。
[0034]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，其包括悬浮工作台(3)、V型导轨(4)、两个直线电动机，其中，悬浮工作台为与V型导轨结构相匹配的框架结构，悬浮工作台与V型导轨关于一中心轴线对称；两个直线电动机安装在悬浮工作台及V型导轨上，且关于所述中心轴线对称；每一直线电动机包括动子铁心(I)和定子铁心(2);所述动子铁心与悬浮工作台连接；所述定子铁心安装在V型导轨上。
2.根据权利要求1所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述混合励磁磁悬浮进给平台还包括第一方向电涡流传感器(8)、光栅传感器(9)、第二方向电涡流传感器(10)，第一方向电涡流传感器和第二方向电涡流传感器设置在悬浮工作台上，光栅传感器设置在V型轨道上。
3.根据权利要求1或2所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述V型导轨包括一本体，其包括顶面(41)、侧面(42)及底面(43)，其底面由完全中心对称的两个斜面形成。
4.根据权利要求3所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述定子铁心安装在V型导轨的本体底面上，其内部设置有励磁绕组(7)，表面设置有永磁体(6)。
5.根据权利要求3所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述悬浮工作台为由上梁(31)、侧梁(32)及悬臂(33)形成的非封闭框架；其中，悬浮工作台的上梁、侧梁及悬臂与V型导轨本体的顶面、侧面及底面分别相对应且保持适当距离平行设置。
6.根据权利要求5所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述动子铁心与悬浮工作台的悬臂连接，其内部设置有电枢绕组(5 )。
7.根据权利要求5所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述悬浮工作台的侧梁内表面对称设置有所述第一方向电涡流传感器。
8.根据权利要求5所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述悬浮工作台的上梁内表面设置对称有所述第二方向电涡流传感器。
9.根据权利要求5所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述V型导轨的本体顶面上对称设置有所述光栅传感器。
10.根据权利要求6所述的混合励磁磁悬浮进给平台，其特征在于，所述混合励磁磁悬浮进给平台还包括控制系统，所述励磁绕组、电枢绕组、第一方向电涡流传感器、第二方向电涡流传感器及光栅传感器连接至所述控制系统。
【文档编号】B23Q1/26GK103909427SQ201410153734
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】余思佳, 杨红兵, 戴跃洪, 杨仁杰, 孙诚 申请人:电子科技大学