一种应用于多点支承系统中的过约束判断方法与流程

本发明涉及一种磁悬浮导轨平面支承中过约束的判断方法，属于于数控机械加工技术领域。

背景技术：

主动磁悬浮导轨通常被应用于数控机床加工中，由于主动磁悬浮导轨的滑箱与导板之间相对运动时表面没有接触，大大地减小了运动阻力，因而加快了导轨的运动响应，为提高数控机床的进给速度提供了技术条件，避免了因机械摩擦和直接接触而导致的导轨寿命缩短和加工精度下降等问题，因而主动磁悬浮导轨的可靠性远远高于普通导轨。与静压导轨相比，由于主动磁悬浮导轨省掉了庞大的油路系统，所以减轻了环境污染、降低了洁净防尘条件。衡量主动磁悬浮导轨工作的指标有：稳定性、加工精度、使用寿命等指标。在主动磁悬浮导轨平面中存在多个支承点，多个支承点产生多个工作平面，因此会造成主动磁悬浮导轨的颤振。

随着主动磁悬浮技术的深入研究，发现多点支承的主动磁悬浮导轨系统的主动式过约束会引起“颤振”，难以进一步提高主动磁悬浮导轨的承载能力和控制精度，甚至阻碍了主动磁悬浮导轨的研究工作。

技术实现要素：

本发明的一种新型的主导型控制方法是从机床导轨的承载特性考虑，主动磁悬浮导轨的工作平面必须采用多点支承，但是对于一个平面而言，这种多点支承就存在主动式过约束。本发明针对多点支承的主动磁悬浮导轨中出现的“颤振”问题，发明了一种多点支承平面的判断方法，消除主动磁悬浮导轨中的颤振现象。

本发明采用如下技术方案：

一种应用于多点支承系统中的过约束判断方法，包括：

把多支承点的平面上的支承点信号分别接到相应的通道进行测量；

比较其中一点的相位与其他支承点的相位；

建立电磁力的平衡方程；

判断过约束点；

调整其他支承点的电流，为实施磁阻尼提供条件。

更进一步地，所述调整方法包括：

测量位移信号；

计算各点的支撑力增量；

判断a点与其它点的增量方向的一致性；当一致时，保留新增量，循环变量加1；

当不一致时，调过度点的偏置电流和对偶点的偏置电流，将过度点的偏置电流inx0调整为inx0+δiξ，将对偶点的偏置电流imx0调整为imx0+δi(1-ξ)，这样不断地反复检测调整，在主动磁阻尼力的控制下，最终使多个支承点落到一个平面上。

更进一步地，导板与电磁铁之间的气隙变化通过位移传感器的探头检测得出，在主动磁悬浮导轨平台上共安装四对支承电磁铁和两对导向电磁铁，位移传感器安装在电磁铁上。

更进一步地，所述支承电磁铁上安装有调节垫块，所述调节垫块的材料采用非导磁不锈钢。

更进一步地，所述导向电磁铁上的传感器采用电涡流位移传感器，其包括探头和调理电路，探头用于检测导轨在任意时刻的位移信号，调理电路将检测到的位移信号转换为相应的电压信号，作为反馈信号送给控制器并按照预先设置的控制规律进行数据处理，然后送入功率放大器。

本发明具有如下有益效果：

(1)推导出磁阻尼这一非线性问题的理论算法，形成主动磁悬浮系统研究中的又一个新的技术方法。这种磁阻尼效应只对平面法向支承产生阻尼作用，目的是为了消除颤振，而对滑箱沿着导板的水平移动方向仍然无阻尼，是磁阻尼控制技术的一大特点。

(2)找出无接触测量下的过约束应力与载荷力的甄别方法，该方法和技术决定能否准确实现法向磁阻尼控制，是测量技术与智能化结合的新技术。要实现过约束下的磁阻尼控制，需要对过约束应力与载荷力甄别，而这种甄别的检测信号完全依靠位移传感器，利用主动磁悬浮的特征判别出过约束应力与载荷力，是形成磁阻尼控制新技术的关键性手段。

(3)解决主动磁悬浮导轨系统中的非线性复杂计算问题，形成“理论计算---试验验证---参数修正”的方法，是一种逼近法处理非线性复杂计算的方法，这一方法有利于磁阻尼控制新技术的快速成熟，为验证和修正磁阻尼控制的参数，研究嵌入磁阻尼控制的专用主动磁悬浮控制器，甚至为主动磁悬浮导轨的工业化应用作技术支撑。

附图说明

图1是主动磁悬浮导轨平台的结构示意图。

图2是本发明的系统原理图。

图3是四个理论平面图。

图4是本发明的方法流程图。

图中标记：1、调节垫块；2、导板；3、直线电机；4、支承电磁铁；5、滑箱；6、位移传感器；7、端部支承墙板；8、导向电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

主动磁悬浮导轨系统主要由导向电磁铁、支承电磁铁、导板、位移传感器、放大器、控制器和直线电机组成。位移传感器的探头检测出导板与电磁铁之间的气隙变化，将这一物理信号转换为电信号，然后经过调理电路送到控制器，控制器对检测到的位移信号按照施加的主导型控制方法进行相关的运算，然后输出相应的控制电信号，再经过功率放大器放大后传送给差动电磁铁线圈，调节电磁铁线圈中电流的大小，从而使电磁铁线圈中产生的电磁力发生变化，进而保持导轨系统处于平衡位置。

如图1所示，在主动磁悬浮导轨平台上共安装四对法向支承电磁铁和两对导向电磁铁，传感器直接安装在电磁铁上。端部支承墙板起到固定导板的作用。调节垫块的材料采用非导磁不锈钢，其作用主要有两个方面：一是调节电磁铁与直线导轨间的气隙为0.2mm；二是隔磁，防止磁通沿着进给导轨“漏掉”。直线电机的作用是产生进给力，使滑箱沿着导板移动。两端的传感器主要采用电涡流位移传感器，其包括探头和调理电路，探头的作用是检测导轨在任意时刻的位移信号，调理电路将检测到的位移信号转换为相应的电压信号，作为反馈信号送给控制器并按照预先设置的控制规律进行数据处理，然后送入功率放大器。

在多点支承的主动磁悬浮导轨中，由于主动型过约束的存在，会导致主动磁悬浮导轨系统产生颤振，影响系统的稳定性，因此，首先要判断出哪个支承点是过约束点，然后再根据磁阻尼的控制规律加以控制。根据主动磁悬浮支承系统的特征，首先通过涡流位移传感器检测的信号判断导轨的各个支承点的受力方向和大小，然后判断出过约束点，从提升主动磁悬浮导轨性能的角度出发，分析影响多点支承系统稳定的因素及研究解决系统稳定性问题的方法。

判断出哪点是过约束点，通过涡流位移传感器的信号变化去判断受力方向和大小，然后结合系统参数控制磁阻尼。本发明的系统原理如图2所示。

磁阻尼控制的基本思路就是从微变的角度，当某一个支承点将要偏离平衡点时，就受到足够的磁阻尼力，而不是像原来那样在自然状态下快速地偏离平衡点，且各支承点既存在一定的阻尼又具有一定的刚度。这种方法是让n个平面法向支承点随动于一个实平面，而不是让某一个约束点设定为小刚度去作随动支承，也可以理解为每个支承点类似于一个弹簧，使所有支承点的承载力尽可能发挥最大作用。n个支承点可以均匀地支承着滑箱，使之成为更适合于实际应用的机床导轨，达到既能消除导轨的过约束颤振又不会牺牲承载力的目的。

如图3所示，若因过约束造成b点低于实平面，则b点的受力增量一定与a、c、d三点的受力增量方向相反，其支承电磁铁的电流增量也就相反，这个相反的受力增量称为“过约束力增量”，这个受力增量不但不能起到支承的作用，反而起到相反的作用，这也是造成颤振的根源。通过电涡流位移传感器就可以检测到a、b、c、d四个点的特征，从而进行调整。

假定导轨的4个支承点的位置偏差较大，b点最低，a、c、d三点在一个平面上，ab和cd为导轨的长度，ac和bd为导轨的宽度。对于b点的平面支承力增量，有两种情况：一是当载荷增大时，b点支承力的增量方向与a、c、d三点的支承力增量方向一致，此种情况还未达到颤振状态。二是由于导板的平行度、精度等因素产生过约束力，此时b点的支承力的增量方向与a、c、d三点的微变位移量方向正好相反，此种情况很容易产生颤振。

把平面中a、c、d三点的信号分别接至ch1、ch2、ch3三个通道，b点的信号接到ch4通道，通过测试发现b点的相位与a、c、d三点的相位方向相反，此时，b点不但不能起到承载的作用，反而起到反作用，称b点为“过约束点”，因此，过约束动态平衡点是通过电磁力公式中的电流ic0来建立的，同时，可以按磁阻尼控制的方法，调整b、c两点的电流，起到消除平面颤振的作用。

本发明的方法流程如图4所示，包括：(1)把多支承点的平面上的支承点信号分别接到相应的通道进行测量。(2)比较其中一点的相位与其他支承点的相位。(3)建立电磁力的平衡方程。(4)判断过约束点。(5)调整其他支承点的电流，为实施磁阻尼提供条件。

如图4中，设n点为过约束点，其偏置电流inx0首先被调整为inx0+δiξ，“对偶点”m点在过约束点的对角位置处，如上述a点，其偏置电流imx0调整为imx0+δi(1-ξ)，这样不断地反复检测调整，在主动磁阻尼力的控制下，最终使多个支承点尽量落到一个平面上。“调过度点偏流”和“调对偶点偏流”这两个程序模块是按照主动式磁阻尼控制规律进行的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。