专利名称：数控机床磁浮直线进给系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数控机床进给系统，采用磁力支撑与导向，直线电机驱动，可实现机床工作台的高速度、高加速度、高精度的无摩擦进给。
背景技术：
传统的机床进给系统包含许多中间传动环节，整个系统的惯性质量较大，系统的动态性能较差。而且中间环节在运动过程中产生的弹性变形、摩擦磨损以及反向间隙等，会造成定位进给运动的滞后和非线性误差，影响加工精度。此外，丝杠传动的固有缺陷使工作台难以达到很高进给速度和精度。
为了提高机床工作台的进给速度、加速度和定位精度，以直线电机代替“旋转电机+丝杠”驱动工作台的机床进给系统出现了，它的应用取消了原动力和工作台部件之间的所有中间传动联结环节，简化了系统的结构，实现了机构直接驱动。
与传统机械直线导轨相比，目前导轨支撑方式中的滚动导轨、塑料滑动导轨虽然摩擦系数小且耐磨性高，但在高速重载下仍会磨损；液体静压导轨处于纯液体磨擦状态，故导轨不会磨损，精度保持性好，磨擦系数小，但油污严重，结构复杂，成本高；气体静压导轨与液体静压导轨一样，需要诸多辅助设备，如空气压缩机、蓄压器、过滤减压阀、气压传动和控制部件等，而且气体悬浮的刚度性能较差。
为了克服上述缺点，满足日益高速化的加工要求，本发明采用了磁浮导轨的结构。该导轨不但具有无摩擦、无润滑、精度高等特点，而且不需要任何辅助设备。此外，磁浮导轨的刚度性能好，适合重载加工。
目前，磁悬浮支撑与导向配合直线电机驱动的进给机构，都存在着承载能力低、驱动力小等缺点，未能真正取代现有机床进给系统。例如孙宝玉等人在文献《直线驱动磁悬浮进给机构的研究》中提出了一种结构，如附图5所示，该磁悬浮直线进给机构只用两个电磁铁提供悬浮力和导向力，垂直和横向承载能力低，而且难以满足机床加工对工作台上表面的平面度要求。所以迫切需要开发有足够承载力和推力的，可应用于实际加工的磁悬浮直线进给系统。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在专利文献CN1214892C中公开了一种超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置，但该专利只用两个电磁铁产生悬浮力，所以移动平台沿横向的转动自由度没有限制，从而变得不稳定；该专利中，用以产生悬浮力的两个电磁铁同时也起到导向的作用，必须进行解耦控制，增加了控制系统的复杂程度；该专利所用的直线电机为单边定子结构，直线电机定子和动子之间存在单边磁拉力，这给移动平台造成很大负担。
上海大学在专利文献CN1244432C中公开了一种工业应用型主动磁悬浮导轨直线电机进给平台，但该专利中的固定部件为一两端支撑的简支梁结构，刚度性能差，容易变形，承载能力较差；该专利中的直线电机为双边动子结构，且双边动子都固定在移动部件上，这就增加了移动部件的无用重量。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种新型数控机床进给系统，该系统无摩擦、无润滑、无污染且可提供足够承载力和推力，以满足数控机床工作台日益增长的高速度、高加速度及高精度运行要求。
本发明的另一个目的就是针对现有技术中的诸多缺陷，寻求一个更为满意的解决方案。
为实现上述目的，本发明将磁悬浮支撑和直线电机驱动技术融为一体，消除了工作台和导轨之间的摩擦，实现了机床工作台的无接触支撑和导向，摒弃了传统机床进给系统的中间传动环节，实现了机床工作台的零传动。
本发明采用如下技术方案
一种数控机床磁浮直线进给系统，在结构上可分为定部件和动部件。定部件包括基座、两条导轨、光栅尺以及直线电机定子部件。动部件主要包括工作台、四个支撑装置、四组差动悬浮电磁铁、两组导向电磁铁、八个电涡流位移传感器、直线电机动子部件、光栅读数头以及四个支撑装置。各部件的安装位置为两条导轨对称地固定在基座上，光栅尺通过一辅助件安装在导轨上，以便重复利用；四组差动悬浮电磁铁分布于工作台的四个角的下方，每组电磁铁由上下两个电磁铁组成；两组导向电磁铁安装在悬浮电磁铁的旁边，且每组的两个电磁铁沿水平向正对安装；四个支撑装置也分别固定在工作台靠近四个角位置的下方，其水平向位置在导轨上的光栅测量系统、和悬浮电磁铁之间；用于检测悬浮间隙的四个电涡流位移传感器分别通过辅助件竖直安装在四个下悬浮电磁铁的旁边10毫米处，用于检测导向间隙的四个电涡流位移传感器分别通过辅助件沿水平向两两正对安装在四个导向电磁铁的旁边10毫米处，在电磁铁和传感器之间留出10毫米间隙是为了避免电磁铁的磁场对传感器造成影响。
上述的数控机床磁浮直线进给系统各部件的具体作用为悬浮电磁铁承载含工件、工作台、直线电机动子部件、悬浮电磁铁和导向电磁铁及其联接元件的自重以及垂直切削力在内的所有垂直方向的载荷；导向电磁铁控制横向间隙，消除切削力及其他不确定因素引起的进给部件的横向扰动，保证工作台的纵向精确进给；直线电机实现工作台的纵向进给；支撑装置可在故障、停机和突然断电时起到横向和垂直支撑的作用。此外，不锈钢板机床导轨防护罩(图中未画出)可起到防屑和隔磁的作用。
上述的数控机床磁浮直线进给系统的悬浮和导向电磁铁都通过支架固定在工作台上，各电磁铁和支架之间通过过盈配合连接，支架用铝基复合材料制成。悬浮电磁铁和导向电磁铁的各参数都进行了标准化、最优化，在实际操作中，只要工作台尺寸允许，可将导向和悬浮电磁铁沿工作台的纵向多个排列，以提高垂直和横向承载能力。此外，本数控机床磁浮直线进给系统的支撑装置与导轨之间的横向、垂直间隙，分别小于导向电磁铁、悬浮电磁铁和导轨之间的间隙，所以支撑装置可在非工作状态、突然断电或故障停机的情况下起到垂直和横向支撑的作用。
本发明数控机床磁浮直线进给系统给出了一种实现机床工作台无接触支撑和导向的方法在工作台四个角的下方布置四组差动控制的悬浮电磁铁，每组悬浮电磁铁由上下两个电磁铁组成，装在下悬浮电磁铁旁边的电涡流位移传感器实时检测电磁铁和导轨之间的间隙，并经A/D转换装置和电平匹配电路将间隙量以电流信号的形式送给数字DSP控制器，DSP经运算后将差动控制信号经D/A转换和驱动器送给悬浮电磁铁线圈绕组，以调节电磁铁和导轨之间间隙，从而实现工作台在垂直方向上的稳定悬浮。四组悬浮电磁铁的解耦控制通过软件实现，它们共约束工作台三个自由度沿垂直方向的移动、绕纵向的转动和绕横向的转动。四个导向电磁铁安装在工作台四个角下方的悬浮电磁铁旁边，其工作原理与悬浮电磁铁是相同的，不同的是四个导向电磁铁分成两组工作，而且每组电磁铁沿横向正对安装，便于实现差动控制，导向电磁铁共约束工作台两个自由度沿横向的移动和绕竖直方向的转动。
上述的数控机床磁浮直线进给系统的直流直线电机的定子部件主要包括永磁体和永磁体磁轭，动子部件包括绕组、绕组支架以及导磁体。其中永磁体采用若干小块NdFeB永磁体沿纵向连续排列而成，永磁体磁轭采用#20钢。动子绕组采用铝导线绕制而成，绕组支架采用铝基复合材料制成，这都是为了减轻动子的重量。动子导磁体采用Ni-Zn软磁铁氧体制成，这是为了在保证较好的导磁性能的前提下，尽量提高其电阻率，以减少电机运行时由于反向感应电动势引起的感应电流，从而减少反向电磁力，动子导磁体通过燕尾槽结构和绕组支架连接在一起。该直流直线电机的控制系统主要包括DSP主控制器、光电隔离电路、A/D及D/A装换装置、霍尔电流传感器、光栅检测系统以及H型桥式斩波驱动器，控制系统的电流逆变功能由驱动器完成，直线电机的位置及速度调节都由软件实现。此外，直线电机的定子和动子基本呈水平向布置。
综上所述，本发明在实现机床工作台的无接触支撑、导向和直接驱动的同时，还给出提高承载能力和驱动力的方法，使其能够应用于高速度、高加速度的数控机床的进给系统。
相对于专利文献CN1214892C来说，本发明采用了四组悬浮电磁铁来提供悬浮力，移动平台沿横向的转动自由度得到了限制，同时由于每组电磁铁都采用了差动控制，故提高了精度；另外本发明中，悬浮电磁铁和导向电磁铁的作用方向相互垂直不存在耦合现象；本发明中的直线电机采用双边定子结构，不存在单边磁拉力的问题。
相对于专利文献CN1244432C来说，本发明中承载导轨沿纵向处处和基座接触，故刚度性能好，大大提高了承载能力；另外本发明中的直线电机采用双边定子结构，而且动子采用轻质材料，有效地减小了移动平台的自重，进而提高了承载能力和整个系统的效率。
附图1为数控机床磁浮直线进给系统机械结构主视示意图。
附图2为数控机床磁浮直线进给系统机械结构侧视示意图。
附图3为数控机床磁浮直线进给系统机械结构俯视示意图。
附图4为数控机床磁浮直线进给系统控制系统示意图。
附图5为一种磁悬浮直线进给机构示意图。
具体实施例方式
首先，参见附图1、2、3，本发明数控机床磁浮直线进给系统，包含有基座1、固定于基座1上的两条导轨14、直线电机定子部件17、18、安装在工作台5的四个角的下方的四组差动悬浮电磁铁4、10、安装在悬浮电磁铁10旁边的两组导向电磁铁11、安装在悬浮电磁铁4、10和导向电磁铁11旁边的电涡流位移传感器19、21、安装在工作台5下面的直线电机动子部件8、15、16、安装在导轨上的光栅尺6、安装在工作台下方的光栅读数头7、安装在工作下方的支撑装置9以及导轨防护罩(图中未画出)。
下面结合附图以本发明的一个工作周期为例作详细说明。
机床进给系统未启动时，各电磁铁线圈中没有电流，所以电磁铁不产生电磁吸力，整个动平台靠支撑装置9支撑在导轨14上。由于支撑装置9与导轨14之间的横向、垂直间隙，分别小于导向电磁铁11、悬浮电磁铁4和导轨14之间的间隙，所以当整个机床进给系统未通电时，可保证支撑装置9与导轨14保持横向和垂直接触，而各电磁铁4、10、11与导轨14保持一定间隙。
系统通电后，电磁铁4、10、11产生对导轨9的垂直方向上的和横向的电磁吸力，各电涡流位移传感器19、21将检测到的电磁铁4、10、11和导轨9之间的间隙转换成电信号，该信号经A/D转换、电平转换电路等装置被送入DSP主控制器，控制器经一系列运算输出控制信号，再经过D/A转换和驱动器将控制电流加到电磁铁4、10、11的绕组3、12上，调节电磁铁4、10、11与导轨9之间的间隙，从而使动平台在很短的时间内自动找正，而以设定间隙悬浮起来，支撑装置9亦脱离导轨14，整个系统进入工作状态。
动平台稳定悬浮后，位移传感器19实时监测悬浮电磁铁4、10与导轨14之间的间隙，并将该信息反馈给控制系统，当悬浮间隙由于干扰而变化时，控制系统将差动控制电流信号分配给差动悬浮电磁铁4、10，强迫移动平台回到设定位置，通过DSP控制器的PID调节使移动平台稳定悬浮。两组导向电磁铁11的工作原理与悬浮电磁铁4、10是一样的，只不过导向电磁铁11的作用力方向沿横向，它主要是为了控制横向间隙，从而保障工作台5沿纵向精确进给。
当需要平台做纵向进给运动时，上位机发出速度和位置指令，由光栅检测系统6、7、A/D装置、DSP主控制器、D/A装置以及驱动器组成的直流直线电机控制回路，驱动并调节直线电机动子8、15、16以指定的速度运动到指定位置。在此过程中，光栅6、7实时检测动平台的位置和速度，控制器根据此信号以很短的时间间隔做出控制反应，这一点在动平台定位后尤为明显，实际上动平台不可能准确低定位在某一指定位置，而是在此位置附近作微小颤动，我们可以通过调节电机的PID控制参数而使该颤动控制在误差允许的范围内，最高定位精度可达微米级。此外，值得一提的是，由于本发明的驱动装置采用直流供电，所以需要电流换向装置，本系统中，换向功能是由驱动器完成的。
工作完成后，先给直线电机绕组16断电，而后逐步减小各电磁铁4、10、11线圈绕组3、12的电流，使支撑装置9缓慢落在导轨14上，由于支撑装置9和导轨14之间的间隙不到0.3毫米，所以接触时，几乎没有撞击震动。
权利要求
1.一种数控机床磁浮直线进给系统，包含有定部件和动部件；定部件主要包括基座(1)、固定于基座(1)上的导轨(14)以及直线电机定子部件(17)、(18)；动部件主要包括工作台(5)、悬浮电磁铁(4)、(10)、导向电磁铁(11)、支撑装置(9)以及直线电机动子部件(8)、(15)、(16)；其特征在于悬浮电磁铁共有四组(4)、(10)，并分布于工作台(5)的四个角的下方，每组电磁铁由上下两个电磁铁组成，并设有悬浮间隙控制系统；导向电磁铁(11)共有四个并组成两组，每组的两个电磁铁沿水平向正对着安装，并设有导向间隙控制系统；直线电机的定子部件(17)、(18)安装在导轨(14)上，直线电机动子部件(8)、(15)、(16)安装在工作台(5)底部，并设有直线电机位置和速度控制系统。
2.如权利要求1所述的数控机床磁浮直线进给系统，其特征在于悬浮电磁铁(4)、(10)和导向电磁铁(11)通过支架(2)、(13)固定在工作台(5)上，各电磁铁的铁芯采用硅钢片叠压而成，且和支架(2)、(13)之间通过过盈配合连接，支架(2)、(13)用铝基复合材料制成。
3.如权利要求1所述的数控机床磁浮直线进给系统，其特征在于直线电机定子部件(17)、(18)与直线电机动子部件(8)、(15)、(16)基本呈水平向布置。
4.如权利要求1、2或3所述的数控机床磁浮直线进给系统，其特征在于四个支撑装置(9)也分别固定在工作台(5)靠近四个角位置的下方，其水平向位置在导轨(14)上的光栅测量系统(6)、(7)和悬浮电磁铁(10)之间；支撑装置(9)与导轨(14)之间的横向、垂直间隙分别小于导向电磁铁(11)、悬浮电磁铁(4)和导轨(14)之间的间隙。
5.如权利要求1、2或3所述的数控机床磁浮直线进给系统，其特征在于电机定子部件(17)、(18)采用双边结构，主要包括永磁体(17)和磁轭(18)；电机的动子部件(8)、(15)、(16)包括线圈绕组(16)、导磁体(15)和支架(8)，导磁体(15)通过燕尾槽结构与支架(8)固连，两个通以相反方向电流的线圈绕组(16)绕于其上；磁轭(18)的材料为#20钢，导磁体(15)的材料为Ni-Zn软磁铁氧体，绕组支架(8)的材料为铝基复合材料。
6.根据权利要求1、2或3所述的数控机床磁浮直线进给系统，其特征在于所述悬浮间隙控制系统包括四个竖直设置的电涡流位移传感器(19)，电涡流位移传感器(19)通过辅助件(20)安装在四个下悬浮电磁铁(4)的旁边，并与电磁铁保持10毫米的距离；各传感器实时检测各电磁铁(4)、(10)与导轨(14)之间的间隙，并以电信号的形式送往数字DSP主控制器，DSP控制器输出的控制信号经D/A转换和功率放大送给各电磁铁(4)、(10)的绕组，从而实现悬浮间隙的控制。
7.根据权利要求1、2或3所述的数控机床磁浮直线进给系统，其中导向间隙控制系统的特征在于所述导向间隙的测量系统包括两对差动检测的电涡流传感器(21)，每对传感器通过辅助件(22)沿横向正对安装在导向电磁铁(11)的旁边，并与电磁铁保持10毫米的距离；各传感器实时检测各电磁铁(11)与导轨(14)之间的间隙，并以电信号的形式送往数字DSP主控制器，DSP控制器输出的控制信号经D/A转换和功率放大送给各电磁铁(11)的绕组，从而实现导向间隙的控制。
8.根据权利要求1、2或3所述的数控机床磁浮直线进给系统，其中所述的直线电机位置和速度控制系统的特征在于导轨(14)上装有光栅尺(6)，光栅读数头(7)安装在工作台(5)的下方，光栅检测系统(6)、(7)输出的信号与DSP主控制器连接，直线电机动子部件(8)、(15)、(16)的位置调节和速度调节在DSP内由软件实现，DSP主控制器输出的控制信号经光电隔离电路、D/A转换装置以及H型桥式斩波驱动器送给直流直线电机的绕组(16)，实现直流直线电机动子部件(8)、(15)、(16)的位置和速度控制。
9.一种实现机床工作台无接触支撑和导向的方法在工作台(5)四个角的下方布置四组差动控制的悬浮电磁铁(4)、(10)，每组悬浮电磁铁由上下两个电磁铁组成，装在下悬浮电磁铁(10)旁边的电涡流位移传感器(19)实时检测电磁铁(10)和导轨(14)之间的间隙，并经A/D转换装置和电平匹配电路将间隙量以电流信号的形式送给数字DSP控制器，DSP经运算后将差动控制信号经D/A转换和驱动器送给悬浮电磁铁(4)、(10)的线圈绕组，以调节电磁铁(4)、(10)和导轨(14)之间间隙，从而实现工作台(5)在垂直方向上的稳定悬浮；四组悬浮电磁铁(4)、(10)的解耦控制通过软件实现，它们共约束工作台三个自由度沿垂直方向的移动、绕纵向的转动和绕横向的转动；四个导向电磁铁(11)安装在工作台(5)四个角下方的悬浮电磁铁(10)旁边，其工作原理与悬浮电磁铁(4)、(10)是相同的，不同的是四个导向电磁铁(11)分成两组工作，而且每组电磁铁沿横向正对安装，便于实现差动控制，导向电磁铁共约束工作台两个自由度沿横向的移动和绕竖直方向的转动。
全文摘要
一种新型数控机床磁悬浮直线进给系统，主要包括机座(1)、固定于其上的两条导轨(16)、直线电机定子部件(17)、(18)、安装在工作台(5)底部四个角的4对差动悬浮电磁铁(4)、(10)、安装在悬浮电磁铁(4)旁边的2对导向电磁铁(11)、安装在工作台(5)下面的直线电机动子部件(8)、(15)、(16)、安装在导轨上的光栅测量系统(6)、(7)以及支撑装置(9)。本发明的控制系统为采用DSP主控制器的悬浮电磁铁(4)、(10)和导向电磁铁(11)与导轨(16)之间的间隙控制系统以及直线电机伺服控制系统。本发明实现了机床工作台的无接触支撑与导向，消除了摩擦磨损，提高了进给速度与定位精度，并且提供了足够的承载力和推力，可用于实际加工。
文档编号H02N15/00GK101024270SQ20061016199
公开日2007年8月29日 申请日期2006年12月12日 优先权日2006年12月12日
发明者葛研军, 张文跃, 蒋成勇, 籍延坤, 王磊, 陈铁年, 韩勇 申请人:大连交通大学