数控机床磁悬浮进给机构研究.ppt

1、 数控机床传统进给系统数控机床传统进给系统数控机床传统进给系统可归纳为数控机床传统进给系统可归纳为“伺服电机伺服电机+滚珠滚珠丝杠丝杠”方式方式 连接方式主要有以下三种：连接方式主要有以下三种：1.1.通过联轴器直接联接通过联轴器直接联接 2.2.通过齿轮联接通过齿轮联接 3.3.通过同步带联接通过同步带联接 特点特点此进给系统具有结构可靠、传动稳定、效率高等优点，但也有不足之处：此进给系统具有结构可靠、传动稳定、效率高等优点，但也有不足之处：（1 1）中间传动环节多，传动系统的刚度降低，启动和制动初期的能耗）中间传动环节多，传动系统的刚度降低，启动和制动初期的能耗 都用在克服中间环节的弹性变

2、形上了。都用在克服中间环节的弹性变形上了。（2 2）中间传动环节增加了运动体的惯量）中间传动环节增加了运动体的惯量,在不增加系统放大倍数的情况下在不增加系统放大倍数的情况下,系统的速度、位移响应变慢。而放大倍数的增大又受系统稳定性的限制系统的速度、位移响应变慢。而放大倍数的增大又受系统稳定性的限制,放放大倍数过大会使系统不稳定。大倍数过大会使系统不稳定。（3 3）由于制造精度的限制）由于制造精度的限制,中间传动环节不可避免地存在间隙、摩擦及弹性中间传动环节不可避免地存在间隙、摩擦及弹性变形等影响变形等影响,使系统的非线性误差增加使系统的非线性误差增加,要进一步提高系统的精度变得很困难。要进一步

3、提高系统的精度变得很困难。（4 4）由于传动环节都是机械传动）由于传动环节都是机械传动,需要润滑系统需要润滑系统,存在环境污染。存在环境污染。（5 5）当工作台行程较长时）当工作台行程较长时,细长的丝杠刚性较差细长的丝杠刚性较差,进给系统的动态性能会大进给系统的动态性能会大大降低。大降低。（6 6）由于工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制）由于工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制,其进给单元的进给其进给单元的进给速度一般小于速度一般小于20-30m/min,20-30m/min,加速度很难超过加速度很难超过1g1g。直线电机进给系统直线电机进给系统直线电机是一种能把电能直接转换成直线运

4、动的直线电机是一种能把电能直接转换成直线运动的机械能机械能,而不需要任何中间转换传动的驱动装置。而不需要任何中间转换传动的驱动装置。特点特点优点：优点：（1 1）高速度）高速度 可达可达100-100-20Om/min20Om/min。（2 2）高加速度）高加速度 高达高达2 2一一10g10g。（3 3）定位精度高）定位精度高 由于采用闭由于采用闭环控制环控制,其理论定位精度可其理论定位精度可 以为零。实际最高定位精度可以为零。实际最高定位精度可达达0.10.10.01m0.01m。（4 4）行程不受限制）行程不受限制 由于直线由于直线电机的次级电机的次级(定子定子)可以一段一可以一段一段地

5、铺在床身上段地铺在床身上,不论有多远不论有多远,对系统的刚度都不会产生影响。对系统的刚度都不会产生影响。不足之处：（1 1）直线电机端部磁场的畸变）直线电机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性产生影响到行波磁场的完整性产生“端部效应端部效应”。（2 2）直线电机是一种高发热元）直线电机是一种高发热元件，散热条件差。件，散热条件差。（3 3）直线电机的磁场是敞开的）直线电机的磁场是敞开的,因此采用直线电机的进给系统对因此采用直线电机的进给系统对其周围环境的要求比较严格。其周围环境的要求比较严格。（4 4）直线电机进给系统中导轨）直线电机进给系统中导轨与工作台之间存在摩擦。另外直与工作台之间存在摩

6、擦。另外直线电机持续推力小，故使其切削线电机持续推力小，故使其切削力及进给速度均受到了限制。力及进给速度均受到了限制。应用 军事领域：利用直线电机制成各种电磁炮，军事领域：利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将他用于导弹及火箭的发射。并试图将他用于导弹及火箭的发射。交通运输：时速高达交通运输：时速高达500km/h500km/h的磁悬浮列车的磁悬浮列车工业领域：用于生产输送线，以及各种横工业领域：用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的设备中。向或垂直运动的设备中。半导体行业：直线电机以其高速度、高精半导体行业：直线电机以其高速度、高精度、无污染等特点，广泛用于光刻机、度、无污染等特点，广泛用于

7、光刻机、ICIC粘粘接机等加工设备中。接机等加工设备中。欧美西方工业大国的机床制造厂商也大量应用直线电机驱动技术，著欧美西方工业大国的机床制造厂商也大量应用直线电机驱动技术，著名的有名的有DMGDMG、sodicksodick、anoradanorad和和kollmorgenkollmorgen等公司。等公司。数控机床磁悬浮进给系统数控机床磁悬浮进给系统 将直线电动机与磁悬浮支承技术相结合的直接驱动型磁悬将直线电动机与磁悬浮支承技术相结合的直接驱动型磁悬 浮直线进给单元应用于机床浮直线进给单元应用于机床,可满足现代机床加工高速化、可满足现代机床加工高速化、精密化的要求。精密化的要求。与传统的机

8、床进给系统相比与传统的机床进给系统相比,具有具有 “零传动零传动”、无机械摩、无机械摩擦、无接触磨损、无需润滑、响应速度快、推力平稳、加减擦、无接触磨损、无需润滑、响应速度快、推力平稳、加减速过程短、速度快、精度高、行程长度不受限制、运行噪声速过程短、速度快、精度高、行程长度不受限制、运行噪声低、机电效率高低、机电效率高,且磁悬浮支承系统中采用的主动控制技术且磁悬浮支承系统中采用的主动控制技术,可以提高机床自身的信息处理能力可以提高机床自身的信息处理能力,实现在线检测和自动补实现在线检测和自动补偿偿,从而进一步提高进给系统定位精度。从而进一步提高进给系统定位精度。结构设计 设计的直接驱动型磁悬

9、浮直线进给单元的剖面结构如图所示。工作台设计的直接驱动型磁悬浮直线进给单元的剖面结构如图所示。工作台4 4套装套装在支承导轨在支承导轨3 3的外周的外周,工作台中对称布置工作台中对称布置6 6对电磁铁对电磁铁,该该6 6对电磁铁对支承导轨对电磁铁对支承导轨3 3都产生吸力作用都产生吸力作用,上下上下4 4对电磁铁对电磁铁 1 1、6 6、1414、1818用于实现工作台稳定悬浮用于实现工作台稳定悬浮,左左右两对电磁铁右两对电磁铁 2 2、1717用于实现工作台精确导向。工作台未悬浮时由辅助支承用于实现工作台精确导向。工作台未悬浮时由辅助支承导轨导轨8 8、1212支承支承,面面a a、b b为

10、其支承面为其支承面,辅助支承导轨辅助支承导轨8 8、1212与压板与压板7 7、1313组成闭式组成闭式辅助支承导轨辅助支承导轨,可使工作台承受颠覆力矩。在工作台上方与侧面分别布置有垂可使工作台承受颠覆力矩。在工作台上方与侧面分别布置有垂直位移传感器直位移传感器5 5、1515与水平位移传感器与水平位移传感器16,16,用以检测工作台上下、左右的偏移。用以检测工作台上下、左右的偏移。1、6、14、18 直电磁铁 2、17 水平电磁铁3支承导轨4 工作台 5、15 垂直传感器 7、13 压板 8、12 辅助支承导轨 9 直线电机动子 10 直线电机定子 11 隔磁罩 16 水平传感器 工作原理工

11、作原理 若由于某种原因导致工作台向上发生位移若由于某种原因导致工作台向上发生位移y,y,经垂直传感器经垂直传感器 5 5、1515反馈后反馈后,在上电磁铁中产生控制电流在上电磁铁中产生控制电流 (增量增量 )l,l,使得上电磁铁中电流增加使得上电磁铁中电流增加,产生产生吸力增加吸力增加,同时同时,在下电磁铁中产生相反的控制电流在下电磁铁中产生相反的控制电流 (增量增量 )l,l,使得下使得下电磁线圈中的电流按相同幅度减小电磁线圈中的电流按相同幅度减小,其吸力相应地等幅减小其吸力相应地等幅减小,最终使得工作最终使得工作台回到稳定悬浮的位置上。同理台回到稳定悬浮的位置上。同理,当工作台在水平方向上

12、发生偏移时当工作台在水平方向上发生偏移时,通过通过水平位移传感器的反馈与控制作用对工作台形成精确的导向。直线电机动子水平位移传感器的反馈与控制作用对工作台形成精确的导向。直线电机动子9 9安装在工作台的中心线上安装在工作台的中心线上,直线电动机定子直线电动机定子1010安装在与动安装在与动子对应部位的支承导轨子对应部位的支承导轨3 3上上,在在直线电动机定子和动子外侧设直线电动机定子和动子外侧设置隔磁罩置隔磁罩1111。在工作台完成稳。在工作台完成稳定悬浮与精确导向后定悬浮与精确导向后,直线电直线电动机通电动机通电,动子带动工作台实动子带动工作台实现直线运动。现直线运动。磁力分析 工作台稳定悬

13、浮时，由于承受自重和外加载荷，上下电磁铁吸力大小不工作台稳定悬浮时，由于承受自重和外加载荷，上下电磁铁吸力大小不一致，上电磁铁吸力为一致，上电磁铁吸力为 F1F1，下电磁铁吸力为，下电磁铁吸力为F2F2，F1F2F1F2，吸力大小通过控，吸力大小通过控制电流制电流 来调节，即来调节，即:工作台受到自重的吸力方程为工作台受到自重的吸力方程为:为真空磁导率;N为线圈匝数;I为偏置电流;为工作台克服自重的控制电流;S为电磁铁磁极总面积;为空气隙厚度。每对电磁铁用一个控制器，采用差动控制原理，其工作原理如图。设某每对电磁铁用一个控制器，采用差动控制原理，其工作原理如图。设某一时刻出现一垂直向下扰动，使

14、工作台向下偏移平衡位置一时刻出现一垂直向下扰动，使工作台向下偏移平衡位置x x，为使工作台回，为使工作台回到原来的平衡位置，必须加一控制电流到原来的平衡位置，必须加一控制电流 使上电磁铁磁力减小，下电磁铁使上电磁铁磁力减小，下电磁铁磁力增大，此时：磁力增大，此时：在平衡位置（x=0,=0）进行泰勒展开，略去高阶小量得：k1、k2为系统在平衡位置的电流刚度系数和位移刚度系数，其中：磁路设计磁路设计 导磁材料的选择 导磁材料构成磁路，起到聚磁的作用。从高速驱动和小型化的要求出发，在进行导磁材料选择时,应考虑以下原则：1.具有较高的磁饱和密度 2.具有较高的磁导率和电阻率 常用导磁材料及其基本特性

15、从表中数据可知，硅钢片的饱和磁感应强度和电阻率均比较高；铁镍合金的饱和磁感应强度比硅钢片低，虽具有较高的磁导率，但电磁驱动磁悬浮进给机构的直流磁阻主要取决于气隙磁阻，因此这并不构成一项显著的优点。工业纯铁的电阻率较低，其余性能与硅钢片接近。铁氧体的电阻率相当高，但饱和磁感应强度较低。根据前述原则，可认为硅钢片这种材料的综合电磁性能最优，因此选择硅钢片作为构成磁路的导磁材料。关键技术(1)磁悬浮导轨直线电动机 机床进给工作台系统 的机电耦合特性。(2)控制系统的鲁棒性。(3)悬浮工作台刚度和悬浮高度精确性的要求。(4)悬浮工作台轻化结构设计问题。(5)降低电磁阻力,提高系统浮阻力比。(6)隔磁排屑问题。(7)直线电动机发热对磁悬浮导轨的影响。