CN111894978A - 平面支承主动磁悬浮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面支承主动磁悬浮装置，包括导板和滑箱，所述滑箱套接在所述导板外，所述导板包括平板本体以及设于所述平板本体正反面上的插板，所述滑箱上设有与所述插板相适配的凹槽部，所述滑箱内部安装有电磁铁安装座，所述电磁铁安装座上设有电磁铁。通过在导板上设置插板，使得导板的平衡位置接近实际平面，实际平面与理想平面之间的误差减小，颤振减轻。

Description

平面支承主动磁悬浮装置
技术领域
本发明涉及主动磁悬浮的技术领域，具体涉及平面支承主动磁悬浮装置。
背景技术
众所周知，机床导轨是机床的基本结构要素。机床的加工精度、加工效率和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。随着技术的不断进步，对高档数控机床的导轨提出更高的要求，要做到高速进给时不振动，低速进给时不爬行；要具有更高的响应速度，并能在重载下长期连续工作；耐磨性高，精度保持性好等特点。对于大多数现有机床导轨，不可避免地存在重载、高速下的磨损问题，而且存在一定的摩擦系数，进给速度不能发挥到极大。
现有的主动磁悬浮导轨容易造成失稳。当机床导轨的长度加长时，约束点就要远多于3个，更加无法用这种主约束与副约束结合的方法来实现平面法向约束了。运转后磁悬浮平面的实际运转与理论值会有所偏差，引起颤振，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的提供平面支承主动磁悬浮装置，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本发明的平面支承主动磁悬浮装置，包括导板和滑箱，所述滑箱套接在所述导板外，所述导板包括平板本体以及设于所述平板本体正反面上的插板，所述滑箱上设有与所述插板相适配的凹槽部，所述滑箱内部安装有电磁铁安装座，所述电磁铁安装座上设有电磁铁。通过在导板上设置插板，使得导板的平衡位置接近实际平面，实际平面与理想平面之间的误差减小，颤振减轻。
在一些实施方式中，所述插板沿长度方向设置于所述平板本体上，所述凹槽部也沿所述滑箱的长度方向设置，所述导板与所述滑箱之间设有空隙。
在一些实施方式中，所述插板呈等边梯形状，设置于所述平板本体的中间位置。
在一些实施方式中，所述平板本体上设有两道空槽，所述空槽平行分布于所述插板两侧，所述空槽的排列方向与所述插板的方向相同。
在一些实施方式中，所述凹槽部上也设有所述电磁铁安装座，电磁铁安装座相对设置于所述凹槽部两侧。
在一些实施方式中，所述凹槽部的三面侧壁上均设有电磁铁安装座，凹槽部底壁的电磁铁安装座上设有法向差动支承电磁铁，凹槽部两侧壁的电磁铁安装座上设有导向差动支承电磁铁。
在一些实施方式中，所述滑箱上/下箱壁均设有电磁铁安装座，滑箱侧壁上也安装有电磁铁安装座；所述滑箱上/下箱壁的电磁铁安装座上设有法向差动支承电磁铁，上/下箱壁的法向差动支承电磁铁呈矩阵状进行排列，所述滑箱侧壁的电磁铁安装座安装有导向差动支承电磁铁，所述导向差动支承电磁铁之间相对设置。
在一些实施方式中，所述法向差动支承电磁铁包括电磁铁本体以及线圈，所述电磁铁本体包括横块以及固接于所述横块两端的竖块，所述竖块上设有塑料绝缘体，横块上绕有线圈，线圈通电连接。
在一些实施方式中，所述法向差动支承电磁铁旁设有位移传感器，所述位移传感器通电连接。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的平面支承主动磁悬浮装置的结构示意图；
图2为本发明的一种实施方式的平面支承主动磁悬浮装置的导板的结构示意图
图3为本发明的一种实施方式的平面支承主动磁悬浮装置的滑箱的结构示意图；
图4为本发明的一种实施方式的主动磁悬浮导轨支架的电磁铁的结构示意图；
图5为单个自由度的驱动框图；
图6为调整ix0后使平衡位置接近实际平面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，
平面支承主动磁悬浮装置，包括导板1和滑箱2，滑箱2套接在导板1外，导板1包括平板本体11以及固接于平板本体11正反面上的插板12，插板12的安装位置位于平板本体11的正中部，正反两侧的插板12与平板本体11组成一“十字”导板，导板1在滑箱2中进行滑动，导板1与滑箱2之间存有间隙。
滑箱2上设有与插板12相适配的凹槽部21，插板12可在凹槽部21中滑动，滑箱2内部安装有电磁铁安装座3，电磁铁安装座3上安装有电磁铁4。
通过在导板1上设置插板12，使得导板1的平衡位置接近实际平面，实际平面与理想平面之间的误差减小，颤振减轻。
上述中，插板12沿长度方向设置于平板本体11上，凹槽部21也沿滑箱2的长度方向设置，导板1与滑箱2之间设有空隙，此设计方便导板1与滑箱2之间的运功。
插板12呈等边梯形状，设置于平板本体11的中间位置。此设计的目的在于通过插板12与电磁铁之间的动态平衡，以达到使整个导板1更接近实际平面的动态平衡。
平板本体11上设有两道空槽13，空槽13平行分布于插板12两侧，空槽13的排列方向与插板12的方向相同。设计空槽13的目的，可以使得上下法向差动支承电磁铁4的磁性吸引力更好。
如图3中所示，凹槽部21上的侧壁也设有电磁铁安装座3，电磁铁安装座3相对设置于凹槽部21两侧。
具体的，凹槽部21的三面侧壁上均设有电磁铁安装座3，在凹槽部21的横向截面位置上的三个电磁铁安装座3处于同一平面上，在凹槽部21的长度方向上至少设有三个电磁铁安装座3；凹槽部21底壁的电磁铁安装座3上设有法向差动支承电磁铁4，凹槽部21两侧壁的电磁铁安装座3上安装有导向差动支承电磁铁4，两导向差动支承电磁铁4相对设置。
滑箱2上/下箱壁均设有电磁铁安装座3，在滑箱2长度方向上，同一平面上至少设有三个电磁铁安装座3，滑箱2侧壁上也安装有电磁铁安装座3；滑箱2上/下箱壁的电磁铁安装座3上安装有法向差动支承电磁铁4，上/下箱壁的法向差动支承电磁铁4呈矩阵状进行排列，上/下箱壁的法向差动支承电磁铁4呈两列进行排列布置，滑箱2侧壁的电磁铁安装座3安装有导向差动支承电磁铁4，导向差动支承电磁铁4之间相对设置。
如图4中所示，法向差动支承电磁铁4包括电磁铁本体以及线圈，电磁铁本体包括横块以及固接于横块两端的竖块，竖块上设有塑料绝缘体，横块上绕有线圈，线圈通电连接。其中，横块安装于电磁铁安装座3上，竖块相对设置，用于上下的法向差动支承电磁铁4之间产生磁场。
法向差动支承电磁铁4旁安装有位移传感器5，位移传感器5通电连接。
有益效果：本发明平面支承主动磁悬浮装置设计的支架，使得安装于支架上的法向支承电磁铁的4个约束点理论平面充分接近实平际面时，不但颤振得到解决，而且承载力能得到提升。
其中，以上/下箱壁均设有电磁铁安装座3为约束点，对于每个约束点的上、下差动式电磁铁，由控制器通过功率放大器去驱动差动电磁铁线圈图5中的电流，来调整导板1的平衡位置。移动时一旦导板1的平衡位置改变，控制器就会通过调整相应电磁铁中的电流使导板1趋近原平衡位置，对于单个自由度的差动电磁铁产生的电磁力如下式中所示。
Figure BDA0002597284670000051
式中：x为偏离中心轴的距离，I0为直流偏置，ix为控制电流，c0为间隙。
有当3个约束点的刚度较强。并确定了一个平面后实平面，第4个约束点的刚度调整至较小，让其“服从”实平面，作随动支承，导轨的颤振才消除。实际上系统成了3个主约束1个副约束来实现平面法向的4点约束，显然，这是牺牲了承载力而换来的稳定。这种主动磁悬浮导轨很难成为实用的机床导轨，原因是当载荷靠近小刚度的那个支承点时，很容易造成失稳。当机床导轨的长度加长时，约束点就要远多于3个，更加无法用这种主约束与副约束结合的方法来实现平面法向约束了。
对于大型导轨往往都是过约束支承，设有N个支承点，这N个支承点相当于N个运动副，由于是对平面法向进行约束，且超过3个点，如图……中所示，所以就成为过约束的运动副。这种形式主要是由其结构要求而采用过约束。一般，导轨越大，过约束数更大，从过约束的定义来说,约束数p表示为：
这种运动副的过约束函数p为：
Figure BDA0002597284670000052
式中：p为主动磁悬浮导轨的过约束数；ri为第i个约束点的约束数仅作平台法向支承时，ri＝1；r为被支承体所需的约束数工作平台相当于一个平面，所需约束数r＝3；k为运动副总数。
当p>0时，就是过约束，通常p越大要求其制造和控制精度越高，当然对变形量越敏感，调试也越困难，颤振不可避免。当采用电磁结合具有一定电磁阻尼支承后，过约束的颤振将消除，随着约束的增加，导轨的承载力将逐步提高。
为了更有效地发挥法向磁阻尼作用，将式1将ix分成两部分，一部分为固定作用力被支承体自重及载荷下的电流ix0，另一部分为应对扰动所产生的电流ix1，如图6所示。
即：ix＝ix0+ix1
Figure BDA0002597284670000053
通过调整ix0使平衡位置接近实际平面，其误差决定于检测与计算精度，磁阻尼效应正是在这一定的位置误差范围内起到消除平面过约束颤振。
当只浮起不作移动时，若通过人工精调，相当于把各支承点的固定载荷电流ix0用来作过约束力偏置电流，使4个约束点理论平面充分接近实平际面时，不但颤振得到解决，而且承载力能得到提升。但由于人工精调是在导轨静止下来进行的，实际工作中导轨是不断移动的，一旦导轨作平移运动，颤振就出现。实际上，当载荷不确定时导板的变形量很难精确确定，所以，想找到一种随位移精确补偿这种多点支承的方法来解决颤振和承载力问题难度极大。
本发明中，通过滑箱2的上/下箱壁上法向差动支承电磁铁4以及凹槽部21上的法向差动支承电磁铁4，同时对导板1的实际平面进行精确定位，使得导板1的平衡位置更接近实际平面。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.平面支承主动磁悬浮装置，包括导板(1)和滑箱(2)，所述滑箱(2)套接在所述导板(1)外，其特征在于，所述导板(1)包括平板本体(11)以及设于所述平板本体(11)正反面上的插板(12)，所述滑箱(2)上设有与所述插板(12)相适配的凹槽部(21)，所述滑箱(2)内部安装有电磁铁安装座(3)，所述电磁铁安装座(3)上设有电磁铁(4)。
2.根据权利要求1所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述插板(12)沿长度方向设置于所述平板本体(11)上，所述凹槽部(21)也沿所述滑箱(2)的长度方向设置，所述导板(1)与所述滑箱(2)之间设有空隙。
3.根据权利要求2所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述插板(12)呈等边梯形状，设置于所述平板本体(11)的中间位置。
4.根据权利要求2所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述平板本体(11)上设有两道空槽(13)，所述空槽(13)平行分布于所述插板(12)两侧，所述空槽(13)的排列方向与所述插板(12)的方向相同。
5.根据权利要求2所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述凹槽部(21)上也设有所述电磁铁安装座(3)，电磁铁安装座(3)相对设置于所述凹槽部(21)两侧。
6.根据权利要求5所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述凹槽部(21)的三面侧壁上均设有电磁铁安装座(3)，凹槽部(21)底壁的电磁铁安装座(3)上设有法向差动支承电磁铁(4)，凹槽部(21)两侧壁的电磁铁安装座(3)上设有导向差动支承电磁铁(4)。
7.根据权利要求6所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述滑箱(2)上/下箱壁均设有电磁铁安装座(3)，滑箱(2)侧壁上也安装有电磁铁安装座(3)；所述滑箱(2)上/下箱壁的电磁铁安装座(3)上设有法向差动支承电磁铁(4)，上/下箱壁的法向差动支承电磁铁(4)呈矩阵状进行排列，所述滑箱(2)侧壁的电磁铁安装座(3)安装有导向差动支承电磁铁(4)，所述导向差动支承电磁铁(4)之间相对设置。
8.根据权利要求7所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述法向差动支承电磁铁(4)包括电磁铁本体以及线圈，所述电磁铁本体包括横块以及固接于所述横块两端的竖块，所述竖块上设有塑料绝缘体，横块上绕有线圈，线圈通电连接。
9.根据权利要求7所述的平面支承主动磁悬浮装置，其特征在于，所述法向差动支承电磁铁(4)旁设有位移传感器，所述位移传感器通电连接。
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