CN201224044Y - 数控机床用斥力型磁浮直线进给系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，包括固定部件、运动部件和控制系统；其特征在于：四个复合悬浮磁体分别固定于平台四个角的下方，且其磁极平面与基座底平面成一固定角度θ，所述θ＝30°～60°，两条永磁导轨对应设置于复合悬浮磁体下方并固定安装在基座上；永磁导轨的上表面与所述复合悬浮磁体的磁极平面正对且平行，且其相对的磁极相同。本实用新型兼有现有磁悬浮平台无摩擦、无润滑、精度高、无接触运行等诸多优点，并克服了现有技术刚度较低、结构尺寸较庞大，成本较高等缺点，是数控机床用无接触进给系统的理想发展方向。

Description

数控机床用斥力型磁浮直线进给系统

技术领域

本实用新型涉及机床进给机构，尤其涉及一种数控机床用斥力型磁浮直线进给系统。

背景技术

传统的接触式机床进给系统，无论是丝杠驱动还是直线电机驱动，在运动过程中都会产生摩擦、磨损，使工作台难以达到很高的进给速度。而且在工作台上有负载时，摩擦加剧，造成定位进给运动的滞后和非线性误差，影响定位精度。

非接触式的进给系统，主要有气悬浮平台和磁悬浮平台。但气悬浮平台需要诸多辅助设备，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，不能满足机床上加工零部件的高刚度要求。

磁悬浮平台具有无摩擦、无润滑、精度高等特点，而且不需要任何辅助设备。此外，与气悬浮平台相比，磁悬浮平台的刚度性能较好，适合重载运行，是未来无接触进给的主要发展方向。

目前，磁悬浮平台以吸力型悬浮为主，即平台依靠电磁铁向上的电磁吸力悬浮，并依靠横向的电磁吸力导向，如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中公开的一种超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置，还有上海大学在专利文献CN1244432C中公开的一种工业应用型主动磁悬浮导轨直线电机进给平台都属于吸力型磁悬浮平台。然而，吸力型悬磁浮平台不管结构如何变化，其致命的一个缺点就是，产生吸力的电磁铁9’必须通过安装支架4’绕到铁磁质导轨3’下面，来产生向上的吸力，如图5所示，为一种典型的吸力型磁悬浮平台。这样一来，此种结构的导轨和支架的刚度较低，平台的承载能力受限，电磁铁支架增加了平台的惯性质量，而且，整个平台的结构尺寸较大。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述缺陷，本实用新型的目的就是要提供一种数控机床用斥力型磁浮直线进给系统及其运行方法，利用磁体间斥力支撑与导向，直线电机驱动，在满足机床工作台无摩擦、无润滑、无污染运行的同时，进一步提高结构刚度，缩小系统尺寸，节省系统资源，降低成本。

本实用新型的技术解决方案是这样实现的：

一种数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，包含有固定部件、运动部件和控制系统；所述固定部件包括基座、侧板、永磁导轨及其固定件、电涡流位移传感器检测标准件以及直线电机定子；所述运动部件主要包括平台、复合悬浮磁体及其固定件、电涡流位移传感器及其固定件以及直线电机动子，所述复合悬浮磁体包括永磁体部分和电磁铁部分，所述永磁体部分固定联接于所述电磁铁部分下部；所述控制系统包括悬浮间隙控制系统及直线电机位置和速度控制系统；其特征在于：所述复合悬浮磁体有四个，通过其固定件分别固定于所述平台的四个角的下方，且其磁极平面与基座底平面成一固定角度θ，所述θ＝30°～60°，两条永磁导轨对应设置于所述复合悬浮磁体下方并通过其固定件固定安装在基座上；所述永磁导轨的上表面与所述复合悬浮磁体的磁极平面正对且平行，且其相对的磁极相同。

所述复合悬浮磁体承载包括所载物体、平台、直线电机动子以及复合悬浮磁体的自重，并且控制横向间隙，消除进给部件的横向扰动；直线电机实现平台的纵向进给；电涡流位移传感器实时检测复合悬浮磁体和永磁导轨之间间隙，并以电信号的形式送给控制系统。

所述永磁导轨由相同规格的高性能永磁体小块沿纵向连续排列而成，并保持其磁极方向一致即N极均朝上或S极均朝上，所述永磁体小块分别固定于所述永磁导轨的固定件上。

在紧贴着所述各永磁体小块的两侧分别固定安装一块相同材料和型号的磁性补偿永磁体，所述磁性补偿永磁体与相应的永磁体小块相紧贴的磁极与所述永磁导轨朝上的磁极相同，且在导轨中间部分的补偿永磁体磁性最强，远离导轨中间的补偿永磁体磁性逐渐减弱。

由于永磁导轨由小块的高性能永磁体沿纵向连续排列而成，而且所有永磁体的磁极都朝同一个方向，小块永磁体之间有相互削弱磁性的作用，处在导轨中间部分的永磁体磁性削弱最严重，所以本实用新型在紧贴着各正方体永磁体的两侧设置两块型号相同的磁性补偿永磁体，与导轨永磁体的磁极相对应，若导轨永磁体的N极(或S极)均朝上，则补偿永磁体的N极(或S极)要指向导轨永磁体，而且在导轨中间部分的补偿永磁体磁性最强，远离导轨中间的补偿永磁体磁性逐渐减弱，从而使整个导轨的磁性均匀化。

所述电涡流位移传感器的中心线与基座底平面成一固定角度ε，ε＝90-θ或ε＝90+θ；所述位移传感器下面对应设置检测基准件，其检测基准面与所述位移传感器的中心线相垂直。

如前所述的磁悬浮直线进给系统实现平台依靠磁斥力悬浮与导向运行的方法，包括：

①安装永磁导轨：按固定角度θ在基座上设置两条由高性能永磁体小块沿纵向连续排列而成的永磁导轨，紧贴永磁体小块两侧分别设置一块相同材料及型号的磁性补偿永磁体；

②安装复合悬浮磁体并保持悬浮磁斥力：与永磁导轨相对，在平台四个角的下方布置四个复合悬浮磁体，其磁极平面与永磁导轨的上表面正对且平行，而且它们相对的磁极极性相同；

③悬浮间隙实时检测与控制：所述进给系统未启动状态下，复合悬浮磁体的电磁铁部分没有电流通过，电磁铁部分没有磁力产生，则平台在复合悬浮磁体的永磁体部分与永磁导轨之间的磁斥力的作用下保持悬浮；系统启动后，装在复合悬浮磁体旁边的电涡流位移传感器实时检测所述复合悬浮磁体和永磁导轨之间的间隙，并将电信号送往控制器，经运算后控制器将控制信号传送给所述复合悬浮磁体电磁铁部分的线圈绕组，以调节所述复合悬浮磁体和永磁导轨之间的间隙，从而实现平台的稳定悬浮与导向，所述电涡流位移传感器的中心线与基座底平面成一固定角度ε，ε＝90-θ或ε＝90+θ；所述位移传感器下面对应设置检测基准件，其检测基准面与所述位移传感器的中心线相垂直。

本实用新型给出了一种实现平台依靠磁斥力悬浮与导向运行的方法：按上述结构设置后，装在悬浮电磁铁旁边的电涡流位移传感器实时检测复合悬浮磁体和永磁导轨之间的间隙，并将电信号送给控制器，经运算后，控制器将控制信号加给复合悬浮磁体的电磁铁的线圈绕组，调节永磁导轨和复合悬浮磁体之间的磁斥力，从而调节两者之间的间隙，实现平台的稳定悬浮与导向。四个复合悬浮磁体的解耦控制通过软件实现。

上述的斥力型磁悬浮直线进给系统的直线电机可采用单边定子型，也可采用双边定子型，并配置位置及速度控制系统。此外，直线电机的定子和动子基本呈水平向布置。

相对于现有技术，本实用新型最大的创新在于采用磁斥力作为平台的悬浮力，提高了结构的刚度，缩小了整个进给系统的尺寸。此外，本实用新型将永磁导轨与复合悬浮磁体的磁极平面都与基座平面成30°～60°之间的某一固定角，从而使它们之间所产生的磁斥力同时起到悬浮和导向的作用，减少了平台上的电磁铁数量，和位移传感器的数量，自然也减小了平台的惯性质量，节省了控制系统资源，降低了成本。

附图说明

图1为实施例的机械结构主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为实施例的永磁导轨结构示意图；

图5为现有技术中典型的吸力型磁悬浮直线进给机构示意图。图中，

1、基座

2、永磁导轨固定件

3、永磁导轨   3a、正方体NdFeB永磁体  3b、磁性补偿永磁体

3’、铁磁质导轨

4、悬浮磁体固定件

4’、悬浮磁体安装支架

5、平台

6、直线电机动子

7、传感器

8、传感器固定件

9、复合悬浮磁体  9a、电磁体  9b、永磁体

9’、悬浮电磁铁

10、传感器检测标准件

11、直线电机定子

12、侧板

具体实施方式

现结合附图作进一步的具体说明：

如图1、图2、图3所示的数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，包括基座1、固定于基座1上的两条永磁导轨3、直线电机定子11、安装在平台5的四个角下方的四个复合悬浮磁体9、安装在所述复合悬浮磁体9旁边的四个电涡流位移传感器7、安装在平台5下面的直线电机动子6、侧板12。所述四个电涡流位移传感器7分别通过其固定件8安装在四个复合悬浮磁体9的旁边10毫米外，用于检测复合悬浮磁体9和永磁导轨3之间的间隙，所述大于10毫米的距离是为了避免所述复合悬浮磁体9的磁场对传感器造成影响，所述侧板12用于防止平台5工作时从两侧滑出。

所述永磁导轨3采用小块的N40型高性能正方体NdFeB永磁体3a沿纵向连续排列而成，N极均朝上，永磁体的磁极平面与基座底平面成45°角，即θ＝45°，由于永磁导轨由小块的正方体NdFeB永磁体沿纵向连续排列而成，而且所有永磁体的磁极都朝同一个方向，小块永磁体之间有相互削弱磁性的作用，处在导轨中间部分的永磁体磁性削弱最严重，所以在紧贴着各正方体永磁体3a的两侧设置两块型号相同的磁性补偿永磁体3b，与导轨永磁体3a的磁极相对应，导轨永磁体3a的N极均朝上，则补偿永磁体3b的N极要指向导轨永磁体，如图4所示，而且在导轨中间部分的补偿永磁体磁性最强，远离导轨中间的补偿永磁体磁性逐渐减弱，从而使整个导轨的磁性均匀化。

所述复合悬浮磁体9包括永磁体部分9b和电磁铁部分9a，所述永磁体部分9b固定联接于所述电磁铁部分9a下部。

所述电涡流位移传感器的中心线与基座底平面所成锐角为45°，所述位移传感器下面对应设置检测基准件，其检测基准面与所述位移传感器的中心线相垂直。

现以一个工作周期为例说明所述的数控机床用斥力型磁浮直线进给系统的运行方法：

机床进给系统未启动时，各悬浮电磁铁9a线圈中没有电流，所以电磁铁9a不产生电磁力，整个平台5靠悬浮永磁体部分9b和永磁导轨3之间的斥力保持悬浮。

系统通电后，控制系统可通过调节所述悬浮电磁铁9a的线圈绕组中的电流来调节整个复合悬浮磁体的磁性强弱，甚至可以改变整个复合悬浮磁体的磁极方向，使其与导轨永磁体之间的斥力变为吸力。各电涡流位移传感器7将检测到的复合悬浮磁体9和永磁导轨3之间的间隙转换成的电信号，该信号被送入主控制器，控制器经一系列运算输出控制信号，加到悬浮电磁铁9a的线圈绕组上，以调节复合悬浮磁体9和永磁导轨3之间的间隙，从而使平台5在很短的时间内自动找正，而以设定间隙悬浮起来，整个系统进入工作状态。

平台5稳定悬浮后，位移传感器7实时检测复合悬浮磁体9与永磁导轨3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，控制系统将控制电流信号分配给复合悬浮磁体9，强迫运动平台5回到设定位置，使运动平台5稳定悬浮。同时复合悬浮磁体9可产生沿横向的磁斥力，控制横向间隙，从而保障平台5沿纵向精确进给。悬浮和导向之间的解耦控制通过控制器的软件实现。

当需要平台5做纵向进给运动时，上位机发出速度和位置指令，由控制器驱动并调节直线电机动子6以指定的速度运动到指定位置。

工作完成后，先给直线电机动子6、定子11断电，而后逐步减小各悬浮电磁铁9a线圈绕组的电流，使平台缓慢落下，断电后，平台5再次依靠悬浮永磁体9b与永磁导轨3之间的磁斥力保持悬浮状态，至此，整个工作过程完成。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，包含有固定部件、运动部件和控制系统；所述固定部件包括基座(1)、侧板(12)、永磁导轨(3)及其固定件(2)、电涡流位移传感器检测标准件(10)以及直线电机定子(11)；所述运动部件主要包括平台(5)、复合悬浮磁体(9)及其固定件(4)、电涡流位移传感器(7)及其固定件(8)以及直线电机动子(6)，所述复合悬浮磁体(9)包括永磁体部分(9b)和电磁铁部分(9a)，所述永磁体部分(9b)固定联接于所述电磁铁部分(9a)下部；所述控制系统包括悬浮间隙控制系统及直线电机位置和速度控制系统；其特征在于：所述复合悬浮磁体(9)有四个，通过其固定件(4)分别固定于所述平台(5)的四个角的下方，且其磁极平面与基座(1)底平面成一固定角度θ，所述θ＝30°～60°，两条永磁导轨(3)对应设置于所述复合悬浮磁体(9)下方并通过其固定件(2)固定安装在基座(1)上；所述永磁导轨(3)的上表面与所述复合悬浮磁体的磁极平面正对且平行，且其相对的磁极相同。

2、如权利要求1所述的数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，其特征在于：所述永磁导轨(3)由相同规格的高性能永磁体小块沿纵向连续排列而成，并保持其磁极方向一致即N极均朝上或S极均朝上，所述永磁体小块分别固定于所述永磁导轨的固定件(2)上。

3、如权利要求2所述的数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，其特征在于：在紧贴着所述各永磁体小块的两侧分别固定安装一块相同材料和型号的磁性补偿永磁体，所述磁性补偿永磁体与相应的永磁体小块相紧贴的磁极与所述永磁导轨朝上的磁极相同，且在导轨中间部分的补偿永磁体磁性最强，远离导轨中间的补偿永磁体磁性逐渐减弱。

4、如权利要求1、2或3所述的数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，其特征在于：所述电涡流位移传感器(7)的中心线与基座(1)底平面成一固定角度ε，ε＝90-θ或ε＝90+θ；所述位移传感器(7)下面对应设置检测基准件(10)，其检测基准面与所述位移传感器(7)的中心线相垂直。

5、如权利要求4所述的数控机床用斥力型磁浮直线进给系统，其特征在于：所述θ＝45°。

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