CN201677181U

CN201677181U - 采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床

Info

Publication number: CN201677181U
Application number: CN2010201988928U
Authority: CN
Inventors: 刘春芳; 王丽梅; 王通; 孙宜标; 武志涛
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2020-05-21

Abstract

本实用新型提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身和可以与床身做相对移动的龙门横梁，所述床身和龙门横梁之间设置有驱动龙门横梁与床身做相对移动的直线推进系统；在所述龙门横梁上还设置有使龙门横梁在床身上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与控制系统连接。本实用新型设备简洁合理，实用性强，比较适合应用在数控加工技术领域。

Description

采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床

技术领域：本实用新型提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，本实用新型属于数控加工技术领域。

背景技术：随着科技产业的不断发展，工业制造过程中对高加工精度和效率的要求不断提高，因此非接触式的磁悬浮系统愈加广泛地应用在各种制造设备中。龙门移动式数控镗铣床是重要的、且最具代表性的大型加工设备之一，在龙门移动式数控镗铣床中，移动的龙门横梁和床身导轨之间存在着摩擦，这种摩擦的存在有百害而无一利。而要想从根本上彻底解决摩擦问题，唯有把两个相对运动的接触面分离开来，不直接发生接触。也就是说，把具有一定重量的运动体悬浮起来，这才是解决摩擦问题的根本出路。为此采用电磁悬浮技术通过磁场力将移动的龙门悬浮起来，由直线电机驱动龙门框架运动，可实现无摩擦运行。

与传统的移动式龙门相比，磁悬浮龙门具有无机械摩擦、无接触磨损和无需润滑的优点。由于相对运动表面间没有接触，因而彻底消除了爬行现象，没有因磨损和接触疲劳所产生的精度下降和寿命问题，而电子元件的可控性优于机械零件，使得其可控性高于传统的移动式龙门；而且省掉了静压导轨必需的庞大油路辅助设备，对环境不产生污染，降低了超洁净防尘条件；由于磁悬浮式龙门采用了主动控制，可提高数控机床的信息处理能力，如工况检测、预报和故障诊断。而且磁悬浮式龙门有工作温度范围大、维护简单、寿命长等优点。但要将磁悬浮技术应用到大型龙门移动式机床的横梁悬浮上，还有不少关键技术等待解决，在这里，由于被悬浮的横梁的质量较大、加工时对悬浮高度的严重干扰、要求悬浮高度的动、静态精度很高、而且系统要有高刚度、能够超低速进给等，这与其它领域中对悬浮系统所要求的性能有重大区别。这些特殊性要求给本悬浮系统的研究工作提出了十分苛刻的要求，对控制技术提出了严峻的挑战。与磁悬浮列车相比，磁悬浮列车对于悬浮高度的精确性没有太高的要求，因为需要载人，要求舒适、安全和稳定即可。磁悬浮控制的数控机床移动部件除了要求高速驱动外，还要求高精度支承和定位，特别是在低速微进给状态下精加工，对磁悬浮高度的精确性、刚度和鲁棒性就有非常高的要求。

实用新型内容：

实用新型目的：本实用新型提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，其目的是解决以往的移动的龙门横梁和床身导轨之间存在着摩擦以至于影响工作效率的问题。

技术方案：本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身和可以与床身做相对移动的龙门横梁，所述床身和龙门横梁之间设置有驱动龙门横梁与床身做相对移动的直线推进系统，其特征在于：在所述龙门横梁上还设置有使龙门横梁在床身上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与控制系统连接，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身底沿的位置。

所述直线推进系统为永磁直线同步电动机，该永磁直线同步电动机的动子设置在龙门横梁上，其定子固定在床身上；在所述龙门横梁与床身之间还设置有导向电磁铁，所述导向电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身两侧的位置上。

所述控制系统包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电涡流式位移传感器；所述JTAG仿真器连接至DSP控制器，DSP控制器连接至D/A转换器，D/A转换器连接至功率放大器，功率放大器连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁的通电线圈和导向电磁铁的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与床身之间设置有电涡流式位移传感器，所述导向电磁铁与床身之间也设置有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器通过A/D转换器连接至DSP控制器。

优点及效果：本实用新型提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身和可以与床身做相对移动的龙门横梁，所述床身和龙门横梁之间设置有驱动龙门横梁与床身做相对移动的直线推进系统，其特征在于：在所述龙门横梁上还设置有使龙门横梁在床身上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与控制系统连接，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身底沿的位置。

在机床行业，为了适应高速和精确切削的需要，优良的控制系统可使磁悬浮系统具有强大的功能，控制器的设计是一项颇具挑战性的工作。原因在于，工程实践中，磁悬浮系统的精确模型往往难以得到，有时即使建立了精确模型，也因过于复杂而必须简化。随着系统工作条件的变化和控制元件的老化或损坏，受控对象的特性也会随之发生变化，从而偏离设计时所依据的标称特性。对于高速加工来说，切削过程中因工件表面及材料硬度不均匀、刀具锐度及切削深度变化均会时常导致切削条件发生变化。此外，在许多工况下，仅知道噪声或外界扰动属于某个集合而并不知道其确切特性。所以对于整个机床来说，磁悬浮控制系统不仅要维持稳定运行，还需要适应不同的运行条件，而且要能够应付各种突发事故。磁悬浮的控制系统必须对这些不确定因素具有良好的适应能力。在加工过程中，一方面可通过在线实时调节控制器参数优化控制系统，另一方面可利用被控系统的输入输出信息，对机床运行状态进行在线监控。综上所述，磁悬浮控制系统性能是决定整个系统动、静态性能的关键因素，而合理地设计控制器及控制装置对于确保系统稳定性及可靠性具有至关重要的意义。

本实用新型的优点在于，磁悬浮系统采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，对于大型数控镗铣床龙门磁悬浮系统，在稳定时流过悬浮磁极的电流会较大，使悬浮磁极的功耗也很大。故采用永磁与电磁混合悬浮系统可以借助永磁铁提供的磁力可以保持系统的静态平衡，从而显著降低悬浮电源的容量，大大地减少了系统的功率损耗。磁悬浮控制装置采用以DSP器件为核心的数字控制系统，从而具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，克服了模拟控制器和以单片机为核心的数字控制器的缺陷；并保证计算和控制的实时性；从而确保悬浮间隙高度及刚度特性，能经受住各种耦合干扰和负载扰动，且具有强鲁棒性，最后实现了显著减小摩擦的目的。

附图说明：

图1表示本实用新型的整体结构示意图；

图2表示本实用新型电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁的结构示意图；

图3表示本实用新型的控制系统的结构框图；

图4表示本实用新型DSP控制器与模数转换器和数模转换器的连接电路；

图5表示本实用新型DSP控制器与JTAG仿真器的连接电路图；

图6表示本实用新型的功率放大器内的PWM波形发生电路图；

图7表示本实用新型的功率放大器内的光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮系统电路图；

图8表示本实用新型的DSP控制器内的主程序控制流程图。

具体实施方式：下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，本实用新型提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身6和可以与床身做相对移动的龙门横梁2，所述床身6和龙门横梁2之间设置有推进龙门横梁2与床身做相对移动的直线推进系统3；在所述龙门横梁2上还设置有电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5设置在龙门横梁2上朝向床身6底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5与控制系统连接。图1中标号1为主轴伺服单元，7为工作台，8为刀具。

所述直线推进系统3为永磁直线同步电动机，该永磁直线同步电动机的的动子设置在龙门横梁2上，其定子固定在床身6上；在所述龙门横梁2与床身6之间还设置有导向电磁铁4，所述导向电磁铁4设置在龙门横梁2上朝向床身6两侧的位置上，导向电磁铁4用来控制龙门横梁2按照预定的移动轨迹前进，通过在朝向床身6两侧的位置限位，使龙门横梁2其不偏离前进的轨道移动。

如图2所示，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身6底沿的位置。

图2所示，龙门悬浮式数控镗铣床，采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5结构实现，由于以往的大型数控镗铣床龙门磁悬浮系统在稳定时流过悬浮磁极的电流较大，使悬浮磁极的功耗也很大；而采用本实用新型的永磁与电磁混合悬浮系统可以借助永磁体来产生大部分悬浮力，从而显著降低悬浮电源的容量，大大地减少了系统的功率损耗，而电磁铁提供的磁力可以保持系统的动态平衡。图中标号所表示的结构名称为：9——床身，10——永磁铁部分，11——电磁铁绕有通电线圈部分，12——气隙磁通，13——悬浮间隙；14——DSP控制器，15——电涡流式位移传感器，16——线圈电阻，17——功率放大器。

如图3所示，所述控制系统包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电涡流式位移传感器；所述JTAG仿真器连接至DSP控制器，DSP控制器连接至D/A转换器，D/A转换器连接至功率放大器，功率放大器连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的通电线圈和导向电磁铁4的通电线圈；所述功率放大器通过线圈电阻连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的通电线圈和导向电磁铁4的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5与床身6之间设置有电涡流式位移传感器，所述导向电磁铁4与床身6之间也设置有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器通过A/D转换器连接至DSP控制器。JTAG仿真机使用的时候联结至上位工控机。

上位机负责发送悬浮高度信号，DSP控制器负责对给定信号和反馈信号的处理以及传算法实时整定控制器参数计算，D/A转换器的转换板可以实现两路数字控制信号转换为模拟信号，功率放大器将模拟控制信号实现功率放大并驱动悬浮电磁铁，A/D转换器的转换板可以实现两路间隙模拟信号的数字转换并传送回DSP控制器。

图4为DSP控制器与模数转换器和数模转换器的连接电路；图5为DSP控制器与JTAG仿真器连接电路。其中DSP控制器选用性能价格比较高的浮点处理器，其型号可以为如图4中所示的TMS320VC33，模数转换器选用图4中所示的TLV2548，数模转换器选用图4中所示的TLV5619。其中数模转换器为上述的A/D转换器，模数转换器为D/A转换器。

如图6和7所示，功率放大器包括PWM波形发生电路、光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮系统主电路。

图6为PWM波形发生电路，图中选用脉宽调制的集成化芯片TL494作为PWM信号的产生和控制芯片，

图7为光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮系统主电路。图6中电路输出的PWM波形用于控制半桥功率放大电路中开关器件的导通/关断，为防止功率放大部分对控制信号的影响，在PWM信号输出到开关器件之前用光电隔离器将两部分电路隔开，如图7中所示的，本实用新型选用的光电隔离芯片为6N137，主要由该光电隔离芯片组成光电隔离电路。

悬浮系统的主电路中开关器件采用绝缘栅双极晶体管IGBT，IGBT是一种由双极晶体管与MOSFET组合成的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点。图7中标号为V1、V2、V3和V4为4个IGBT，他们组成了悬浮系统的主电路。

本实用新型选用的IR2110是一种新型的IGBT驱动模块，所需的外围分立元件很少，同时该芯片还具有自保护功能，由其构成的驱动电路结构简单。

悬浮系统主电路是用来给电磁铁供电的逆变电路。其中的电磁铁用电感和铁心等效，其上有永磁铁。由于电磁铁工作时需要直流电，所以V2和V3始终处于不导通状态，所以没有加驱动电路。悬浮系统主电路的工作原理是由控制回路控制IGBT的导通时间即占空比来调节电磁铁两端的电压，得到所希望的电磁吸力与永磁力的合力。当驱动电路发出导通信号后，V1和V4导通电磁铁通电，由于电磁铁的滞后时间常数大，所以电流逐渐上升不能突变。当达到一定的电流后产生足够的吸力使电磁铁与路轨之间的气隙不断变小直到达到给定值，当电流继续增加时吸力也随之增加，使得气隙小于给定值，这时驱动电路动作，关断V1和V4，电磁铁中的电流不能突变，电流将通过二极管VD2，VD3续流，电磁铁上所加的电压为零，这时电磁铁中的电流逐渐下降，其吸力也随之下降，磁铁与导轨之间的气隙随着吸力的减小而随之变大，当大于给定值时，驱动电路再次动作，重复上述工作过程。

本发明的控制方法由嵌入DSP处理器中的程序实现，如图8所示，其控制过程安以下步骤执行：

步骤一、系统初始化；

步骤二、检测是否有结束请求信号；如果有转到步骤十三；如果没有继续；

步骤三、检测是否有中断请求信号；

步骤四、如果没等待中断转回步骤三；

步骤五、如果中断到来，读数，并启动模数转换；

步骤六、基于遗传算法整定PID参数的控制算法计算；

步骤七、检测结果是否有溢出；

步骤八、如果有溢出，取极值，返回步骤七；

步骤九、如果没有溢出，检测结果是否为正值；

步骤十、如果结果是否为负值，取反；

步骤十一、如果结果是否为正值，将结果进行数模转换并输出；

步骤十二、中断返回，转回步骤二。

步骤十三、结束。

该实用新型的磁悬浮系统采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，由于该实用新型针对的是大型数控镗铣床龙门磁悬浮系统，这种系统在稳定时流过悬浮磁极的电流较大，使悬浮磁极的功耗也很大。故采用永磁与电磁混合悬浮系统可以借助永磁体来产生大部分悬浮力，从而显著降低悬浮电源的容量。这种电磁永磁混合磁悬浮系统，由永磁铁提供的磁力可以保持系统的静态平衡，大大地减少了系统的功率损耗，而电磁铁提供的磁力可以保持系统的动态平衡。

当电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的绕组中通过电流时，会加大对金属床身导轨产生电磁吸力，磁铁对床身导轨施加向下的力，由于力的相互作用原理，床身导轨对电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5也有向上的力，由于电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5都是固定在移动的龙门横梁2上，只要控制电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5绕组中的电流，龙门横梁就可以悬浮在空中，处于平衡状态。而导向电磁铁4作为导向系统，其原理类似于悬浮系统，它也是通过控制电磁铁来控制悬浮龙门的水平位移。

对悬浮控制的最基本要求是控制系统要具有快速响应、动态过程平稳、抗干扰好的性能特点，其中抗干扰性尤为重要。

控制系统的实现可以全部采用模拟电路，也可以采用以数字电路。模拟电路控制精度低、受外界环境影响大，且不易实现复杂的控制算法，调试困难。传统的数字控制器大多采用较高档的单片机来实现复杂的计算和控制，但实时性变差，难以得到较好的动态性能。DSP器件是一种特别适用于数字信号处理运算的微处理器，以DSP器件为核心的控制系统具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，克服了模拟控制器和以单片机为核心的数字控制器的缺陷。本实用新型采用数字DSP控制技术，既可以保证计算和控制的实时性，又能充分发挥数字控制的诸多优点。

控制电路包括DSP控制器与模数转换器的连接电路、DSP控制器与数模转换器的连接电路、DSP控制器与JTAG仿真器连接电路。

根据系统的实际控制情况，比较多种方案后，本实用新型采用脉宽调制(PWM)型功率放大器，选用TL494芯片产生PWM波形，为了防止强电区信号对弱电区的回窜干扰，将产生的PWM信号进行光电隔离。桥式逆变部分采用半桥结构，进行功率放大后的信号直接输入到电磁线圈中，驱动线圈产生足够的电磁力使系统的悬浮部件实现稳定可靠悬浮。

本实用新型，设备简洁合理，实用性强，比较适合应用在数控加工技术领域。

Claims

1.一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身(6)和可以与床身做相对移动的龙门横梁(2)，所述床身(6)和龙门横梁(2)之间设置有驱动龙门横梁(2)与床身做相对移动的直线推进系统(3)，其特征在于：在所述龙门横梁(2)上还设置有使龙门横梁(2)在床身(6)上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)设置在龙门横梁(2)上朝向床身(6)底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)与控制系统连接，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身(6)底沿的位置。

2.根据权利要求1所述的采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，其特征在于：所述直线推进系统(3)为永磁直线同步电动机，该永磁直线同步电动机的动子设置在龙门横梁(2)上，其定子固定在床身(6)上；在所述龙门横梁(2)与床身(6)之间还设置有导向电磁铁(4)，所述导向电磁铁(4)设置在龙门横梁(2)上朝向床身(6)两侧的位置上。

3.根据权利要求2所述的采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，其特征在于：所述控制系统包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电涡流式位移传感器；所述JTAG仿真器连接至DSP控制器，DSP控制器连接至D/A转换器，D/A转换器连接至功率放大器，功率放大器连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)的通电线圈和导向电磁铁(4)的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)与床身(6)之间设置有电涡流式位移传感器，所述导向电磁铁(4)与床身(6)之间也设置有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器通过A/D转换器连接至DSP控制器。