CN204546084U - 龙门镗铣床用磁悬浮平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种龙门镗铣床用磁悬浮平台，在所述工作平台上还设置有使工作平台在床身上四点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工作平台四角，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。该装置具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，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。

Description

龙门镗铣床用磁悬浮平台

技术领域

本实用新型提供一种采龙门镗铣床用磁悬浮平台，本实用新型属于数控加工技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，工业在国民经济中占有越来越重要的地位，而发展工业需要装备，机床是机械制造业的主要加工设备。因此世界上许多国家特别重视机床工业的发展，认为机床工业是整个制造业中最重要、最活跃、最具创造力的部门。然而传统的运动平台的移动式加工中，工作台和静止导轨之间存在的摩擦给整个生产带来不可忽视的影响。据数据统计，该摩擦会消耗近百分之三十的能量。因此目前各国把消除或减少摩擦的不良影响作为提高机床技术水平方向之一。

为了减少移动部件与静止导轨之间摩擦，国内外所采取的主要措施有：静压技术、采用新材料构成低摩擦运动副及滚动导轨代替滑动导轨。这三种措施能够达到减小摩擦的效果。但不管以什么方式减小摩擦，都是无源方式在起作用。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，只有移动部件悬浮起来，消除摩擦，才能最终解决问题。

与传统的固定式龙门镗铣床的工作平台相比，磁悬浮运动平台具有无机械摩擦、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运动平台；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；由于磁悬浮式运动平台采用了主动控制，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。而且磁悬浮式运动平台有工作温度范围大、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固定式镗铣床的工作台悬浮上，还有不少关键技术等待解决，在这里，由于被悬浮的工作台的质量较大、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。

发明内容

实用新型目的：本实用新型提供一种龙门镗铣床用磁悬浮平台，其目的是解决以往的固定式龙门的工作平台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：

一种龙门镗铣床用磁悬浮平台，主要包括床身和可以与床身做相对移动的工作平台，所述床身和工作平台之间设置有驱动工作平台与床身做相对移动的直线推进系统，在所述工作平台上还设置有使工作平台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工作平台上朝向床身底沿一侧的四角，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工作平台上，其定子固定在床身上；在所述工作平台与床身之间还设置有导向电磁铁，所述导向电磁铁设置在工作平台上朝向床身的一面，导向电磁铁设置在直线推进系统的动子两侧的位置上，导向电磁铁上缠绕有通电线圈。

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龙门镗铣床用磁悬浮平台，主要包括床身和可以与床身做相对移动的工作平台，所述床身和工作平台之间设置有驱动工作平台与床身做相对移动的直线推进系统，其特征在于：在所述工作平台上还设置有使工作平台在床身上四点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工作平台四角，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，优良的控制系统可使磁悬浮系统满足悬浮高度的动、静态的高精度及系统高刚度、能够超低速进给的需要，所以磁悬浮平台的控制是磁悬浮平台的核心技术，控制器性能不仅决定了磁悬浮能否实现，而且还直接影响到平台的定位精度和承载能力等关键指标。所以，在整个磁悬浮平台设计中，控制器的设计及优化显得尤为重要。控制器的设计是一项颇具挑战性的工作，因为磁悬浮系统是一个典型的本质非线性和开环不稳定系统，所以对磁悬浮系统实施有效的控制是磁悬浮技术应用需要解决的关键问题，因此研究磁悬浮系统的控制算法具有重要意义。工程实践中，无法得到磁悬浮系统的精确模型，为了建立磁悬浮系统的数学模型，需要将系统的非线性模型在其平衡点处进行泰勒展开以实现系统模型的线性化处理。由于传统的控制算法设计是基于平衡点的系统线性化模型对系统进行控制器设计，因此所设计的控制器只能在平衡点附近小范围内产生控制效果，一旦磁悬浮系统受到较大的外部干扰，将导致被悬浮对象较大的偏离平衡点，系统的非线性特性将导致系统失稳从而使被悬浮对象悬浮失败。此外，工件质量的变化以及机床加工时，对悬浮系统造成一个强干扰。并且在许多工况下，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。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，对于大型数控镗铣床龙门来说，由于工作平台质量较大，不同于微电子领域的磁悬浮平台，四点悬浮的结构相对于两点悬浮使大型工作平台悬浮更加稳定，不会出现失稳情况。磁悬浮系统采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，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。永磁铁提供的磁力可以保持系统的静态平衡，大大的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。当混合电磁铁绕组中通入电流时，会加大对金属导轨产生电磁吸力，磁铁对导轨施加向下的力，由于力的相互作用原理，导轨对电磁铁也有向上的力，由于混合电磁铁都是固定在运动平台上的，只要控制混合磁铁绕组中的电流，运动平台就可以悬浮在空中，处于平衡状态。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，具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，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。在控制系统中采用模糊滑模控制策略，滑模控制的系统在受到参数摄动和外界干扰时具有不变性，当系统进入滑动模态后，系统不受参数变化和外部扰动的影响，具有完全的自适应性和鲁棒性。最后利用模糊控制减小滑模控制的抖振，最终实现工作平台的悬浮高度在任何情况下都保持不变。

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龙门镗铣床用磁悬浮平台，主要包括床身6和可以与床身做相对移动的工作平台2，所述床身6和工作平台2之间设置有推进工作平台2与床身6做相对移动的直线推进系统4；所述工作平台2朝向床身6一侧设置工作平台2的导向电磁铁3。在所述工作平台2四角上还设置有电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1设置工作平台2上朝向床身6的一侧的四角，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1与控制系统连接。图1中标号5为导轨，7为工作平台，8为主轴伺服单元,9为刀具。

所述直线推进系统4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工作平台2上，其定子固定在床身6上；在所述工作平台2与床身6之间还设置有导向电磁铁3，所述导向电磁铁3设置在工作平台2上朝向床身6两侧的位置上，导向系统4用来控制工作平台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，使其不偏离前进的轨道移动。导向电磁铁3设置在直线推进系统4的动子两侧的位置上，导向电磁铁3上缠绕有通电线圈。

如图2所示，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1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，固定式龙门四点悬浮数控镗铣床，采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1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：10——床身，11——永磁铁部分，12——电磁铁绕有通电线圈部分，13——气隙磁通，14——悬浮间隙；15——DSP控制器，16——电涡流式位移传感器，17——线圈电阻，18——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2的通电线圈和导向电磁铁3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2的通电线圈和导向电磁铁3的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁2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3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。

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、模糊滑模的控制算法计算；

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四点磁悬浮系统，对于大型数控镗铣床龙门来说，由于工作平台质量较大，不同于微电子领域的磁悬浮平台，四点悬浮的结构相对于两点悬浮使大型工作平台悬浮更加稳定，不会出现失稳情况。磁悬浮系统采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，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。永磁铁提供的磁力可以保持系统的静态平衡，大大的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1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1也有向上的力，由于电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1都是固定在移动的工作平台2上，只要控制电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁1绕组中的电流，工作平台就可以悬浮在空中，处于平衡状态。而导向电磁铁3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工作平台的水平位移。

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。在控制系统中可以采用传统PID控制策略，但PID控制器只能在平衡点附近小范围内产生控制效果，一旦磁悬浮系统受到较大的外部干扰，将导致被悬浮对象较大的偏离平衡点，系统的非线性特性将导致系统失稳从而使被悬浮对象悬浮失败。而采用模糊滑模控制策略，滑模控制的系统在受到参数摄动和外界干扰时具有不变性，当系统进入滑动模态后，系统不受参数变化和外部扰动的影响，具有完全的自适应性和鲁棒性。最后利用模糊控制减小滑模控制的抖振，最终实现工作平台的悬浮高度在任何情况下都保持不变。

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 (3)

1.一种龙门镗铣床用磁悬浮平台，主要包括床身（6）和可以与床身做相对移动的工作平台（2），所述床身（6）和工作平台（2）之间设置有驱动工作平台（2）与床身做相对移动的直线推进系统（4），其特征在于：在所述工作平台（2）上还设置有使工作平台（2）在床身（6）上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁（1），电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁（1）设置在工作平台（2）上朝向床身（6）底沿一侧的四角，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁（1）与控制系统连接，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁（1）为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体。

2.根据权利要求1所述的龙门镗铣床用磁悬浮平台，其特征在于：所述直线推进系统（4）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工作平台（2）上，其定子固定在床身（6）上；在所述工作平台（2）与床身（6）之间还设置有导向电磁铁（3），所述导向电磁铁（3）设置在工作平台（2）上朝向床身（6）的一面，导向电磁铁（3）设置在直线推进系统（4）的动子两侧的位置上，导向电磁铁（3）上缠绕有通电线圈。

3.根据权利要求2所述的龙门镗铣床用磁悬浮平台，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（1）的通电线圈和导向电磁铁（3）的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁（1）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（3）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。