專利名稱：采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床的制作方法
技術領域：
本實用新型提供一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，本實 用新型屬于數(shù)控加工技術領域。
背景技術：
隨著科技產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)制造過程中對高加工精度和效率的要 求不斷提高，因此非接觸式的磁懸浮系統(tǒng)愈加廣泛地應用在各種制造設備中。龍門移動式 數(shù)控鏜銑床是重要的、且最具代表性的大型加工設備之一，在龍門移動式數(shù)控鏜銑床中，移 動的龍門橫梁和床身導軌之間存在著摩擦，這種摩擦的存在有百害而無一利。而要想從根 本上徹底解決摩擦問題，唯有把兩個相對運動的接觸面分離開來，不直接發(fā)生接觸。也就是 說，把具有一定重量的運動體懸浮起來，這才是解決摩擦問題的根本出路。為此采用電磁懸 浮技術通過磁場力將移動的龍門懸浮起來，由直線電機驅動龍門框架運動，可實現(xiàn)無摩擦 運行。與傳統(tǒng)的移動式龍門相比，磁懸浮龍門具有無機械摩擦、無接觸磨損和無需潤滑 的優(yōu)點。由于相對運動表面間沒有接觸，因而徹底消除了爬行現(xiàn)象，沒有因磨損和接觸疲勞 所產(chǎn)生的精度下降和壽命問題，而電子元件的可控性優(yōu)于機械零件，使得其可控性高于傳 統(tǒng)的移動式龍門；而且省掉了靜壓導軌必需的龐大油路輔助設備，對環(huán)境不產(chǎn)生污染，降低 了超潔凈防塵條件；由于磁懸浮式龍門采用了主動控制，可提高數(shù)控機床的信息處理能力， 如工況檢測、預報和故障診斷。而且磁懸浮式龍門有工作溫度范圍大、維護簡單、壽命長等 優(yōu)點。但要將磁懸浮技術應用到大型龍門移動式機床的橫梁懸浮上，還有不少關鍵技術等 待解決，在這里，由于被懸浮的橫梁的質量較大、加工時對懸浮高度的嚴重干擾、要求懸浮 高度的動、靜態(tài)精度很高、而且系統(tǒng)要有高剛度、能夠超低速進給等，這與其它領域中對懸 浮系統(tǒng)所要求的性能有重大區(qū)別。這些特殊性要求給本懸浮系統(tǒng)的研究工作提出了十分苛 刻的要求，對控制技術提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。與磁懸浮列車相比，磁懸浮列車對于懸浮高度的 精確性沒有太高的要求，因為需要載人，要求舒適、安全和穩(wěn)定即可。磁懸浮控制的數(shù)控機 床移動部件除了要求高速驅動外，還要求高精度支承和定位，特別是在低速微進給狀態(tài)下 精加工，對磁懸浮高度的精確性、剛度和魯棒性就有非常高的要求
實用新型內容
實用新型目的本實用新型提供一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床， 其目的是解決以往的移動的龍門橫梁和床身導軌之間存在著摩擦以至于影響工作效率的 問題。技術方案本實用新型是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主要包括床身和可以與床身做相 對移動的龍門橫梁，所述床身和龍門橫梁之間設置有驅動龍門橫梁與床身做相對移動的直 線推進系統(tǒng)，其特征在于在所述龍門橫梁上還設置有使龍門橫梁在床身上懸浮的電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵設置在龍門橫梁上朝向床身底沿的 一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與控制系統(tǒng)連接，所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵 為帶有永磁磁極的纏有通電線圈的磁體；所述永磁磁極設置在靠近床身底沿的位置。
3[0007]所述直線推進系統(tǒng)為永磁直線同步電動機，該永磁直線同步電動機的動子設置在 龍門橫梁上，其定子固定在床身上；在所述龍門橫梁與床身之間還設置有導向電磁鐵，所述 導向電磁鐵設置在龍門橫梁上朝向床身兩側的位置上。所述控制系統(tǒng)包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A轉換器、A/D轉換器、功率放大器 和電渦流式位移傳感器；所述JTAG仿真器連接至DSP控制器，DSP控制器連接至D/A轉換 器，D/A轉換器連接至功率放大器，功率放大器連接至電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵的通電 線圈和導向電磁鐵的通電線圈；所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與床身之間設置有電渦 流式位移傳感器，所述導向電磁鐵與床身之間也設置有電渦流式位移傳感器，電渦流式位 移傳感器通過A/D轉換器連接至DSP控制器。優(yōu)點及效果本實用新型提供一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主 要包括床身和可以與床身做相對移動的龍門橫梁，所述床身和龍門橫梁之間設置有驅動龍 門橫梁與床身做相對移動的直線推進系統(tǒng)，其特征在于在所述龍門橫梁上還設置有使龍 門橫梁在床身上懸浮的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵設置 在龍門橫梁上朝向床身底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與控制系統(tǒng)連接，所述 電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵為帶有永磁磁極的纏有通電線圈的磁體；所述永磁磁極設置 在靠近床身底沿的位置。在機床行業(yè)，為了適應高速和精確切削的需要，優(yōu)良的控制系統(tǒng)可使磁懸浮系統(tǒng)具 有強大的功能，控制器的設計是一項頗具挑戰(zhàn)性的工作。原因在于，工程實踐中，磁懸浮系統(tǒng) 的精確模型往往難以得到，有時即使建立了精確模型，也因過于復雜而必須簡化。隨著系統(tǒng)工 作條件的變化和控制元件的老化或損壞，受控對象的特性也會隨之發(fā)生變化，從而偏離設計 時所依據(jù)的標稱特性。對于高速加工來說，切削過程中因工件表面及材料硬度不均勻、刀具銳 度及切削深度變化均會時常導致切削條件發(fā)生變化。此外，在許多工況下，僅知道噪聲或外界 擾動屬于某個集合而并不知道其確切特性。所以對于整個機床來說，磁懸浮控制系統(tǒng)不僅要 維持穩(wěn)定運行，還需要適應不同的運行條件，而且要能夠應付各種突發(fā)事故。磁懸浮的控制系 統(tǒng)必須對這些不確定因素具有良好的適應能力。在加工過程中，一方面可通過在線實時調節(jié) 控制器參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，另一方面可利用被控系統(tǒng)的輸入輸出信息，對機床運行狀態(tài)進行 在線監(jiān)控。綜上所述，磁懸浮控制系統(tǒng)性能是決定整個系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的關鍵因素，而合理 地設計控制器及控制裝置對于確保系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性具有至關重要的意義。本實用新型的優(yōu)點在于，磁懸浮系統(tǒng)采用電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，對于大 型數(shù)控鏜銑床龍門磁懸浮系統(tǒng)，在穩(wěn)定時流過懸浮磁極的電流會較大，使懸浮磁極的功耗 也很大。故采用永磁與電磁混合懸浮系統(tǒng)可以借助永磁鐵提供的磁力可以保持系統(tǒng)的靜態(tài) 平衡，從而顯著降低懸浮電源的容量，大大地減少了系統(tǒng)的功率損耗。磁懸浮控制裝置采用 以DSP器件為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，從而具有非?？斓臄?shù)據(jù)處理能力和良好的擴展能力， 克服了模擬控制器和以單片機為核心的數(shù)字控制器的缺陷；并保證計算和控制的實時性； 從而確保懸浮間隙高度及剛度特性，能經(jīng)受住各種耦合干擾和負載擾動，且具有強魯棒性， 最后實現(xiàn)了顯著減小摩擦的目的。

圖1表示本實用新型的整體結構示意圖；[0013]圖2表示本實用新型電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵的結構示意圖；圖3表示本實用新型的控制系統(tǒng)的結構框圖；圖4表示本實用新型DSP控制器與模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器的連接電路；圖5表示本實用新型DSP控制器與JTAG仿真器的連接電路圖；圖6表示本實用新型的功率放大器內的PWM波形發(fā)生電路圖；圖7表示本實用新型的功率放大器內的光電隔離電路、功率驅動電路和懸浮系統(tǒng) 電路圖；圖8表示本實用新型的DSP控制器內的主程序控制流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明如圖1所示，本實用新型提供一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主 要包括床身6和可以與床身做相對移動的龍門橫梁2，所述床身6和龍門橫梁2之間設置有 推進龍門橫梁2與床身做相對移動的直線推進系統(tǒng)3 ；在所述龍門橫梁2上還設置有電磁 永磁混合磁極懸浮電磁鐵5，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5設置在龍門橫梁2上朝向床 身6底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5與控制系統(tǒng)連接。圖1中標號1為主軸 伺服單元，7為工作臺，8為刀具。所述直線推進系統(tǒng)3為永磁直線同步電動機，該永磁直線同步電動機的的動子設 置在龍門橫梁2上，其定子固定在床身6上；在所述龍門橫梁2與床身6之間還設置有導向 電磁鐵4，所述導向電磁鐵4設置在龍門橫梁2上朝向床身6兩側的位置上，導向電磁鐵4 用來控制龍門橫梁2按照預定的移動軌跡前進，通過在朝向床身6兩側的位置限位，使龍門 橫梁2其不偏離前進的軌道移動。如圖2所示，所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5為帶有永磁磁極的纏有通電線 圈的磁體；所述永磁磁極設置在靠近床身6底沿的位置。圖2所示，龍門懸浮式數(shù)控鏜銑床，采用電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5結構實 現(xiàn)，由于以往的大型數(shù)控鏜銑床龍門磁懸浮系統(tǒng)在穩(wěn)定時流過懸浮磁極的電流較大，使懸 浮磁極的功耗也很大；而采用本實用新型的永磁與電磁混合懸浮系統(tǒng)可以借助永磁體來產(chǎn) 生大部分懸浮力，從而顯著降低懸浮電源的容量，大大地減少了系統(tǒng)的功率損耗，而電磁鐵 提供的磁力可以保持系統(tǒng)的動態(tài)平衡。圖中標號所表示的結構名稱為9——床身，10—— 永磁鐵部分，11——電磁鐵繞有通電線圈部分，12——氣隙磁通，13——懸浮間隙；14—— DSP控制器，15——電渦流式位移傳感器，16——線圈電阻，17——功率放大器。如圖3所示，所述控制系統(tǒng)包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A轉換器、A/D轉換器、 功率放大器和電渦流式位移傳感器；所述JTAG仿真器連接至DSP控制器，DSP控制器連接 至D/A轉換器，D/A轉換器連接至功率放大器，功率放大器連接至電磁永磁混合磁極懸浮電 磁鐵5的通電線圈和導向電磁鐵4的通電線圈；所述功率放大器通過線圈電阻連接至電磁 永磁混合磁極懸浮電磁鐵5的通電線圈和導向電磁鐵4的通電線圈；所述電磁永磁混合磁 極懸浮電磁鐵5與床身6之間設置有電渦流式位移傳感器，所述導向電磁鐵4與床身6之 間也設置有電渦流式位移傳感器，電渦流式位移傳感器通過A/D轉換器連接至DSP控制器。 JTAG仿真機使用的時候聯(lián)結至上位工控機。上位機負責發(fā)送懸浮高度信號，DSP控制器負責對給定信號和反饋信號的處理以 及傳算法實時整定控制器參數(shù)計算，D/A轉換器的轉換板可以實現(xiàn)兩路數(shù)字控制信號轉換為模擬信號，功率放大器將模擬控制信號實現(xiàn)功率放大并驅動懸浮電磁鐵，A/D轉換器的轉 換板可以實現(xiàn)兩路間隙模擬信號的數(shù)字轉換并傳送回DSP控制器。圖4為DSP控制器與模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器的連接電路；圖5為DSP控制器與 JTAG仿真器連接電路。其中DSP控制器選用性能價格比較高的浮點處理器，其型號可以為 如圖4中所示的TMS320VC33，模數(shù)轉換器選用圖4中所示的TLV2548，數(shù)模轉換器選用圖4 中所示的TLV5619。其中數(shù)模轉換器為上述的A/D轉換器，模數(shù)轉換器為D/A轉換器。如圖6和7所示，功率放大器包括PWM波形發(fā)生電路、光電隔離電路、功率驅動電 路和懸浮系統(tǒng)主電路。圖6為PWM波形發(fā)生電路，圖中選用脈寬調制的集成化芯片TL494作為PWM信號 的產(chǎn)生和控制芯片，圖7為光電隔離電路、功率驅動電路和懸浮系統(tǒng)主電路。圖6中電路輸出的PWM 波形用于控制半橋功率放大電路中開關器件的導通/關斷，為防止功率放大部分對控制信 號的影響，在PWM信號輸出到開關器件之前用光電隔離器將兩部分電路隔開，如圖7中所示 的，本實用新型選用的光電隔離芯片為6N137，主要由該光電隔離芯片組成光電隔離電路。懸浮系統(tǒng)的主電路中開關器件采用絕緣柵雙極晶體管IGBT，IGBT是一種由雙極 晶體管與MOSFET組合成的器件，它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關特性，又具有 雙極晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點。圖7中標號為VI、V2、V3和V4為4個 IGBT，他們組成了懸浮系統(tǒng)的主電路。本實用新型選用的IR2110是一種新型的IGBT驅動模塊，所需的外圍分立元件很 少，同時該芯片還具有自保護功能，由其構成的驅動電路結構簡單。懸浮系統(tǒng)主電路是用來給電磁鐵供電的逆變電路。其中的電磁鐵用電感和鐵心 等效，其上有永磁鐵。由于電磁鐵工作時需要直流電，所以V2和V3始終處于不導通狀態(tài)， 所以沒有加驅動電路。懸浮系統(tǒng)主電路的工作原理是由控制回路控制IGBT的導通時間即 占空比來調節(jié)電磁鐵兩端的電壓，得到所希望的電磁吸力與永磁力的合力。當驅動電路發(fā) 出導通信號后，Vl和V4導通電磁鐵通電，由于電磁鐵的滯后時間常數(shù)大，所以電流逐漸上 升不能突變。當達到一定的電流后產(chǎn)生足夠的吸力使電磁鐵與路軌之間的氣隙不斷變小直 到達到給定值，當電流繼續(xù)增加時吸力也隨之增加，使得氣隙小于給定值，這時驅動電路動 作，關斷Vl和V4，電磁鐵中的電流不能突變，電流將通過二極管VD2，VD3續(xù)流，電磁鐵上所 加的電壓為零，這時電磁鐵中的電流逐漸下降，其吸力也隨之下降，磁鐵與導軌之間的氣隙 隨著吸力的減小而隨之變大，當大于給定值時，驅動電路再次動作，重復上述工作過程。本發(fā)明的控制方法由嵌入DSP處理器中的程序實現(xiàn)，如圖8所示，其控制過程安以 下步驟執(zhí)行步驟一、系統(tǒng)初始化；步驟二、檢測是否有結束請求信號；如果有轉到步驟十三；如果沒有繼續(xù)；步驟三、檢測是否有中斷請求信號；步驟四、如果沒等待中斷轉回步驟三；步驟五、如果中斷到來，讀數(shù)，并啟動模數(shù)轉換；步驟六、基于遺傳算法整定PID參數(shù)的控制算法計算；步驟七、檢測結果是否有溢出；
6[0042]步驟八、如果有溢出，取極值，返回步驟七；步驟九、如果沒有溢出，檢測結果是否為正值；步驟十、如果結果是否為負值，取反；步驟十一、如果結果是否為正值，將結果進行數(shù)模轉換并輸出；步驟十二、中斷返回，轉回步驟二。步驟十三、結束。該實用新型的磁懸浮系統(tǒng)采用電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，由于該實用新型針 對的是大型數(shù)控鏜銑床龍門磁懸浮系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在穩(wěn)定時流過懸浮磁極的電流較大，使 懸浮磁極的功耗也很大。故采用永磁與電磁混合懸浮系統(tǒng)可以借助永磁體來產(chǎn)生大部分懸 浮力，從而顯著降低懸浮電源的容量。這種電磁永磁混合磁懸浮系統(tǒng)，由永磁鐵提供的磁力 可以保持系統(tǒng)的靜態(tài)平衡，大大地減少了系統(tǒng)的功率損耗，而電磁鐵提供的磁力可以保持 系統(tǒng)的動態(tài)平衡。當電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5的繞組中通過電流時，會加大對金屬床身導軌 產(chǎn)生電磁吸力，磁鐵對床身導軌施加向下的力，由于力的相互作用原理，床身導軌對電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵5也有向上的力，由于電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5都是固定在 移動的龍門橫梁2上，只要控制電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5繞組中的電流，龍門橫梁就 可以懸浮在空中，處于平衡狀態(tài)。而導向電磁鐵4作為導向系統(tǒng)，其原理類似于懸浮系統(tǒng)， 它也是通過控制電磁鐵來控制懸浮龍門的水平位移。對懸浮控制的最基本要求是控制系統(tǒng)要具有快速響應、動態(tài)過程平穩(wěn)、抗干擾好 的性能特點，其中抗干擾性尤為重要?？刂葡到y(tǒng)的實現(xiàn)可以全部采用模擬電路，也可以采用以數(shù)字電路。模擬電路控制 精度低、受外界環(huán)境影響大，且不易實現(xiàn)復雜的控制算法，調試困難。傳統(tǒng)的數(shù)字控制器大 多采用較高檔的單片機來實現(xiàn)復雜的計算和控制，但實時性變差，難以得到較好的動態(tài)性 能。DSP器件是一種特別適用于數(shù)字信號處理運算的微處理器，以DSP器件為核心的控制系 統(tǒng)具有非?？斓臄?shù)據(jù)處理能力和良好的擴展能力，克服了模擬控制器和以單片機為核心的 數(shù)字控制器的缺陷。本實用新型采用數(shù)字DSP控制技術，既可以保證計算和控制的實時性， 又能充分發(fā)揮數(shù)字控制的諸多優(yōu)點?？刂齐娐钒―SP控制器與模數(shù)轉換器的連接電路、DSP控制器與數(shù)模轉換器的 連接電路、DSP控制器與JTAG仿真器連接電路。根據(jù)系統(tǒng)的實際控制情況，比較多種方案后，本實用新型采用脈寬調制(PWM)型 功率放大器，選用TL494芯片產(chǎn)生PWM波形，為了防止強電區(qū)信號對弱電區(qū)的回竄干擾，將 產(chǎn)生的PWM信號進行光電隔離。橋式逆變部分采用半橋結構，進行功率放大后的信號直接 輸入到電磁線圈中，驅動線圈產(chǎn)生足夠的電磁力使系統(tǒng)的懸浮部件實現(xiàn)穩(wěn)定可靠懸浮。本實用新型，設備簡潔合理，實用性強，比較適合應用在數(shù)控加工技術領域。
權利要求一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主要包括床身(6)和可以與床身做相對移動的龍門橫梁(2)，所述床身(6)和龍門橫梁(2)之間設置有驅動龍門橫梁(2)與床身做相對移動的直線推進系統(tǒng)(3)，其特征在于在所述龍門橫梁(2)上還設置有使龍門橫梁(2)在床身(6)上懸浮的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)設置在龍門橫梁(2)上朝向床身(6)底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)與控制系統(tǒng)連接，所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)為帶有永磁磁極的纏有通電線圈的磁體；所述永磁磁極設置在靠近床身(6)底沿的位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，其特征在于所 述直線推進系統(tǒng)(3)為永磁直線同步電動機，該永磁直線同步電動機的動子設置在龍門橫 梁(2)上，其定子固定在床身(6)上；在所述龍門橫梁(2)與床身(6)之間還設置有導向電 磁鐵(4)，所述導向電磁鐵(4)設置在龍門橫梁(2)上朝向床身(6)兩側的位置上。
3.根據(jù)權利要求2所述的采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，其特征在于所 述控制系統(tǒng)包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A轉換器、A/D轉換器、功率放大器和電渦流式 位移傳感器；所述JTAG仿真器連接至DSP控制器，DSP控制器連接至D/A轉換器，D/A轉換 器連接至功率放大器，功率放大器連接至電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)的通電線圈和 導向電磁鐵(4)的通電線圈；所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)與床身(6)之間設置 有電渦流式位移傳感器，所述導向電磁鐵(4)與床身(6)之間也設置有電渦流式位移傳感 器，電渦流式位移傳感器通過A/D轉換器連接至DSP控制器。
專利摘要本實用新型提供一種采用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主要包括床身和可以與床身做相對移動的龍門橫梁，所述床身和龍門橫梁之間設置有驅動龍門橫梁與床身做相對移動的直線推進系統(tǒng)；在所述龍門橫梁上還設置有使龍門橫梁在床身上懸浮的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵設置在龍門橫梁上朝向床身底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與控制系統(tǒng)連接。本實用新型設備簡潔合理，實用性強，比較適合應用在數(shù)控加工技術領域。
文檔編號B23P23/02GK201677181SQ20102019889
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者劉春芳, 孫宜標, 武志濤, 王麗梅, 王通 申請人:沈陽工業(yè)大學