專利名稱：直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構。
背景技術：
現(xiàn)代制造技術正朝著高速化、精密化和模塊化方向發(fā)展，制造業(yè)對加工設備的性 能提出了越來越高的要求，這種需求促進了機床工業(yè)，尤其是數(shù)控機床的發(fā)展。但與數(shù)控機 床配套的功能部件的產業(yè)化規(guī)模和產品水平，遠遠滿足不了數(shù)控機床的發(fā)展要求。進給單 元是數(shù)控機床的重要功能部件，被加工工件的最后坐標和輪廓精度都受到進給單元運動的 傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響，因此其必須具備摩擦阻力小、傳動精度高、響應速度快、 剛度大等特點。 傳統(tǒng)數(shù)控機床的伺服進給單元由伺服電路、伺服驅動元件、機械傳動裝置和執(zhí)行 元件組成，采用"旋轉電機+滾珠絲杠"進給傳動方式，使得從電動機到移動工作臺之間存 在聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承等諸多中間環(huán)節(jié)，加大了定位機構的慣性質量，降低了響應速 度。而且移動部件與支承導軌之間的摩擦也是影響工作臺性能的主要因素一是摩擦增加 了驅動部件的功率損耗，降低了效率、運動精度和使用壽命，增加了運動噪聲和發(fā)熱，甚至 可能使精密部件變形，限制了機床控制精度的提高；二是由于摩擦與運動速度間存在非線 性關系，特別是在低速微進給情況下，這種非線性關系難以控制，可能會產生所謂的尺蠖運 動方式或混沌不清的極限環(huán)現(xiàn)象，嚴重破壞進給的精度。因此，有必要從簡化進給傳動方 式和消除導軌之間的摩擦入手，研究開發(fā)一種滿足高速化高精密化數(shù)控機床要求的功能部 件——直線進給單元。 直接驅動型磁懸浮直線進給單元以直線電動機驅動技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的"旋轉伺服電 機+滾珠絲杠"驅動方式，將電能直接轉換成直線運動機械能，不需要任何中間轉換機構； 采用磁懸浮導軌，通過磁場力懸浮工作臺，消除了傳統(tǒng)機床床身導軌與工作臺導軌因接觸 而產生的摩擦，可以更好地滿足高速高精密的機械加工要求。 直接驅動型磁懸浮直線進給單元的一個關鍵問題在于磁場解耦，即直線進給系統(tǒng) 磁場與磁懸浮系統(tǒng)中的磁場，以及磁懸浮系統(tǒng)中各個電磁鐵磁場之間的耦合作用，將會導 致信號的交叉影響，影響工作臺穩(wěn)定性及加工精度。目前，磁場解耦大多通過控制方法來實 現(xiàn)的，未從結構上考慮磁場解耦的問題。例如上海大學在專利文獻CN1244432C中提出了 一種工業(yè)應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，其直線電機是雙邊動子結構，直 線電機雙邊動子、承載電磁鐵、導向電磁鐵均與移動平臺連接，三者磁路緊靠一起且為敞開 式，未從結構上采取任何隔磁措施，導致直線電機的電磁場將會與承載、導向電磁場產生電 磁交叉耦合并產生磁漏，形成干擾，影響控制精度。 大連交通大學在專利文獻CN201224044Y提出一種數(shù)控機床用斥力型磁懸浮直線 進給系統(tǒng)，其在復合懸浮磁體、直線電機定子、直線電機動子及永磁導軌之間未設置任何隔 磁裝置，僅僅通過軟件實現(xiàn)四個復合懸浮磁體的解耦控制，未從結構上考慮磁體的解耦控 制。
大連交通大學在專利文獻CN101024270A提出一種新型數(shù)控機床磁懸浮直線進給 系統(tǒng)，所提及不銹鋼導軌防護罩可起到防屑和隔磁的作用，提及支架用鋁基復合材料制成， 但從敘述可以看出，其是指直線進給系統(tǒng)與外部加工系統(tǒng)之間的隔磁，未在直線電機與工 作臺之間設置隔磁裝置；支架采用鋁基復合材料，而導軌未采用復合材料，且四組懸浮電磁 鐵的解耦控制通過軟件實現(xiàn)，未提及鋁基復合材料用于結構上解決磁懸浮系統(tǒng)中各個電磁 鐵磁場之間的耦合。 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(CN1415456A)提出一種超精密微位 移導軌磁懸浮方法及裝置，其直線電機初級、直線電機次級、磁懸浮線圈之間的磁路敞開， 采用V型導軌，將磁懸浮力與導向力合二為一，須對其進行解耦，增加了控制系統(tǒng)的復雜程 度；且其主要應用于微位移進給領域，本發(fā)明應用于機床進給單元，兩者在進給量上也存在 不同。 南通大學(CN101136601A)提出一種智能型磁懸浮直線進給單元，在直線電機的 動子與定子外側分別設置了隔磁罩，確保了直線電機的漏磁不影響系統(tǒng)的正常的工作，在 結構上實現(xiàn)了直線進給系統(tǒng)與磁懸浮系統(tǒng)的磁場解耦，但未提及從結構上實現(xiàn)磁懸浮系統(tǒng) 中支承電磁鐵組、導向電磁鐵組以及兩者磁場之間的解耦。 宋文榮等人在《光學精密工程》上發(fā)表的《磁懸浮進給機構的磁力解耦》以及李黎 川等人在《機械工程學報》上發(fā)表的《超精密磁懸浮工作臺及其解耦控制》等都是從控制方 法上解決磁場解耦問題，均未涉及到磁場的結構解耦。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種結構合理，能有效實現(xiàn)磁懸浮直線進給單元的磁場解
耦的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構。 本發(fā)明的技術解決方案是 —種直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特征是包括底座，底座 上設置支承塊，支承塊上裝支承導軌，支承導軌外套裝工作臺，工作臺底部與底座之間設置 輔助支撐，支承導軌的中央位置裝直線電子的定子，直線電機的動子安裝在與定子對應部 位的工作臺內側，在工作臺上下兩邊的內側，裝有上下相對設置的二對承載電磁鐵組，在工 作臺左右兩邊內側，裝有相對設置的導向電磁鐵組，支承導軌包括由隔磁材料制成的主體 部分，主體部分的與承載電磁鐵及導向電磁鐵相對位置設有磁性吸力板，在直線電機定子 及動子的外圍套裝隔磁罩。 純鐵吸力板與支承導軌主體部分鑲嵌式連接，純鐵吸力板的寬度與對應的承載電 磁鐵或導向電磁鐵長度相同，純鐵吸力板的長度大于直線電機的行程。 直線電機定子兩端裝有限位擋塊，工作臺兩端分裝有安全擋塊。底座上對稱安裝 將線圈及傳感器電線連接至電源及控制器的兩條拖鏈，拖鏈的一端與底座固定，另一端與 工作臺固定。 所述隔磁罩為伸縮式隔磁罩。伸縮式隔磁罩包括套裝在直線電機定子及動子的外 圍外固定罩，外固定罩與一個伸入外固定罩中的內固定罩連接，內固定罩上設置安裝滑動 式防護板裝置的槽?；瑒邮椒雷o板裝置包括與和動子連接的連接塊固連的第一防護板，第 一防護板的兩端分別位于連接塊的兩側，連接塊兩側分別設置位于第一防護板下方的多層
4防護板，相鄰防護板之間設置相互結合推動的擋板。 本發(fā)明結構合理，支承導軌由復合材料制成，其中主體部分由隔磁材料鋁材制成， 支承吸力板與導向吸力板由磁性材料制成，通過兩種材料的組合，使得支承電磁鐵與導向 電磁鐵之間磁場、支承電磁鐵之間磁場以及導向電磁鐵之間磁場不相互耦合，實現(xiàn)了磁懸 浮系統(tǒng)磁場的解耦。直線電機定子與動子外側套裝的伸縮式隔磁罩使得直線電機在工作時 始終處于封閉狀態(tài)，實現(xiàn)了直線進給系統(tǒng)與磁懸浮系統(tǒng)磁場之間的解耦。輔助支承導軌在 工作臺發(fā)生故障、突然斷電和不工作時起到在水平與豎直方向的導向與支承作用。直線電 機定子兩端的限位擋塊用于固定直線電機定子，工作臺兩端的安全擋塊用于防止工作臺沖 出支承導軌行程之外。將輔助支承導軌安放在工作臺外側，與專利(CN101136601A)中將輔 助支承導軌安放在工作臺內側相比，使得工作臺更容易安裝、檢測、調整。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1為本發(fā)明一個實施例的結構示圖。
圖2為圖1的側視圖。
具體實施例方式
參見附圖1、2， 一種直接驅動型磁懸浮直線進給單元磁場解耦結構，包括底座1、 固定于底座1上的支承塊2、3、30、36以及兩個輔助支承靜導軌4、29 ;安裝在支承塊2、3上 的支承導軌9 ;支承導軌外套裝工作臺14，安裝在支承導軌9中央位置的直線電機定子20， 直線電機的動子18安裝在與定子對應部位的工作臺內側；在工作臺上下兩邊的內側，裝有 上下相對設置的二對承載電磁鐵組(包括支承電磁鐵7、15、21、26)，在工作臺左右兩邊內 側，裝有相對設置的導向電磁鐵組(包括導向電磁鐵10、24)，支承導軌包括純鋁材的主體 部分，主體部分的與承載電磁鐵及導向電磁鐵相對位置設有純鐵吸力板(包括支承吸力板 8、16、22、25及導向吸力板12、23)，還有安裝在支承電磁鐵15與導向電磁鐵10旁邊的位移 傳感器13、11 ;還有安裝在工作臺14與直線電機動子18之間的連接塊33 ;所述隔磁罩為 伸縮式隔磁罩。伸縮式隔磁罩包括套裝在直線電機定子20及動子18的外圍外固定罩17， 外固定罩與一個伸入外固定罩中的內固定罩19連接，內固定罩上設置安裝滑動式防護板 裝置的槽，槽中安裝滾珠，利于防護板的滑動。滑動式防護板裝置包括與和動子連接的連接 塊33固連的第一防護板，第一防護板的兩端分別位于連接塊的兩側，連接塊33兩側分別 設置位于第一防護板a下方的多層防護板b、 c、 d、 e，相鄰防護板之間設置相互結合推動的 擋板。工作臺底部與底座之間設置輔助支撐(包括輔助支承動導軌5、28及輔助支承靜導 軌4、29);底座上對稱安裝將線圈及傳感器電線連接至電源及控制器的兩條拖鏈6、27，拖 鏈的一端與底座固定，另一端與工作臺固定。還有安裝在直線電機定子20兩端的限位擋塊 32、34及安裝在支承導軌9兩端的安全擋塊31、35。純鐵吸力板與支承導軌主體部分鑲嵌 式連接，純鐵吸力板的寬度與對應的承載電磁鐵或導向電磁鐵長度相同，純鐵吸力板的長 度大于直線電機的行程。 下面結合附圖以本發(fā)明的一個工作周期為例作詳細說明。 工作之前，工作臺14處于支承導軌9右端，電磁鐵7、15、21、26、10、24中線圈不通電，電磁鐵不產生電磁吸力，直線電機動子18也不運動。此時，工作臺14依靠輔助支承導 軌4、5、28、29支承，直線電機定子20依靠限位擋塊32、34固定于支承導軌9上。
工作時，各電磁鐵線圈通電，工作臺14離開輔助支承靜導軌4、29，當位移傳感器 11、 13檢測到工作臺14處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)后，直線電機通電，其動子18帶動連接塊33、第 一防護板a以及工作臺向左運動，當?shù)谝环雷o板a的擋板與防護板c的擋板相遇時，第一防 護板a帶動防護板c向左運動，當防護板c的擋板與防護板e的擋板相遇時，防護板c帶動 防護板e向左運動。當連接塊33與防護板b相遇時，推動防護板b向左運動，連接塊33與 防護板d相遇時，推動防護板d向左運動；各個電磁鐵沿著各自對應的吸力板向左運動。
工作結束后，直線電機先斷電，動子停止運動，工作臺也不再運動，但仍處于懸浮 狀態(tài)；隨后，逐漸減小各電磁鐵線圈電流，使工作臺緩慢落到輔助支承靜導軌上。
權利要求
一種直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特征是包括底座，底座上設置支承塊，支承塊上裝支承導軌，支承導軌外套裝工作臺，工作臺底部與底座之間設置輔助支撐，支承導軌的中央位置裝直線電子的定子，直線電機的動子安裝在與定子對應部位的工作臺內側，在工作臺上下兩邊的內側，裝有上下相對設置的二對承載電磁鐵組，在工作臺左右兩邊內側，裝有相對設置的導向電磁鐵組，支承導軌包括由隔磁材料制成的主體部分，主體部分的與承載電磁鐵及導向電磁鐵相對位置設有磁性吸力板，在直線電機定子及動子的外圍套裝隔磁罩。
2. 根據(jù)權利要求1所述的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特征 是純鐵吸力板與支承導軌主體部分鑲嵌式連接，純鐵吸力板的寬度與對應的承載電磁鐵 或導向電磁鐵長度相同，純鐵吸力板的長度大于直線電機的行程。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特 征是直線電機定子兩端裝有限位擋塊，工作臺兩端分裝有安全擋塊。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特 征是底座上對稱安裝將線圈及傳感器電線連接至電源及控制器的兩條拖鏈，拖鏈的一端 與底座固定，另一端與工作臺固定。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特 征是所述隔磁罩為伸縮式隔磁罩。
6. 根據(jù)權利要求5所述的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特征是伸縮式隔磁罩包括套裝在直線電機定子及動子的外圍外固定罩，外固定罩與一個伸入 外固定罩中的內固定罩連接，內固定罩上設置安裝滑動式防護板裝置的槽。
7. 根據(jù)權利要求6所述的直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，其特征是滑動式防護板裝置包括與和動子連接的連接塊固連的第一防護板，第一防護板的兩端 分別位于連接塊的兩側，連接塊兩側分別設置位于第一防護板下方的多層防護板，相鄰防 護板之間設置相互結合推動的擋板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接驅動型磁懸浮直線進給單元的磁場解耦結構，底座上設置支承塊，支承塊上裝支承導軌，支承導軌外套裝工作臺，工作臺底部與底座之間設置輔助支撐，支承導軌的中央位置裝直線電子的定子，直線電機的動子安裝在與定子對應部位的工作臺內側，在工作臺上下兩邊的內側，裝有上下相對設置的二對承載電磁鐵組，在工作臺左右兩邊內側，裝有相對設置的導向電磁鐵組，支承導軌包括純鋁材的主體部分，主體部分的與承載電磁鐵及導向電磁鐵相對位置設有純鐵吸力板，在直線電機定子及動子的外圍套裝隔磁罩。本發(fā)明結構合理，能有效的從結構上實現(xiàn)磁懸浮直線進給單元的磁場解耦。
文檔編號H02N15/00GK101753067SQ20101001765
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月11日 優(yōu)先權日2010年1月11日
發(fā)明者倪紅軍, 吳國慶, 姜安棟, 廖萍, 朱昱, 茅靖峰, 馬蘇揚 申請人:南通大學