用于數(shù)控機(jī)床的磁懸浮支承系統(tǒng)及其控制技術(shù).pdf

1、磁懸浮技術(shù)是利用磁場(chǎng)力將物體懸浮于空間，使其與其它物體沒(méi)有直接機(jī)械接觸的一種新型支承技術(shù)。由于它具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)污染、低噪聲以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在交通、航空航天、機(jī)械加工、能源、化工等工業(yè)及高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。尤其是在高檔數(shù)控機(jī)床中要實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，磁懸浮支承應(yīng)當(dāng)是理想的選擇之一。本文的主要工作和目標(biāo)是研究可用于高檔數(shù)控機(jī)床的高速、高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的磁懸浮支承技術(shù)，其中包括磁懸浮軸承支承的高速高精度

2、機(jī)床電主軸系統(tǒng)(旋轉(zhuǎn)支承)和磁懸浮導(dǎo)軌支承的高速高精度機(jī)床平臺(tái)系統(tǒng)(平動(dòng)支承)。 本文系統(tǒng)地綜述了國(guó)內(nèi)外磁懸浮支承技術(shù)的發(fā)展概況、發(fā)展趨勢(shì)，以及本課題研究的現(xiàn)實(shí)意義、重要性和可行性；建立了磁懸浮軸承(簡(jiǎn)稱磁軸承)與磁懸浮平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型)，并考慮了多自由度系統(tǒng)陀螺力矩耦合問(wèn)題，以863項(xiàng)目完成的磁懸浮支承電主軸和磁懸浮支承平臺(tái)為研究對(duì)象，計(jì)算分析了陀螺效應(yīng)系數(shù)；利用ANSYS軟件對(duì)上述磁懸浮支承電主軸的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行模擬分析，研

3、究電磁徑向軸承和推力軸承磁場(chǎng)形成規(guī)律和漏磁現(xiàn)象，并找出系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的變化規(guī)律和影響因素，為電磁軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制電流方向的選擇提供理論參考；分析研究了電磁推力軸承和徑向軸承的位置剛度系數(shù)、電流剛度系數(shù)隨懸浮體(推力盤和轉(zhuǎn)子)的偏移量和控制電流變化而變化的規(guī)律，為電磁軸承控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和智能磁力軸承的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；按控制系統(tǒng)的硬件要求及時(shí)序配合要求，構(gòu)造以數(shù)字信號(hào)處理器為核心的數(shù)據(jù)采集、控制及功率輸出的硬件系統(tǒng)；為降低成本和提高可靠性

4、以及實(shí)現(xiàn)智能控制，研制磁懸浮支承系統(tǒng)的專用控制芯片；探索磁懸浮支承系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的途徑，研究其設(shè)計(jì)過(guò)程和應(yīng)用過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)。 在實(shí)驗(yàn)方面，在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，研制完成了相應(yīng)的傳感器變換電路、數(shù)字控制調(diào)節(jié)器、開關(guān)功率放大器及必要的機(jī)械裝置，構(gòu)建一個(gè)5自由度磁懸浮支承電主軸和一個(gè)6自由度磁懸浮支承平臺(tái)(模擬機(jī)床進(jìn)給導(dǎo)軌)。在不同的狀態(tài)(如不同轉(zhuǎn)速)下分別對(duì)轉(zhuǎn)子和平臺(tái)的振動(dòng)狀況、精度和剛度等進(jìn)行全面的測(cè)量和分析，探索磁懸浮支承系統(tǒng)

5、在高速高精度機(jī)床應(yīng)用中存在的各種問(wèn)題，并力求提出解決的可行性方案。通過(guò)以上研究，完成的5自由度磁懸浮銑床電主軸和6自由度磁懸浮平臺(tái)樣機(jī)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)同類研究中居于前列。本文的理論分析結(jié)果也經(jīng)過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。特別值得一提的是，本文中涉及的磁懸浮平臺(tái)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)可謂首屈一指，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)6自由度磁懸浮支承的平臺(tái)樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)可居領(lǐng)先水平；而22 kW的5自由度磁懸浮銑床電主軸轉(zhuǎn)速己達(dá)到27kr/min，如此大功率的電主軸

6、在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。兩臺(tái)樣機(jī)于2004年11月4日至9日舉行的上海第六屆國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上成功展覽，得到參觀者的關(guān)注和好評(píng)。并以平臺(tái)靜態(tài)懸浮精度(振動(dòng)幅度)≤1μm，動(dòng)態(tài)精度(振動(dòng)幅度)≤10μm?？偝休d力105.5kg，單位面積承載力>0.3N/mm<'2>等技術(shù)指標(biāo)于2006年8月9日在北京通過(guò)863專家組驗(yàn)收。同時(shí)，本文介紹的磁懸浮支承系統(tǒng)專用IC芯片的研制也為該領(lǐng)域的研究和發(fā)展揭開了新的一頁(yè)，它將對(duì)磁懸浮技術(shù)的研究和應(yīng)用、為磁懸浮支