磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副

俞冀，吳強，馬蘇揚，沈聃，夏正鵬，周陳全，廖萍

(南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南通226019)

現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向為高速化、自動化、精密化和模塊化，對加工設(shè)備的性能要求越來越高，從而促進(jìn)了機床行業(yè)，特別是數(shù)控機床的發(fā)展。但數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件的產(chǎn)品質(zhì)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)控機床的發(fā)展要求。直線運動導(dǎo)軌副是數(shù)控機床的重要功能部件，它在機床中起著導(dǎo)向和承載的作用，是決定機床加工精度、工作效率和使用壽命的重要因素。傳統(tǒng)的機床導(dǎo)軌副其動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌間大多為滑動摩擦或滾動摩擦?；瑒幽Σ翆?dǎo)軌摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而滾動導(dǎo)軌雖然相比較滑動導(dǎo)軌摩擦因數(shù)小，并且靜、動摩擦因數(shù)之差很小，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，但滾動導(dǎo)軌因其滾動接觸面是點或線，抗振性能相對較差，難以適用于高速機床，且其對污染敏感，必須有防護。

直線運動導(dǎo)軌的基本截面形狀有矩形、三角形、燕尾形和圓柱形，每一種截面都有其優(yōu)缺點，其中圓柱形導(dǎo)軌副具有制造方便、不易積存較大鐵屑的優(yōu)點，但由于磨損后很難調(diào)整和補償間隙的問題，使得它在眾多導(dǎo)軌中應(yīng)用最少。磁懸浮支承是利用電磁力將動子穩(wěn)定懸浮在空間的一種非接觸支承方式，它克服了機械接觸所帶來的不利影響。將磁懸浮支承技術(shù)與圓柱形導(dǎo)軌結(jié)合起來，就能夠解決圓柱形導(dǎo)軌磨損后難以調(diào)整和補償間隙這一缺點，據(jù)此研發(fā)一種機床功能部件——磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副。

磁懸浮導(dǎo)軌副通過電磁力將動導(dǎo)軌穩(wěn)定懸浮，可實現(xiàn)其與支承導(dǎo)軌的非接觸式支承，消除兩者之間的機械摩擦，導(dǎo)軌不會磨損，精度保持性好，壽命長，因此已成為現(xiàn)代數(shù)控機床的重要研究領(lǐng)域之一。

1 磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的原理與特點

磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［1］。該導(dǎo)軌副包括基座7，支承架1，圓柱形支承導(dǎo)軌6，磁懸浮動導(dǎo)軌4，隔磁板3、5等部件?；?兩端固定安裝支承架1，圓柱形支承導(dǎo)軌6安裝在支承架1上，磁懸浮動導(dǎo)軌4套裝在圓柱形支承導(dǎo)軌6上，隔磁板3、5固定在磁懸浮動導(dǎo)軌4的兩側(cè)，可以從結(jié)構(gòu)上消除各磁懸浮動導(dǎo)軌之間的磁場耦合。支承導(dǎo)軌6的外圍設(shè)有風(fēng)琴式防護罩2，防護罩與隔磁板3、5，支承架1相連，用于防止加工時導(dǎo)軌副由于殘留磁性而將鐵屑吸附于其上，保證加工過程能夠正常進(jìn)行。在磁懸浮動導(dǎo)軌4的圓周方向設(shè)有水平位移傳感器8和垂直傳感器9，用于工作時的在線監(jiān)測與自動補償。磁懸浮動導(dǎo)軌穩(wěn)定懸浮時，磁懸浮動導(dǎo)軌4磁極內(nèi)圈與圓柱支承導(dǎo)軌6之間氣隙值大于磁懸浮動導(dǎo)軌4下表面與基座上表面之間的間隙值，這樣能保證不工作時，磁懸浮動導(dǎo)軌4落在基座上，由基座支承?；祥_有沉孔，用于將該導(dǎo)軌安裝在機床床身上，每個靜導(dǎo)軌上安裝兩個動導(dǎo)軌，兩者之間以及導(dǎo)軌副之間的距離可隨工作臺尺寸變化進(jìn)行調(diào)整。該導(dǎo)軌可成對使用，也可與其他形式導(dǎo)軌混合使用，工作臺安裝在動導(dǎo)軌之上，可由直線電機或“旋轉(zhuǎn)電機與絲杠”機構(gòu)驅(qū)動其實現(xiàn)直線進(jìn)給運動。

圖1 磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副剖面結(jié)構(gòu)示意圖

下面以一個工作周期為例介紹磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的工作過程。

工作前，磁懸浮動導(dǎo)軌4中的線圈不通電，無電磁力產(chǎn)生，由基座7對其進(jìn)行支承。工作時，磁懸浮動導(dǎo)軌4中線圈通電，磁懸浮動導(dǎo)軌4開始懸浮，當(dāng)水平位移傳感器8和垂直傳感器9檢測到磁懸浮動導(dǎo)軌4處于穩(wěn)定狀態(tài)后，由電動機帶動安裝在磁懸浮動導(dǎo)軌4上的工作臺實現(xiàn)直線進(jìn)給運動，安裝在磁懸浮動導(dǎo)軌4兩端的隔磁板3、5使得各動導(dǎo)軌之間磁場不發(fā)生耦合。工作結(jié)束后，電動機先斷電，磁懸浮動導(dǎo)軌4停止進(jìn)給，待其靜止后，逐漸減小各動導(dǎo)軌中線圈電流大小，直至磁懸浮動導(dǎo)軌4與基座7相接觸。當(dāng)動導(dǎo)軌在水平方向或豎直方向上受到外界擾動時，水平位移傳感器或垂直傳感器會檢測出動導(dǎo)軌的偏移方向和偏移量，并將檢測信號反饋到控制器，控制器根據(jù)反饋的信號調(diào)整線圈中電流大小，使動導(dǎo)軌回到平衡位置。

2 研究概況

國外對磁懸浮導(dǎo)軌的研究較早，德國的Karl-Dieter TIESTE在1994年建立了一個磁懸浮直線導(dǎo)軌實驗臺［2］;日本的Takeshi MIZUNO等在1998年提出了一種具有磁懸浮導(dǎo)軌的直線運載裝置模型［3］;2000年，Martin RUSKOWSKI等針對德國的 Karl-Dieter TIESTE建立的磁懸浮導(dǎo)軌實驗臺建立了非線性數(shù)學(xué)模型［4］，在2002年采用加速度測量和激光定位，提高了該主動磁懸浮支承導(dǎo)軌實驗臺的定位精度［5］。

但受傳統(tǒng)機床直線運動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的影響，上述研究所采用的導(dǎo)軌形狀多為矩形或三角形，并主要采用抗干擾能力強、響應(yīng)速度快的差動式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將工作臺套裝在支承導(dǎo)軌外周，工作臺與動導(dǎo)軌制成一體，導(dǎo)致各動導(dǎo)軌磁場、溫度場之間產(chǎn)生耦合，工作臺定位精度難以提高。因此國內(nèi)外學(xué)者針對該問題做了大量研究，并主要集中在控制策略研究上，如Marjan GOLOB采用分解模糊PID控制策略對磁懸浮工作臺進(jìn)行了研究［6］，通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，該控制策略比傳統(tǒng)的線性PID控制性能更穩(wěn)定、響應(yīng)速度更快;Zdzislaw GOSIEWSKI等對磁懸浮工作臺的魯棒控制進(jìn)行了研究［7］，通過仿真與實驗驗證相結(jié)合的方法，證明了所研究的魯棒控制策略具有較強的抗干擾能力;Jun YANGA采用改進(jìn)過的魯棒控制策略對磁懸浮工作臺進(jìn)行了研究［8］，仿真結(jié)果表明:該控制策略使得工作臺獲得了更強外界抗干擾能力;此外，還包括對H∞控制策略的研究等［9］。在國內(nèi)，磁懸浮導(dǎo)軌副的研究起步較晚但也取得了相關(guān)成果，如上海大學(xué)研制的磁懸浮導(dǎo)軌支承的機床工作平臺實驗臺［10］，其主要技術(shù)性能設(shè)計指標(biāo)為:(1)承載能力:500～1 000 N;(2)靜態(tài)平衡精度 (傳感器處跳動):≤2 μm;(3)動態(tài)平衡精度 (傳感器處跳動):≤10 μm;楊霞等人采用Fuzzy控制和PID控制相結(jié)合的方法 (P-Fuzzy-PI)［11］，使得磁懸浮系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，在平衡點附近無震蕩，受干擾時變化不明顯，魯棒性好;魏莉等人采用智能PID控制算法［12］，實現(xiàn)了磁懸浮工作臺樣機的穩(wěn)定懸浮，證明了所設(shè)計的PID控制器具有良好的動、靜態(tài)性能;胡漢輝等對磁懸浮工作臺的模糊PID控制策略進(jìn)行了研究［13］，通過實驗證明:當(dāng)工作臺被迫向下偏移0.2 mm時，系統(tǒng)仍能快速回到平衡位置且穩(wěn)定懸浮，系統(tǒng)具有很好的剛度阻尼特性和魯棒性;黃毅等人對五自由度磁懸浮運動平臺進(jìn)行研究［14］，在分析其結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，利用Lagrange方程，結(jié)合動力學(xué)和電磁學(xué)基本理論，建立了磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用最優(yōu)控制理論中線性二次型方法對系統(tǒng)控制器進(jìn)行設(shè)計，分析影響系統(tǒng)動態(tài)性能的主要因素，并用MATLAB進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明:在選擇合適的性能指標(biāo)加權(quán)陣的情況下，系統(tǒng)具有良好的動靜特性，滿足磁懸浮平臺對性能的要求;周海波等提出了一種新型有效的冗余驅(qū)動磁懸浮控制策略來消除冗余電磁驅(qū)動裝置和通用電磁驅(qū)動裝置的相互作用［15］，并為了進(jìn)一步闡述演示了新型冗余驅(qū)動磁懸浮系統(tǒng)，結(jié)果顯示:冗余懸浮控制器成功消除了冗余驅(qū)動器和通用驅(qū)動器之間的相互作用，并且在干擾下冗余懸浮控制器仍保持著良好的魯棒性。在磁懸浮平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，張文躍等針對吸力型磁懸浮平臺尺寸大、剛度低以及承載力小等缺點，提出了一種斥力型磁懸浮平臺［16］，采用等效方法推導(dǎo)出永磁導(dǎo)軌對磁懸浮磁體和懸浮電磁鐵的磁斥力數(shù)學(xué)模型，并通過試驗驗證了該模型的準(zhǔn)確性;段吉安等建立了一種由磁懸浮運動裝置和電磁直線驅(qū)動裝置組成的新型磁懸浮直線運動平臺［17］，針對磁懸浮直線運動平臺長時間運行過程中電磁鐵的發(fā)熱問題，運用有限元軟件對電磁鐵的發(fā)熱機制、發(fā)熱量以及熱量的時空分布進(jìn)行了分析，并與實驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明:在常溫常壓下，電磁鐵溫度上升到一定程度后即達(dá)到平衡，而在真空環(huán)境下，電磁鐵溫度會不斷增加，必須加冷卻裝置來降低溫度。在模態(tài)分析和剛度分析上，郭寧平等提出一種新型大行程磁懸浮直線精密運動平臺［18］，運用有限元軟件建立其三維有限元模型，對磁浮平臺各部件及整個平臺處于不同工況、不同狀態(tài)下的模態(tài)進(jìn)行深入探討，揭示磁懸浮平臺在各種工況下模態(tài)的變化規(guī)律，結(jié)果表明:平臺處于懸浮時剛度最低，懸浮體的運動位置對平臺整體模態(tài)基本無影響。在幾何精度方面，研究的人還不多，廖萍等人以自重為132 N的模擬工作臺樣機為例［19］，利用ANSYS軟件分析空氣隙值和工作臺傾斜角度對磁懸浮機床導(dǎo)軌電磁線的影響，結(jié)果表明:工作臺正常懸浮狀態(tài)下，空氣隙厚度取 (0.3±0.004)mm，工作臺傾斜角度小于0.02°時，磁懸浮機床導(dǎo)軌磁場磁漏小、負(fù)載能力強、外界擾動承載能力大。李群明等則從磁懸浮平臺系統(tǒng)的動力學(xué)性能和穩(wěn)定性角度考慮，建立了五自由度磁懸浮運動平臺系統(tǒng)完整的機電耦合動力學(xué)模型［20］，并對該模型進(jìn)行了運動穩(wěn)定性分析，得到了平臺實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮時控制參數(shù)的選擇范圍，實驗結(jié)果表明:只有選取該范圍內(nèi)的控制參數(shù)，工作臺才能實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，且具有良好的動、靜態(tài)性能。

文中所提出的磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副結(jié)合了圓柱形導(dǎo)軌易于加工以及磁懸浮支承具有的無接觸、無磨損、高速度、高精度和無需潤滑密封的優(yōu)點，便于實現(xiàn)機床功能部件的系列化、模塊化，滿足高速、高精度數(shù)控機床直線進(jìn)給系統(tǒng)的性能要求。且在國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有對磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)

磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副作為一種機床功能部件，其主要應(yīng)用目標(biāo)是各類機床，如數(shù)控機床、加工中心等，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。但磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副還有一些問題沒有得到很好解決，以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題必須得到解決:

(1)氣隙值的確定。電磁鐵與支承導(dǎo)軌之間氣隙值δ的大小對磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的性能有較大影響，一般δ=0.2～0.5 mm，取值較小時會增加裝配難度，取值偏大又會導(dǎo)致磁場磁漏增加，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性不能得到保證，因此必須對氣隙值進(jìn)行優(yōu)化。可以通過有限元分析軟件對二維靜態(tài)磁場進(jìn)行分析，得到最優(yōu)氣隙值。

(2)幾何精度所造成的氣隙不均勻?qū)ぷ髋_性能的影響。磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的直線度、圓柱度、平行度、平面度等幾何精度均會對氣隙值產(chǎn)生影響，造成上下氣隙不均勻，進(jìn)而對工作臺的性能產(chǎn)生影響，影響機床加工精度。因此必須對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，分析各種幾何精度誤差對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，提出誤差范圍，減少磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副由于幾何精度所造成的氣隙不均勻?qū)ぷ髋_性能產(chǎn)生的影響。

(3)熱變形對系統(tǒng)的影響。在平臺長時間的運行過程中，電磁鐵的溫度會升高，電磁鐵產(chǎn)生的熱量會引起機床導(dǎo)軌熱變形，從而影響加工精度。因此，必須考慮如何設(shè)計冷卻裝置，嘗試使用不同冷卻介質(zhì)來降低熱變形;建立有限元模型，進(jìn)行溫度場瞬態(tài)分析，通過不斷仿真找到最佳冷卻效果時的方案，使磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的熱變形降低到允許的誤差范圍內(nèi)。

(4)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和物理模型。溫度場、磁場、切削力及結(jié)構(gòu)模態(tài)等對磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副精度都會產(chǎn)生影響，因此必須建立磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副整體結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的關(guān)系分析模型和控制器設(shè)計的實用數(shù)學(xué)模型，這是對磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和控制器設(shè)計進(jìn)行理論分析和技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。在對上述模型綜合分析的基礎(chǔ)上，還需探索多因素耦合下的導(dǎo)軌副機械性能指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的設(shè)計制造提供理論和技術(shù)方面的依據(jù)。

(5)提高系統(tǒng)剛度和精度。在實際生產(chǎn)中，機床切削將會對導(dǎo)軌副產(chǎn)生強烈的干擾，因此有必要選擇典型工藝進(jìn)行切削實驗，深入研究切削干擾和環(huán)境干擾對導(dǎo)軌副性能的影響，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制策略研究，提高系統(tǒng)的剛度和精度。通過理論分析、應(yīng)用設(shè)計、實驗驗證等步驟與手段，實現(xiàn)在機床上應(yīng)用磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副的目的。

(6)由于磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副目前還沒有先例，所以有必要做好準(zhǔn)備，解決其他在具體研究過程中可能出現(xiàn)的各類關(guān)鍵性科學(xué)與技術(shù)問題。

4 結(jié)束語

(1)磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副結(jié)合了圓柱形導(dǎo)軌易于加工以及磁懸浮支承具有的無接觸、無磨損、高速度、高精度和不需要潤滑密封的優(yōu)點，易于在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)動力源與磁懸浮導(dǎo)軌副以及磁懸浮導(dǎo)軌中各磁支承之間磁場的解耦，便于實現(xiàn)機床功能部件的系列化、模塊化，滿足高速、高精度數(shù)控機床直線進(jìn)給系統(tǒng)的性能要求;

(2)目前，磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副還在研究之中，但在數(shù)控機床、加工中心上有廣闊的應(yīng)用前景;

(3)在充分利用磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副優(yōu)點的同時，也要認(rèn)真思考其關(guān)鍵技術(shù)，并解決問題，為磁懸浮圓柱形直線運動導(dǎo)軌副能夠在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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