高頻響、高精度直線電機運動平臺的研究與設(shè)計

王飛

摘 要：機械設(shè)備中完成直線進給傳動功能的非常廣泛，隨著高速、高精密設(shè)備的發(fā)展高頻響、高精度直線電機運動平臺直接驅(qū)動精密運動系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種新型進給傳動方式，它消除了機械傳動所帶來的不良影響，極大地提高了進給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度，推動了高速、精密加工設(shè)備的發(fā)展。該文介紹了直線運動平臺的組成，從直線電機、光柵傳感器、機械結(jié)構(gòu)幾個部分闡述了設(shè)計方法和研究過程。經(jīng)調(diào)試實現(xiàn)直線運動平臺的位移控制、速度控制和輸出力的控制。

關(guān)鍵詞：直線運動 設(shè)計 機械結(jié)構(gòu) 光柵傳感器

中圖分類號：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0013-02

Research and Design of High Precision Linear Motor Motion Platform，F(xiàn)requency Response

Wang Fei

（Tianjin University of Science & Technology，tianjin，300222，China）

Abstract：extensive very complete linear feed drive function of mechanical equipment， along with the development of precision motion system of high frequency and high speed， high precision equipment response， high precision linear motor direct drive motion platform is a new type of feed transmission system developed in recent years，it eliminates the adverse effects caused by mechanical transmission， greatly improve the rapid response and control precision of the feed system， promote the development of high-speed， precision machining equipment. This paper introduced the composition of linear motion platform， the design method and process of research is expounded from the linear motor，the grating sensor， the mechanical structure of several parts. The control realization of debugging displacement linear motion platform control，speed control and output force.

Key Words：Linear motion；Design；Mechanical structure；Grating sensor

機械設(shè)備中完成直線進給傳動功能的機構(gòu)應(yīng)用非常廣泛，常見的實現(xiàn)方式有螺旋機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動、采用液壓缸或氣缸實現(xiàn)直線運動，隨著高速、高精密設(shè)備的發(fā)展以上機構(gòu)已不能滿足設(shè)備的運動要求，高頻響、高精度直線電機運動平臺直接驅(qū)動精密運動系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種新型進給傳動方式，它消除了機械傳動所帶來的不良影響，極大地提高了進給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度，推動了高速、精密加工設(shè)備的發(fā)展。我國在直線運動平臺的相關(guān)領(lǐng)域進行研究起步相對較晚，目前國外產(chǎn)品占較大市場，我國在產(chǎn)品的性能、制作工藝等方面還有待提高，我們近年來投入大量的經(jīng)歷開展直線電機運動平臺的研究，積累了大量的經(jīng)驗。

1 研究的內(nèi)容、過程和方法

高頻響、高精度直線電機運動平臺由直線電機、光柵傳感器、機械結(jié)構(gòu)部分組成，直線電機是運動平臺的動力源，光柵傳感器使得運動平臺實現(xiàn)閉環(huán)控制，機械結(jié)構(gòu)是用來固定和安裝其它部件，以下從三個部分介紹研究的過程和方法。

1.1 直線電機的研究

直線電機是運動平臺的主要原件，為運動平臺提供動力，直線電機主要由永久磁鐵、管狀線圈繞組和磁鐵安裝套組成。

1.1.1 直線電機的工作原理

直線電機也叫音圈電機，它的工作原理是依據(jù)安培力原理，即通電導(dǎo)體放在磁場中，就會產(chǎn)生力F，力的大小取決于磁場強弱、電流以及磁場和電流的方向。在典型的音圈電機結(jié)構(gòu)形式中，位于中心的永久磁鐵產(chǎn)生磁場，管狀線圈繞組就是位于徑向電磁場內(nèi)，如圖1所示，當(dāng)給線圈通電時，它受到磁場作用，在線圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線方向的力，通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向。

1.1.2 線圈架的設(shè)計

線圈架是用來纏繞線圈，在磁場作用下沿軸線方向運動，結(jié)構(gòu)如圖2所示。線圈用漆包線纏繞在圓柱槽內(nèi)，通過接線槽用軟線和漆包線連接，軟線從出線孔伸出和電源相連。為保證線圈架安裝后運動水平方向的平行度，線圈架設(shè)計了定位臺，由聯(lián)接螺孔和連接板固定。

1.1.3 永久磁鐵安裝套的設(shè)計

磁鐵安裝套的作用是使管狀線圈組能和永久磁鐵保證一定的間隙并能自由軸向運動，安裝套內(nèi)設(shè)計有磁鐵定位槽，如圖3所示，保證磁鐵軸線和安裝套端面的垂直度?？紤]到磁鐵和安裝套在應(yīng)用中方便固定在安裝套的圓周上，設(shè)計有安裝螺孔。

1.2 光柵傳感器的研究

在直線電機的控制過程中，非常重要的一個環(huán)節(jié)是實現(xiàn)閉環(huán)控制。直線電機對精度要求非常高，普通的測位移傳感器不能滿足高精度測量的要求。光柵尺和磁柵尺是常用的高精度位移測量傳感器，能夠滿足直線電機對位移測量的精度要求。

1.2.1 光柵傳感器

光柵傳感器是利用光的干涉和衍射作用來工作的，由于光的干涉和衍射作用可以形成莫爾條紋。光柵傳感器主要由主光柵和讀數(shù)頭組成，讀數(shù)頭上面有5對紅外對管和一個副光柵。當(dāng)讀數(shù)頭相對于主光柵移動一定位移時，形成的條紋也隨之移動相應(yīng)的位移。

1.2.2 磁柵傳感器

還有一種常被用作位移傳感器的是磁柵尺，磁柵尺是利用磁極的極性不同來工作的。磁柵主要由兩部分組成，讀數(shù)頭和基尺?；呱厦嬗芯鶆蚍植嫉拇艠O的極性，這是由磁化處理過的。當(dāng)讀數(shù)頭在基尺上發(fā)生位移運動時，由于分布在基尺上極性的變化，讀數(shù)頭會得到不同的信號。

由于直線電機內(nèi)部有磁鐵，如果選擇磁柵尺信號，信號會被電機磁場干擾，造成位移測量誤差甚至導(dǎo)致測量功能失效。光柵尺根據(jù)兩片刻劃光柵片組合產(chǎn)生的莫爾條紋測量位移的變化，整個測量過程僅依靠光學(xué)轉(zhuǎn)換，不受電機結(jié)構(gòu)中的磁場、電場的影響。據(jù)實際調(diào)查，國內(nèi)民用光柵的刻線精度最小為20μm，經(jīng)過電子細(xì)分，最大可以將精度提高一百倍。綜合比較磁柵尺和光柵尺，位移測量模塊選擇光柵尺作為位移測量傳感器。

1.3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

直線運動平臺的結(jié)構(gòu)采用分體式結(jié)構(gòu)，主要由底板、立板、執(zhí)行桿、直線導(dǎo)軌、直線軸承、連接板等組成，如圖4所示。底板起支承和安裝附件的作用，底板上安裝有直線導(dǎo)軌和光柵傳感器尺身組件，為保證直線導(dǎo)軌和光柵傳感器組件在運動方向上平行底板上設(shè)計有定位槽；為保證立板和底板的垂直度，底板設(shè)計有限位臺階。為保證執(zhí)行桿移動的直線度，直線軸承立板安裝有直線軸承，使得執(zhí)行桿沿直線軸承運動。線圈架沿著直線導(dǎo)軌直線運動，直線導(dǎo)軌與線圈架由連接板連接，同時連接板也連接執(zhí)行桿，為消除直線導(dǎo)軌和直線軸承移動軌跡不能完全一致，執(zhí)行桿與連接板連接采用可調(diào)整連接。該結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了各運動部件靈活可靠、空間布局合理、拆裝方便、重復(fù)定位精度高。

2 結(jié)論

通過對高頻響、高精度直線電機運動平臺的研究與開發(fā)，進行了大量的實驗和技術(shù)改進，掌握了直線運動平臺的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了直線運動平臺的位移控制、速度控制和輸出力的控制。

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