[发明专利]一种气体磁轴承电主轴及其控制系统

说明书

技术领域

本发明属于机械制造领域与控制技术领域，具体涉及一种气体磁轴承电主轴及针对该主轴的基于粗集理论方法的模糊控制系统设计。

背景技术

随着科学技术的发展，超精密加工已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术之一，实现超精密加工的首要条件是超精密数控机床。影响超精密机床精度的核心因素是主轴的回转精度，而主轴要达到极高的回转精度，转动平稳、无振动，关键在于所用的精密主轴的结构与主轴的控制系统设计。

现有的气体磁轴承主轴的磁轴承均采用主动磁轴承（例如公开号CN 101217243；公开号 CN 10127240的中国专利），相比于主动磁轴承，混合磁悬浮轴承利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁轴承体积，并且提高了磁轴承的效能。

控制系统中的控制器设计方面，工程上多采用PID控制器对主轴进行控制。但该方法过分依赖控制对象的模型参数，鲁棒性较差，对于气体磁轴承电主轴这类复杂且极其精密的控制，单纯采用PID控制器，很难满足系统精密控制的要求。而模糊控制利用人类专家经验，对于非线性、复杂对象的控制显示了鲁棒性好、控制性能高的优点。但是模糊控制规则是根据人的经验总结得到，通常不够完整且主观性强，且当输入、输出数目和语言变量划分等级增大时，模糊控制规则数目迅速增加，给模糊控制器的设计带来困难，还会影响模糊控制的性能。粗集理论能有效分析和处理大量经验数据，并从中发现隐含知识，揭示潜在的规律，特别适用于智能控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种设计合理，功耗低、体积小、重量轻、加工制造方便并能提高超精密主轴回转精度、保证刚度的一种的新型气体磁轴承电主轴。并针对这种新型结构的主轴，设计一种具有基于粗集理论方法的气体磁轴承电主轴模糊控制器的控制系统，使控制系统更简单，更易于控制，主轴系统的动态性能得到改善，能有效提高控制系统的性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种气体磁轴承电主轴，包括径向-轴向辅助轴承、径向位移传感器、径向位移传感器支架、径向混合磁轴承、限位套筒、高速电机、钢筒、径向气体轴承、轴向止推气体轴承、径向辅助轴承、转轴、前端盖和后端盖，其中，径向-轴向辅助轴承采用角接触球轴承；径向辅助轴承采用圆柱滚子轴承；径向位移传感器采用电涡流传感器，安装在径向位移传感器支架上；径向混合磁轴承为四磁极结构磁轴承，其偏置磁通由轴向充磁的永磁体产生，控制磁通由通有直流电流的控制线圈产生；高速电机为内置变频电机；限位套筒用来固定主轴中各个零件在轴向的安装位置。

针对上述气体磁轴承电主轴，本发明的控制系统采用的技术方案为：