[发明专利]一种直线进给单元的磁悬浮支承结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线进给单元，特别涉及直线进给单元的磁悬浮支承结构。

背景技术

工业日新月异，现代制造业对加工设备的加工精度、效率等性能要求越来越高，促进了机床工业尤其是数控机床的发展。但与数控机床配套的功能部件的产业化规模化和产品水平，远远满足不了数控机床的发展要求。进给单元是数控机床的重要功能性部件，被加工工件的最后坐标和轮廓精度都受到进给单元运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响，因此其必须具备摩擦阻力小、传动精度高、响应速度快、刚度大等特点。

传统的进给系统主要是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动方式，在人类社会的发展中发挥了重要作用，但从动力源到进给平台之间存在着丝杠、螺母等诸多中间环节，有弹性变形大、响应速度慢、有反向间隙、易磨损等先天性的缺点，限制了机床加工精度和效率的提高。直线电机驱动进给伺服系统克服了传统驱动方式的许多缺陷，获得了极高的性能指标和优点。它不仅彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式的若干缺点，并具有高速度、大加速度、高定位精度、行程长度不受限制等优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。

机床导轨是机床的基本结构要素，机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。国内外已有应用于直线电机驱动的进给平台的支承设计，均采用传统的机械支承方式。如典型的滚动导轨和V-V型滑动导轨在高速度和高加速度的运动过程中，由于冲击和高速，易产生爬行和磨损。液体静压导轨的液压装置大，辅助设备多、油路维修和保养烦，油污染严重。气体液压导轨要求超洁净的使用防尘条件，加工困难。而磁悬浮工作台机床以电磁力为机床工作台的支承, 同时辅以电磁导向机构筑成机床导轨系统,无机械接触、不磨损、不需要润滑和密封，且以直线电机为驱动系统，反应快速、运动平稳、速度高、精度好、使用寿命长。

磁悬浮直线进给单元设计的一个关键问题在于实现结构与刚度的最佳优化。悬浮体采用铁等刚度较大材料制作，但悬浮体质量较大，结构刚度较大，但电磁铁需要实现较大的悬浮支承力，便需要大电磁铁的尺寸和重量，也加大了控制上的难度，更加大了对直线电机的更高要求等。在一定大小的悬浮支承力下，采用铝材制作悬浮体，可以减轻悬浮体自重，为负载能力创造空间，更降低了对直线电机的要求，可以更容易实现大速度、大加速度的直线进给，但刚度难以保证。因此，实现结构与刚度的优化是设计的关键问题。研究发现，导向力的大小对结构刚度的影响较大，从而对直线进给单元的加工和控制精度造成不利影响。特别是在大导向力的情况下，其不利影响更加明显。但在目前的磁悬浮直线进给单元结构设计中，大多对此没有足够重视，例如南通大学在专利文献CN100589317C中提出的智能型磁悬浮直线进给单元，能实现机床进给系统的高速高效高精度化，但其起导向作用的电磁铁安装在动导轨左右两边内侧，在工作过程中导向方向出现外力的时候，两侧导向电磁铁便产生使工作台重新回到平衡位置的电磁作用力，而且两侧电磁作用力大小不等方向相反，从而加大了工作台的形变，这样就不能有效地抵制导向方向的外力对工作台刚度产生的干扰。如果工作台一体制造，可以增加刚度但同时增大了制造难度和加工成本；如果工作台组合制造则需要采用螺纹连接等方式，便会降低自身刚度，增大控制难度。

南通大学在专利文献CN101753067A中提出直接驱动型磁悬浮直线进给单元的磁场结构，其工作台套装在支承导轨上，其导向电磁铁组装在工作台左右两边内侧，并没有就导向力对工作台刚度的不利影响采取有效的设计。其支承导轨采用铝材料，刚性较差，抗振性能不佳，不利于生产应用。

上海大学在专利文献CN1244432C中提出工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，其移动平台套装在固定于机座的导轨上，导向电磁铁安装在移动平台内侧的左右两边。移动平台采用矩形框式结构，能在一定程度上抵抗导向力对工作台刚度的不利影响，但导轨长度受到限制从而限制了直线运动的行程，否则将大大减少机座对导轨的有效支承，降低导轨自身的结构刚度，影响进给单元的加工和控制精度。

景敏卿等人在《西安交通大学学报》上发表的《二维高精度磁悬浮定位平台的研究》、段吉安等人在《中国电机工程学报》上发表的《一种新型磁悬浮直线运动平台的热分析》和郭宁平等人在《工程设计学报》上发表的《磁悬浮直线运动平台的模态分析》等文章提出来的磁悬浮直线进给单元都没有对导向力对工作台刚度的不利影响采取有效设计。

发明内容