[其他]用恒温直线电机驱动的位移控制装置

说明书

本发明属于直线电机拖动自动控制技术。

现有的直线位移控制装置除液压传动外，大部分是利用放置电机驱动丝杆，从而带动机床拖板移动;就近几年新发展的数控机床也是由伺服（旋转）电机驱动滚珠丝杆来控制进给的;这种机构从性能上来分析：一方面由于靠丝杆传动，在提高精度上受到一定的限止;另一方面根据自动控制理论分析，当用直线位置检测元件联成全闭环控制系统时，虽然通过反馈补偿，大大提高了机床的静态定位精度，但由于系统内包括了机床拖板，丝杆等一些动态响应时间常数较大的机械传动件，使动态响应变差，并增加了对系统进行稳定性校正的复杂性。

尤其是对当前国防科学技术，电子仪表工业的发展直接有关的超精密加工技术来讲，上述的机械传动机构，使其发展受到一定的限制。开发超精密机床，其实质是提高机床的运动精度，其中提高直线运动精度是一项重要的技术。

本发明是从机电一体化设计思想出发，综合考虑了与直线运动精度有关的直线进给驱动控制，微量进给，精定位，温度热变形控制，在线检测，误差补偿等各项技术。采用当前国外正在积极开发研制的直线电机作驱动，并在结构上为满足机床导轨驱动要求，作了下述的一些改进。从而省去了传动丝杆等机械元件，不仅使机械结构大大简化，更主要的是有利于进一步提高直线位移精度，改善动态响应特性，为解决超精密加工机床的直线运动机构提供了一方案。

首先考虑到直线电机的初、次级绕组，在进行电磁能量转换过程中必将产生热量，这将直接影响机床导轨的热变形，为此本发明在直线电机内增加了一种恒温控制装置，其中方法之一是在直线电机的定、转子内嵌入氟里昂制冷机的蒸发管，（当然也可以用半导体制冷元件或其它制冷元件）利用蒸发管的热传导进行降温，并在附近安装有温度检测元件通过反馈，以达到一定范围的恒温控制，从根本上消除了机床导轨的热变形。

其次为满足机床对位移速度的要求，以获得较好的调速特性，该装置在所采用的低速特性较好的直流直线电机内再增加一组测速绕组，根据测速绕组的输出电压与位移速度的关系进行测速负反馈控制，以获得较好的调速特性。

再次为精确控制位移量，在机床导轨上平行安装一直线位置检测元件。考虑目前已采用较多的光栅、感应同步器、磁栅这三种直线位置检测元件，由于后两种都是利用电磁感应原理检测的，为防止直线电机上的电磁感应对其的干扰，考虑采用利用光电转换原理的光栅作直线位置检测元件较合适，通过位置检测反馈来控制位移量，到位后切断电枢绕组电流，使所产生的推力为零，并同时利用励磁绕组产生的磁力使转子迅速制动，以达到精确定位。

为了满足机床加工所需要的一定位移量和运行性能，所采用的直流直线电机应该是多极电机，为此本来需要增加电刷来进行换向，但本发明由于已装有位置检测元件，就可以根据电机设计的极距和位移时的检测信号进行比较，来控制改变电枢绕组的电流方向，这样就不再需要电刷换向，即简化了结构又减少了由于电刷换向存在的一些问题。

为了进一步适合于超精密加工机床的要求，本发明实施的又一个方案是其直线电机采用直流加微步进组合式直线电机，即在利用上述多极无电刷直流直线电机驱动的同时，再附加一微进给直线步进电机。该微进给直线步进电机可以利用压电陶瓷的磁致伸缩原理制成，其步距根据要求可设计在5～0.01微米之间，利用直流电机进行快、慢速进给控制，利用微步进电机进行微量进给，以满足超精密加工的要求。为此也必须进一步提高位置检测元件的分辨率和精度，基于现有的光栅检测元件由于制造工艺等原因，在未能提高光栅玻璃直尺的刻线密度的情况下，可以通过电子线路进一步细分来提高分辨率，同时采用软件定点补偿来提高精度，即在整个装置安装完毕后，再通过更高一级的位置测量装置，如激光干涉仪，进行测量比较后，利用微型计算机的软件控制，在EPROM存贮器中设定多点，进行定点补偿来提高检测精度。

另外该发明由于导轨间的位移采用了直线电机驱动，从而就可以实现导轨副之间无机械接触的磁垫导轨，从根本上消除了由于导轨间的不平度等，对传动带来振动等不良现象。附图是其实施方案之一，即利用直线电机的定转子兼作导轨副，为保证磁垫气隙间的平衡，设想在气隙间安装一间隙测量元件，根据检测信号控制两侧励磁绕组电流，以改变两侧定子对转子的吸引力（或推斥力），即磁垫导轨的悬浮力，来调正磁垫气隙间距。当然根据导轨的移动方向，拖板所受重力和加工时所受切削力的方向，其导轨副的形状也应该是不同的，并且兼作产生磁垫浮力的直线电机定子的设计和位置布局等也需综合考虑。

附图说明：

在附图中（1）为温度检测元件，（2）为气隙间隙检测元件，（3）为拖板，（4）为位置检测元件的滑尺，（5）为位置检测元件的定尺，（6）为直线电机转子，（7）为直线电机定子，（8）为制冷机的蒸发管，（9）为气隙，（10）为机床床身。