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用于数控机床的磁悬浮支承系统及其控制技术

吴国庆  
【摘要】: 磁悬浮技术是利用磁场力将物体悬浮于空间,使其与其它物体没有直接机械接触的一种新型支承技术。由于它具有无摩擦、无磨损、无污染、低噪声以及寿命长等优点,因此在交通、航空航天、机械加工、能源、化工等工业及高科技领域有着广泛的应用前景。尤其是在高档数控机床中要实现高精度、高速度的旋转和直线运动,磁悬浮支承应当是理想的选择之一。本文的主要工作和目标是研究可用于高档数控机床的高速、高精度运动机构中的磁悬浮支承技术,其中包括磁悬浮轴承支承的高速高精度机床电主轴系统(旋转支承)和磁悬浮导轨支承的高速高精度机床平台系统(平动支承)。 本文系统地综述了国内外磁悬浮支承技术的发展概况、发展趋势,以及本课题研究的现实意义、重要性和可行性;建立了磁悬浮轴承(简称磁轴承)与磁悬浮平台的数学模型),并考虑了多自由度系统陀螺力矩耦合问题,以863项目完成的磁悬浮支承电主轴和磁悬浮支承平台为研究对象,计算分析了陀螺效应系数:利用ANSYS软件对上述磁悬浮支承电主轴的磁场分布情况进行模拟分析,研究电磁径向轴承和推力轴承磁场形成规律和漏磁现象,并找出系统磁场分布的变化规律和影响因素,为电磁轴承结构优化设计和控制电流方向的选择提供理论参考:分析研究了电磁推力轴承和径向轴承的位置刚度系数、电流刚度系数随悬浮体(推力盘和转子)的偏移量和控制电流变化而变化的规律,为电磁轴承控制系统的设计和智能磁力轴承的实现提供依据;按控制系统的硬件要求及时序配合要求,构造以数字信号处理器为核心的数据采集、控制及功率输出的硬件系统;为降低成本和提高可靠性以及实现智能控制,研制磁悬浮支承系统的专用控制芯片;探索磁悬浮支承系统实现智能化的途径,研究其设计过程和应用过程的关键技术。 在实验方面,在上述研究结果的基础上,研制完成了相应的传感器变换电路、数字控制调节器、开关功率放大器及必要的机械装置,构建一个5自由度磁悬浮支承电主轴和一个6自由度磁悬浮支承平台(模拟机床进给导轨)。在不同的状态(如不同转速)下分别对转子和平台的振动状况、精度和刚度等进行全面的测量和分析,探索磁悬浮支承系统在高速高精度机床应用中存在的各种问题,并力求提出解决的可行性方案。 通过以上研究,完成的5自由度磁悬浮铣床电主轴和6自由度磁悬浮平台样机的相关技术指标在国内同类研究中居于前列。本文的理论分析结果也经过相应的实验得到了验证。特别值得一提的是,本文中涉及的磁悬浮平台系统在国内可谓首屈一指,是国内第一台6自由度磁悬浮支承的平台样机,其技术指标在国内可居领先水平;而22kW的5自由度磁悬浮铣床电主轴转速已达到27kr/min,如此大功率的电主轴在国内还未见报道。两台样机于2004年11月4日至9日举行的上海第六届国际工业博览会上成功展览,得到参观者的关注和好评。并以平台静态悬浮精度(振动幅度)≤1μm,动态精度(振动幅度)≤10μm。总承载力105.5kg,单位面积承载力≥0.3N/mm~2等技术指标于2006年8月9日在北京通过863专家组验收。同时,本文介绍的磁悬浮支承系统专用IC芯片的研制也为该领域的研究和发展揭开了新的一页,它将对磁悬浮技术的研究和应用、为磁悬浮支承系统的智能化和系列化提供积极的手段。


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