磁懸浮圓柱形直線運動導軌副

俞冀，吳強，馬蘇揚，沈聃，夏正鵬，周陳全，廖萍

(南通大學機械工程學院，江蘇南通226019)

現代制造技術的發展方向為高速化、自動化、精密化和模塊化，對加工設備的性能要求越來越高，從而促進了機床行業，特別是數控機床的發展。但數控機床的關鍵功能部件的產品質量，遠遠不能滿足數控機床的發展要求。直線運動導軌副是數控機床的重要功能部件，它在機床中起著導向和承載的作用，是決定機床加工精度、工作效率和使用壽命的重要因素。傳統的機床導軌副其動導軌和支承導軌間大多為滑動摩擦或滾動摩擦。滑動摩擦導軌摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產生爬行現象，而滾動導軌雖然相比較滑動導軌摩擦因數小，并且靜、動摩擦因數之差很小，不易產生爬行現象，但滾動導軌因其滾動接觸面是點或線，抗振性能相對較差，難以適用于高速機床，且其對污染敏感，必須有防護。

直線運動導軌的基本截面形狀有矩形、三角形、燕尾形和圓柱形，每一種截面都有其優缺點，其中圓柱形導軌副具有制造方便、不易積存較大鐵屑的優點，但由于磨損后很難調整和補償間隙的問題，使得它在眾多導軌中應用最少。磁懸浮支承是利用電磁力將動子穩定懸浮在空間的一種非接觸支承方式，它克服了機械接觸所帶來的不利影響。將磁懸浮支承技術與圓柱形導軌結合起來，就能夠解決圓柱形導軌磨損后難以調整和補償間隙這一缺點，據此研發一種機床功能部件——磁懸浮圓柱形直線運動導軌副。

磁懸浮導軌副通過電磁力將動導軌穩定懸浮，可實現其與支承導軌的非接觸式支承，消除兩者之間的機械摩擦，導軌不會磨損，精度保持性好，壽命長，因此已成為現代數控機床的重要研究領域之一。

1 磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的原理與特點

磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的結構示意圖如圖1所示［1］。該導軌副包括基座7，支承架1，圓柱形支承導軌6，磁懸浮動導軌4，隔磁板3、5等部件。基座7兩端固定安裝支承架1，圓柱形支承導軌6安裝在支承架1上，磁懸浮動導軌4套裝在圓柱形支承導軌6上，隔磁板3、5固定在磁懸浮動導軌4的兩側，可以從結構上消除各磁懸浮動導軌之間的磁場耦合。支承導軌6的外圍設有風琴式防護罩2，防護罩與隔磁板3、5，支承架1相連，用于防止加工時導軌副由于殘留磁性而將鐵屑吸附于其上，保證加工過程能夠正常進行。在磁懸浮動導軌4的圓周方向設有水平位移傳感器8和垂直傳感器9，用于工作時的在線監測與自動補償。磁懸浮動導軌穩定懸浮時，磁懸浮動導軌4磁極內圈與圓柱支承導軌6之間氣隙值大于磁懸浮動導軌4下表面與基座上表面之間的間隙值，這樣能保證不工作時，磁懸浮動導軌4落在基座上，由基座支承。基座上開有沉孔，用于將該導軌安裝在機床床身上，每個靜導軌上安裝兩個動導軌，兩者之間以及導軌副之間的距離可隨工作臺尺寸變化進行調整。該導軌可成對使用，也可與其他形式導軌混合使用，工作臺安裝在動導軌之上，可由直線電機或“旋轉電機與絲杠”機構驅動其實現直線進給運動。

圖1 磁懸浮圓柱形直線運動導軌副剖面結構示意圖

下面以一個工作周期為例介紹磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的工作過程。

工作前，磁懸浮動導軌4中的線圈不通電，無電磁力產生，由基座7對其進行支承。工作時，磁懸浮動導軌4中線圈通電，磁懸浮動導軌4開始懸浮，當水平位移傳感器8和垂直傳感器9檢測到磁懸浮動導軌4處于穩定狀態后，由電動機帶動安裝在磁懸浮動導軌4上的工作臺實現直線進給運動，安裝在磁懸浮動導軌4兩端的隔磁板3、5使得各動導軌之間磁場不發生耦合。工作結束后，電動機先斷電，磁懸浮動導軌4停止進給，待其靜止后，逐漸減小各動導軌中線圈電流大小，直至磁懸浮動導軌4與基座7相接觸。當動導軌在水平方向或豎直方向上受到外界擾動時，水平位移傳感器或垂直傳感器會檢測出動導軌的偏移方向和偏移量，并將檢測信號反饋到控制器，控制器根據反饋的信號調整線圈中電流大小，使動導軌回到平衡位置。

2 研究概況

國外對磁懸浮導軌的研究較早，德國的Karl-Dieter TIESTE在1994年建立了一個磁懸浮直線導軌實驗臺［2］;日本的Takeshi MIZUNO等在1998年提出了一種具有磁懸浮導軌的直線運載裝置模型［3］;2000年，Martin RUSKOWSKI等針對德國的 Karl-Dieter TIESTE建立的磁懸浮導軌實驗臺建立了非線性數學模型［4］，在2002年采用加速度測量和激光定位，提高了該主動磁懸浮支承導軌實驗臺的定位精度［5］。

但受傳統機床直線運動導軌結構的影響，上述研究所采用的導軌形狀多為矩形或三角形，并主要采用抗干擾能力強、響應速度快的差動式結構，這種結構將工作臺套裝在支承導軌外周，工作臺與動導軌制成一體，導致各動導軌磁場、溫度場之間產生耦合，工作臺定位精度難以提高。因此國內外學者針對該問題做了大量研究，并主要集中在控制策略研究上，如Marjan GOLOB采用分解模糊PID控制策略對磁懸浮工作臺進行了研究［6］，通過實驗驗證發現，該控制策略比傳統的線性PID控制性能更穩定、響應速度更快;Zdzislaw GOSIEWSKI等對磁懸浮工作臺的魯棒控制進行了研究［7］，通過仿真與實驗驗證相結合的方法，證明了所研究的魯棒控制策略具有較強的抗干擾能力;Jun YANGA采用改進過的魯棒控制策略對磁懸浮工作臺進行了研究［8］，仿真結果表明:該控制策略使得工作臺獲得了更強外界抗干擾能力;此外，還包括對H∞控制策略的研究等［9］。在國內，磁懸浮導軌副的研究起步較晚但也取得了相關成果，如上海大學研制的磁懸浮導軌支承的機床工作平臺實驗臺［10］，其主要技術性能設計指標為:(1)承載能力:500～1 000 N;(2)靜態平衡精度 (傳感器處跳動):≤2 μm;(3)動態平衡精度 (傳感器處跳動):≤10 μm;楊霞等人采用Fuzzy控制和PID控制相結合的方法 (P-Fuzzy-PI)［11］，使得磁懸浮系統的調節時間短，穩態誤差小，在平衡點附近無震蕩，受干擾時變化不明顯，魯棒性好;魏莉等人采用智能PID控制算法［12］，實現了磁懸浮工作臺樣機的穩定懸浮，證明了所設計的PID控制器具有良好的動、靜態性能;胡漢輝等對磁懸浮工作臺的模糊PID控制策略進行了研究［13］，通過實驗證明:當工作臺被迫向下偏移0.2 mm時，系統仍能快速回到平衡位置且穩定懸浮，系統具有很好的剛度阻尼特性和魯棒性;黃毅等人對五自由度磁懸浮運動平臺進行研究［14］，在分析其結構特性的基礎上，利用Lagrange方程，結合動力學和電磁學基本理論，建立了磁懸浮系統的數學模型，用最優控制理論中線性二次型方法對系統控制器進行設計，分析影響系統動態性能的主要因素，并用MATLAB進行仿真比較，結果表明:在選擇合適的性能指標加權陣的情況下，系統具有良好的動靜特性，滿足磁懸浮平臺對性能的要求;周海波等提出了一種新型有效的冗余驅動磁懸浮控制策略來消除冗余電磁驅動裝置和通用電磁驅動裝置的相互作用［15］，并為了進一步闡述演示了新型冗余驅動磁懸浮系統，結果顯示:冗余懸浮控制器成功消除了冗余驅動器和通用驅動器之間的相互作用，并且在干擾下冗余懸浮控制器仍保持著良好的魯棒性。在磁懸浮平臺的結構設計方面，張文躍等針對吸力型磁懸浮平臺尺寸大、剛度低以及承載力小等缺點，提出了一種斥力型磁懸浮平臺［16］，采用等效方法推導出永磁導軌對磁懸浮磁體和懸浮電磁鐵的磁斥力數學模型，并通過試驗驗證了該模型的準確性;段吉安等建立了一種由磁懸浮運動裝置和電磁直線驅動裝置組成的新型磁懸浮直線運動平臺［17］，針對磁懸浮直線運動平臺長時間運行過程中電磁鐵的發熱問題，運用有限元軟件對電磁鐵的發熱機制、發熱量以及熱量的時空分布進行了分析，并與實驗數據對比，結果表明:在常溫常壓下，電磁鐵溫度上升到一定程度后即達到平衡，而在真空環境下，電磁鐵溫度會不斷增加，必須加冷卻裝置來降低溫度。在模態分析和剛度分析上，郭寧平等提出一種新型大行程磁懸浮直線精密運動平臺［18］，運用有限元軟件建立其三維有限元模型，對磁浮平臺各部件及整個平臺處于不同工況、不同狀態下的模態進行深入探討，揭示磁懸浮平臺在各種工況下模態的變化規律，結果表明:平臺處于懸浮時剛度最低，懸浮體的運動位置對平臺整體模態基本無影響。在幾何精度方面，研究的人還不多，廖萍等人以自重為132 N的模擬工作臺樣機為例［19］，利用ANSYS軟件分析空氣隙值和工作臺傾斜角度對磁懸浮機床導軌電磁線的影響，結果表明:工作臺正常懸浮狀態下，空氣隙厚度取 (0.3±0.004)mm，工作臺傾斜角度小于0.02°時，磁懸浮機床導軌磁場磁漏小、負載能力強、外界擾動承載能力大。李群明等則從磁懸浮平臺系統的動力學性能和穩定性角度考慮，建立了五自由度磁懸浮運動平臺系統完整的機電耦合動力學模型［20］，并對該模型進行了運動穩定性分析，得到了平臺實現穩定懸浮時控制參數的選擇范圍，實驗結果表明:只有選取該范圍內的控制參數，工作臺才能實現穩定懸浮，且具有良好的動、靜態性能。

文中所提出的磁懸浮圓柱形直線運動導軌副結合了圓柱形導軌易于加工以及磁懸浮支承具有的無接觸、無磨損、高速度、高精度和無需潤滑密封的優點，便于實現機床功能部件的系列化、模塊化，滿足高速、高精度數控機床直線進給系統的性能要求。且在國內尚未發現有對磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的研究。

3 關鍵技術

磁懸浮圓柱形直線運動導軌副作為一種機床功能部件，其主要應用目標是各類機床，如數控機床、加工中心等，因此具有廣闊的應用前景。但磁懸浮圓柱形直線運動導軌副還有一些問題沒有得到很好解決，以下幾個方面的關鍵技術問題必須得到解決:

(1)氣隙值的確定。電磁鐵與支承導軌之間氣隙值δ的大小對磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的性能有較大影響，一般δ=0.2～0.5 mm，取值較小時會增加裝配難度，取值偏大又會導致磁場磁漏增加，控制系統的穩定性不能得到保證，因此必須對氣隙值進行優化。可以通過有限元分析軟件對二維靜態磁場進行分析，得到最優氣隙值。

(2)幾何精度所造成的氣隙不均勻對工作臺性能的影響。磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的直線度、圓柱度、平行度、平面度等幾何精度均會對氣隙值產生影響，造成上下氣隙不均勻，進而對工作臺的性能產生影響，影響機床加工精度。因此必須對整體結構進行仿真優化，分析各種幾何精度誤差對系統產生的影響，提出誤差范圍，減少磁懸浮圓柱形直線運動導軌副由于幾何精度所造成的氣隙不均勻對工作臺性能產生的影響。

(3)熱變形對系統的影響。在平臺長時間的運行過程中，電磁鐵的溫度會升高，電磁鐵產生的熱量會引起機床導軌熱變形，從而影響加工精度。因此，必須考慮如何設計冷卻裝置，嘗試使用不同冷卻介質來降低熱變形;建立有限元模型，進行溫度場瞬態分析，通過不斷仿真找到最佳冷卻效果時的方案，使磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的熱變形降低到允許的誤差范圍內。

(4)建立準確的數學模型和物理模型。溫度場、磁場、切削力及結構模態等對磁懸浮圓柱形直線運動導軌副精度都會產生影響，因此必須建立磁懸浮圓柱形直線運動導軌副整體結構與力學特性的關系分析模型和控制器設計的實用數學模型，這是對磁懸浮圓柱形直線運動導軌副結構優化設計和控制器設計進行理論分析和技術實現的基礎。在對上述模型綜合分析的基礎上，還需探索多因素耦合下的導軌副機械性能指標之間的內在聯系，為磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的設計制造提供理論和技術方面的依據。

(5)提高系統剛度和精度。在實際生產中，機床切削將會對導軌副產生強烈的干擾，因此有必要選擇典型工藝進行切削實驗，深入研究切削干擾和環境干擾對導軌副性能的影響，通過結構優化和控制策略研究，提高系統的剛度和精度。通過理論分析、應用設計、實驗驗證等步驟與手段，實現在機床上應用磁懸浮圓柱形直線運動導軌副的目的。

(6)由于磁懸浮圓柱形直線運動導軌副目前還沒有先例，所以有必要做好準備，解決其他在具體研究過程中可能出現的各類關鍵性科學與技術問題。

4 結束語

(1)磁懸浮圓柱形直線運動導軌副結合了圓柱形導軌易于加工以及磁懸浮支承具有的無接觸、無磨損、高速度、高精度和不需要潤滑密封的優點，易于在結構上實現動力源與磁懸浮導軌副以及磁懸浮導軌中各磁支承之間磁場的解耦，便于實現機床功能部件的系列化、模塊化，滿足高速、高精度數控機床直線進給系統的性能要求;

(2)目前，磁懸浮圓柱形直線運動導軌副還在研究之中，但在數控機床、加工中心上有廣闊的應用前景;

(3)在充分利用磁懸浮圓柱形直線運動導軌副優點的同時，也要認真思考其關鍵技術，并解決問題，為磁懸浮圓柱形直線運動導軌副能夠在實際生產中得到應用奠定基礎。

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