永磁同步直線電機推力波動試驗臺設(shè)計與分析*

施志平，張君安，李 博，劉 波

(西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

隨著國家對“智能制造2025”與“工業(yè) 4.0”的提出，我國對機械加工技術(shù)及加工精度提出了更高的要求，這也使得永磁同步直線電機(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，PMSLM)在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域得到了充分的利用，也成為了工業(yè)伺服領(lǐng)域研究的熱點[1]。由于PMSLM存在齒槽效應(yīng)、邊端效應(yīng)和紋波推力引起的推力波動，會產(chǎn)生噪聲、振動等不利于運動的因素，使得加工精度受到影響[2]。因此開展PMSLM推力波動測試試驗臺的研究是具有重要的理論和實踐意義。

目前國內(nèi)外許多高校和科研院所從加載方式上對PMSLM推力波動性能進行測量。文獻[3]以激光干涉儀作為精密定位測量儀器，通過改變砝碼的質(zhì)量使得電阻應(yīng)變儀在一個極距內(nèi)測得的拉力來表示推力波動值。文獻[4-5]采用同型號電機互為負載，在某一合適位置檢測到兩個相位、幅值及波動情況均相同的推力波動波形，避免了使用其他帶動裝置本身引入的干擾。文獻[6]在動子低速運動狀態(tài)下，基于千分尺測量推力波動工作臺帶動力傳感器和動子作往復(fù)運動，測得推力波動和摩擦力疊加值，最終計算得到推力波動波形。文獻[7]采用旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠與直線電機共軸對拖的方法來測試推力波動。文獻[8]根據(jù)PMSLM的動靜態(tài)特性分別設(shè)計了測試系統(tǒng)方案，靜態(tài)測試通過旋轉(zhuǎn)手柄帶動絲杠對靜態(tài)力進行；動態(tài)測試將直線電機置于滾子支撐上，通過力測量傳感器測出推力波動值。

傳統(tǒng)的PMSLM推力波動測量方法中會引入部分不必要的誤差因素，所以需要在測量過程中對誤差進行盡可能的消除或抑制。本文設(shè)計了一種基于無桿氣缸作為加載的新方法，以PMSLM驅(qū)動氣浮導(dǎo)軌進行推力波動性能測試的試驗臺。無桿氣缸加載可以克服傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠引入的轉(zhuǎn)矩誤差，PMSLM帶動氣浮導(dǎo)軌可以實現(xiàn)零接觸無摩擦的運動消除了摩擦帶來的影響。該方法具有很高的精度和可靠性，以期為PMSLM推力波動測試提供參考。

1 總體方案設(shè)計及測試原理

本文設(shè)計的基于無桿氣缸作為加載，以PMSLM驅(qū)動氣浮導(dǎo)軌進行推力波動性能測試的試驗臺主要包括氣浮導(dǎo)軌組件、被測直線電機系統(tǒng)、加載裝置系統(tǒng)、推力波動檢測裝置、信號采集系統(tǒng)。其總體結(jié)構(gòu)模塊圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)模塊圖

氣浮導(dǎo)軌組件主要包括靜導(dǎo)軌、動導(dǎo)軌(滑架)、氣浮塊、輔助安裝支架；加載裝置采用無桿氣缸；推力波動檢測裝置為拉壓力傳感器；被測直線電機系統(tǒng)可以滿足多種結(jié)構(gòu)的直線電機測試，不再僅限于單一結(jié)構(gòu)的直線電機能夠更好的實現(xiàn)同一試驗臺對多種直線電機進行推力波動特性的測量，實現(xiàn)了互換性的要求。

在圖2所示的PMSLM推力波動性能測試試驗臺總體結(jié)構(gòu)中，其推力波動測量原理是被測PMSLM定子和支撐架固定安裝在花崗巖平臺上，將PMSLM的動子與動導(dǎo)軌(滑架)進行一體化連接，從而可以實現(xiàn)沿著靜導(dǎo)軌作為支撐導(dǎo)向的高直線度運動。其中通過驅(qū)動器控制電機工作在電流環(huán)下，通過被測直線電機系統(tǒng)中的光柵尺作為位置反饋裝置。氣缸作為加載與支撐架進行連接，無桿氣缸的運動活塞通過拉壓力傳感器與PMSLM的動子進行連接達到測量推力波動的目的。

1.支撐架 2.導(dǎo)軌 3.無桿氣缸 4.動導(dǎo)軌(滑架) 5.傳感器 6.氣浮塊 7.被測直線電機系統(tǒng) 8.花崗巖平臺圖2 試驗臺總體結(jié)構(gòu)圖

該推力波動性能測試試驗臺是結(jié)合氣浮導(dǎo)軌“無摩擦高精度”及無桿氣缸“動態(tài)加載”的優(yōu)點。方案以氣浮導(dǎo)軌作為支撐導(dǎo)向，無桿氣缸作為加載裝置通過力傳感器與被測PMSLM一端剛性一端柔性進行連接，克服了常規(guī)測量過程中加載裝置通過力傳感器與被測PMSLM動子之間均為剛性連接引入的轉(zhuǎn)矩誤差。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 氣浮導(dǎo)軌設(shè)計

氣浮導(dǎo)軌副是由氣浮塊和承導(dǎo)面組成，是機械傳動過程中的運動基礎(chǔ)，實現(xiàn)運動位置及方向的支撐導(dǎo)向。氣浮導(dǎo)軌是依據(jù)氣體潤滑原理，將具有一定壓力的空氣通入氣浮塊流經(jīng)節(jié)流器送至導(dǎo)軌之間，使得其在導(dǎo)軌面之間產(chǎn)生一層極薄的在運動過程中基本保持不變的氣膜，通過靜壓產(chǎn)生氣浮力將動導(dǎo)軌(滑架)懸浮起來，從而實現(xiàn)靜導(dǎo)軌與動導(dǎo)軌(滑架)的零接觸，可以有效克服滾珠絲杠等機械結(jié)構(gòu)引起的爬行現(xiàn)象[9-10]。

由于本文是采用氣體進行潤滑，潤滑介質(zhì)是經(jīng)過過濾調(diào)壓閥處理的無雜質(zhì)純凈空氣，在導(dǎo)軌的運動過程中振動小，不會出現(xiàn)發(fā)熱等影響運動精度的因素[11]。氣浮導(dǎo)軌具有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)力封閉與否可以分為開式氣浮導(dǎo)軌和閉式氣浮導(dǎo)軌，其中閉式氣浮導(dǎo)軌在工作時處于力封閉的狀態(tài)，產(chǎn)生的撓度比較小，可以承受各方向的載荷，本文被測直線電機可以安裝在動導(dǎo)軌(滑架)的前后面，當(dāng)只有一側(cè)直線電機工作時會對氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)產(chǎn)生一個微小的擾動，故而閉式氣浮導(dǎo)軌非常適合所述方案要求，能夠克服擾動的影響。根據(jù)氣浮塊的工作原理及氣浮導(dǎo)軌工作時最優(yōu)的氣膜厚度范圍，本文所設(shè)計的氣浮導(dǎo)軌共安裝12個氣浮塊，其中氣浮塊的基本尺寸參數(shù)如下：直徑D=50 mm，厚度h=15 mm；采用小孔節(jié)流的方式，其中節(jié)流器上小孔的直徑d0=0.08 mm，供氣孔直徑d=4 mm。根據(jù)圖2的總體結(jié)構(gòu)，分別在靜導(dǎo)軌的前后面各安裝4個氣浮塊，在靜導(dǎo)軌的上下面各安裝2個氣浮塊。輔助安裝支架將氣浮塊、靜導(dǎo)軌和動導(dǎo)軌(滑架)有機結(jié)合在一起，保證其運動過程中的整體精度。靜導(dǎo)軌采用天然的花崗巖材料總長度L=800 mm，動導(dǎo)軌(滑架)采用鋁合金材料總長度L1=320 mm。其中閉式氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.輔助安裝支架 2.靜導(dǎo)軌 3.氣浮塊 4.動導(dǎo)軌(滑架)圖3 閉式氣浮導(dǎo)軌

本文所設(shè)計的閉式氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點在于輔助安裝支架中含有蝶形彈簧，蝶形彈簧能夠充當(dāng)彈性元件可以補償由于環(huán)境溫度、加工及安裝誤差造成的氣膜間隙變化，維持氣膜厚度的相對穩(wěn)定，提高了氣浮導(dǎo)軌的性能。

2.2 加載裝置設(shè)計

本文設(shè)計的PMSLM推力波動性能測試試驗臺以無桿氣缸作為加載裝置，無桿氣缸工作原理如圖4所示。

1.氣缸 2.活塞 3.進氣/排氣孔圖4 氣缸工作原理

從圖4可以看出，無桿氣缸的左右氣室壓差是現(xiàn)實其運動的根本原因，即只需改變P1和P2之間的壓力差就可產(chǎn)生可變的載荷，達到加載的目的。對于不同工況下的工作要求，無桿氣缸響應(yīng)速度快，且容易實現(xiàn)不同狀態(tài)下的氣動平衡，使系統(tǒng)能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

以無桿氣缸作為加載裝置具有以下的優(yōu)點，首先改變了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠的加載的形式，可以直接通過改變無桿氣缸兩氣室的壓力差來達到加載的目的，通過氣缸加載可以有效的避免旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠加載過程引入的轉(zhuǎn)矩誤差，使得測得的推力波動值更加準(zhǔn)確；其次無桿氣缸作為直接加載裝置減少了中間機械傳動環(huán)節(jié)，使得機械結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，同時無桿氣缸作為標(biāo)準(zhǔn)件能夠滿足互換性的要求，便于拆卸和更換。不過以無桿氣缸作為加載裝置其也存在一定的缺點，由于無桿氣缸活塞與缸體之間存在摩擦的影響，摩擦因素的引入也會對推力波動測量產(chǎn)生影響，所以為了達到測量精度的準(zhǔn)確性在測試前需要對摩擦進行補償。

本文所研制的PMSLM推力波動性能測試試驗臺由于空間的限制，且需要滿足不同結(jié)構(gòu)形式PMSLM的推力波動測試，便于實現(xiàn)其互換性的要求，應(yīng)在給定的空間范圍內(nèi)完成對推力波動的測量，所以所設(shè)計的試驗臺需要滿足結(jié)構(gòu)緊湊、工作合理、便于拆卸的要求。根據(jù)對市場調(diào)研和實際工作情況，選擇SMC公司生產(chǎn)的MY3B系列的無桿氣缸MY3B40-300，該型號的無桿氣缸其結(jié)構(gòu)緊湊可以有效節(jié)省空間范圍，其起到密封的部件摩擦因數(shù)較小使得運動過程中的摩擦力較小，且其摩擦力也便于測量，在左右氣室壓力變化不大時即能被推動，工作響應(yīng)快，具有良好的緩沖作用。

2.3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

氣動系統(tǒng)是實現(xiàn)氣浮導(dǎo)軌氣浮支撐以及無桿氣缸加載的動力源，為了滿足氣浮導(dǎo)軌以及無桿氣缸的正常工作，需要在布置好的氣路中通入潔凈、干燥、流量充足并且壓力穩(wěn)定的氣體，所以需要根據(jù)氣路的排布設(shè)計一套能夠持續(xù)供給高質(zhì)量氣體的氣動系統(tǒng)[12]。

本文PMSLM推力波動性能測試試驗臺設(shè)計把氣浮導(dǎo)軌和氣缸供氣合二為一，即使用同一條主流道進行供氣，氣路結(jié)構(gòu)簡單緊湊便于進行調(diào)試和拆裝，避免多條氣路引起的多環(huán)控制問題。為了保證氣浮導(dǎo)軌和無桿氣缸在工作過程中的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)氣錘、激振等不穩(wěn)定現(xiàn)象，應(yīng)該使得氣路中通入的氣體壓力值需要保持恒定。針對本文所設(shè)計的PMSLM推力波動性能測試試驗臺氣動系統(tǒng)流程如下：首先通過空氣壓縮機將空氣壓縮制備高壓空氣存至儲氣罐中，經(jīng)由過濾調(diào)壓閥進行水油過濾處理，得到純凈、干燥流量穩(wěn)定的氣體，再通過流量計和普通減壓閥進行總體氣體流量的控制和氣體壓力的初步降壓。最后通過三通管分流到兩個精密減壓閥分別控制氣浮導(dǎo)軌和無桿氣缸的供氣壓力，實現(xiàn)PMSLM推力波動性能測試試驗臺的穩(wěn)定工作。原理圖如圖5所示。

1.空氣壓縮機 2.開關(guān)閥 3.儲氣罐 4.壓力表 5.過濾器 6.流量計 7.普通減壓閥 8.精密減壓閥圖5 氣動原理圖

從圖5可以看出，整個供氣系統(tǒng)由一條主流道和兩條分流道組成。即同一個供氣系統(tǒng)就可以實現(xiàn)氣浮導(dǎo)軌和無桿氣缸的氣源供應(yīng)，且兩條分流道均設(shè)置有精密減壓閥可以實現(xiàn)各自流道的壓力控制不再受限于主流道的壓力，壓力控制便利。

3 氣浮導(dǎo)軌的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析及動態(tài)檢查

由于PMSLM推力波動是在精度較高的工作臺上測得，其在運動時對氣浮導(dǎo)軌有較高的直線度要求，根據(jù)設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)需要對其合理性進行驗證，采用ANSYS workbench仿真軟件對氣浮導(dǎo)軌的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行仿真分析。將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中，分別設(shè)置材料的物理屬性、約束和邊界條件，仿真結(jié)束后分別得到如圖6所示的總形變云圖、總應(yīng)變云圖和總應(yīng)力云圖。

(a) 總形變云圖

(b) 總應(yīng)變云圖

(c) 總應(yīng)力云圖圖6 仿真結(jié)果圖

通過ANSYS workbench仿真分析可以看出，圖6a氣浮導(dǎo)軌的最大形變?yōu)?.46 μm，并且是在動導(dǎo)軌(滑架)的最外部并非導(dǎo)軌面，對整體氣浮導(dǎo)軌影響不大。導(dǎo)軌面的最大形變范圍大概在0.97～1.13 μm，而氣浮導(dǎo)軌的最佳氣膜厚度一般控制在10～40 μm，所以導(dǎo)軌面的形變量相對于氣膜厚度而言是極小的，不會對氣膜剛度的整體效果產(chǎn)生影響；圖6b氣浮導(dǎo)軌的最大應(yīng)變是1.44×10-5，該應(yīng)變值幾乎可以忽略不計；圖6c氣浮工作臺的最大應(yīng)力為2.96 MPa，遠遠小于氣浮導(dǎo)軌各材料的抗壓強度。從ANSYS workbench仿真分析結(jié)果可以看出總形變、總應(yīng)變、總應(yīng)力均能滿足本文所設(shè)計的氣浮導(dǎo)軌的性能要求。

本文設(shè)計的PMSLM推力波動性能測試試驗臺各部分機械結(jié)構(gòu)簡單緊湊能夠滿足測量要求，消除了各方面的影響因素在運行過程中具有較高的直線度。將三維模型在SolidWorks進行動態(tài)干涉仿真，PMSLM推力波動性能測試試驗臺在最大行程范圍內(nèi)運動時，沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，能滿足設(shè)計的運動要求。如圖7為試驗臺移動到極限位置的模擬圖。

圖7 試驗臺極限位置

4 結(jié)論

設(shè)計了一種基于無桿氣缸作為加載，以PMSLM驅(qū)動氣浮導(dǎo)軌進行推力波動性能測試的試驗臺。該試驗臺整體采用閉式氣浮導(dǎo)軌，基于氣體潤滑技術(shù)使得其運行過程中具有較高的直線度要求，可以達到精密直線運動的目的。以氣缸作為加載克服了旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠引入的轉(zhuǎn)矩誤差，提高了推力波動整體測量的精度。通過有限元仿真軟件對其靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)干涉檢查，驗證了所設(shè)計的PMSLM推力波動性能測試試驗臺結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，對PMSLM推力波動測試的相關(guān)研究提供了新指導(dǎo)。