专利名称：龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相位直线驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于数控技术领域，特别涉及一种龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相位直线 驱动装置。
技术背景高精度大型数控机床是国民经济、国防建设中的关键装备与战略物资，我国与先进国家 尚有较大差距。在大型加工设备中，龙门移动式数控加工中心是最具有代表性的机床之一。 在龙门移动式加工中心中，移动部件和静止导轨之间存在着摩擦，降低运动副精度，磨损发 热，使精密部件变形。特别是在低速微进给情况下，由于摩擦与运动速度间存在的非线性， 可能产生所谓的尺蠖运动方式或混沌不清的极限环现象，严重破坏了对微进给、高精度、高 响应能力的进给性能要求。因此减小摩擦历来是提高机床水平关键技术之一，要想从根本上 彻底解决摩擦问题，唯有把两个相对运动的接触面分离开来，不直接发生接触。也就是说， 把具有一定重量的运动体悬浮起来，这才是解决摩擦问题的根本出路。为此，必须采用悬浮 技术将运动部件悬浮起来。气浮由于存在刚度较差等缺点，而不宜在重型机床上应用。由于 电磁悬浮可控性好，精度高，无噪声，刚度好等特点，是很有发展前途的悬浮方案。另外，数控机床的同步控制问题当前具有代表性的方案是立柱两边各采用一套交流伺 服电动机，即所谓的双电机驱动方案，各自检测与控制自身的加速度、速度和位移，即所谓 的双检测方法。龙门机床的横梁，通常由两根丝杠驱动。当刀架或主轴箱不在横梁中心点时， 则丝杠的受力是不对称的，因而会发生横梁的倾斜。这时要根据刀架或主轴箱所在的位置对 二边驱动电机系统进行适当补偿，使之平衡。在只有一根丝杠的传动结构中，可以增设一套 伺服电机系统，根据这根丝杠所确定的横梁倾斜方向的高或低，而使丝杠获得相应的多转一 点或少转一点的运动，从而使横梁调整到水平，这就是一种自动调平的方法。大跨度龙门框 架二边立柱不同步，将会通过横梁或固定框架梁顶互相间产生机械耦合，可以采用检测应力 的方法，补偿控制立柱伺服系统。二个伺服电机驱动系统若采用并联结构，实行独立控制， 无法保证同步性能，甚至因龙门框架的二立柱间存在机械轔合而造成设备损坏。 实用新型内容针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相 位直线驱动装置。
本实用新型装置包括磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床以及控制电路。 其中磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床包括伺服单元(包括伺服电动机与传感器、伺服驱动器)、箱式横梁、x方向直线电机、导向单元(包括电机、传感器与驱动器)、U型一体化床身、工作台、主悬浮电磁铁、补偿电磁铁、主轴单元(主轴驱动电动机与传感器、主轴驱动器)和刀具，床身与立柱成u型一体化床身，工作台置于u型床身内底部，u型一体化床身上部两外侧成凹槽，且这两个凹槽相互对称，箱式横梁两端部延伸形成凹槽并与U型一体化床身成嵌套结构，主轴单元设置在箱式横梁上，可以左右上下旋转运动，X方向直线电动机设置在横梁与床身上部，用来推进横梁的x方向直线运动，主悬浮电磁铁线圈与横梁端部内伸部分相连接，衔铁在床身上，分左右两排，起悬浮横梁作用，补偿悬浮电磁 铁与横梁端部内伸部分的下边相连，衔铁在床身上，分左右两排，导向电磁铁分别侧向设置 在横梁端部内侧和床身侧面，对工作台运动起导向作用。本实用新型的控制电路包括双直线电机同步驱动控制电路以及横梁悬浮高度控制电路。其中双直线电机同步驱动控制电路包括整流滤波单元、IPM逆变单元、DSP处理器、IPM 保护隔离驱动电路、电流采样电路、速度采样电路，PMLSM (永磁直线同步电动机)以及霍尔 传感器，IPM逆变单元主电源输入P、 N端与整流电路输出相连，IPM输出端子U、 V、 W与永 磁直线同步电机相连，V、 W通过两个霍尔电流传感器再与两路电流采样电路相连，IPM的16 路控制端子与IPM隔离驱动保护电路相连，IPM隔离驱动的输入和保护电路的输出以及电流 采样电路输出与DSP处理器相连。横梁悬浮高度控制电路包括PWM及其驱动电路,位置、速度、电流控制电路，过电流保护 电路，三角波发生电路，斩波电路，电流检测电路，悬浮高度检测电路，增益调节单元电路 以及气瞎给定单元电路，PWM及其驱动电路分别与位置、速度、电流控制电路，过电流保护 电路，三角波发生电路，斩波电路相连；电流检测电路分别与位置、速度、电流控制电路， 过电流保护电路相连；增益调节单元电路分别与气隙给定单元电路，位置、速度、电流控制 电路以及悬浮高度检测电路相连。本实用新型的优点在于，即使主动电机受到外界干扰而产生不同于输入命令的输出，从 动电机也会以主动电机的输出值作为输入命令，进而维持同步运动。悬浮高度控制是通过控 制吸引型电磁铁，来实现横梁悬浮的，吸引型磁悬浮电磁铁悬浮运动体于某一高度、电磁铁 侧向引导控制横向间隙，确保悬浮气隙高度及其刚度特性，能经受住各种耦合干扰和负载扰. 动，且具有强鲁棒性，最后实现了显著减小摩擦的目的。同时，使横梁两端运动状态保持高 度一致，不产生扭斜现象，确保同步误差不超过允许值， 一旦出现误差能快速收敛，采用了
主从控制能实现良好的同步控制，使系统的同步误差达到最小。
图1为本实用新型装置中磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床部分结构示意图；图2为本实用新型装置中双直线电机同步驱动控制电路原理框图； 图3为本实用新型装置中横梁悬浮高度控制电路原理框图；图4为本实用新型双直线电机同步驱动控制过程流程图；(a) 双直线电机同步驱动主程序流程图；(b) 保护中断处理流程图； (C) Tl中断处理流程图；图5为本实用新型实施方式中双直线电机同步驱动控制电路原理图；(a)直线电机主电路原理图；(b)直流电源电路原理图；(c)DSP处理器及其外围电路原理图;(d)直线电机速度采样电路原理图；(e)直线电流采样电路原理图；(f)扩展口 I连接图；(g)直线电机驱动电路原理图；(h)扩展口n连接图；(i)扩展口m连接图；(j)扩展口IV连接图；图6为本实用新型实施方式中横梁悬浮高度控制电路原理图； 图中l——伺服单元，2——箱式横梁，3——X方向直线电机，4——导向单元， 5——横梁悬浮气隙，6——U型一体化床身，7——工作台，8——主悬浮电磁铁， 9——补偿电磁铁，10——主轴单元，11——刀具，12——DSP处理器， 13——速度采样电路，14——光电编码器，15——电流采样电路，16——霍尔传感器， 17——IPM保护隔离驱动电路，18——整流滤波电路，19——气隙给定单元电路， 20——增益调节单元电路，21——位置、速度、电流控制电路，22——三角波发生电路， 23——PWM及其驱动电路，24——过电流保护电路，25——电流检测电路， 26——斩波电路，27——悬浮横梁，28——悬浮高度检测电路。
具体实施方式
本实用新型的一个优选实施例参见图1、图5以及图6。如图1所示，磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床包括伺服单元(包括伺服电 动机与传感器、伺服驱动器)、箱式横梁、X方向直线电机、导向单元(包括电机、传感器
与驱动器)、横梁悬浮气隙、 一体化床身、工作台、主悬浮电磁铁、补偿电磁铁、主轴单元 (主轴驱动电动机与传感器、主轴驱动器)和刀具，主悬浮电磁铁线圈与横梁端部内伸部分 相连接，衔铁在床身上，分左右两排，起悬浮横梁作用，补偿电磁铁与主悬浮电磁铁的连接 是相似的，就是主悬浮电磁铁与横梁端部内伸部分的上边相连，而补偿悬浮电磁铁与横梁端 部内伸部分的下边相连，其它部分的连接一样。导向电磁铁分别侧向安置在横梁端部内侧和 床身侧面，对工作台运动起导向作用。工作台放置被加工工件，它放在床身底部，主轴单元 安放在箱式横梁上，可以左右上下旋转运动，X方向直线电动机安放在横梁与床身上部，用来推进横梁的x方向直线运动。图5所示为双直线电机同步驱动控制电路原理图，图5(a)为单个电机的主电路，另一个 电机的主电路原理图与之完全相同，电机主电路中的R、 S、 T端分别与三相交流电相连，VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6端分别与图5 (g)直线电机驱动电路中的扩展口 C0N12的1、 3、 5、 7、 9、 ll管脚相连；直线电机驱动电路中22V10D芯片的2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 13、 14管脚分别与图5 (h)扩展口的3、 4、 5、 6、 7、 8,图5 (f)扩展口的6、 5、 4、 3、 2、 1 管脚相连；另一直线电机驱动电路中22V10D芯片的2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 13、 14管脚分别与图5 (h)扩展口的9、 10、 11，图5 (i)扩展口的25、 26、 27，以及与图5(f)扩展口完全相同的扩展口的6、 5、 4、 3、 2、 l管脚相连；图5(d)电机速度采样电路中 扩展口C0N8的6、 5、 4、 3、 2、 1管脚与26s32芯片的4、 2、 5、 7、 11、 9管脚相连， 一端 与电机的光电编码器相连，电机速度采样电路中QS3245芯片的18、 17、 11管脚分别与图5(c) DSP处理器及其外围电路中TMS320LF2407A芯片的83、 79、 32管脚相连；图5( e)电流 采样处理电路中扩展口C0N20的15、 13、 11、 9管脚分别与5路电流采样电路相连，扩展口 的另一端与霍尔传感器相连，电流釆样处理电路中ADCIN1、 ADCIN2、 ADCIN3、 ADCIN4、 ADCIN5 分别与图5 (j)扩展口的5、 6、 7、 8、 9管脚相连。双直线电机的同步控制由嵌入DSP处理 器中的控制程序实现，其控制过程如图4 (a)所示，保护中断处理过程如图4 (b)所示，TI 中断处理过程如图4 (c)所示。图8所示为悬浮高度控制电路原理图，图中inl、 in2与气隙传感器相连。
权利要求1.一种龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相位直线驱动装置，包括磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床以及控制电路，其特征在于磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床包括伺服单元、箱式横梁、X方向直线电机、导向单元、横梁悬浮气隙、U型一体化床身、工作台、主悬浮电磁铁、补偿电磁铁、主轴单元和刀具，床身与立柱成U型一体化床身，工作台置于U型床身内底部，U型一体化床身上部两外侧成凹槽，且这两个凹槽相互对称，箱式横梁两端部延伸形成凹槽并与U型一体化床身成嵌套结构，主轴单元设置在箱式横梁上，X方向直线电动机设置在横梁与床身上部，主悬浮电磁铁线圈与横梁端部内伸部分相连接，衔铁在床身上，分左右两排，补偿悬浮电磁铁与横梁端部内伸部分的下边相连，衔铁在床身上，分左右两排，导向电磁铁分别侧向设置在横梁端部内侧和床身侧面；其控制电路包括双直线电机同步驱动控制电路和横梁悬浮高度控制电路。
2. 如权利要求1所述的一种龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相位直线驱动装置，其特征在于 所述的双直线电机同步驱动控制电路包括整流滤波单元、IPM逆变单元、DSP处理器、IPM 保护隔离驱动电路、电流采样电路、速度采样电路，永磁直线同步电动机以及霍尔传感器， IPM逆变单元主电源输入P、 N端与整流电路输出相连，IPM输出端子U、 V、 W与永 磁直线同步电机相连，V、 W通过两个霍尔电流传感器再与两路电流采样电路相连，IPM 的16路控制端子与IPM隔离驱动保护电路相连，IPM隔离驱动的输入和保护电路的输出 以及电流采样电路输出与DSP处理器相连。
3. 如权利要求1所述的一种龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相位直线驱动装置，其特征在于 所述的横梁悬浮高度控制电路包括PWM及其驱动电路，位置、速度、电流控制电路，过 电流保护电路，三角波发生电路，斩波电路，电流检测电路，悬浮高度检测电路，增益调 节单元电路以及气隙给定单元电路；PWM及其驱动电路分别与位置、速度、电流控制电 路，过电流保护电路，三角波发生电路，斩波电路相连；电流检测电路分别与位置、速度、 电流控制电路，过电流保护电路相连；增益调节单元电路分别与气隙给定单元电路，位置、 速度、电流控制电路以及悬浮高度检测电路相连。
专利摘要龙门移动镗铣床横梁磁悬浮与零相位直线驱动装置，属于数控技术领域。本实用新型包括磁悬浮横梁直线电机驱动龙门移动式加工机床以及控制电路，其中控制电路包括双直线电机同步驱动控制电路以及横梁悬浮高度控制电路。本实用新型中双直线电机的主—从同步驱动方式维持了同步运动，同时通过控制吸引型电磁铁，实现横梁悬浮，确保了横梁的刚度特性，并能经受住各种耦合干扰和负载扰动，且具有强鲁棒性，最终实现了显著减小摩擦的目的。
文档编号G05D3/12GK201023192SQ20062009300
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月31日 优先权日2006年8月31日
发明者孙宜标, 霞 杨, 王丽梅, 赵希梅, 郭庆鼎 申请人:沈阳工业大学