一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置及其控制方法
阅读说明：本技术 一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置及其控制方法 (Moving magnetic steel type self-driven magnetic suspension guide rail device and control method thereof ) 是由 刘杨 缪骞 李理 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置及其控制方法,属于高端装备技术领域。四个导套支撑框架组合构成方形套,四个导套支撑框架的中部分别封装有I型电磁铁,永磁体封装在位于上方的导套支撑框架内；导轴支撑框架为长方体框架,导轴支撑框架的四个侧面沿长度方向均封装有多个E形组件；封装于导轴支撑框架上下两侧面的多个E形组件对称设置,封装于导轴支撑框架左右两侧面的多个E形组件对称设置,封装于导轴支撑框架的四个侧面的多个E形组件与封装于四个导套支撑框架中部的I型电磁铁分别相对设置,线圈绕组封装在导轴支撑框架上侧并位于E型组件的一侧,线圈绕组与永磁体相对设置。本发明用于超精密系统中。(A moving magnetic steel type self-driven magnetic suspension guide rail device and a control method thereof belong to the technical field of high-end equipment. The four guide sleeve supporting frames are combined to form a square sleeve, I-shaped electromagnets are packaged in the middle of each guide sleeve supporting frame, and the permanent magnets are packaged in the guide sleeve supporting frames positioned above the permanent magnets; the guide shaft supporting frame is a cuboid frame, and a plurality of E-shaped assemblies are packaged on four side surfaces of the guide shaft supporting frame along the length direction; the plurality of E-shaped components packaged on the upper side surface and the lower side surface of the guide shaft supporting frame are symmetrically arranged, the plurality of E-shaped components packaged on the left side surface and the right side surface of the guide shaft supporting frame are symmetrically arranged, the plurality of E-shaped components packaged on the four side surfaces of the guide shaft supporting frame and the I-shaped electromagnets packaged in the middle of the four guide sleeve supporting frames are respectively arranged oppositely, the coil winding is packaged on the upper side of the guide shaft supporting frame and located on one side of the E-shaped components, and the coil winding and the permanent magnet are arranged oppositely. The invention is used in ultra-precise system.)
技术领域
本发明属于高端装备技术领域，具体涉及一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置及其控制方法。
背景技术
随着科学研究和工业的发展，对高精度半导体晶片、精密光学元件、精密模具、微零件和微结构的需求日益增长。这些产品要求的精度级别也越来越高，极大地刺激了超精密加工技术的发展，特别是超精密运动平台。为实现高性能、高集成度以及高效率、低成本的生产，世界上各IC设备厂商加大研发投资，研制新一代高速高精的超精密定位运动平台。导轨作为超精密运动平台的核心部件，其性能好坏和超精密运动平台的好坏息息相关。因此，高性能导轨的设计和开发具有重要意义。
气浮导轨是采用空气作为支撑的一种形式，相比于传统导轨，工作过程中具有无接触磨损、无机械摩擦的优点，能够实现更高精度的定位运动，因此，目前气浮导轨被广泛应用于超精密运动系统中。但是随着精密运动平台对直线导轨性能需求的提升，气浮导轨存在的气隙调节滞后、控制困难、面对外界干扰，响应速度慢，难以保证导轨的高刚度与直线度，对机械加工精度要求高，且不能用于真空作业环境等问题越来越不可忽视，因此不能满足高性能导轨的需求。
磁悬浮导轨是精密定位工作台的新型结构，与传统的导轨相比，工作过程中具有无接触磨损、无机械摩擦、功耗低、成本低、寿命长、维修成本低等优点；与气浮导轨相比，具有响应速度快，控制精度高、抗干扰，可主动进行间隙调节，具有刚度大、直线度好，能够适用于真空工作环境、高洁净度环境等场合的优点。因此高性能、高刚度的磁悬浮导轨以期优越性逐渐被应用于高端装备领域。
公开号为CN110524500A、公开日为2019年12月03日、名称为“磁浮导轨运动平台”的发明专利申请，对运动平台的机械结构以及安装方式进行了阐述，通过引入重力补偿装置对其他自由度的导轨进行悬浮支撑，实现运动平台的多自由度调整。磁悬浮导轨是精密运动平台的核心组成部件，属于超精密传统部件，相比于磁浮运动平台，其应用场合更加多元化。
公开号为CN113059365A、公开日为2021年07月02日、名称为“一种侧挂式机床磁悬浮导轨”的发明专利申请，公开了磁悬浮导轨在侧挂式机床上的机械结构和安装方式，在保证机床运行精度的同时，解决了传统磁悬浮导轨纵向安装强度较差的问题。该发明专利申请中提及的磁悬浮导轨利用电磁铁之间的吸和力作为导轨的动力源，起驱动和导向作用，属于磁悬浮技术原理在特殊场景应用，不适合作为一种传动机构产品应用于高端装备技术领域。
公开号为CN111571242A、公开日为2020年08月25日、名称为“主动磁悬浮导轨平台及控制方法”的发明专利申请，借助磁悬浮技术，对导轨平台机械结构进行设计，实现磁浮导向和磁浮承载的目的。但依然存在以下不足：只在支撑方向布置传感器，滑箱两侧的悬浮间隙不可控，导轨的直线度无法得到保证；有限空间内承载电磁铁的支架强度难以保证，存在使用寿命短的问题；传感器以及线圈均安装在动子上，需要额外的线缆辅助机构，限制了间隙调整的精度，难以保证导轨刚度的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置及其控制方法，为解决现有高性能导轨不能自驱动、不能多自由度主动调节间隙且高刚度和直线度难以保证的问题，本发明的动磁钢式自驱动磁浮导轨装置，其导套(动子)无线缆，没有线缆拖曳，不需要额外的线缆辅助机构，能实现更高的间隙调整精度，提高磁浮导轨的刚度鲁棒性，能够满足超精密运动平台对导轨(导轴加导套)在结构、工作场合以及运动性能等方面的需求。
本发明的动磁钢式自驱动磁浮导轨装置为一种基于磁浮技术的超精密传动机构，在可以实现导轨自驱动的基础上，主动调节导轨间隙，在保证磁浮导轨(导轴加导套)具有高刚度和良好的直线度基础上，可以实现多自由度的微位移调节，能够满足目前超精密运动平台对高性能，多场景应用导轨的需求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置，包括导套和导轴；所述导套套设在导轴上；所述导套包括永磁体、四个导套支撑框架及四个I型电磁铁；所述导轴包括导轴支撑框架、线圈绕组及多个E形组件；每个所述E形组件均包括初级线圈、感应线圈、双极电磁铁、电涡流传感器及两个霍尔元件；
所述四个导套支撑框架组合构成方形套，四个导套支撑框架的中部分别封装有I型电磁铁，且四个I型电磁铁均沿导轴的长度方向设置，所述永磁体封装在位于上方的导套支撑框架内并位于I型电磁铁的一侧；
所述导轴支撑框架为长方体框架，导轴支撑框架的四个侧面沿长度方向均封装有多个E形组件；封装于导轴支撑框架上下两侧面的多个E形组件对称设置，封装于导轴支撑框架左右两侧面的多个E形组件对称设置，封装于导轴支撑框架的四个侧面的多个E形组件与封装于四个导套支撑框架中部的I型电磁铁分别相对设置，所述线圈绕组封装在导轴支撑框架上侧并位于E型组件的一侧，线圈绕组与永磁体相对设置；
所述两个霍尔元件分别安装于双极电磁铁两级极面的中心处，所述感应线圈缠绕在双极电磁铁的中间齿的四周侧面，所述初级线圈缠绕在感应线圈的四周侧面并与感应线圈同心，所述电涡流传感器固定在双极电磁铁的中间齿的中心处，用于测量悬浮间隙。
本发明的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨的控制方法，所述控制方法是：
通过调节封装在导轴上下两侧的多个E型组件的初级线圈的电流大小，要求同一侧的多个E型组件的初级线圈电流大小应相同，能够实现导套Z自由度的调节；
调节封装在导轴左右两侧的多个E型组件的初级线圈的电流大小，要求同一侧的多个E型组件的初级线圈电流大小应相同，能够实现导套Y自由度的调节；
调节封装在导轴上下两侧的多个E型组件的初级线圈的电流大小，能够实现导套Ry自由度的调节；具体为：要求导套附近位于导轴上方的多个E型组件的初级线圈中的相邻两个初级线圈的电流大小不同，位于导轴下方的多个E型组件的初级线圈中的相邻两个初级线圈的电流大小不同，且位于上方的初级线圈的大电流数值与位于下方的初级线圈的大电流数值相同，位于上方的初级线圈的小电流数值与位于下方的初级线圈的小电流数值相同，位于上方的大电流的初级线圈与位于下方的小电流的初级线圈正对设置，位于上方的小电流的初级线圈与位于下方的大电流的初级线圈正对设置；
调节封装在导轴左右两侧的多个E型组件的初级线圈的电流大小，能够实现导套Rz自由度的调节；具体为：要求导套附近位于导轴左侧的多个E型组件的初级线圈中的相邻两个初级线圈的电流大小不同，位于导轴右侧的多个E型组件的初级线圈中的相邻两个初级线圈的电流大小不同，且位于左侧的初级线圈的大电流数值与位于右侧的初级线圈的大电流数值相同，位于左侧的初级线圈的小电流数值与位于右侧的初级线圈的小电流数值相同，位于左侧的大电流的初级线圈与位于右侧的小电流的初级线圈正对设置，位于左侧的小电流的初级线圈与位于右侧的大电流的初级线圈正对设置。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置，在实现导套自驱动的基础上，不仅可以实现主动间隙调节，保证磁浮导轨的高刚度和直线度，而且可以实现导套相对导轴多自由度调节，实现导套在多个自由度上的微位移调整，具有结构简单紧凑、导套无线缆、无接触、定位精度高、响应速度快、工作场合高洁净度以及工作场合多元化等优点。本发明的控制方法，利用感应线圈和霍尔元件组合的方式对磁通信号进行采集，电涡流传感器对悬浮间隙进行测量，保证所采集信号的精确性和高效性，采用磁通反馈的方式对磁浮导轨的悬浮间隙进行控制，可以提高磁浮导轨的控制精度，可以提升性能指标。本发明应用于需兼顾高响应速度、高定位精度、高洁净度或真空工作环境的超精密运动系统中。
附图说明
图1是本发明提供的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置的导套剖面示意图；
图3是本发明提供的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置的导轴示意图；
图4是本发明提供的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置的E型组件结构示意图；
图5是本发明提供的一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置的控制方案示意图。
图中：1-导套；1-1-第一导套支撑框架；1-2-第二导套支撑框架；1-3-第三导套支撑框架；1-4-第四导套支撑框架；1-5-永磁体；1-6-I型电磁铁；2-导轴；2-1-导轴支撑框架；2-2-E型组件；2-2-1-初级线圈；2-2-2-感应线圈；2-2-3-双极电磁铁；2-2-4-电涡流传感器；2-2-5-霍尔元件；2-3-线圈绕组；3-水冷板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构、工作过程以及控制方法作进一步详细的说明：
具体实施方式一：如图1-图4所示，本实施方式披露了一种动磁钢式自驱动磁浮导轨装置，包括导套1和导轴2；所述导套1套设在导轴2上；所述导套1包括永磁体1-5、四个导套支撑框架及四个I型电磁铁1-6；所述导轴2包括导轴支撑框架2-1、线圈绕组2-3及多个E形组件2-2；每个所述E形组件2-2均包括初级线圈2-2-1、感应线圈2-2-2、双极电磁铁2-2-3、电涡流传感器2-2-4及两个霍尔元件2-2-5；
所述四个导套支撑框架组合构成方形套，四个导套支撑框架的中部分别封装有I型电磁铁1-6，且四个I型电磁铁1-6均沿导轴2的长度方向设置，所述永磁体1-5封装在位于上方的导套支撑框架内并位于I型电磁铁1-6的一侧(且永磁体1-5前后对称设置)；
所述导轴支撑框架2-1为长方体框架，导轴支撑框架2-1的四个侧面沿长度方向均封装有多个E形组件2-2；封装于导轴支撑框架2-1上下两侧面的多个E形组件2-2对称设置，封装于导轴支撑框架2-1左右两侧面的多个E形组件2-2对称设置，封装于导轴支撑框架2-1的四个侧面的多个E形组件2-2与封装于四个导套支撑框架中部的I型电磁铁1-6分别相对设置，所述线圈绕组2-3封装在导轴支撑框架2-1上侧并位于E型组件2-2的一侧，线圈绕组2-3与永磁体1-5相对设置；
所述两个霍尔元件2-2-5分别安装于双极电磁铁2-2-3两级极面的中心处(双极电磁铁2-2-3为E形)，所述感应线圈2-2-2缠绕在双极电磁铁2-2-3的中间齿的四周侧面，所述初级线圈2-2-1缠绕在感应线圈2-2-2的四周侧面并与感应线圈2-2-2同心，所述电涡流传感器2-2-4固定在双极电磁铁2-2-3的中间齿的中心处，用于测量悬浮间隙。
进一步的是，如图2所示，所述四个导套支撑框架分别是第一导套支撑框架1-1、第二导套支撑框架1-2、第三导套支撑框架1-3和第四导套支撑框架1-4；所述第一导套支撑框架1-1和第三导套支撑框架1-3上下相对布置，所述第二导套支撑框架1-2和第四导套支撑框架1-4左右相对布置，所述永磁体1-5封装在第一支撑框架1-1上，且位于I型电磁铁1-6的一侧。
进一步的是，如图1、图3所示，所述动磁钢式自驱动磁浮导轨装置还包括水冷板3；所述水冷板3封装在绕组线圈2-3的正上方，实现对绕组线圈2-3的冷却。
具体实施方式二：如图1-图4所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式所述的动磁钢式自驱动磁浮导轨装置实现动磁钢式自驱动磁浮导轨的控制方法，所述控制方法是：
通过调节封装在导轴2上下两侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小，要求同一侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1电流大小应相同(上下两侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小不相同)，能够实现导套1Z自由度的调节；
调节封装在导轴2左右两侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小，要求同一侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1电流大小应相同(左右两侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小不相同)，能够实现导套1Y自由度的调节；
调节封装在导轴2上下两侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小，能够实现导套1Ry自由度的调节；具体为：要求导套1附近位于导轴2上方的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1中的相邻两个初级线圈2-2-1的电流大小不同，位于导轴2下方的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1中的相邻两个初级线圈2-2-1的电流大小不同，且位于上方的初级线圈2-2-1的大电流数值与位于下方的初级线圈2-2-1的大电流数值相同，位于上方的初级线圈2-2-1的小电流数值与位于下方的初级线圈2-2-1的小电流数值相同，位于上方的大电流的初级线圈2-2-1与位于下方的小电流的初级线圈2-2-1正对设置，位于上方的小电流的初级线圈2-2-1与位于下方的大电流的初级线圈2-2-1正对设置；
调节封装在导轴2左右两侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小，能够实现导套1Rz自由度的调节；具体为：要求导套1附近位于导轴2左侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1中的相邻两个初级线圈2-2-1的电流大小不同，位于导轴2右侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1中的相邻两个初级线圈2-2-1的电流大小不同，且位于左侧的初级线圈2-2-1的大电流数值与位于右侧的初级线圈2-2-1的大电流数值相同，位于左侧的初级线圈2-2-1的小电流数值与位于右侧的初级线圈2-2-1的小电流数值相同，位于左侧的大电流的初级线圈2-2-1与位于右侧的小电流的初级线圈2-2-1正对设置，位于左侧的小电流的初级线圈2-2-1与位于右侧的大电流的初级线圈2-2-1正对设置。
综上，对位于导轴2上的E形组件2-2的双极电磁铁2-2-3中间齿的初级线圈2-2-1进行通电，双极电磁铁2-2-3和I型电磁铁1-6之间将产生吸和力，从而实现导套1悬浮；通过调节导轴2四侧的多个E型组件2-2的初级线圈2-2-1的电流大小，将实现导套1对导轴2的Y自由度、Z自由度、Ry自由度和Rz自由度的精确控制；
对位于导轴2上的线圈绕组2-3进行通电，线圈绕组2-3通电后会产生可移动的行波磁场，行波磁场沿X自由度方向作直线运动，导套1上永磁体1-5产生的磁场与行波磁场相互作用产生牵引力，牵引力带动导套1沿行波方向在导轴2上沿X自由度作直线运动，实现磁浮导套1的自驱动。
进一步的是，如图1、图4所示，利用所述感应线圈2-2-2和霍尔元件2-2-5组合的方式对磁通信号进行采集(高频感应线圈，低频霍尔元件)，所述电涡流传感器2-2-4对悬浮间隙进行测量，采用磁通反馈的方式对磁浮导套1的悬浮间隙进行高精度控制。
进一步的是，利用光栅尺或激光干涉仪对运动方向的信息进行采集，采用电流反馈方式对X自由度运动方向性能进行控制。
进一步的是，如图5所示，基于磁通反馈的方式对悬浮间隙进行调整，图中，ΦG,ref表示期望的磁通量，ΦG表示磁浮导轨系统输出的磁通量，S表示微分器，KP(g)为初级线圈增益，表示初级线圈输出电压与间隙相关的系数，Ks(g)为感应线圈增益，表示感应线圈输出电压与间隙相关的系数，KH(g)为霍尔元件增益，表示霍尔元件输出电压与间隙相关的系数，u表示初级线圈输出电压，us表示感应线圈输出电压，uH表示霍尔元件输出电压，CS表示感应线圈控制器，CH表示霍尔元件控制器，G表示控制对象，1/s表示积分器；本发明涉及的磁浮导轨间隙控制方法由三个信号回路组成。其中，信号回路1为磁通前向控制通道，其信号流为1由期望的磁通量ΦG,ref经过微分器S，再经过初级线圈增益KP(g)，输出电压u作用于控制对象G，并经过积分器1/s对其进行积分，获得磁浮导轨系统输出的磁通量ΦG，进而产生磁力来调整间隙；信号回路2为高频调节通道，其信号流2为期望的磁通量ΦG,ref经过微分器S，再经过感应线圈增益Ks(g)，再通过感应线圈控制器CS输出电压u作用于控制对象G，并经过积分器1/s对其进行积分，获得系统输出的磁通量ΦG，与此同时，感应线圈内部形成反馈回路，信号流表示为：控制对象G的输出信号经过感应线圈增益Ks(g)输出感应线圈电压us，形成感应线圈内部的磁通反馈，该通道主要对高频信号起作用；信号回路3为低频磁通调节通道，其信号流为期望的磁通量ΦG,ref经过霍尔元件增益KH(g)输出电压，再通过霍尔元件控制器CH输出电压u作用于控制对象G，并经过积分器1/s对其进行积分，获得磁浮导轨系统输出的磁通量ΦG，与此同时，霍尔元件内部形成反馈回路，其信号流表示为：控制对象G的输出经过积分器1/s后流出的信号再次经过霍尔元件增益KH(g)输出霍尔元件电压uH，形成霍尔元件内部的反馈，该通道主要对低频信号进行处理；信号回路2和信号回路3共同构成了全频段的磁通反馈调节通道，为信号回路1的前向磁通控制提供全面的磁通信息，通过磁通控制可实现磁浮导轨磁浮力的精确调节，进而实现磁浮导套与导轴的间隙高精度实时控制，确保了磁浮导轨刚度的鲁棒性。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种紧凑型双层次级的Tesla型脉冲变压器