专利摘要

本发明涉及一种直线进给单元的磁悬浮支承结构，其工作台由上工作台和支承装置组成，并沿床身导轨工作，上工作台的下表面中央位置具有向下突起的沿纵向布置的刚性矩形框，矩形框的左右两侧对称、水平安装有两对导向电磁铁，导向电磁铁的水平方向受力通过矩形框传递至上工作台，床身导轨设置有与导向电磁铁相配合的导向衔铁，支承装置包括支柱、上支承电磁铁、下支承电磁铁，床身导轨设置有上支承衔铁、下支承衔铁。本发明结构合理，实施方便，能进行工作台长行程的有效磁悬浮支承与导向，显著增强抗导向外力对工作台刚度的干扰能力，减小磁场耦合，降低磁悬浮直线进给单元的加工和控制难度，适用于高精度、高效率的数控机床。

权利要求

1. 一种直线进给单元的磁悬浮支承结构，包括：固定在基座上的床身导轨、套装于床身导轨的工作台，所述床身导轨上安装有直线电机定子，工作台的相对位置安装有与所述直线电机定子配合的直线电机动子，其特征在于：所述工作台由上工作台、安装于所述上工作台四角下方的支承装置组成，所述上工作台的下表面中央位置具有向下突起的沿纵向布置的刚性矩形框，所述矩形框与上工作台为隔磁铝材料一体制造成型，所述直线电机动子安装于该矩形框内，矩形框的左右两侧对称、水平的安装有两对导向电磁铁，所述导向电磁铁的水平方向受力通过矩形框传递至上工作台，所述床身导轨的相对位置设置有与所述导向电磁铁相配合的导向衔铁，所述支承装置包括支柱，支柱内侧面的上下两端分别设置有上支承电磁铁、下支承电磁铁，所述床身导轨的相对位置设置有分别与所述上支承电磁铁、下支承电磁铁相配合的上支承衔铁、下支承衔铁。

2. 根据权利要求1所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述导向电磁铁为E型电磁铁，导向电磁铁的铁芯背侧与矩形框侧壁相接触。

3. 根据权利要求2所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述支柱采用铝材料，床身导轨采用铸铁材料，电磁铁的铁芯和衔铁均采用纯铁材料。

4. 根据权利要求2所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述上支承电磁铁、下支承电磁铁为E型电磁铁，所述上支承电磁铁的铁芯背侧与上工作台下表面相接触，上支承电磁铁竖直向受力的主要部分传递至上工作台，次要部分依次经支柱传递至上工作台；所述下支承电磁铁的竖直向受力经支柱传递至上工作台。

5. 根据权利要求1所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述支柱通过螺栓固定连接在上工作台的下方。

6. 根据权利要求5所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述支柱呈C型。

7. 根据权利要求1所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述导向衔铁、上支承衔铁、下支承衔铁与床身导轨之间均安装有隔磁铝板。

8. 根据权利要求1所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述上支承电磁铁与上支承衔铁之间，下支承电磁铁与下支承衔铁之间均留有吸力型磁悬浮支承正常工作间隙，导向电磁铁与导向衔铁之间留有正常工作间隙。

9. 根据权利要求8所述的直线进给单元的磁悬浮支承结构，其特征在于：所述上支承电磁铁与上支承衔铁之间，下支承电磁铁与下支承衔铁之间均留有0.2-0.5mm的工作间隙，导向电磁铁与导向衔铁之间留有0.2-0.5mm的工作间隙。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线进给单元，特别涉及直线进给单元的磁悬浮支承结构。

背景技术

工业日新月异，现代制造业对加工设备的加工精度、效率等性能要求越来越高，促进了机床工业尤其是数控机床的发展。但与数控机床配套的功能部件的产业化规模化和产品水平，远远满足不了数控机床的发展要求。进给单元是数控机床的重要功能性部件，被加工工件的最后坐标和轮廓精度都受到进给单元运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响，因此其必须具备摩擦阻力小、传动精度高、响应速度快、刚度大等特点。

传统的进给系统主要是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动方式，在人类社会的发展中发挥了重要作用，但从动力源到进给平台之间存在着丝杠、螺母等诸多中间环节，有弹性变形大、响应速度慢、有反向间隙、易磨损等先天性的缺点，限制了机床加工精度和效率的提高。直线电机驱动进给伺服系统克服了传统驱动方式的许多缺陷，获得了极高的性能指标和优点。它不仅彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式的若干缺点，并具有高速度、大加速度、高定位精度、行程长度不受限制等优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。

机床导轨是机床的基本结构要素，机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。国内外已有应用于直线电机驱动的进给平台的支承设计，均采用传统的机械支承方式。如典型的滚动导轨和V-V型滑动导轨在高速度和高加速度的运动过程中，由于冲击和高速，易产生爬行和磨损。液体静压导轨的液压装置大，辅助设备多、油路维修和保养烦，油污染严重。气体液压导轨要求超洁净的使用防尘条件，加工困难。而磁悬浮工作台机床以电磁力为机床工作台的支承, 同时辅以电磁导向机构筑成机床导轨系统,无机械接触、不磨损、不需要润滑和密封，且以直线电机为驱动系统，反应快速、运动平稳、速度高、精度好、使用寿命长。

磁悬浮直线进给单元设计的一个关键问题在于实现结构与刚度的最佳优化。悬浮体采用铁等刚度较大材料制作，但悬浮体质量较大，结构刚度较大，但电磁铁需要实现较大的悬浮支承力，便需要大电磁铁的尺寸和重量，也加大了控制上的难度，更加大了对直线电机的更高要求等。在一定大小的悬浮支承力下，采用铝材制作悬浮体，可以减轻悬浮体自重，为负载能力创造空间，更降低了对直线电机的要求，可以更容易实现大速度、大加速度的直线进给，但刚度难以保证。因此，实现结构与刚度的优化是设计的关键问题。研究发现，导向力的大小对结构刚度的影响较大，从而对直线进给单元的加工和控制精度造成不利影响。特别是在大导向力的情况下，其不利影响更加明显。但在目前的磁悬浮直线进给单元结构设计中，大多对此没有足够重视，例如南通大学在专利文献CN100589317C中提出的智能型磁悬浮直线进给单元，能实现机床进给系统的高速高效高精度化，但其起导向作用的电磁铁安装在动导轨左右两边内侧，在工作过程中导向方向出现外力的时候，两侧导向电磁铁便产生使工作台重新回到平衡位置的电磁作用力，而且两侧电磁作用力大小不等方向相反，从而加大了工作台的形变，这样就不能有效地抵制导向方向的外力对工作台刚度产生的干扰。如果工作台一体制造，可以增加刚度但同时增大了制造难度和加工成本；如果工作台组合制造则需要采用螺纹连接等方式，便会降低自身刚度，增大控制难度。

南通大学在专利文献CN101753067A中提出直接驱动型磁悬浮直线进给单元的磁场结构，其工作台套装在支承导轨上，其导向电磁铁组装在工作台左右两边内侧，并没有就导向力对工作台刚度的不利影响采取有效的设计。其支承导轨采用铝材料，刚性较差，抗振性能不佳，不利于生产应用。

上海大学在专利文献CN1244432C中提出工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，其移动平台套装在固定于机座的导轨上，导向电磁铁安装在移动平台内侧的左右两边。移动平台采用矩形框式结构，能在一定程度上抵抗导向力对工作台刚度的不利影响，但导轨长度受到限制从而限制了直线运动的行程，否则将大大减少机座对导轨的有效支承，降低导轨自身的结构刚度，影响进给单元的加工和控制精度。

景敏卿等人在《西安交通大学学报》上发表的《二维高精度磁悬浮定位平台的研究》、段吉安等人在《中国电机工程学报》上发表的《一种新型磁悬浮直线运动平台的热分析》和郭宁平等人在《工程设计学报》上发表的《磁悬浮直线运动平台的模态分析》等文章提出来的磁悬浮直线进给单元都没有对导向力对工作台刚度的不利影响采取有效设计。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种直线进给单元的磁悬浮支承结构，能有效抵抗导向方向外力对工作台刚度和直线进给单元加工与控制精度的不利影响，从而适用于高精度机床的磁悬浮直线进给单元。

为了达到上述目的，本发明提出的一种直线进给单元的磁悬浮支承结构，包括：固定在基座上的床身导轨、套装于床身导轨的工作台，所述床身导轨上安装有直线电机定子，工作台的相对位置安装有与所述直线电机定子配合的直线电机动子，其特征在于：所述工作台由上工作台、安装于所述上工作台四角下方的支承装置组成，所述上工作台的下表面中央位置具有向下突起的沿纵向布置的刚性矩形框，所述矩形框与上工作台为隔磁铝材料一体制造成型，所述直线电机动子安装于该矩形框内，矩形框的左右两侧对称、水平的安装有两对导向电磁铁，所述导向电磁铁的水平方向受力通过矩形框传递至上工作台，所述床身导轨的相对位置设置有与所述导向电磁铁相配合的导向衔铁，所述支承装置包括支柱，支柱内侧面的上下两端分别设置有上支承电磁铁、下支承电磁铁，所述床身导轨的相对位置设置有分别与所述上支承电磁铁、下支承电磁铁相配合的上支承衔铁、下支承衔铁。

本发明直线进给单元的磁悬浮支承结构，进一步的改进在于：

1、所述导向电磁铁为E型电磁铁，导向电磁铁的铁芯背侧与矩形框侧壁相接触。

2、支柱采用铝材料，床身导轨采用铸铁材料，电磁铁的铁芯、和衔铁均采用纯铁材料。

3、所述上支承电磁铁、下支承电磁铁为E型电磁铁，所述上支承电磁铁的铁芯背侧与上工作台下表面相接触，上支承电磁铁竖直向受力的主要部分传递至上工作台，次要部分依次经支柱传递至上工作台；所述下支承电磁铁的竖直向受力经支柱传递至上工作台。

4、所述支柱通过螺栓固定连接在上工作台的下方。

5、所述支柱呈C型。

6、所述导向衔铁、上支承衔铁、下支承衔铁与床身导轨之间均安装有隔磁铝板。

7、所述上支承电磁铁与上支承衔铁之间，下支承电磁铁与下支承衔铁之间均留有吸力型磁悬浮支承正常工作间隙，导向电磁铁与导向衔铁之间留有正常工作间隙。

8、所述上支承电磁铁与上支承衔铁之间，下支承电磁铁与下支承衔铁之间均留有0.2-0.5mm的工作间隙，导向电磁铁与导向衔铁之间留有0.2-0.5mm的工作间隙。

本发明磁悬浮支承结构改变传统工作台结构，采用上工作台与四根支柱相结合的形式，可以降低工作台的加工难度和制作成本；导向电磁铁直接设置于上工作台下突的矩形框上，导向磁铁产生的导向力能够较直接的作用于上工作台，由于矩形框是刚性，因此导向力的传递更加直接，能有效地抵抗导向力对工作台刚度的不利影响，从而提高磁悬浮直线进给单元的加工精度和控制精度；矩形框与上工作台为隔磁铝材料一体制造成型，整体刚度好，不易变形；由于直线电机动子安装在矩形框内，矩形框起到了隔磁的作用，同时矩形框也能够有效地保护内部的直线电机动子不会被撞击到；上、下支承电磁铁均固定在支柱上，其中上支承电磁铁产生的支承力直接及间接的传递给上工作台，而下支承电磁铁产生的支承力则间接的传递给上工作台，经试验表明这样的支承力组合既能够提高控制精度，又能够提高控制反馈速度；包含专门设计的支柱的工作台套装在床身导轨外侧时，只在与床身导轨和衔铁间留有可以相对运动而不接触的微小间隙，可以减少支承电磁铁与外界物体的电磁耦合。

本发明结构合理，实施方便，运用了磁悬浮支承技术、直线电机驱动技术，便于模块化、组合式生产。消除传统导轨，采用磁悬浮支承导轨。支承电磁铁组产生电磁力平衡工作台自重、负载及干扰力，使工作台稳定悬浮。导向电磁铁组产生电磁力平衡水平导向方向的外力，使工作台精确制导。采用直线电机驱动，运用了精确的位置反馈系统。由于导轨副相对运动表面没有机械接触，因此没有机械磨损，不需要润滑和密封，而且彻底消除了爬行现象，不会因为磨损和接触疲劳产生精度和寿命下降的问题。在直线电机的驱动和位置反馈系统的帮助下，能实现工作台高速度、高加速度和高精度的直线进给。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本实施例直线进给单元的磁悬浮支承结构立体图。

图2是图1的剖视图。

图3是本实施例的上工作台结构示意图。

图4是本实施例的支承装置结构示意图。

图中标号示意如下：

1-床身导轨，2-工作台，21-上工作台，3-直线电机定子，4-直线电机动子，5-支承装置，6-矩形框，7-导向电磁铁，8-导向衔铁，9-支柱，10-上支承电磁铁,11-下支承电磁铁，12-上支承衔铁，13-下支承衔铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1至4所示，本实施例直线进给单元的磁悬浮支承结构，包括：固定在基座上的床身导轨1、套装于床身导轨1的工作台2，床身导轨1上安装有直线电机定子3，工作台2的相对位置安装有与所述直线电机定子3配合的直线电机动子4，工作台2由上工作台21、安装于所述上工作台21四角下方的支承装置5组成，上工作台21的下表面中央位置具有向下突起的沿纵向布置的刚性矩形框6（矩形框6与上工作台21为隔磁铝材料一体制造成型），本例中矩形框的外径尺寸为665mm×200mm×50mm,厚度为30mm，直线电机动子4安装于该矩形框6内，矩形框6的左右两侧对称、水平的安装有两对导向电磁铁7，导向电磁铁7的水平方向受力通过矩形框6传递至上工作台21，床身导轨1的相对位置设置有与导向电磁铁7相配合的导向衔铁8，支承装置5包括C型支柱9，支柱9通过螺栓固定连接在上工作台21的下方，支柱9内侧面的上下两端分别设置有上支承电磁铁10、下支承电磁铁11，床身导轨1的相对位置设置有分别与所述上支承电磁铁10、下支承电磁铁11相配合的上支承衔铁12、下支承衔铁13。

导向电磁铁7为E型电磁铁，导向电磁铁7的铁芯背侧与矩形框6侧壁相接触。上支承电磁铁10、下支承电磁铁11为E型电磁铁，上支承电磁铁10的铁芯背侧与上工作台21下表面相接触，上支承电磁铁10竖直向受力的主要部分传递至上工作台21，次要部分依次经支柱9传递至上工作台21；下支承电磁铁11的竖直向受力经支柱9传递至上工作台21。

上支承电磁铁10与上支承衔铁12之间，下支承电磁铁11与下支承衔铁13之间均留有0.2-0.5mm的工作间隙，导向电磁铁7与导向衔铁8之间留有0.2-0.5mm的工作间隙。上工作台21和支柱9采用铝材料，床身导轨1采用铸铁材料，电磁铁的铁芯、和衔铁均采用纯铁材料。导向衔铁8、上支承衔铁12、下支承衔铁13与床身导轨1之间均安装有隔磁铝板（图中未示意）。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

一种直线进给单元的磁悬浮支承结构专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。