永磁同步直線電機(jī)推力波動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與分析*

施志平，張君安，李 博，劉 波

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

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)“智能制造2025”與“工業(yè) 4.0”的提出，我國(guó)對(duì)機(jī)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(jī)(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，PMSLM)在自動(dòng)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(diǎn)[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(dòng)，會(huì)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)等不利于運(yùn)動(dòng)的因素，使得加工精度受到影響[2]。因此開展PMSLM推力波動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的研究是具有重要的理論和實(shí)踐意義。

目前國(guó)內(nèi)外許多高校和科研院所從加載方式上對(duì)PMSLM推力波動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)量。文獻(xiàn)[3]以激光干涉儀作為精密定位測(cè)量?jī)x器，通過改變砝碼的質(zhì)量使得電阻應(yīng)變儀在一個(gè)極距內(nèi)測(cè)得的拉力來表示推力波動(dòng)值。文獻(xiàn)[4-5]采用同型號(hào)電機(jī)互為負(fù)載，在某一合適位置檢測(cè)到兩個(gè)相位、幅值及波動(dòng)情況均相同的推力波動(dòng)波形，避免了使用其他帶動(dòng)裝置本身引入的干擾。文獻(xiàn)[6]在動(dòng)子低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，基于千分尺測(cè)量推力波動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)力傳感器和動(dòng)子作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得推力波動(dòng)和摩擦力疊加值，最終計(jì)算得到推力波動(dòng)波形。文獻(xiàn)[7]采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠與直線電機(jī)共軸對(duì)拖的方法來測(cè)試推力波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)PMSLM的動(dòng)靜態(tài)特性分別設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)方案，靜態(tài)測(cè)試通過旋轉(zhuǎn)手柄帶動(dòng)絲杠對(duì)靜態(tài)力進(jìn)行；動(dòng)態(tài)測(cè)試將直線電機(jī)置于滾子支撐上，通過力測(cè)量傳感器測(cè)出推力波動(dòng)值。

傳統(tǒng)的PMSLM推力波動(dòng)測(cè)量方法中會(huì)引入部分不必要的誤差因素，所以需要在測(cè)量過程中對(duì)誤差進(jìn)行盡可能的消除或抑制。本文設(shè)計(jì)了一種基于無桿氣缸作為加載的新方法，以PMSLM驅(qū)動(dòng)氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行推力波動(dòng)性能測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)。無桿氣缸加載可以克服傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠引入的轉(zhuǎn)矩誤差，PMSLM帶動(dòng)氣浮導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)零接觸無摩擦的運(yùn)動(dòng)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(dòng)測(cè)試提供參考。

1 總體方案設(shè)計(jì)及測(cè)試原理

本文設(shè)計(jì)的基于無桿氣缸作為加載，以PMSLM驅(qū)動(dòng)氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行推力波動(dòng)性能測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)主要包括氣浮導(dǎo)軌組件、被測(cè)直線電機(jī)系統(tǒng)、加載裝置系統(tǒng)、推力波動(dòng)檢測(cè)裝置、信號(hào)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(dòng)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(dòng)檢測(cè)裝置為拉壓力傳感器；被測(cè)直線電機(jī)系統(tǒng)可以滿足多種結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)測(cè)試，不再僅限于單一結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)能夠更好的實(shí)現(xiàn)同一試驗(yàn)臺(tái)對(duì)多種直線電機(jī)進(jìn)行推力波動(dòng)特性的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了互換性的要求。

在圖2所示的PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)中，其推力波動(dòng)測(cè)量原理是被測(cè)PMSLM定子和支撐架固定安裝在花崗巖平臺(tái)上，將PMSLM的動(dòng)子與動(dòng)導(dǎo)軌(滑架)進(jìn)行一體化連接，從而可以實(shí)現(xiàn)沿著靜導(dǎo)軌作為支撐導(dǎo)向的高直線度運(yùn)動(dòng)。其中通過驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)工作在電流環(huán)下，通過被測(cè)直線電機(jī)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(jìn)行連接，無桿氣缸的運(yùn)動(dòng)活塞通過拉壓力傳感器與PMSLM的動(dòng)子進(jìn)行連接達(dá)到測(cè)量推力波動(dòng)的目的。

1.支撐架 2.導(dǎo)軌 3.無桿氣缸 4.動(dòng)導(dǎo)軌(滑架) 5.傳感器 6.氣浮塊 7.被測(cè)直線電機(jī)系統(tǒng) 8.花崗巖平臺(tái)圖2 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

該推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)是結(jié)合氣浮導(dǎo)軌“無摩擦高精度”及無桿氣缸“動(dòng)態(tài)加載”的優(yōu)點(diǎn)。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(cè)PMSLM一端剛性一端柔性進(jìn)行連接，克服了常規(guī)測(cè)量過程中加載裝置通過力傳感器與被測(cè)PMSLM動(dòng)子之間均為剛性連接引入的轉(zhuǎn)矩誤差。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣浮導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

氣浮導(dǎo)軌副是由氣浮塊和承導(dǎo)面組成，是機(jī)械傳動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)位置及方向的支撐導(dǎo)向。氣浮導(dǎo)軌是依據(jù)氣體潤(rùn)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(yùn)動(dòng)過程中基本保持不變的氣膜，通過靜壓產(chǎn)生氣浮力將動(dòng)導(dǎo)軌(滑架)懸浮起來，從而實(shí)現(xiàn)靜導(dǎo)軌與動(dòng)導(dǎo)軌(滑架)的零接觸，可以有效克服滾珠絲杠等機(jī)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(jìn)行潤(rùn)滑，潤(rùn)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(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)小，不會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱等影響運(yùn)動(dòng)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(shí)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(cè)直線電機(jī)可以安裝在動(dòng)導(dǎo)軌(滑架)的前后面，當(dāng)只有一側(cè)直線電機(jī)工作時(shí)會(huì)對(duì)氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)微小的擾動(dòng)，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(dòng)的影響。根據(jù)氣浮塊的工作原理及氣浮導(dǎo)軌工作時(shí)最優(yōu)的氣膜厚度范圍，本文所設(shè)計(jì)的氣浮導(dǎo)軌共安裝12個(gè)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(gè)氣浮塊，在靜導(dǎo)軌的上下面各安裝2個(gè)氣浮塊。輔助安裝支架將氣浮塊、靜導(dǎo)軌和動(dòng)導(dǎo)軌(滑架)有機(jī)結(jié)合在一起，保證其運(yùn)動(dòng)過程中的整體精度。靜導(dǎo)軌采用天然的花崗巖材料總長(zhǎng)度L=800 mm，動(dòng)導(dǎo)軌(滑架)采用鋁合金材料總長(zhǎng)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(dòng)導(dǎo)軌(滑架)圖3 閉式氣浮導(dǎo)軌

本文所設(shè)計(jì)的閉式氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)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(duì)穩(wěn)定，提高了氣浮導(dǎo)軌的性能。

2.2 加載裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)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(shí)其運(yùn)動(dòng)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(dá)到加載的目的。對(duì)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(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下的氣動(dòng)平衡，使系統(tǒng)能夠保持相對(duì)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(diǎn)，首先改變了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)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(dá)到加載的目的，通過氣缸加載可以有效的避免旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠加載過程引入的轉(zhuǎn)矩誤差，使得測(cè)得的推力波動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，同時(shí)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(diǎn)，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(huì)對(duì)推力波動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生影響，所以為了達(dá)到測(cè)量精度的準(zhǔn)確性在測(cè)試前需要對(duì)摩擦進(jìn)行補(bǔ)償。

本文所研制的PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)測(cè)試，便于實(shí)現(xiàn)其互換性的要求，應(yīng)在給定的空間范圍內(nèi)完成對(duì)推力波動(dòng)的測(cè)量，所以所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)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(duì)市場(chǎng)調(diào)研和實(shí)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(hào)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(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力較小，且其摩擦力也便于測(cè)量，在左右氣室壓力變化不大時(shí)即能被推動(dòng)，工作響應(yīng)快，具有良好的緩沖作用。

2.3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)氣浮導(dǎo)軌氣浮支撐以及無桿氣缸加載的動(dòng)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(jì)一套能夠持續(xù)供給高質(zhì)量氣體的氣動(dòng)系統(tǒng)[12]。

本文PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)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(jìn)行供氣，氣路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊便于進(jìn)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(duì)本文所設(shè)計(jì)的PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)流程如下：首先通過空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮制備高壓空氣存至儲(chǔ)氣罐中，經(jīng)由過濾調(diào)壓閥進(jìn)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(jì)和普通減壓閥進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定工作。原理圖如圖5所示。

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

從圖5可以看出，整個(gè)供氣系統(tǒng)由一條主流道和兩條分流道組成。即同一個(gè)供氣系統(tǒng)就可以實(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)檢查

由于PMSLM推力波動(dòng)是在精度較高的工作臺(tái)上測(cè)得，其在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)氣浮導(dǎo)軌有較高的直線度要求，根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要對(duì)其合理性進(jìn)行驗(yàn)證，采用ANSYS workbench仿真軟件對(duì)氣浮導(dǎo)軌的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)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?cè)茍D、總應(yīng)變?cè)茍D和總應(yīng)力云圖。

(a) 總形變?cè)茍D

(b) 總應(yīng)變?cè)茍D

(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(dòng)導(dǎo)軌(滑架)的最外部并非導(dǎo)軌面，對(duì)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(duì)于氣膜厚度而言是極小的，不會(huì)對(duì)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(jì)；圖6c氣浮工作臺(tái)的最大應(yīng)力為2.96 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣浮導(dǎo)軌各材料的抗壓強(qiáng)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(jì)的氣浮導(dǎo)軌的性能要求。

本文設(shè)計(jì)的PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊能夠滿足測(cè)量要求，消除了各方面的影響因素在運(yùn)行過程中具有較高的直線度。將三維模型在SolidWorks進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉仿真，PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)在最大行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，能滿足設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)要求。如圖7為試驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)到極限位置的模擬圖。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)極限位置

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于無桿氣缸作為加載，以PMSLM驅(qū)動(dòng)氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行推力波動(dòng)性能測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)整體采用閉式氣浮導(dǎo)軌，基于氣體潤(rùn)滑技術(shù)使得其運(yùn)行過程中具有較高的直線度要求，可以達(dá)到精密直線運(yùn)動(dòng)的目的。以氣缸作為加載克服了旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠引入的轉(zhuǎn)矩誤差，提高了推力波動(dòng)整體測(cè)量的精度。通過有限元仿真軟件對(duì)其靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)干涉檢查，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的PMSLM推力波動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，對(duì)PMSLM推力波動(dòng)測(cè)試的相關(guān)研究提供了新指導(dǎo)。