【《直线电机精密气浮平台系统的总体设计案例》3100字】

直线电机精密气浮平台系统的总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13821直线电机精密气浮平台系统的总体设计案例 1229281.1系统总体技术指标 1155241.2系统总体技术方案 183671.2.1执行器类型选择 1104111.2.2控制系统类型选择 383341.2.3位移传感器类型选择 4176141.2.4气浮平台技术简介 4169031.2.5系统总体技术方案 41.1系统总体技术指标根据实际应用需求，本课题设计的运动系统性能指标如下：系统指挥定位精度：系统最大加速度：5g。(3)系统最大速度：2m/s。(4)最大行程（mm）：(5)最大负载：30kg(6)反馈原件：激光尺1.2系统总体技术方案1.2.1执行器类型选择系统要求执行器具有控制精度高，反应速度快的特点。比较直线电机与传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统虽然都可以实现直线运动，但在高精度，高运动特性的要求下，直线电机相比传统的旋转驱动系统更具有优势。直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。除此之外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。直线电机原理：直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，如图1.1所示：（a）沿径向剖开（b）把圆周展成直线图1.1直线电机的转变过程由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机的原理并不复杂．设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机动子的，叫次级．初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。直线电机相比传统旋转驱动+滚珠丝杠的优势：(1)高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等)，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。(2)精度。直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。(3)动刚度高。由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。(4)速度快、加减速过程短。由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g(g=9.8m/s2)，而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。(5)行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。(6)运动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。(7)效率高。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。综上所述，基于直线电机相比旋转电机的优越性，且对本系统高精度，高加速度，高运动特性的要求而言，故采用直线电机是一种理想的结果。1.2.2控制系统类型选择目前，机电控制系统依据控制器的不同可分为基于PC的控制系统，基于微处理器的控制系统，基于PLC的控制系统。1)基于PC的控制系统由工业控制计算机和工业过程接口两大部分组成，包括硬件与软件，该系统具有以下优点：1.具有完善的输入输出通道，可使计算机有效的发挥其控制功能；1.可靠性高，对环境适应能力强，满足现场要求；3.人机交互方便，画面丰富，可实时在线检测与控制；4.运算速度快，运算能力强。能实现复杂控制；5.与普通PC的软、硬件兼容好，可充分利用普通PC的软硬件资源，支持各种操作系统，多种编程语言，多任务操作系统，控制系统的软件部分不仅可以自行开发，也有工业组态软件供选用。主要应用于规模复杂、计算量大且较困难、实时性要求高的环境下2)基于微处理器的控制系统，具有性价比高和易于嵌入的优势，但其交互性差、运算能力不强，通常用在功能要求不太复杂、成本要求高或要求嵌入的场合。3)基于PLC的控制系统，具有性价比高、稳定性好、模块化结构、使用方便等特点，广泛应用于功能要求不高，工作环境恶劣的场合。在上述三种控制系统中基于PC的开放式数控系统是20世纪90年代开始发展的新型数据系统，是计算机软硬件技术、信息技术、控制技术融合的数控技术产物。数控行业发展的大方向。它直接将数控平台构筑于PC微机软硬件基础之上，使系统开发简单，性能可靠，是实现高速、高精度、高效的现代加工制造系统的重要组成部分，具有广泛的工程实践价值。基于PC的开放式数控系统大致分为三类:第一类是“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行于非实时控制，CNC主要运行于以坐标轴运动为主的实时控制；第二类是“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统，把运动智能板插入PC机的ISA标准插槽或者PCI标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制用；第三类是纯PC型开放数控系统，其开放功能完全由软件实现。由于课题研究的机电一体化系统主要应用于先进电子制造设备等精密定位领域，系统要完成精密控制，准确定位，并要求具有很好的可靠性。故课题选用基于PC的开放式数控系统，并采用其中的“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统类型。1.2.3位移传感器类型选择位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。在此光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种大位移传感器，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅低，目前光栅发展速度最快，技术性能最高，市场占有率最高，另外光栅传感器还具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。本文所研制的为精密定位系统，要求系统平台所要达到的精度为0.3μm，这样测量的精度就要高出一个数量级，对检测反馈装置的测量精度提出高要求。同时系统的运动行程为mm，需要选择测量范围大的大位移传感器。基于上述位移传感器的发展现状和系统需求，选用光栅作为系统的检测装置是一种最合适的选择。1.2.4气浮平台技术简介气浮平台是一种新型的超精密运动机构，它是基于气浮支承和电磁直接驱动的定位工作台。研究证明，在非气浮状态，定位平台的运动部件间存在间隙和摩擦力，严重影响了平台运动的定位精度。然而在气浮状态下，平台的运动部件间充满了压缩空气，虽然运动部件间仍然存在间隙，但是气浮支承所产生的气浮刚度使运动部件间具有了可靠的柔性连接，维持了较好的运动平稳性和良好的试验重复性。同时运动部件间不存在直接接触性摩擦，由于气体粘度小，其摩擦阻力可以忽略，平