毕业论文-数控机床用直线电机的设计与研究Word文档格式.doc

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2.2.2磁路设计基本原理 11

2.2.3磁路的简单计算 14

2.3改进型直线电机的结构设计与分析 17

2.3.1线圈及线圈骨架的设计 18

2.3.2骨架支承的设计和连接 18

2.3.3弹性支承的设计及刚度计算 19

2.4直线测速发电机的设计 21

2.5小结 23

第三章直线电机的建模及仿真 24

3.1直线电机在SOLIDWORKS软件中的建模 24

3.1.1SolidWorks软件简介 24

3.1.2用SolidWorks软件进行建模 24

3.2对建立的模型在ADAMS软件中进行动作仿真 31

3.2.1ADAMS的简介 31

3.2.2动作仿真过程 31

第四章动态切削力和板状弹簧的有限元分析 33

4.1引言 33

4.2有限元软件ANSYS介绍 33

4.2.1ANSYS的模块介绍 33

4.2.2ANSYS软件提供的分析类型 35

4.2.3ANSYS计算分析的载荷 36

4.3非圆车削动态切削力的有限元分析 37

4.3.1基于ANSYS的动态切削力分析 37

4.3.2直线电机板状弹簧刚度的有限元分析 37

第五章直线电机电磁场有限元分析 41

5.1电磁场的有限单元法 41

5.1.1基本方程 41

5.1.2位函数及边界条件 41

5.1.3有限元法的求解 43

5.2电磁力计算方法 43

5.2.1电磁场的虚功法 44

5.2.2电磁场的MAXWELL张量法 44

5.3ANSYS有限元建模 45

5.4求解及后处理 46

5.5磁路ANSYS计算程序（APDL命令流） 47

5.6小结 55

第六章直线电机的改进 56

6.1现有非圆车削系统存在的问题 56

6.2补偿方法和改进建议 56

6.2.1针对动态切削力和干扰信号的补偿方法 56

6.2.2针对系统阻尼小的改进建议 58

6.3小结 62

第七章总结和展望 63

致谢 64

参考文献 65

摘要

论文所研究的直线电机是应用于数控非圆车削系统中的。

数控非圆车削是一种高精度车削加工技术。

工业计算机控制微进给机构，驱动刀具按照预先设计的参考输入轨迹沿被加工零件径向作高频率往复运动，从而车削加工出具有非圆横截面形状的零件。

论文首先介绍了直线电机的发展历史和分类，分析了永磁伺服直线电动机的工作原理。

建立了直线电机的数学模型。

为了寻找影响直线电机综合性能的关键参数、获得改进设计的突破点，本文对直线电机添加位置反馈控制、PID控制、速度反馈控制等方案，利用MATLAB数值分析软件对上述控制过程进行了仿真计算。

通过仿真，获得了影响直线电机性能的重要因素，改进设计将从这些影响因素出发来提高直线电机的综合性能。

本论文对弹性支承直线电机的机械结构和永磁体磁路作了全面地分析。

通过对原直线电机磁路进行分析、计算，指出该磁路中存在漏磁通大、工作气隙处磁感应强度太小等缺点。

针对这些缺点提出了改进方案，并且通过磁路的计算对比，证实了改进后的磁路有效的减小了漏磁、提高了工作气隙处磁感应强度。

为了减轻动子质量，对线圈、线圈骨架和骨架支撑的结构做了重要改进。

为了提高弹性支承直线电机的静态刚度，使用了有限元计算软件MARC事先对弹性支承进行分析，在保证刚度的同时确定了合理的结构尺寸。

为了提高系统的阻尼，设计了直线测速传感器。

论文还介绍了直线电机装配过程中遇到的问题和解决方法，这些问题关系到直线电机能否正常工作，是装配过程中的关键。

通过试验获得了直线电机的各项性能参数。

论文最后总结了完成的工作以及取得的成果，对弹性支承直线电机的发展作了展望，为今后进一步改进设计提出了建议，这些建议对以后的设计工作有一定的指导意义。

关键词：

直线电机，数控非圆车削，计算机仿真,磁路设计

Abstract

Thelinearmotorstudiedinthisdissertationisappliedtonumericallycontrolled,non-circularmachining,whichisprovidedwithahighprecisionturningtechnology.Thelinearmotor,controlledbyindustrialcomputer,drivesthecuttertooscillateatahighfrequencyalongthepre-determinedreferenceinputpathperpendiculartothespinningaxisofthemachinedworkpiece,andgenerateaworkpiecewithnon-circularshapedcross-sections.

Thehistoryandclassificationoflinearmotorwasfirstmentionedinthisdissertation,also,theprincipleofpermanent-magnetservolinearmotorwasintroduced.Mathematicalmodeloflinearmotorwasconstructed.Positionfeedbackcontrol,PIDcontrol,velocityfeedbackcontrolwereanalyzedinordertofindoutthekey-parameterswhichaffectedthegeneralperformanceoflinearmotor,andtofindtheentranceofredesign.MATLABwasusedtogetthesimulationoftheabovecontrolprocesses.Throughsimulationanalysis,key-parameterswerefound.Baseonthese,thetaskofredesigninglinearmotorwasreified,andbyimprovingthese,theperformanceoflinearmotorcanbeenhanced.

Inthedissertation,thestructureoflinearmotorandthemagnetism-loopofpermanentmagnetwerecomprehensivelyanalyzed.Throughtheanalysisandcomputationsofmagnetism-loopofpreviouslinearmotor,thebigleakagefluxandthesmallactualairgapfluxdensitywerepointedout.Byimprovingtheseshortcomings,amelioratedesignwasgiven.Continuewiththeanalysisandcomputationsofamelioratedesign,itvalidatedthattheleakagefluxwasreducedandtheairgapfluxdensitywasenhancedexactly.Inordertoreducemassofthemover,thestructureofcoin,coinframeworkandthesupportofframeworkwereredesigned.Inordertoenhancethestiffnessofthelinearmotor,thesoftwareoffiniteelementcomputation,MARC,wasusedtocomputethestiffness,andthenthelogicalstructuredimensionwasgiven.Inordertoenhancethesystemdamp,linearspeedsensorwasdesigned.Basedonallofthese,thedesignschemeanddetaileddrawingofthenewversionlinearmotorwasputforward.

Theproblemsoccurredduringtheprocessofassemblyoflinearmotorandit’sresolventwerementionedinthisdissertation.Solvingtheseproblemswassoimportantthatitdetermineswhetherthelinearmotorcouldworknormally.Theparameteroflinearmotorwasgainedthroughtest.Furthermore,intheendofthisdissertation,thetaskfinishedandtheharvestobtainedweresummarized,alsothefollowingimprovingviewofthelinearmotorwasmentioned.Someadvicesweregiven,whichwasgatheredfrompracticaltask,couldbehelpfulinfuture.

Keywords:

LinearMotor,NumericallyControlledNon-circularMachining,ComputerSimulation，Magnetism-loopDesign

67

第一章绪论

1.1直线电机的发展

直线电机的历史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略现雏形的直线电机，其后的160多年中直线电机经历了探索实验、开发应用和使用商品化三个时期。

1971年至目前，直线电机终于进入独立应用的时期，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、各种电动门、电动窗等。

利用直线电机驱动的磁悬浮列车，速度已超过500km/h，接近了航空飞行的速度。

我国的直线电机的研究和应用是从20世纪70年代初开始的。

目前主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机等。

我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大的差距。

目前，国内不少研究单位已注意到这一点

1.2直线电机在数控机床上应用的现状

近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热门，其原因是：

为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到40～50m/min以上。

传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅为3m/s2。

直线电机驱动工作台，其速度是传统传动方式的30倍，加速度是传统传动方式的10倍，最大可达10g；

刚度提高了7倍；

直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区；

由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。

1993年，德国ZxCell-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台HSC-240型高速加工中心，机床主轴最高速达到24000r/min，最大进给速度为60n/min，加速度达到1g，当进给速度为20m/min时，其轮廓精度可达0.004mm。

美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000r/min，最大进给速度为75.20m/min。

1996年开始，日本相继研制成功采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床、高速成形机床等[1]。

我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学生产工程研究所设计了用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机[2]。

2001年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床，2003年第8届中国国际机床展览会上，展出北京电院高技术股份公司推出的VS1250直线电机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达15000r/min。

1.3直线电机的工作原理

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。

它可以看成是将一台旋转电机沿径向剖开，并展成平面而成，如图1-2所示。

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。

转子

定子

次级

初级

图1-1由旋转电机演变为直线电机的过程

图1-2b直线电机的基本工作原理1-初级2-次级3-行波磁场

图1-2a旋转电机的工作原理1-定子2-转子3-磁场方向

将图1－2a所示的旋转电机在顶上沿径向展开，并将圆周拉直，变得到了图1－2b所示的直线电机。

在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。

当不考虑绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。

当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。

当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A，B，C相序沿直线移动。

这个原理与旋转电机的相似，两者的差异是：

这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。

显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为（m/s），称为同步速度，且

（1.1）

1.4本文的研究内容与意义

1.4.1本文的主要研究内容

本文研究的是数控非圆车削系统的直线微进给机构—伺服永磁直线电动机。

直线电机采用永磁体励磁，电机内部的电磁场分布较为复杂，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差，为保证计算的准确，拟采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。

应用有限元法进行数值分析，需对有限元法熟炼掌握，编制计算程序，工作繁锁且精度不高，后处理能力有限。

ANSYS是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，该软件融结构、热、电磁、流体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具有极为强大的前、后处理功能。

具体到电机设计上，无论任何结构、任何形式的永磁电机，只要将其模型输入ANSYS就可进行求解，通过后处理得到磁密分布、磁场分布、磁场强度分布、电磁力分布及转矩分布的彩色云图和单元列表，非常直观明了并且计算精度很高。

因此本课题采用ANSYS对直线电机进行有限元分析。

（1）采用三维参数化设计软件Solidworks对直线电机动子建模，并建立Solidworks和ANSYS之间的图形接口，把直线电机动子模型导入ANSYS，对非圆车削过程中动子（尤其是刀架）受到动态切削力进行分析，由应力应变图分析动子结构上的缺陷并提出改进建议；

（2）在ANSYS中直接建立直线电机板状弹簧的模型，对板状弹簧的刚度进行分析，通过计算得出动子位移，从而判断其结构尺寸是否满足设计要求，准确地确定其结构参数，克服过去设计的盲目性，缩短设计周期；

（3）电机内部的电磁场分布较为复杂，用ANSYS对直线电机的磁回路进行分析，可以直观明了地显示磁力线分布、磁场分布、磁密分布等，为今后磁路的改进设计提供参考。

1.4.2本文的研究意义

近些年，随着我国经济的飞速发展，汽车、摩托车等越来越多地成为人们代步的交通工具，我国也成为了世界上的汽车大国，但目前这些代步工具中关键部件的国产率并不是很高或者国产零部件的性能并不十分理想。

提高国产汽车性能的关键是提高国内内燃机的制造水平。

而活塞是内燃机的重要零件，活塞与汽缸体的配合程度极大地影响着发动机的工作性能，是衡量发动机质量的重要标志。

目前国内活塞生产厂家主要采用靠模加工，加工质量低，水平落后。

而国外进口数控设备价格昂贵，一般厂家无法承受。

根据这种情况，开发非圆截面零件加工用数控车床，是符合中国内燃机行业发展及我国先进制造技术发展的实际情况，在国内必定有很大的市场。

而本课题研究的直线电机是非圆截面零件加工用数控车床的关键机构，因此分析研究直线电机对于提高我国非圆截面零件的加工水平，具有重要意义。

1.5结语

采用直线伺服电机的高速加工中心，已成为国际上各大机床制造商竞相研究和开发的关键技术和产品，并已在汽车工业和航空工业中取得初步应用和成效，作为高速加工中心的新一代直接驱动伺服执行元件，直线伺服电机技术在国内外也已经进入工业化应用阶段。

但是，国内在这方面的研究仍处于起步阶段，差距还很大，本文在直线电机的应用方面作了一些探讨，许多技术问题还有待于今后的努力.

第二章直线电机的改进设计

2.1弹性支承直线电机结构分析

图2-1原直线电机装配简图

部分高校为了填补国内活塞数控加工设备的空白，先后都开展了中凸变椭圆活塞数控加工技术及其设备的研制工作。

国防大学从1989年开始进行活塞数控车削技术的原理性试验，后来不断改进，并且与国内多家机床厂合作生产销售了几十台数控机床。

西安交通大学也开展了CNC中凸变椭圆活塞车床的研制。

清华大学是国内最先开始研究中凸变椭圆活塞数控车削技术的单位。

早在1989年，就研制出一台经济型中凸变椭圆数控车床，并且在此基础上，改进了直线电机的支承结构，研究了新的控制策略，于1996年底开发出第二代直线电机。

该直线电机采用纯弹性支承结构，提高了固有频率，增大了推力，增强了抗干扰能力。

行程1.2mm,最小分辨率0.00035mm，最高工作频率70Hz，最大推力50kgf。

这台直线电机的装配简图如图2-1所示。

该直线电机的外围尺寸为。

以下详细介绍各零部件的名称和作用。

001：

外轭铁后端；

工业纯铁；

外围方形、内部圆柱形结构；

与磁钢002有装配关系；

磁回路的一部分；

002：

磁钢；

稀土永磁材料（钕铁硼）；

整体基本呈圆筒形，内圆略带锥度；

由10块相同的磁钢块组合而形成圆筒状；

磁场源；

要求10块磁钢均沿径向进行充磁；

003：

外轭铁前端；

外形与001相似，与001配合，通过螺钉紧固安装；

004：

内铁芯；

圆柱形、靠近磁钢处有小角度圆锥，与磁钢配合；

设计锥度的目的一般被认为降低装配难度；

靠近003端与003之间存在均匀空气层（气隙），设计气隙的高度为；

由此，001、002、003、004构成磁回路，在气隙处形成相对均匀的磁场；

005：

线圈；

由聚氨酯圆铜漆包线缠绕而成；

由于气隙的体积有限，因此设计选择漆包线时，要综合考虑漆包线的线径、耐压、缠绕匝数、散热等因素；

在漆包线内通过可控制的电流，从而产生电磁力，带动执行部件工作；

006：

线圈骨架；

硬铝12；

圆筒状；

主要承载线圈；

需要一定的硬度和强度；

007：

三角架；

铸铝；

连接线圈骨架和执行元件——刀具的零件；

承受来自刀具的切削抗力和线圈的电磁力，需要较高的强度；

008：

小刀架；

装卡刀具；

009：

板状弹簧；

动子（线圈、线圈骨架等零部件）的支承作用；

同时提供机构一定的静刚度；

010：

底板；

提供大部分零件的装载、定位平台；

使得磁通路（磁场）与机床之间不直接接触，提供一定空间，减小漏磁的可能；

011：

机床上的安装平台；

直线电机位置调整台；

012：

后盖；

这种结构的存在几处比较明显的不足。

a）电机过于庞大,结构不紧凑。

永磁直线电机的突出优点之一就在于结构简单、零件少，但是在该方案中这种优点并没有得到体现。

很多零件的外形和尺寸还可以进一步改进，使机构整体更加紧凑、精巧。

b）磁回路的设计。

该电机的磁回路由001->

002->

003->

004->

组成闭合回路。

该回路由四个零件构成，但如果仔细考虑结构的可实现性，可以由三个零件构成，即把001和003合而为一。

这样可以减小漏磁通，增加气隙处磁感应强度，提高直线电机性能。

同时，原磁回路中大量使用了螺钉连接件，虽然力图通过使用铜、不锈钢材料以降低磁漏，但是终究影响了磁路的通畅。

应尽量避免螺钉连接件的大量出现。

这也是另一个将001和003合并的理由。

同时，磁回路中软磁质体积过大，并没有得到充分利用。

由于工业纯铁的饱和磁感应强度可以达到很大，因此完全有理由适当的减小铁芯和轭铁的体积，而不用担心磁饱和。

图2-2工作气隙示意图

c）磁路设计中，工作气隙部分的考虑如图2-2所示。

在原设计中，线圈绕组的宽度长于磁轭极靴的厚度。

这种设计对磁场的利用比较充分，但是线圈的利用率却很低。

可以说是依靠牺牲动子的质量来获得高的磁场利用率，这不利于电机特性的发挥。

根据要求，我们设计的目标应该首先考虑优越的控制性能，也就是对动子（线圈、线圈骨架、三角支承小刀架和刀具等，以下一律用动子代称）的控制应该力求做到更加理想。

很明显，针对这种比较典型的机电模型（具体见第二