一種基于磁懸浮的超精密加工新導(dǎo)軌技術(shù)

作者Per Schreiber，漢諾威萊布尼茨大學(xué)生產(chǎn)工程和機床研究所 (IFW)

超精密加工廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、光學(xué)、計量和微電子機械系統(tǒng)等領(lǐng)域，在其中發(fā)揮著重要作用。用于以亞微米精度移動機器部件和工件的導(dǎo)軌技術(shù)對加工過程的整體準(zhǔn)確度和速度具有重大影響。最常用的兩種導(dǎo)軌技術(shù) - 靜液壓驅(qū)動和空氣靜壓驅(qū)動 - 可提供平穩(wěn)的運動和抑制振動的阻尼。然而，實現(xiàn)和維護這些導(dǎo)軌可能既昂貴又復(fù)雜，尤其是對于需要多個自由度的應(yīng)用更是如此。

在漢諾威萊布尼茨大學(xué)生產(chǎn)工程和機床研究所，我和同事們實現(xiàn)了一種基于磁懸浮的超精密加工新導(dǎo)軌技術(shù)。這種方法既能克服現(xiàn)有導(dǎo)軌技術(shù)的一些缺點，又能保持極高的精度。電磁懸浮導(dǎo)軌支持額外的自由度和主動減振，可以提高生產(chǎn)速度，從而使超精密加工工作效率的顯著提高成為可能。我們使用原型加工了一個鋁制工件，切削深度從 3 微米到 7 微米不等，表面粗糙度小于 45 納米 Sa（圖 1）。我們使用了基于模型的設(shè)計來構(gòu)建實現(xiàn)這種精度所需的實時控制系統(tǒng)，即先在 Simulink? 中對系統(tǒng)進行建模和仿真，然后使用 Simulink PLC Coder? 生成 IEC 61131-3 結(jié)構(gòu)化文本以部署在 Beckhoff? 工控機上。此工作流不僅使我們能夠加快開發(fā)速度，還最大限度地減少了繁瑣耗時的手動編碼結(jié)構(gòu)化文本的工作量。

圖 1. 采用電磁懸浮導(dǎo)軌技術(shù)加工的鋁制工件。

使用磁懸浮的軸控制

為了證明在超精密切削中應(yīng)用懸浮技術(shù)的可行性，我們設(shè)計并制造了原型。該原型包括完整的三軸超精密銑床的所有相關(guān)功能。與單軸導(dǎo)軌原型相比，我們可以在實際超精密切削過程中評估此導(dǎo)軌技術(shù)。我們的原型系統(tǒng)設(shè)計包括三個宏觀層面的軸（x、y 和 z）以及五個額外的精細(xì)定位自由度 (DoF)（圖 2）。這些額外的自由度由電磁懸浮導(dǎo)軌管理，支持更精確的 x 軸和 z 軸定位以及旋轉(zhuǎn)定位（滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn)）。在加工過程中，宏觀軸 x 和 z 提供進給運動，y 軸用于預(yù)調(diào)整主軸和刀具位置。用線性編碼器測量沿這些軸的位置。

圖 2. 超精密加工原型：左側(cè)顯示大尺寸定位軸（x、y 和 z 軸），右側(cè)顯示使用電磁作動器的小尺寸定位。

12 個電磁作動器用于懸浮工件，12 個電容傳感器用于測量工件滑塊和每個電磁體之間的間隙距離，它們共同實現(xiàn)了精確定位控制。滑塊在六個自由度中的姿態(tài)是根據(jù)這些測量值得出的。

控制架構(gòu)同樣是圍繞著原型的宏觀層面和精細(xì)定位層面進行組織的。一個控制子系統(tǒng)專用于主要的 x 軸、y 軸和 z 軸，另一個子系統(tǒng)用于電磁懸浮系統(tǒng)（圖 3）。我們?yōu)樵瓦x擇的 Beckhoff 工控機支持的最大采樣率為 20 kHz。此控制器以此采樣率運行，負(fù)責(zé)管理超精密定位，并通過電磁體保持足夠的反向力，使刀具能夠切削工件。

圖 3. 原型控制架構(gòu)。

控制器的建模與仿真

我們在 Simulink 中對宏觀層面控制系統(tǒng)和精細(xì)定位控制系統(tǒng)進行建模。宏觀層面的系統(tǒng)相對簡單。它基于具有比例積分控制器的級聯(lián)控制回路，會根據(jù)來自 x 軸、y 軸和 z 軸編碼器的位置和速度測量值輸出電流設(shè)定值（圖 4）。

圖 4. z 軸宏觀層面控制器的 Simulink 模型。

五個自由度中的每個自由度在精細(xì)定位控制系統(tǒng)中都有一個對應(yīng)的比例-積分-導(dǎo)數(shù) (PID) 控制器。此控制器根據(jù)原型的 12 個電容傳感器的輸入計算電磁體的電流設(shè)定值。由于開環(huán)狀態(tài)下的電磁懸浮在本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，因此在硬件上測試之前需要進行仿真以確定初始控制參數(shù)集。在準(zhǔn)備過程中，我們創(chuàng)建了被控對象模型。該模型可捕獲電容傳感器的特性、傳輸延遲、電流與電磁鐵和工件之間間隙的非線性關(guān)系及其他效應(yīng)。我們在 Simulink 中使用控制器和被控對象模型進行了大量閉環(huán)仿真，以評估控制系統(tǒng)的穩(wěn)健性，并在工作過程中執(zhí)行多項改進以提高性能。

生成結(jié)構(gòu)化文本并測試原型

在通過仿真驗證控制設(shè)計后，我們使用 Simulink PLC Coder 從 Simulink 模型中生成了 IEC 61131-3 結(jié)構(gòu)化文本。然后，我們導(dǎo)入、編譯控制應(yīng)用程序并將其部署到與硬件原型的傳感器和作動器相連的 Beckhoff 工控機上。我們一開始的測試看起來很有希望，但不出所料，我們需要調(diào)整精細(xì)定位控制器中的一些參數(shù)以提高性能。這些調(diào)整需要考慮電磁體特性的制造差異（這會影響背鐵處磁體之間約 200 微米的間隙）以及機器裝配中的其他容差。在模型中進行必要的更改并通過仿真進行驗證后，我們從模型中重新生成了結(jié)構(gòu)化文本，并執(zhí)行進一步測試以驗證原型的超精密加工能力。

下一代改進

基于模型的設(shè)計有助于實現(xiàn)我們的最初目標(biāo)：展示首創(chuàng)使用磁懸浮導(dǎo)軌進行超精密加工的全功能原型。在開發(fā)下一代原型時，我們將繼續(xù)使用 Simulink 和 Simulink PLC Coder 進行建模、仿真和代碼生成。除了諸多改進外，我們還在這個新機器中集成了六自由度光學(xué)位置傳感器，用以取代電容式間隙傳感器。由于這些傳感器都不太容易受到電磁噪聲的影響，我們預(yù)計此項變更將進一步提高新一代機器的精度。