CN114352637A - 一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，属机械制造领域。该装置采用电磁场磁力线的密度和方向变化控制作用到机床导轨面上正压力的大小。导轨运动时，把作用到承载导轨面上的正压力，大部分甚至完全卸载，使导轨面间少有甚至没有摩擦力。而当运动件减速定位时，也可使承载导轨面上的正压力增大，增加减速阻尼，提高运动件的定位精度。两组电磁场相互吸引时，可使导轨面上的正压力减小甚至到零。当两组电磁场相互排斥时，导轨面上的正压力加大，增加摩擦阻尼。传感器用来测量作用到工作台上的力，用传感器的输出信号智能控制通入电磁铁的电流强度和方向。

Description

一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置

技术领域

本发明涉及一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，属机械制造领域。

背景技术

现在机床上常用的导轨有滑动导轨、流体静压导轨和滚动导轨。

滑动导轨，导轨面间有较大的摩擦，正压力越大摩擦越大，摩擦阻力较大。由于动、静摩擦系数不同，因而低速有爬行现象，影响加工精度。由于有摩擦，不能高速运行，发热大，定位精度不高。但，滑动导轨刚度高。贴塑料导轨的摩擦系数较小，是滑动导轨中最好的一种。

静压导轨，摩擦系数小，但技术难度大；价格高，应用场合受限。

滚动导轨摩擦系数小，目前应用较多，但有以下几个缺点：

(1)刚度较低，承受载荷受限，大、重型机床难以应用。

(2)高速时滚动体对回珠器的冲击很大，限制了最高速度。滚动体都有陀螺效应，高速时滚动体的陀螺效应给工作台变速造成影响，增加摩擦，影响工作台定位精度。

(3)工作台减速刹车时摩擦阻尼很小，无法平衡工作台的惯性力。

(4)需要高硬度的材料制作，加工精度高，成本较高。

以上几种导轨各有优缺点，但都不很理想，静压导轨和滚动导轨是为减小摩擦而出现的，虽然摩擦系数小了，但也没有摩擦阻尼，减速时不能平衡惯性力。如果有一种导轨，运动时无摩擦，减速定位时能提供精准的减速阻尼，又有足够的刚度，那是很理想的。运动时导轨摩擦是有害的，但在减速和静止时，导轨是需要有摩擦的，有时需要摩擦力大些，有时需要摩擦力小些。

因此，需要一种能够智能控制作用到导轨面上正压力装置，根据导轨摩擦的需要实现导轨上的摩擦力大小和方向的智能控制。

发明内容

本发明提供一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，该装置可使导轨副接触面上的正压力接近零，最大限度的消除导轨摩擦。而当运动件减速定位需要阻尼时，可智能精准调整导轨的正压力，使运动件精准定位、夹紧。其目的是：

(1)使导轨运动副的摩擦力可智能控制，最小摩擦力可接近零；

(2)工作台减速时可根据移动部件的质量和减速距离对运动副提供精准的阻尼和夹紧力；

(3)使导轨保持高刚度，在工作台受力变化的工况下导轨面有足够的刚度；

(4)提高进给速度；

(5)提高工作台的定位精度；

(6)解决目前应用滚动导轨、静压导轨存在的技术问题；

(7)提高数控机床的加工精度、进给速度、机床导轨的使用寿命，降低成本。

为解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，包括两组的电磁铁、磁体、导磁板、卸载板和传感器；

所述的导磁板和卸载板组成左右两组封闭的磁场空间，每组磁场空间可以有一组磁场回路，也可以有两组磁场回路；两个导磁板分别固定在床身的左右两侧，两个卸载板分别固定在承载工作台的左右两侧，每侧的导磁板和卸载板之间形成的磁场空间用于放置电磁铁和磁体。对于每一组磁场空间有一组电磁回路结构的，所述的磁体为永磁铁或有导线缠绕的电磁铁。电磁铁固定在卸载板上，磁体固定在导磁板上，形成一个磁场空间，且同一侧的电磁铁和磁体的磁力线中心线对齐；左侧磁体和右侧磁体的磁力线分别与左侧电磁铁和右侧电磁铁的磁力线方向平行，中心线对齐；左右两个电磁铁可分别通正反电流，产生S或N极磁力；对于每一组磁场空间有两组电磁回路结构的，所述的磁体为有导线缠绕的电磁铁。所述的卸载板，其上设有支臂，将导磁板和卸载板之间形成的空间分为两部分，支臂的上下面上装有两组电磁铁，装到床身上的导磁板为高导磁材料，从而形成上下两个独立的磁场空间。两个传感器分别安装在左右两个移动导轨面的上方，且位于承载工作台与导轨面之间，用于测量作用在导轨面上的正压力。

当移动导轨与导轨台一体时，导轨台的上面还有一个承载工作台，导轨台与承载工作台之间装有传感器。

当导轨为闭式导轨时，所述的装置还包括两个压板，用于提供反向支撑。

本发明的有益效果：

(1)本发明可以实现智能控制作用到导轨面上正压力。

(2)本发明通过电磁力智能控制作用到导轨面上正压力，通过传感器的数值，控制电磁力大小和方向，控制导轨上的正压力，从而控制摩擦。当导轨不需要摩擦时，卸荷工作台上的重量，减小导轨面正压力，减小摩擦力。若完全卸荷，可使摩擦力很小，甚至接近零。当承载工作台减速定位时，导轨要有阻尼，需要有摩擦，根据运动件惯性力大小，使导轨面有大小合适的摩擦力。

(3)本发明装置对导轨面的要求不高，结构简单，成本较低，动静两导轨面要保持接触，不产生悬浮，保持导轨的高刚度。

(4)本发明能够根据导轨摩擦的需要实现摩擦力大小的智能控制。

附图说明

图1是本发明装置安装到导轨、床身以及承载工作台上时的结构剖面图；

图2是本发明装置的另一种结构剖面示意图。

图中：1第一压板；2第一电磁铁；3第一磁体；4第一导磁板；5第一卸载板；6第一支撑导轨面；7第一传感器；8第一导轨块；9床身；10承载工作台；11驱动装置；12第二导轨块；13第二支撑导轨面；14第二传感器；15第二卸载板；16光栅尺；17第二导磁板；18第二磁体；19第二电磁铁；20第二压板；5a第一支臂；15a第二支臂。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明装置安装到导轨、床身以及承载工作台上时的结构如图1、图2所示。图1是每组磁场空间有一组磁场回路结构，卸载板的下面有与导轨运动方向平行的一个安装面，在这个安装面上装有电磁铁，电磁铁的磁力线与导轨上的正压力平行；导磁板上有一个与导轨运动方向相平行的安装面，安装面上装有永磁体或电磁铁，与卸载板上的电磁铁形成一个封闭的磁场回路。其磁力线与卸载板上的电磁铁磁力线平行且对齐，也与导轨面上的正压力平行。主要由两组左右对称的部件组成，左侧部件包括第一电磁铁2、第一磁体3、第一导磁板4、第一卸载板5和第一传感器7；右侧部件包括第二传感器14、第二卸载板15、第二导磁板17、第二磁体18和第二电磁铁19。第一电磁铁2和第二电磁铁19分别固定在第一卸载板5和第二卸载板15上。第一卸载板5和第二卸载板15分别固定在承载工作台10的左右两侧，随承载工作台10一起移动。第一电磁铁2和第二电磁铁19可分别通正反电流，产生S或N极磁力，第一磁体3、第二磁体18在这里是永磁铁或电磁铁，分别固定在第一导磁板4、第二导磁板17上，第一导磁板4和第二导磁板17分别固定在床身9的左、右两侧，不运动，第一导磁板4和第二导磁板17的定位面与导轨面平行，用来承载电磁力。第一磁体3、第二磁体18的磁力线分别与第一电磁铁2和第二电磁铁19的磁力线方向平行，中心线对齐，且与第一支撑导轨面6、第二支撑导轨面13上的正压力垂直分力方向平行。第一电磁铁2和第二电磁铁19与第一磁体3、第二磁体18分别形成两个封闭的电磁回路空间K₁、K₂，且磁力线不外泄。第一电磁铁2和第一磁体3以及第二电磁铁19和第二磁体18可以相互吸引，也可以相互排斥。

测量压力的第一传感器7、第二传感器14装在第一导轨块8和第二导轨块12的上表面，可以测量承载工作台10上重量，当工作台所受的垂直分力发生变化时能够发出信号，用来控制电磁铁线圈电流的大小，因而控制了第一支撑导轨面6、第二支撑导轨面13上的正压力大小。当第一导轨块8和第二导轨块12运动时，使作用到第一支撑导轨面6、第二支撑导轨面13上的正压力接近零。当承载工作台10减速定位时提供反向力，增加摩擦力，提供减速阻尼。承载工作台10需要固定不动时，提供夹紧力。

第一导轨块8所对应的第一支撑导轨面6、第二导轨块12所对应的第二支撑导轨面13可以是V—平组合，平—平组合或V—V组合，V型导轨也可是上凸的。驱动装置11安装在承载工作台10的底部，可是直线电机，也可是滚珠丝杠，光栅尺16安装在床身9的侧面，用来测量承载工作台10的移动距离。

图2所示，是另外一种结构，是控制磁场的另一种布置形式，是每组磁场空间可形成上下两组磁场回路，可分别产生向上、向下两个不同方向的电磁力。导磁板由磁阻小的材料制造。平面上没有电磁铁或永磁铁。具体如下：图2中的第一磁体3和第二磁体18是电磁铁，只利用它的电磁吸引力。第一卸载板5和第二卸载板15上分别设有与导轨运动方向平行的第一支臂5a和第二支臂15a，第一电磁铁2、第一磁体3分别装在第一支臂5a的下表面和上表面上；与第一导磁板4形成上下两个磁场回路，上面的磁场回路产生的电磁力方向为A，下面的磁场回路产生的电磁力方向为B，A方向的电磁力是卸载第一支撑导轨面6上的正压力，B方向的电磁力是加大第一支撑导轨面6上的正压力，产生摩擦阻尼；第二磁体18和第二电磁铁19分别装在第二支臂15a的上表面和下表面上，与第二导磁板17形成上下两个磁场回路，上面的磁场回路产生的电磁力方向为A₁，下面的磁场回路产生的电磁力方向为B₁，A₁方向的电磁力是卸载第二支撑导轨面13上的正压力，B₁方向的电磁力是加大第二支撑导轨面13上的正压力，产生摩擦阻尼。装到第一卸载板5上的第一电磁铁2和第一磁体3以及装到第二卸载板15上的第二电磁铁19和第二磁体18都与承载工作台10一起运动。第一导磁板4和第二导磁板17是导磁材料好的铁质钢板，与第一电磁铁2、第一磁体3、第二磁体18和第二电磁铁19留有合理的气隙，是磁力线的回路。控制这些电磁铁线圈电流可以控制电磁吸力A、B、A₁、B₁的大小。因而可以控制第一支撑导轨面6和第二支撑导轨面13上的摩擦力大小。

在图2中，第一导轨块8和第二导轨块12与导轨台为一体，这时导轨台的编号为8，导轨台的上面还有一个承载工作台10，导轨台与承载工作台之间装有传感器。

对于闭式导轨，应设有压板，第一压板1、第二压板20分别装到第一卸载板5、第二卸载板15上，随承载工作台10一起移动，其上表面与固定在床身9上的第一导磁板4和第二导磁板17的下表面留有百分之几毫米的间隙。对于开式导轨不需要压板。

根据运动部件的质量、速度、摩擦系数和刹车距离可计算出所需的正压力Fn大小。控制Fn的大小，就能进行精准刹车定位。本发明的装置可以智能控制导轨的有无摩擦，及刹车定位时所需的摩擦力大小，可提高机床的加工及定位精度。

工作原理：

在承载工作台10上，在移动过程中运动部件的运动特征有加速运动阶段、匀速运动阶段和减速定位阶段。加速运动阶段和匀速运动阶段要求导轨无摩擦；减速定位阶段要求导轨有精准的摩擦阻尼。减速距离与进给插补速度有关。每一段加工程序都有插补计算、加减速处理、终点判别计算，并在到达指令终点前给出减速距离S。可以根据减速距离S，由公式Fn＝(mv²)/(2μS)计算出导轨需要的正压力Fn，再根据这个Fn值，控制第一电磁铁2、第一磁体3、第二磁体18和第二电磁铁19中线圈的电流，使导轨产生精准的摩擦力，使工作台精准减速定位。

根据第一传感器7、第二传感器14测得的数据，经过计算机处理可得到控制电磁铁电流的控制值，控制第一支撑导轨面6、第二支撑导轨面13上的摩擦力的大小。

在多坐标联动的数控机床中，每个坐标方向都有导轨，在多坐标联动时，多个坐标方向的导轨都要按着程序控制运动，每个坐标方向都有终点判别和减速距离，所以，每个坐标方向的导轨都可精准减速定位。

由于本发明的导轨的定位精度提高，使机床的加工精度得以提高；由于导轨运动时摩擦接近零，使其进给速度可提高很多，从而使数控机床的性能得以提高。

虽然，数控加工程序中有加减速处理功能，但并没有考虑运动件的质量变化使惯性力发生变化问题，定位精度仍然受惯性力影响。本发明装置可以实现导轨摩擦的智能控制，能够进一步提高运动件的定位精度。

Claims (3)

1.一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，其特征在于，所述的装置包括两组的电磁铁、磁体、导磁板、卸载板和传感器；

所述的导磁板和卸载板组成左右两组封闭的磁场空间，每组磁场空间有一组或两组磁场回路；两个导磁板分别固定在床身的左右两侧，两个卸载板分别固定在承载工作台的左右两侧，每侧的导磁板和卸载板之间形成的磁场空间用于放置电磁铁和磁体；对于每一组磁场空间有一组电磁回路结构的，所述的磁体为永磁铁或有导线缠绕的电磁铁，电磁铁固定在卸载板上，磁体固定在导磁板上，形成一个磁场空间，且同一侧的电磁铁和磁体的磁力线中心线对齐；左侧磁体和右侧磁体的磁力线分别与左侧电磁铁和右侧电磁铁的磁力线方向平行，中心线对齐；左右两个电磁铁分别通正反电流，产生S或N极磁力；对于每一组磁场空间有两组电磁回路结构的，所述的磁体为有导线缠绕的电磁铁；所述的卸载板，其上设有支臂，将导磁板和卸载板之间形成的空间分为两部分，支臂的上下面上装有两组电磁铁，装到床身上的导磁板为高导磁材料，从而形成上下两个独立的磁场空间；两个传感器分别安装在左右两个移动导轨面的上方，且位于承载工作台与导轨面之间，用于测量作用在导轨面上的正压力。

2.根据权利要求1所述的一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，其特征在于，当移动导轨与导轨台一体时，导轨台的上面还有一个承载工作台，导轨台与承载工作台之间装有传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用电磁力智能控制作用到导轨面上正压力的装置，其特征在于，当导轨为闭式导轨时，所述的装置还包括两个压板，用于提供反向支撑。

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