專利名稱：一種氣體磁軸承電主軸及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣體磁軸承電主軸及針對(duì)該主軸的基于粗集理論方法的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超精密加工已經(jīng)成為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)超精密加工的首要條件是超精密數(shù)控機(jī)床。影響超精密機(jī)床精度的核心因素是主軸的回轉(zhuǎn)精度，而主軸要達(dá)到極高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)，關(guān)鍵在于所用的精密主軸的結(jié)構(gòu)與主軸的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的氣體磁軸承主軸的磁軸承均采用主動(dòng)磁軸承(例如公開(kāi)號(hào)CN 101217243 ；公開(kāi)號(hào)CN 10127240的中國(guó)專利)，相比于主動(dòng)磁軸承，混合磁懸浮軸承利用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，取代了主動(dòng)磁懸浮軸承中電磁鐵所產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，使功率損耗大大降低，減少了電磁鐵的安匝數(shù)，縮小了磁軸承體積，并且提高了磁軸承的效能。控制系統(tǒng)中的控制器設(shè)計(jì)方面，工程上多采用PID控制器對(duì)主軸進(jìn)行控制。但該方法過(guò)分依賴控制對(duì)象的模型參數(shù)，魯棒性較差，對(duì)于氣體磁軸承電主軸這類復(fù)雜且極其精密的控制，單純采用PID控制器，很難滿足系統(tǒng)精密控制的要求。而模糊控制利用人類專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于非線性、復(fù)雜對(duì)象的控制顯示了魯棒性好、控制性能高的優(yōu)點(diǎn)。但是模糊控制規(guī)則是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到，通常不夠完整且主觀性強(qiáng)，且當(dāng)輸入、輸出數(shù)目和語(yǔ)言變量劃分等級(jí)增大時(shí)，模糊控制規(guī)則數(shù)目迅速增加，給模糊控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，還會(huì)影響模糊控制的性能。粗集理論能有效分析和處理大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)隱含知識(shí)，揭示潛在的規(guī)律，特別適用于智能控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理，功耗低、體積小、重量輕、加工制造方便并能提高超精密主軸回轉(zhuǎn)精度、保證剛度的一種的新型氣體磁軸承電主軸。并針對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的主軸，設(shè)計(jì)一種具有基于粗集理論方法的氣體磁軸承電主軸模糊控制器的控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，更易于控制，主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善，能有效提高控制系統(tǒng)的性能。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是
一種氣體磁軸承電主軸，包括徑向-軸向輔助軸承、徑向位移傳感器、徑向位移傳感器支架、徑向混合磁軸承、限位套筒、高速電機(jī)、鋼筒、徑向氣體軸承、軸向止推氣體軸承、徑向輔助軸承、轉(zhuǎn)軸、前端蓋和后端蓋，其中，徑向-軸向輔助軸承采用角接觸球軸承；徑向輔助軸承采用圓柱滾子軸承；徑向位移傳感器采用電渦流傳感器，安裝在徑向位移傳感器支架上；徑向混合磁軸承為四磁極結(jié)構(gòu)磁軸承，其偏置磁通由軸向充磁的永磁體產(chǎn)生，控制磁通由通有直流電流的控制線圈產(chǎn)生；高速電機(jī)為內(nèi)置變頻電機(jī)；限位套筒用來(lái)固定主軸中各個(gè)零件在軸向的安裝位置。
針對(duì)上述氣體磁軸承電主軸，本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用的技術(shù)方案為
一種氣體磁軸承電主軸的控制系統(tǒng)，由控制器、功率放大模塊、樣機(jī)本體和位移檢測(cè)模塊組成，其中，所述控制器包括基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則在線調(diào)整下的第一 PID控制器、基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則在線調(diào)整下的第二 PID控制器和力與電流變換；所述功率放大模塊包括電流跟蹤型逆變器；所述樣機(jī)本體包括徑向混合磁軸承和轉(zhuǎn)軸前端；所述位移檢測(cè)模塊包括第一位移傳感器、第二位移傳感器和位移接口電路；所述轉(zhuǎn)軸前端的徑向位置通過(guò)電渦流第一位移傳感器、第二位移傳感器進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)出的位移信號(hào)通過(guò)所述位移接口電路處理，輸出調(diào)制后的位移輸出信號(hào)H，并與給定的參考位置信號(hào)Z、/進(jìn)行比較，得到的偏差匕、士及其變化率dex、dey通過(guò)基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則在線調(diào)整下的第一 PID控制器和模糊整定規(guī)則在線調(diào)整下的第二 PID控制器處理，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)&、4、&的大小，從而得到PID控制器輸出力信號(hào)Axx與/^，再經(jīng)過(guò)力與電流變換輸出三相電流參考信號(hào)i:、h\ i,最后經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較環(huán)節(jié)處理，由電流跟蹤型逆變器輸出三相電流h、iB> ic驅(qū)動(dòng)所述徑向混合磁軸承的線圈。在本發(fā)明中，所述的基于模糊控制的控制系統(tǒng)采用基于粗集理論方法的模糊PID控制算法。應(yīng)用粗集理論中知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)決策規(guī)則的簡(jiǎn)化方法簡(jiǎn)化原有模糊控制規(guī)則，得到粗集模糊控制規(guī)則。模糊控制中，經(jīng)過(guò)位移接口電路調(diào)制輸出的位移與參考位置信號(hào)Z，/的偏差和偏差的變化率而I，而,作為決策表中的條件屬性，決定控制器輸出力信號(hào)/^、Z7f7大小的4，4，& (PID控制器主要參數(shù))作為決策屬性。通過(guò)約簡(jiǎn)決策表，得到多個(gè)不同的約簡(jiǎn)，而每一個(gè)約簡(jiǎn)又都對(duì)應(yīng)一個(gè)決策規(guī)則，由此得到一系列&，而1，辦，與4，4，足1對(duì)應(yīng)的控制規(guī)則。通過(guò)對(duì)每條控制規(guī)則設(shè)定置信度和閥值，剔除不合格的規(guī)則設(shè)置，從而使用最少數(shù)必不可少的條件屬性便能獲得和原信息表完全相同的結(jié)果，有效地除去冗余信息知識(shí)。如果進(jìn)一步提高控制的準(zhǔn)確性與快速性，可以依據(jù)計(jì)算出的
&，dex,而，與不同控制規(guī)則的模糊貼近度，從而提取某一規(guī)則進(jìn)行控制，或者用相應(yīng)的 方法融合相應(yīng)的控制規(guī)則。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
I、傳統(tǒng)的超精密主軸由靜壓氣體軸承支承或磁軸承單獨(dú)支承，本發(fā)明采用靜壓氣體軸承和磁軸承組合形式可以達(dá)到較兩者單獨(dú)使用時(shí)更好的效果。靜壓氣體軸承可以彌補(bǔ)磁軸承承載力小的不足，磁軸承可以彌補(bǔ)靜壓氣體軸承不易控制的缺點(diǎn)，且可以實(shí)現(xiàn)更高的回轉(zhuǎn)精度。2、傳統(tǒng)的超精密電主軸的磁軸承采用主動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu),本發(fā)明采用混合磁軸承結(jié)構(gòu)，由于取消了偏置電流，減少了電磁鐵的安匝數(shù)，降低了功率放大器的功耗，減少了主軸系統(tǒng)的成本。3、針對(duì)模糊理論的“瓶頸”一模糊控制規(guī)則的確定問(wèn)題，引入了粗集理論，提出將二者結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于氣體磁軸承電主軸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)模糊控制方法相比，本發(fā)明方法是在原有模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上進(jìn)行約簡(jiǎn)，能有效地除去冗余信息知識(shí)，使控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，更易于控制，主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善，能有效提高控制系統(tǒng)的性能。


圖I為本發(fā)明一種氣體磁軸承電主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明電主軸的控制系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I所示，為本發(fā)明主軸包括徑向-軸向輔助軸承I、徑向位移傳感器2、徑向位移傳感器支架3、徑向混合磁軸承4、限位套筒5、高速電機(jī)6、鋼筒7、徑向氣體軸承8、軸向止推氣體軸承9、徑向輔助軸承10、轉(zhuǎn)軸11、前端蓋12和后端蓋13，其中，徑向-軸向輔助軸承I采用角接觸球軸承；徑向輔助軸承10采用圓柱滾子軸承；徑向位移傳感器2采用電渦流傳感器，安裝在徑向位移傳感器支架3上；徑向混合磁軸承4為四磁極結(jié)構(gòu)磁軸承，其偏置磁通由軸向充磁的永磁體產(chǎn)生，控制磁通由通有直流電流的控制線圈產(chǎn)生；高速電機(jī)6為內(nèi)置變頻電機(jī)；限位套筒5用來(lái)固定主軸中各個(gè)零件在軸向的安裝位置。如圖2所示，為針對(duì)本發(fā)明由徑向混合磁軸承4所支承的轉(zhuǎn)軸11前端的徑向二自 由度進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，由控制器(包括基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則16在線調(diào)整下的PID控制器14、基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則17在線調(diào)整下的PID控制器15、力/電流變換18)，功率放大模塊(電流跟蹤型逆變器19)，樣機(jī)本體(包括徑向混合磁軸承4、轉(zhuǎn)軸11前端)，位移檢測(cè)模塊(包括位移傳感器20、位移傳感器21、位移接口電路22)組成。所示轉(zhuǎn)軸11前端的徑向位置通過(guò)電渦流位移傳感器20、位移傳感器21進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)出的位移信號(hào)通過(guò)位移接口電路22輸出調(diào)制后的位移輸出信號(hào)n與給定的參考位置信號(hào)Z，/進(jìn)行比較，得到的偏差匕，&及其變化率V匕，而，通過(guò)基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則16和模糊整定規(guī)則17在線調(diào)整下的PID控制器14和PID控制器15處理，調(diào)整參數(shù)&，Ki, &，從而得到PID控制器輸出力信號(hào)Axr與/^，再經(jīng)過(guò)力與電流變換18輸出三相電流參考信號(hào)最后經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較環(huán)節(jié)處理，由電流跟蹤型逆變器19輸出三相電流iA、iB、ic驅(qū)動(dòng)徑向混合磁軸承4的線圈。
權(quán)利要求
1.一種氣體磁軸承電主軸，包括徑向-軸向輔助軸承(I)、徑向位移傳感器(2)、徑向位移傳感器支架(3)、徑向混合磁軸承(4)、限位套筒(5)、高速電機(jī)(6)、鋼筒(7)、徑向氣體軸承(8)、軸向止推氣體軸承(9)、徑向輔助軸承(10)、轉(zhuǎn)軸(11)、前端蓋(12)和后端蓋(13)，其特征在于徑向-軸向輔助軸承(I)采用角接觸球軸承；徑向輔助軸承(10)采用圓柱滾子軸承；徑向位移傳感器(2)采用電渦流傳感器，安裝在徑向位移傳感器支架(3)上；徑向混合磁軸承(4)為四磁極結(jié)構(gòu)磁軸承,其偏置磁通由軸向充磁的永磁體產(chǎn)生,控制磁通由通有直流電流的控制線圈產(chǎn)生；高速電機(jī)(6)為內(nèi)置變頻電機(jī)；限位套筒(5)用來(lái)固定主軸中各個(gè)零件在軸向的安裝位置。
2.一種如權(quán)利要求I所述氣體磁軸承電主軸的控制系統(tǒng)，由控制器、功率放大模塊、樣機(jī)本體和位移檢測(cè)模塊組成，其特征在于，所述控制器包括基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則(16)在線調(diào)整下的第一 PID控制器(14)、基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則(17)在線調(diào)整下的第二 PID控制器(15)和力與電流變換(18);所述功率放大模塊包括電流跟蹤型逆變器(19);所述樣機(jī)本體包括徑向混合磁軸承(4)和轉(zhuǎn)軸(11)前端；所述位移檢測(cè)模塊包括第一位移傳感器(20)、第二位移傳感器(21)和位移接口電路(22);所述轉(zhuǎn)軸(11)前端的徑向位置通過(guò)電渦流第一位移傳感器(20)、第二位移傳感器(21)進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)出的位移信號(hào)通過(guò)所述位移接口電路(22)處理，輸出調(diào)制后的位移輸出信號(hào)^ _f，并與給定的參考位置信號(hào)Z、/進(jìn)行比較，得到的偏差匕、&及其變化率dex、dey通過(guò)基于粗集理論方法的模糊整定規(guī)則(16)在線調(diào)整下的第一 PID控制器(14)和模糊整定規(guī)則(17)在線調(diào)整下的第二 PID控制器(15)處理，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)&、&、&的大小，從而得到PID控制器輸出力信號(hào)Fxx與Fyy,再經(jīng)過(guò)力與電流變換(18)輸出三相電流參考信號(hào)最后經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較環(huán)節(jié)處理，由電流跟蹤型逆變器(19)輸出三相電流iA、iB、ic驅(qū)動(dòng)所述徑向混合磁軸承(4)的線圈。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氣體磁軸承電主軸及其控制系統(tǒng)。氣體磁軸承電主軸的結(jié)構(gòu)包括徑向-軸向輔助軸承、徑向位移傳感器、徑向位移傳感器支架、徑向混合磁軸承、限位套筒、高速電機(jī)、鋼筒、軸向止推氣體軸承、徑向輔助軸承、轉(zhuǎn)軸、前端蓋和后端蓋。針對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的主軸，提供了一種基于粗集理論方法的氣體磁軸承電主軸模糊控制系統(tǒng)，包括控制器、功率放大模塊、樣機(jī)本體和位移檢測(cè)模塊。與傳統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明控制系統(tǒng)引入了粗集理論的模糊控制方法，是在原有模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上進(jìn)行約簡(jiǎn)，能有效地除去冗余信息知識(shí)，使控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，更易于控制，主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善，能有效提高控制系統(tǒng)的性能。
文檔編號(hào)B23B19/02GK102632256SQ20121012175
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者張松 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)