永磁同步直线电机推力波动试验台设计与分析*

施志平，张君安，李 博，刘 波

(西安工业大学机电工程学院，西安 710021)

0 引言

随着国家对“智能制造2025”与“工业 4.0”的提出，我国对机械加工技术及加工精度提出了更高的要求，这也使得永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，PMSLM)在自动化生产领域得到了充分的利用，也成为了工业伺服领域研究的热点[1]。由于PMSLM存在齿槽效应、边端效应和纹波推力引起的推力波动，会产生噪声、振动等不利于运动的因素，使得加工精度受到影响[2]。因此开展PMSLM推力波动测试试验台的研究是具有重要的理论和实践意义。

目前国内外许多高校和科研院所从加载方式上对PMSLM推力波动性能进行测量。文献[3]以激光干涉仪作为精密定位测量仪器，通过改变砝码的质量使得电阻应变仪在一个极距内测得的拉力来表示推力波动值。文献[4-5]采用同型号电机互为负载，在某一合适位置检测到两个相位、幅值及波动情况均相同的推力波动波形，避免了使用其他带动装置本身引入的干扰。文献[6]在动子低速运动状态下，基于千分尺测量推力波动工作台带动力传感器和动子作往复运动，测得推力波动和摩擦力叠加值，最终计算得到推力波动波形。文献[7]采用旋转电机带动滚珠丝杠与直线电机共轴对拖的方法来测试推力波动。文献[8]根据PMSLM的动静态特性分别设计了测试系统方案，静态测试通过旋转手柄带动丝杠对静态力进行；动态测试将直线电机置于滚子支撑上，通过力测量传感器测出推力波动值。

传统的PMSLM推力波动测量方法中会引入部分不必要的误差因素，所以需要在测量过程中对误差进行尽可能的消除或抑制。本文设计了一种基于无杆气缸作为加载的新方法，以PMSLM驱动气浮导轨进行推力波动性能测试的试验台。无杆气缸加载可以克服传统旋转电机带动滚珠丝杠引入的转矩误差，PMSLM带动气浮导轨可以实现零接触无摩擦的运动消除了摩擦带来的影响。该方法具有很高的精度和可靠性，以期为PMSLM推力波动测试提供参考。

1 总体方案设计及测试原理

本文设计的基于无杆气缸作为加载，以PMSLM驱动气浮导轨进行推力波动性能测试的试验台主要包括气浮导轨组件、被测直线电机系统、加载装置系统、推力波动检测装置、信号采集系统。其总体结构模块图如图1所示。

图1 总体结构模块图

气浮导轨组件主要包括静导轨、动导轨(滑架)、气浮块、辅助安装支架；加载装置采用无杆气缸；推力波动检测装置为拉压力传感器；被测直线电机系统可以满足多种结构的直线电机测试，不再仅限于单一结构的直线电机能够更好的实现同一试验台对多种直线电机进行推力波动特性的测量，实现了互换性的要求。

在图2所示的PMSLM推力波动性能测试试验台总体结构中，其推力波动测量原理是被测PMSLM定子和支撑架固定安装在花岗岩平台上，将PMSLM的动子与动导轨(滑架)进行一体化连接，从而可以实现沿着静导轨作为支撑导向的高直线度运动。其中通过驱动器控制电机工作在电流环下，通过被测直线电机系统中的光栅尺作为位置反馈装置。气缸作为加载与支撑架进行连接，无杆气缸的运动活塞通过拉压力传感器与PMSLM的动子进行连接达到测量推力波动的目的。

1.支撑架 2.导轨 3.无杆气缸 4.动导轨(滑架) 5.传感器 6.气浮块 7.被测直线电机系统 8.花岗岩平台图2 试验台总体结构图

该推力波动性能测试试验台是结合气浮导轨“无摩擦高精度”及无杆气缸“动态加载”的优点。方案以气浮导轨作为支撑导向，无杆气缸作为加载装置通过力传感器与被测PMSLM一端刚性一端柔性进行连接，克服了常规测量过程中加载装置通过力传感器与被测PMSLM动子之间均为刚性连接引入的转矩误差。

2 机械系统设计

2.1 气浮导轨设计

气浮导轨副是由气浮块和承导面组成，是机械传动过程中的运动基础，实现运动位置及方向的支撑导向。气浮导轨是依据气体润滑原理，将具有一定压力的空气通入气浮块流经节流器送至导轨之间，使得其在导轨面之间产生一层极薄的在运动过程中基本保持不变的气膜，通过静压产生气浮力将动导轨(滑架)悬浮起来，从而实现静导轨与动导轨(滑架)的零接触，可以有效克服滚珠丝杠等机械结构引起的爬行现象[9-10]。

由于本文是采用气体进行润滑，润滑介质是经过过滤调压阀处理的无杂质纯净空气，在导轨的运动过程中振动小，不会出现发热等影响运动精度的因素[11]。气浮导轨具有多种不同的结构形式，根据力封闭与否可以分为开式气浮导轨和闭式气浮导轨，其中闭式气浮导轨在工作时处于力封闭的状态，产生的挠度比较小，可以承受各方向的载荷，本文被测直线电机可以安装在动导轨(滑架)的前后面，当只有一侧直线电机工作时会对气浮导轨系统产生一个微小的扰动，故而闭式气浮导轨非常适合所述方案要求，能够克服扰动的影响。根据气浮块的工作原理及气浮导轨工作时最优的气膜厚度范围，本文所设计的气浮导轨共安装12个气浮块，其中气浮块的基本尺寸参数如下：直径D=50 mm，厚度h=15 mm；采用小孔节流的方式，其中节流器上小孔的直径d0=0.08 mm，供气孔直径d=4 mm。根据图2的总体结构，分别在静导轨的前后面各安装4个气浮块，在静导轨的上下面各安装2个气浮块。辅助安装支架将气浮块、静导轨和动导轨(滑架)有机结合在一起，保证其运动过程中的整体精度。静导轨采用天然的花岗岩材料总长度L=800 mm，动导轨(滑架)采用铝合金材料总长度L1=320 mm。其中闭式气浮导轨结构如图3所示。

1.辅助安装支架 2.静导轨 3.气浮块 4.动导轨(滑架)图3 闭式气浮导轨

本文所设计的闭式气浮导轨的优点在于辅助安装支架中含有蝶形弹簧，蝶形弹簧能够充当弹性元件可以补偿由于环境温度、加工及安装误差造成的气膜间隙变化，维持气膜厚度的相对稳定，提高了气浮导轨的性能。

2.2 加载装置设计

本文设计的PMSLM推力波动性能测试试验台以无杆气缸作为加载装置，无杆气缸工作原理如图4所示。

1.气缸 2.活塞 3.进气/排气孔图4 气缸工作原理

从图4可以看出，无杆气缸的左右气室压差是现实其运动的根本原因，即只需改变P1和P2之间的压力差就可产生可变的载荷，达到加载的目的。对于不同工况下的工作要求，无杆气缸响应速度快，且容易实现不同状态下的气动平衡，使系统能够保持相对稳定的状态。

以无杆气缸作为加载装置具有以下的优点，首先改变了传统的旋转电机带动滚珠丝杠的加载的形式，可以直接通过改变无杆气缸两气室的压力差来达到加载的目的，通过气缸加载可以有效的避免旋转电机带动滚珠丝杠加载过程引入的转矩误差，使得测得的推力波动值更加准确；其次无杆气缸作为直接加载装置减少了中间机械传动环节，使得机械结构更加简单紧凑，同时无杆气缸作为标准件能够满足互换性的要求，便于拆卸和更换。不过以无杆气缸作为加载装置其也存在一定的缺点，由于无杆气缸活塞与缸体之间存在摩擦的影响，摩擦因素的引入也会对推力波动测量产生影响，所以为了达到测量精度的准确性在测试前需要对摩擦进行补偿。

本文所研制的PMSLM推力波动性能测试试验台由于空间的限制，且需要满足不同结构形式PMSLM的推力波动测试，便于实现其互换性的要求，应在给定的空间范围内完成对推力波动的测量，所以所设计的试验台需要满足结构紧凑、工作合理、便于拆卸的要求。根据对市场调研和实际工作情况，选择SMC公司生产的MY3B系列的无杆气缸MY3B40-300，该型号的无杆气缸其结构紧凑可以有效节省空间范围，其起到密封的部件摩擦因数较小使得运动过程中的摩擦力较小，且其摩擦力也便于测量，在左右气室压力变化不大时即能被推动，工作响应快，具有良好的缓冲作用。

2.3 气动系统设计

气动系统是实现气浮导轨气浮支撑以及无杆气缸加载的动力源，为了满足气浮导轨以及无杆气缸的正常工作，需要在布置好的气路中通入洁净、干燥、流量充足并且压力稳定的气体，所以需要根据气路的排布设计一套能够持续供给高质量气体的气动系统[12]。

本文PMSLM推力波动性能测试试验台设计把气浮导轨和气缸供气合二为一，即使用同一条主流道进行供气，气路结构简单紧凑便于进行调试和拆装，避免多条气路引起的多环控制问题。为了保证气浮导轨和无杆气缸在工作过程中的稳定性，避免出现气锤、激振等不稳定现象，应该使得气路中通入的气体压力值需要保持恒定。针对本文所设计的PMSLM推力波动性能测试试验台气动系统流程如下：首先通过空气压缩机将空气压缩制备高压空气存至储气罐中，经由过滤调压阀进行水油过滤处理，得到纯净、干燥流量稳定的气体，再通过流量计和普通减压阀进行总体气体流量的控制和气体压力的初步降压。最后通过三通管分流到两个精密减压阀分别控制气浮导轨和无杆气缸的供气压力，实现PMSLM推力波动性能测试试验台的稳定工作。原理图如图5所示。

1.空气压缩机 2.开关阀 3.储气罐 4.压力表 5.过滤器 6.流量计 7.普通减压阀 8.精密减压阀图5 气动原理图

从图5可以看出，整个供气系统由一条主流道和两条分流道组成。即同一个供气系统就可以实现气浮导轨和无杆气缸的气源供应，且两条分流道均设置有精密减压阀可以实现各自流道的压力控制不再受限于主流道的压力，压力控制便利。

3 气浮导轨的静态结构分析及动态检查

由于PMSLM推力波动是在精度较高的工作台上测得，其在运动时对气浮导轨有较高的直线度要求，根据设计的机械结构需要对其合理性进行验证，采用ANSYS workbench仿真软件对气浮导轨的静态结构进行仿真分析。将建立好的三维模型导入到ANSYS workbench中，分别设置材料的物理属性、约束和边界条件，仿真结束后分别得到如图6所示的总形变云图、总应变云图和总应力云图。

(a) 总形变云图

(b) 总应变云图

(c) 总应力云图图6 仿真结果图

通过ANSYS workbench仿真分析可以看出，图6a气浮导轨的最大形变为1.46 μm，并且是在动导轨(滑架)的最外部并非导轨面，对整体气浮导轨影响不大。导轨面的最大形变范围大概在0.97～1.13 μm，而气浮导轨的最佳气膜厚度一般控制在10～40 μm，所以导轨面的形变量相对于气膜厚度而言是极小的，不会对气膜刚度的整体效果产生影响；图6b气浮导轨的最大应变是1.44×10-5，该应变值几乎可以忽略不计；图6c气浮工作台的最大应力为2.96 MPa，远远小于气浮导轨各材料的抗压强度。从ANSYS workbench仿真分析结果可以看出总形变、总应变、总应力均能满足本文所设计的气浮导轨的性能要求。

本文设计的PMSLM推力波动性能测试试验台各部分机械结构简单紧凑能够满足测量要求，消除了各方面的影响因素在运行过程中具有较高的直线度。将三维模型在SolidWorks进行动态干涉仿真，PMSLM推力波动性能测试试验台在最大行程范围内运动时，没有出现干涉现象，能满足设计的运动要求。如图7为试验台移动到极限位置的模拟图。

图7 试验台极限位置

4 结论

设计了一种基于无杆气缸作为加载，以PMSLM驱动气浮导轨进行推力波动性能测试的试验台。该试验台整体采用闭式气浮导轨，基于气体润滑技术使得其运行过程中具有较高的直线度要求，可以达到精密直线运动的目的。以气缸作为加载克服了旋转电机带动滚珠丝杠引入的转矩误差，提高了推力波动整体测量的精度。通过有限元仿真软件对其静态结构和动态干涉检查，验证了所设计的PMSLM推力波动性能测试试验台结构的合理性和可行性，对PMSLM推力波动测试的相关研究提供了新指导。