автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Электромагнитный привод микроперемещений для прецизионных станков

1 а фев

На правах рукописи

Шутова Людмила Ивановна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ СТАНКОВ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической н физико - те ХН.

обработки, станки и инструмент

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском Государственном технологическом университете " Станкин ".

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.Э. Пуш

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Г. Беляев, кандидат технических наук Ермолаев В.К.

Ведущее предприятие:

Московский завод автоматических линий

Защита состоится

1997 года в

часов на за-

седании Диссертационного Совета К065.42.05. при Московском государственном технологическом университете " Станкин " по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский пер., д.За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета за один месяц до защиты.

Автореферат разослан " ¿¿у " 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета К 063.42.05.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последнее десятилетие все большее значение приобретает высокопрецизионная обработка. Наблюдается интерес к. новым прогрессивным технологиям, повышающим, с одной стороны, уровень автоматизации производства, с другой стороны, - точность обработки. Это обусловлено тем, что прецизионная обработка позволяет устранить операции подгонки и тем самым облегчить процесс сборки, особенно, автоматической, улучшить качество обработки, сократить брак и число контрольно-измерительных операций, повысить износостойкость и взаимозаменяемость. Для производства очень многих видов продукции прецизионное машиностроение приобретает первостепенное значение с экономической точки зрения.

Номенклатура сверхпрецизионных деталей (к ним относятся детали обрабатываемые монокристаллическими алмазными лезвийными инструментами, алмазными шлифовальными кругами, а также методами притирки, полирования, хонингования) постоянно расширяется. Наряду с такими традиционными изделиями, как детали оптической аппаратуры, диски памяти компьютеров, детали насосов, золотников и т.д., в последнее время в нее входят детали медицинской техники, различных устройств для биологических исследований и другого оборудования. Все эти детали изготовляются с использованием нано-технологии.

Требования к качеству чистовой обработки сверхпрецизионных деталей весьма высоки (точность - 0,01-0,1 мкм, шероховатость Яа - 0,002-0,01 мкм). Соответствующие требования предъявляются к устройствам и механизмам станков, на которых эта обработка осуществляется.

В сверхпрецизионных станках используются высокоточные приводы с широким диапазоном регулирования, которые характеризуются субмикронной дискретностью и плавностью перемещений, особенно на малых скоростях.

Перспективным направлением в развитии приводов микроперемещений является разработка приводов на основе электромагнитной винтовой передачи (ЭМВП). Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в МГТУ "Станкин", в России и за рубежом, показали, что ЭМВП обладает целым рядом существенных для станкостроения свойств. Однако, еще сравнительно мало известны свойства и возможности ЭМВП в качестве привода микроперемещений. Практически отсутствуют сведения о конструкциях этого вида приводов, данные по расчету и рекомендации по применению.

Цель работы, исследование возможности использования ЭМВП в качестве привода микроперемещений для реализации нанотехнологии.

Научная новизна работы заключается в:

- теоретическом и экспериментальном обосновании возможности применения ЭМВП в качестве привода микроперемещений;

- предложенной физической модели ЭМВП, раскрывающей основные механические и магнитные свойства передачи;

- разработанной математической модели электромагнитного привода, отражающей характер работы привода в динамическом режиме.

Практическая полезность работы заключается в:

предложенных вариантах конструкций электромагнитного привода микроперемещений с замкнутой системой регулирования: в виде ходового винта с двумя полугайками и круговой зубчатой рейки с двумя втулками;

- разработанной методике расчета электромагнитных приводов, позволяющей для регламентированного тягового усилия определить электрические и геометрические параметры ЭМВП;

- разработанном алгоритмическом и программном обеспечении для прогнозирования выходных характеристик ЭМВП;

- рекомендациях рационального применения электромагнитных приводов в прецизионных и сверзпрецизионных станках для изготовления деталей с использованием нанотехнологии. Электромагнитные приводы на основе ЭМВП с использованием аэростатических направляющих или магнитного подвеса и при наличии обратной связи обеспечивают перемещения менее 0,01 мм, тяговое усилие 700 Н, жесткость 15 Н/мкм.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на :

1. 51-ой научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 1996 г;

2. 3-ем Международном конгрессе "Конструкгорско-технологическая информатика" , Москва, 1996;

3. заседаниях кафедры "Станки" МГТУ "Станкин" (1996 и 1997 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы (71 наименование).

Работа изложена на 138 стр. машинописного текста, содержит 43 рисунка, 2 таблицы и приложение.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В первой главе диссертации рассматриваются проблемы малых перемещений, в частности механизм возникновения скачкообразности при движении, и проводится анализ существующих приводов микроперемещений.

К приводам микроперемещений в металлорежущих станках предъявляются довольно жесткие требования. Основные из них являются: высокая разрешающая способность; легкость управления; возможность получения без скачков малых скоростей движения; высокая жесткость; хорошие динамические характеристики (быстродействие и устойчивость); надежность работы; легкость встройки привода в общую систему управления.

Как показал анализ, существующие приводы микроперемещений, удовлетворяя одним требованиям, плохо или совсем не удовлетворяют другим. К ним относятся механические, гидравлические, гидромеханические, термодинамические, магнитострикционные, пьзоэлекгрические и электрические приводы с шаговыми двигателями. Наиболее полно перечисленным выше требованиям

отвечает электромагнитный привод на основе электромагнитной винтовой передачи (ЭМВП).

На рис.1 приведена принципиальная схема ЭМВП. Особенностью передачи является наличие диаметрального зазора 25 между наружным диаметром винта 1 и внутренним диаметром тайки 2. Магнитное поле создается электрической обмоткой 3, уложенной в расточку' гайки, которая установлена в корпусе 4 из немагнитного материала. Магнитные силовые линии замыкаются, проходя через витки резьбы винта и гайки и разделяющий их воздушный зазор. Шаг прямоугольной резьбы винта I равен шагу резьбы гайки.

В положении, когда витки резьбы винта и гайки расположены строго друг против друга, система находится в равновесии. При вращении винта его витки смещаются относительно витков гайки. Возникает осевая составляющая магнитной силы, осуществляющая зацепление передачи, а следовательно, вызывающая поступательное перемещение гайки с подвижным узлом станка.

Несущая способность передачи регулируется изменением силы тока в обмотке. Сцепление и расцепление передачи осуществляется включением и отключешкм обмотки от источника питания.

Винтовая передача на постоянных магнитах имеет аналогичную конструкцию и принцип действия с передачей на электромагнитах с той лишь разницей, что гайка выполняется из ферромагнитного материала и после изготовления намагничивается в магнитном поле. Обмотка в такой передаче отсутствует.

Теоретические и экспериментальные исследования ( работы В.Э.Пуша, В.А.Макарова, Л.Н.Араличева, Р.М.Ахмедходжаева ) показали, что ЭМВП обладает целым рядом достоинств и может быть использована в точных устройствах, приборах, прецизионных станках при сравнительно небольших осевых силах, в быстроходных приводах прямолинейного движения. Основные достоинства ЭМВП: легкость управления, полное отсутствие контакта винтовых поверхностей гайки и винта, возможность работы при любых скоростях, нечувствительность к эксцентриситету, вызываемому сборкой или возникающему при работе, возможность выполнения передачей функции предохранительного механизма при нагрузках, превышающих максимальную несущую способность. Кроме того, изготовление ЭМВП не требует сложной технологии и дорогих материалов, а температурные деформации почти полностью определяются величиной силы тока в обмотке и не влияют на несущую способность и точность передачи.

Как было показано в работах выше перечисленных авторов, тяговое усилие и жесткость ЭМВП составили 700 Н и 15 Н/мкм при следующих параметрах: шаг резьбы 1=4 мм, ширина витка а=1 мм, высота профиля резьбы Ь=4 мм, диаметр винта Б=62 мм, воздушный зазор 6=0,1 мм.

Отсутствие теоретических и экспериментальных данных по использованию ЭМВП в качестве привода микроперемещений позволило поставить в работе следующие задачи:

1. Экспериментальное определение зависимости осевого перемещения подвижной части привода от величины силы тока в обмотке.

2. Экспериментальное определение статической жесткости привода.

3. Теоретическое исследование физической сущности появления и действия тягового усилия в ЭМВП. Разработка физической модели ЭМВП.

4. Разработка математической модели привода для исследования электромагнитного привода в динамическом режиме.

5. Разработка конструкций электромагнитных приводов микроперемещений и рекомендаций по выбору их геометрических и электрических параметров.

6. Определение области рационального использования приводов.

Рис. 1. Принципиальная' схема ЭМВП.

П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА МИКРОПЕРЕМЕЩЕШЙ.

Экспериментальное исследование, которому посвящена вторая глава работы, проводилось на Московском заводе автоматических линий в условиях экспериментального участка МСК МосЗАЛ.

Целью экспериментального исследования явилось определение зависимости осевого перемещения подвижной части привода от величины силы тока в электрической обмотке и определение статической жесткости привода.

Эксперимент проводился на специальном стенде. Стенд был создан на базе уже существовавшего шпиндельного узла с двумя электромагнитными

i

3

катушками. На рис. 2 приведена принципиальная схема стенда для исследования электромагнитного привода микроперемещений.

Рис.2. Принципиальная схема стенда для исследования электромагнитного привода.

Привод состоял из шпинделя 1 с навинченными на него втулками 2 и 3, аэростатических опор 4 и электромагнитных катушек 5 и 6. Шпиндель совершал только осевое перемещение. Втулки имели кольцевые выступы прямоугольной формы, им соответствовали кольцевые выступы на внутренних поверхностях катушек, между которыми была уложена электрическая обмотка 7, создававшая магнитное поле. В исходном положении, когда выступы втулок и катушек были расположены строго друг против друга, система находилась в равновесии.

Между наружным диаметром кольцевых выступов втулок и внутренним диаметром выступов катушек имелся воздушный зазор.

В катушку 5 поступал постоянный по силе ток от блока питания 8, а в катушке 6 - сила тока, поступаемого от блока питания 9, изменялась. Воздух в опоры 4 поступал из заводской воздушной сети 10, очищался фильтром 11 и регулировался с помощью регулятора давления 12. К переднему торцу шпинделя была прикреплена нить 13, перекинутая через ролик 14 с подвешенным грузом 15. Многооборотный индикатор 16 с ценой деления 0,002 мм и преде-

лом измерения 2 мм служил доя механического измерения осевого перемещения шпинделя.

Длина шпинделя равнялась 210 мм, диаметр шпинделя 22 мм, длина катушки 18 мм, диаметральный воздушный зазор 26-0,2 мм, ширина кольцевого выступа 4 мм, высота выступа 3 мм, диаметр обмоток катушек 0,5 мм, число витков провода в катушках 250 мм.

На стенде были проведены следующие экспериментальные исследования:

1. Измерение осевого перемещения шпинделя при различных значениях силы тока в электрической обмотке катушки 6. Сила тока изменялась с помощью блока питания регулируемого тока 9, перемещение измерялось индикатором 16.

2. Измерение жесткости привода. Для определения жесткости с помощью груза 15 создавали переменную нагрузку и индикатором 16 измеряли осевое перемещение шпиделя 1. Исследование было проведено при разных значениях силы тока в обмотке катушки 6 (500 мА, 125 мА, 70 мА).

Как показали экспериментальные исследования, зависимость осевого перемещения шпинделя от величины силы тока носит нелинейный характер. При увеличении тока от 300 мА до 550 мА перемещение шпинделя составило 3,2 мм.

Зависимость осевого перемещения от приложенной нагрузки также нелинейна. Кроме того, чем больше сила тока, тем большая нагрузка требуется для осуществления заданного осевого перемещения шпинделя, т.е. увеличение силы тока в электрической обмотке вызывает увеличение жесткости привода. При силе тока 70 мА жесткость привода составила 3,Ь10"5 НУмкм, при силе тока, равной 500 мА жесткость привода стала равной 2*10"4 Н/мкм.

На рис.3 представлены графики, построенные по результатам экспериментального исследования.

Х9мм

'Л

¿2

Ф &

0,6 44 0,2. О

' 1з=50С

Х,мм

3

г у

о

t г з 4 5 6 ? j з

300 35D m Ь50 500 SSO

Рйс.З. а) Графики жесткости электромагнитного привода; б) Зависимость осевого смещения подвижной части привода. (шпинделя) от величины силы тока в электрической обмотке.

Ш. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ СУЩНОСТИ ПОЯВЛЕНИЯ И ДЕЙСТВИЯ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ В ЭМВП. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМВП.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию физической сущности появления и действия тягового усилия в ЭМВП как одной из важнейших характеристик передачи. Исследование проведено на основе единого обзора ситуации, которая имеется в настоящее время в области изучения магнитных явлений. Предложена физическая модель ЭМВП, с помощью которой проанализированы основные свойства передачи.

В роли тягового усилия в передаче выступает осевая составляющая магнитной силы, которая появляется при смещении винта относительно гайки, осуществляя при этом зацепление передачи и перемещение гайки с подвижным узлом станка.

Единственным источником магнитного поля (а, следовательно, магнитной силы) является перемещение электрического поля в пространстве. Носите-телем магнетизма в твердых телах является "электрон, пространственное движение которого можно отождествить с круговым током. Движущийся по орбите электрон обладает орбитальными механическим и магнитным моментами. Неотъемлемыми свойствами электрона являются его собственный механический момент (спин) и связанный с ним собственный (спиновый) магнитный момент.

Полный магнитный момент атома получается при сложении суммарных орбитального и спинового магнитных моментов многоэлектронной оболочки. Спиновыми магнитными моментами протонов и нейтронов пренебрегают, так как они более, чем в 1000 раз меньше магнитных моментов электронов.

Атомы переходных групп имеют незаполненные электронные оболочки. К ним относятся элементы группы железа ( не завершена Зс1-оболочка), группы палладия (4(1- оболочка), группы лантаноидов (4(-оболочка) и др.. Атомы перечисленных трех групп обладают магнитными свойствами, которые играют фундаментальную роль в формировании свойств современных магнитных материалов.

Магнитные свойства атомов группы железа определяются магнитными моментами незаполненной Зс1-оболочки. Из шести находящихся в ней электронов пять имеют спины, ориентированные в одном направлении, а один электрон имеет спин, ориентированнный им противоположно. Наличие нескомпен-сированных спинов обусловливает результирующий постоянный магнитный момент атомов переходных групп.

Атомы, входящие в состав кристаллической решетки вещества, взаимодействуют друг с другом. Часть электронов при этом коллективизируется, а электрическое поле решетки оказывает влияние на орбитальное движение электронов. Орбитальный момент в атомах группы железа под действием поля решетки перестает поворачиваться при наложении магнитного поля ("замораживается"). Таким образом, можно сделать вывод, что магнитные свой-

ства железа и других ферромагнетиков определяются только спиновыми магнитными моментами.

Ферромагнетики - особый класс веществ, способных обладать намагниченностью в отсутствие магнитного поля. Ферромагнетики имеют доменную структуру. В пределах одного домена атомные магнитные моменты под влиянием обменных сил ориентированы в одном направлении, т.е. в пределах домена ферромагнетик намагничен до насыщения. Домены разделены стенками. На протяжении каждой стенки наблюдается постепенное изменение ориента-ций атомных моментов от ориентации одного домена до ориентациии другого. Каждый домен имеет вектор намагниченности, ориентированный иначе, чем векторы намагниченности соседних доменов. Это приводит к тому, что между полями доменов создается противодействие, сводящее к минимуму проявление магнитных эффектов, т.е. достаточно большой ферромагнитный образец оказывается размагниченным.

Во внешнем магнитном поле ферромагнетик намагничивается за счет различных механизмов - смещения стенок доменов, разрыва магнитостатиче-ских связей, поглощения доменов и поворота осей доменов: Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов (намагниченных до насыщения ферромагнетиков).

Намагниченность насыщения железа, по современным теоретическим понятиям, не может быть увеличена. Одним из перспективных направлений увеличения тягового усилия ЭМВП является использование для изготовления деталей магшгошровода редкоземельных металлов и их сплавов, магнитные свойства которых значительно превосходят аналогичные свойства ферромагнетиков. Это объясняется тем, что орбитальный момент атомов редких земель не "заморожен" и принимает участие в создании полного магнитного момента. Использование редкоземельных металлов и их сплавов значительно повысит жесткость привода.

Постоянный магнит в форме прямоугольного параллелепипеда обладает магнитным моментом М=т1, где т - магнитный заряд, 1 - расстояние между полюсами. Два параллельно расположенных друг другу постоянных магнита в форме прямоугольных параллелепипедов являются аналогами выступов резьбы винта и гайки в ЭМВП. Если один из магнитов начать перемещать относительно другого, то в результате изменения напряженности Н магнитного поля первого магнита на второй магнит начнет действовать сила Г=тп1(сШ/ ёх), под действием которой второй магнит начнет перемещаться вслед за первым. Здесь: х - смещение первого магнита относительно второго.

Для анализа основных свойств привода и достоверного количественного описания его работы предложена физическая модель электромагнитной винтовой передачи, являющейся основой привода. Как известно, в ЭМВП длина винтовой поверхности во много раз превышает по величине основные параметры передачи, к которым относятся: 6 - воздушный зазор между наружным диаметром винта и внутренним диаметром гайки, а и Ь - ширина и высота витка резьбы, I- шаг резьбы. Это позволило представить винтовую передачу в виде

двух полубесконечных прямоугольных пластинок, расположенных параллельно друг другу с зазором 5 (рис.4). Магнитные силы притяжения между винтовыми поверхностями в передаче уподоблены системе пружинок сжатия, концы которых закреплены на винтовых поверхностях винта и гайки. В исходном положении пружинки расположены перпендикулярно винтовым поверхностям. При смещении винта относительно гайки пружинки растягиваются, изгибаясь, и под действием их упругих сил гайка с подвижным узлом станка получает движение вперед. Упругие силы пружинок служат аналогом тягового усилия в ЭМВП.

Тяговое усилие в ЭМВП определяется по формуле:

Рх=0,5 (1\у)2 сЮ/(1х, (1)

где I - сила тока в обмотке, V/ - количество витков в обмотке гайки, О- магнитная проводимость, х - смещение винта относительно гайки. Из формулы (1) видно, что сила тяги зависит от величины смещения винта относительно гайки. Как показали экспериментальные исследования, с увеличением х сила тяги растет и достигает максимума при х=Ь, где Ь=(0,75-0,85)а. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к "срыву" - гайка скачком перемещается на один шаг резьбы. Указанные явления наблюдались при различных значениях силы тока в обмотке.

С помощью физической модели указанные явления объясняются следующим образом. Чем больше смещение, тем больше растягиваются пружинки и тем больше их упругие силы (тяговое усилие передачи). Максимально возможное натяжение пружинок (максимальное тяговое усилие) происходит, когда Ь /а =0,75-0,85. При дальнейшем смещении винта пружинки не выдерживают нагрузки и начинают "рваться" одна за другой. Затем наступает момент, когда все пружинки "разорваны", т.е. сила притяжения между данными витками резьбы равна нулю. Так происходит "срыв" - и гайка скачком перемещается на один шаг резьбы.

Гайка

Рис.4. Физическая модель ЭМВП.

Во второй главе работы экспериментально было доказано, что увеличение силы тока в обмотке приводит к увеличению тягового усилия передачи. На физической модели это объясняется следующим образом. Чем больше сила тока в обмотке, тем сильнее намагничены винт и гайка, а значит, тем больше

пружинок, соедшшощих винтовые поверхности винта и гайки. Очевидно, что увеличение числа пружинок приводит к увеличению тягового усилия передачи.

Одной из главных характеристик ЭМВП является ее жесткость, которая характеризуется относительным смещением витков резьбы винта и гайки при изменении внешней нагрузки. Известно, что все изменения геометрических и электрических параметров, вызывающие увеличение тягового усилия передачи, в той или иной мере увеличивают ее жесткость.

IV. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ПРИВОДА МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО

РАСЧЕТУ, КОНСТРУИРОВАНИЮ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

ПРИВОДОВ.

В четвертой главе для теоретического исследования работы электромагнитного привода микроперемещений в динамическом режиме предложена математическая модель привода, даны рекомендации по расчету, конструированию и использованию приводов.

На рис.5 изображена расчетная схема электромагнитного привода микроперемещений. Подвижный узел станка 1 установлен на аэростатических направляющих 2. В обмотке полугайки 3 течет постоянный по силе ток, в обмотке полугайки 4 сила тока плавно регулируется.

Уравнение и2= 1г Г1+ Ь /Л) характеризует динамические процессы пробразования электрической энергии в обмотке полугайки 4 в энергию магнитного поля. Здесь: Я - активное сопротивление обмотки, Ь - индуктивность обмотки полугайки.

Электромагнитные силы между винтом и подвижным узлом станка заменяются нелинейной пружиной двухстороннего действия. При этом в каждый момент времени узел находится под действием следующих сил: Рт - тяговое усилие передачи; I - сила инерции узла ( 1= -тх ); ^ - сила трения в направляющих; <2 - внешняя нагружа.

Тяговое усилие передачи Б т (формула (1)) является функцией смещения х узла относительно винта, т.е. Бт =А[х). При этом Рт =ГТ2 +РТ\ ■ В данном случае 1РХ1| < 1Р-г21 и, следовательно, Ет =Ет2 -Рть

Т.о. тяговое усилие привода определяется по формуле:

Рт = О,50ЬШ)2СЮ/С1Х - 0,5(1! сЮ/ск. (2)

Сила трения ^ в направляющих практически отсутствует, т.е. 0. Внешняя нагрузка С> может задаваться постоянной или переменной величиной в функции времени или пути.

Уравнение движения узла станка имеет вид:

тХ = БТ (х)-^-^ , (3)

где т - масса подвижного узла станка; х - мгновенное значение смещения узла; X - мгновенное значение текущей координаты узла.

В результате приведенных в работе рассуждений получена следующая система уравнений динамики подвижного узла станка:

(и2 = ¡2II + Ь ;

ЕР=0,5(;2 \у)2 СЮЛ1Х - 0,5(1! w)2 сЮ/ск ; (4)

шх =РТ (х) +

Из (3) следует, что закон движения узла станка имеет вид:

) (5)-

Так как уравнение (5) является существенно нелинейным, то решение его и анализ динамики привода лучше провести с использованием ЭВМ.

Рекомендации по расчету электромагнитных приводов микроперемещений основаны на теории расчета магнитных цепей, существующей методике расчета проходных индуктивных преобразователей, а также на результатах, полученных в работах В. Э .Пуша, В.А.Макарова и Л.Н.Араличева, Р.М.Ахмедходжаева.

Рис.5. Расчетная схема электромагнитного привода микроперемещешш.

Расчет электромагнитного привода микроперемещений рекомендуется проводить в два этапа: 1) предварительный расчет, задача которого - выбрать конструктивные параметры электромагнитного привода; 2) проверочный расчет, который производится после конструктивной разработки электромагнит-

ного привода и окончательного выбора всех параметров. В случае несоответствия полученных результатов заданию производится корректировка конструктивных размеров электромагнитного привода, а затем- новый проверочный расчет.

Наибольшими силовыми характеристиками и простотой конструкции отличается полюсная конструкция ЭМВП. Прямоугольный профиль резьбы обеспечивает наибольшее тяговое усилие и является наиболее технологичным по сравнению с другими.

Наибольшее тяговое усилие ЭМВП обеспечивает резьба с шагом 1=4-8мм. При уменьшении толщины профиля с 0,51 до 0,41 тяговое усилие возрастает в 1,5 раза. Высота профиля резьбы рекомендуется в пределах 11=(15-20)§.

Тяговое усилие ЭМВП зависит от воздушного зазора о между винтом и гайкой. В работе приводятся рекомендации по выбору оптимального зазора (минимального и максимального) в зависимости от диаметра винта.

Тяговое усилие передачи зависит от величины относительного смещения витков резьбы и гайки. При этом происходит и изменение магнитной проводимости воздушного зазора. Магнитную проводимость определяют, задаваясь ампер-витками обмотки и рассчитывая магнитную цепь при различных значениях воздушного зазора. Рассмотрены два случая: а) ширина витка а равна 1/2 шага резьбы I, б) £>2а или К2а.

Зная магнитную проводимость и ее изменение при сдвиге витков передачи и ампер-витки, приходящиеся на воздушный зазор можно определить тяговое усилие по формуле (1). По этой формуле проверяют, соответствует ли спроектированный механизм исходным данным. В случае несоответствия изменяют геометрические параметры и величину ампер-витков и вновь повторяют расчет. Изменяя параметры передачи, можно получить максимальную тяговую способность привода.

Для изготовления деталей магнитопровода рекомендуется применять ферромагнитные материалы с высокими магнитными свойства-ми.Перспективным направлением является использование редкоземельных металлов и их сплавов, магнитные свойства которых значительно превосходят аналогичные свойства ферромагнетиков.

Предложены две конструкции привода микроперемещений:

1. Привод состоит из ходового винта 1 с двумя полугайками 2 и 3 (рис.ба), в расточках которых уложена электрическая обмотка. Для создания натяга, заранее рассчитанного для данной конструкции ЭМВП, полугайки предварительно смещаются противоположно направленными магнитными полями. В полугайку 2 подается постоянный по силе ток (она может быть также выполнена из постоянного магнита), в полугайке 3 сила тока регулируется по показаниям измерительного устройства 4, выполняющего функции датчика обратной связи. Подвижный узел станка 5 установлен на аэростатических направляющих. Измерительное устройство, обеспечивая сигналы обратной связи, передает их на усилитель 6 и управление 7 замкнутой цепи, которые управляют приводом микроперемещений.

2. Вместо ходового винта с двумя полугайками используется круговая зубчатая рейка с двумя втулками, на внутренних поверхностях которых имеются круговые выступы, соответствующие по форме зубьям круговой рейки (рис. 66).

При использовании аэростатических направляющих или магнитного подвеса и при наличии обратной связи привод на основе ЭМВП обеспечивает перемещения менее 0.01 мм.

Рис.6. Конструкция электромагнитного привода микроперемещений: а) с использованием ходового винта и полугаек; б) с использованием круговой зубчатой рейки и втулок.

Рекомендованы следующие области рационального использования электромагнитных приводов микроперемещений:

1. В прецизионных и сверхпрецизионных станках при сравнительно небольших осевых силах для изготовления деталей с использованием нанотехно-логии;

2. В прецизионных и сверхпрецизионных станках для компенсации погрешностей при выводе рабочего органа в точно заданную позицию;

3. Кроме станкостроения, данный привод микроперемещений может быть использован и в других областях в подвижных узлах измерительных приборов и контрольно-измерительных машин.

ВЫВОДЫ

1. Как показало проведенное исследование, приводы микроперемещений на основе ЭМВП легко управляемы, обладают высокой точностью, чувствительностью, обеспечивают хорошую плавность перемещений. При использовании аэростатических направляющих или магнитного подвеса и при наличии обратной связи привод на основе ЭМВП обеспечивает перемещения менее 0,01 мм, тяговое усилие 700 Н, жесткость 15 Н/ мкм.

2. Экспериментальное исследование привода показало, что:

а) с увеличением силы тока в обмотке увеличивается осевое перемещение подвижной части привода (при увеличении силы тока от 300 мА до 550 мА перемещение составило 3,2 мм);

б) зависимость перемещения подвижной части привода от силы тока носит нелинейный характер;

в) увеличение осевой нагрузки приводит к увеличению перемещения;

г)зависимость перемещения от осевой нагрузки нелинейна;

д) увеличение силы тока в обмотке приводит к увеличению тягового усилия и жесткости привода. При силе тока 70 мА жесткость привода составляемы О"5 Н/мкм, при силе тока в 500 мА-2'10"1 Н/мкм.

3. Проведено теоретическое исследование физической сущности появления и действия тягового усилия в ЭМВП. Установлено, что:

- тяговое усилие в передаче появляется при смещении винта относительно гайки в результате изменения напряженности магнитного поля в осевом направлении;

- магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами незаполненной 3(1-оболочки;

- основная характеристика железа - намагниченность насыщения, по современным теоретическим понятиям, не может быть увеличена;

- одним из перспективных направлений увеличения тягового усилия, а следовательно, жесткости электромагнитного привода является использование для изготовления деталей магнитопровода редкоземельных металлов и их сплавов.

4. Предложенная физическая модельЭМВП позволила проанализировать основные свойства передачи и объяснить результаты исследований ЭМВП,

проведенных в настоящей работы и в работах В.Э.Пуша, В.А. Макарова, Л.Н.Араличева, Р.М.Ахмедходжаеза.

5. Предложенная математическая модель привода отразила характер работы привода в динамическом режиме

6. Проведенный обобщенный анализ работы привода в динамическом режиме позволил вывести выражение, характеризующее закон движения электромагнитной гайки с подвижным узлом станка.

7. Предложенная методика расчета электромагнитных приводов позволила по заданному тяговому усилию определить основные геометрические и электрические параметры ЭМВП.

8. Приведены практические рекомендации по рациональному использованию электромагнитных приводов микроперемещений.

9. Предложено два варианта конструкций электромагнитного привода с замкнутой системой регулирования: в виде ходового винта с двумя полугайками и круговой зубчатой рейки с двумя втулками.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Шутова Л.И. Регулирование электромагнитного привода микроперемещений. // Тезисы докладов 51-ой научной сессии, посвященной Дню радио, 21-22 мая, Москва, 1996 г., часть I, стр. 118;

2. Кудинов A.B., В.Э.Пуш, Л.И.Шутова. Информационный подход к проблеме малых перемещений. // Материалы з-го Международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-96, 22-24 мая, Москва, 1996 г.стр. 83;

3. В.Э.Пуш, Л.И. Шутова. Экспериментальное исследование электромагнитного привода микроперемещений". СТиН, 1997 r.,Nl, стр. 10.