磁懸浮技術革新：打（dǎ）造超精密加工新利器，開啟智能製造新篇章
　　在科技日新月異的今天，磁懸浮技術正以其獨特的優勢，引領著超（chāo）精密加工領域邁向新的高度。今天，我們就來探討如何運用基於模型的設計方法，構建磁懸浮原型，以實現更高效、更精準的超精密加（jiā）工，開啟智能製（zhì）造的新篇章（zhāng）。
　　基於模型的設計（jì），是一種集創新、優（yōu）化（huà）和仿真於一體的現代（dài）設計方法。它通（tōng）過對產品進行全麵而係統的建模（mó），使得設計者在產品開（kāi）發的早（zǎo）期階段就能對（duì）產品的性能（néng）進行預測和優化。這種設計方法的出現（xiàn），極大地提高了產品設計的效率和準（zhǔn）確性，為磁懸浮原型的構建提供了有力的技術支（zhī）持。
　　磁懸浮技術，以其無（wú）接（jiē）觸、無（wú）摩擦的特點，在超精密加工領（lǐng）域（yù）具有廣闊的應用（yòng）前景。通（tōng）過構建磁（cí）懸浮原型（xíng），我們可以實現工件與（yǔ）加工工具之間的完全懸浮，從（cóng）而消除了傳（chuán）統加工方式中由於接觸摩擦而產（chǎn）生的誤差（chà）和損傷。這種無接觸加工方式，不僅提高了加工的精度和表麵質量，還延長了工具和工件的使用壽命（mìng），降低了生產成本。
　　在構（gòu）建磁懸浮原型的過程中，我們需要對磁懸浮（fú）係統的結構、磁場分布、懸浮力（lì）等關鍵參數進行精確的設計和計算。基於模型的設計（jì）方法，可以幫助我們建立準確的數學模（mó）型，並通過仿真（zhēn）分（fèn）析（xī）來預測和優化磁懸浮係統（tǒng）的性能。同時，我們還可以利用先進的製造技術和材料科學（xué），來（lái）確保磁懸浮原型的穩定性和可靠性。
　　當然，構建磁懸浮原型並（bìng）不是一蹴而就的事（shì）情。我們需要不斷地進行試驗和調試，以驗證和優化（huà）磁懸浮係統的性能。在這個過程中，基於模型（xíng）的設計方法也能為我們提供有力的支持。通過實時監測和數據分析，我們可（kě）以（yǐ）及（jí）時發現問題並進行改進，從而確保磁懸浮原型的成功構建和穩定運行。
　　隨著磁懸浮技（jì）術的不斷發展和完善，我們（men）有（yǒu）理由相信，它將為超精密加工領（lǐng）域帶來革命性的變革。未（wèi）來，我們可以（yǐ）期待（dài）看到更多基於磁懸浮技術的創新應用，為製造業的轉型升級和高質量發展注入新（xīn）的動力。
　　綜上所述，基於模型的設計方法為構建磁懸浮原型以實（shí）現超精密加工提供了有力的技術（shù）支持。通過不斷地探索和實踐，我們有信心將磁懸浮技術應用於更廣泛的領域，推動製（zhì）造業的轉型升級和高質量發展（zhǎn）。讓我們共同期待這一（yī）美好未來的（de）到（dào）來！
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　　作者Per Schreiber，漢諾威萊布尼茨大學生產工程和機床研究所(IFW)
　　超精密加工廣泛（fàn）應用於醫療設備（bèi）、光學（xué）、計量和微（wēi）電子機械係統等領域，在其中發揮著重要作用。用於（yú）以亞微米精度移動機器部件和工件的導軌技術對加工過程的整體準確度和速度具有重大影響。最常用的兩種導軌技術-靜液壓驅動和空（kōng）氣（qì）靜壓驅動-可提供平穩的運動和（hé）抑製振動的阻尼。然而，實現和維護這（zhè）些導軌可能既昂貴又複雜（zá），尤其（qí）是對於需要多個自由度的應用更是如此。
　　在漢諾威萊布尼茨大學生產工（gōng）程和機床研究所，我和（hé）同事們實現了（le）一種基（jī）於（yú）磁懸浮的超精密加工新（xīn）導軌技術。這種方法既能克服現有導軌技術的（de）一些缺點（diǎn），又能保持極高的精度。電磁懸浮導軌（guǐ）支持額外的自由度和主動減振，可以提高生產速度，從而使超精密加工工作效率的（de）顯著提高成為可（kě）能。我們（men）使用原型加工了一個鋁製工件，切削（xuē）深度（dù）從3微米到7微米不等，表麵粗糙度小於45納米Sa（1）。我們使用了基於（yú）模型的設計來構建實現（xiàn）這種精度所需的實時控製係統，即先在Simulink®中（zhōng）對係統進行建模和（hé）仿真，然後使用Simulink PLC Coder™生成IEC 61131-3結構化文本以部署在Beckhoff®工控機上。此工作流不僅使我們能夠加快開（kāi）發速度，還最大限度地減少了繁瑣耗時的手動編碼結構（gòu）化文本的工作量。
　　1.采用電磁懸浮導（dǎo）軌（guǐ）技術加工的鋁製工件。
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　　使用磁（cí）懸浮的軸控製
　　為了證明在超精（jīng）密切削中應用懸浮技術的可行性，我們設計並製造了原型。該原型包括完整的三軸超精密銑床的所有相關功能。與單（dān）軸導軌原型相比，我們可以在實際超精密（mì）切削過程中評估此導軌技術。我們的原型（xíng）係統設計包括三個宏觀層麵的軸（x、y和z）以及五個額外的精（jīng）細定位自由度(DoF)（2）。這些額外的自由度由電磁懸浮導軌（guǐ）管理，支（zhī）持更精確的x軸和z軸定位以及旋轉定位（滾動、俯（fǔ）仰和偏轉）。在加工過程（chéng）中，宏觀軸（zhóu）x和（hé）z提供進給運動，y軸用（yòng）於預調整主軸（zhóu）和（hé）刀具位（wèi）置。用線性編碼器測量沿這些軸的位置。
　　2.超精密（mì）加工（gōng）原型（xíng）：左側顯示大尺寸（cùn）定位軸（x、y和z軸），右側顯示使用電磁作動器的小尺寸定（dìng）位。
　　12個電磁作動器用（yòng）於懸（xuán）浮工件，12個電容傳感器用於測量工件滑塊和每個電磁體之間的間隙距離（lí），它（tā）們共同實現了精確定位控製。滑塊在六個自由度中的姿態是根據這些測量值得出的。
　　控製架構同樣是圍繞著原型的宏觀層麵和（hé）精細定（dìng）位層麵進行組織的。一個控製子係統專用（yòng）於主要的x軸、y軸和z軸，另一（yī）個子係統用於電磁懸浮係統（3）。我們為原型選擇的Beckhoff工控機支持的最大采樣率為20 kHz。此控製（zhì）器以（yǐ）此采樣（yàng）率運行，負責管理超精密定位，並通過電磁（cí）體保持（chí）足夠的反向力（lì），使刀具能夠切削（xuē）工件。
　　3.原型控製架構。
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　　控製器（qì）的建（jiàn）模與仿真
　　我們（men）在Simulink中對宏觀層麵控（kòng）製係統和精細定位控（kòng）製係統（tǒng）進行建模。宏觀層麵（miàn）的係統相對簡（jiǎn）單。它基於具有比例積分控製器（qì）的級聯控製（zhì）回路，會根據來自x軸、y軸和z軸編碼器的位置和速度測量值輸出電流設定值（4）。
　　4.z軸宏觀層麵控製器的Simulink模（mó）型。
　　五個自由（yóu）度中的每（měi）個自由度在精細定位（wèi）控製係統中都有（yǒu）一個對應的比例-積分-導數(PID)控製（zhì）器。此控製（zhì）器根據原型的12個電容傳感器的輸入計算電磁體的電流設定（dìng）值。由於開環狀態下的電磁懸浮在（zài）本質上（shàng）是不穩定的，因此在硬件上測試之前需要進行仿真以確定初始控製參數集。在（zài）準備（bèi）過程中，我們創建（jiàn）了被控對象模型。該模型可捕獲（huò）電容傳感（gǎn）器的特性、傳輸延遲、電流與電磁鐵和工件之間（jiān）間隙的非線性關係及其他效（xiào）應。我們在Simulink中（zhōng）使用控製（zhì）器和被控對象模型進（jìn）行了大量閉環仿真，以評估控製係統的穩健性，並在工作（zuò）過程中執行多項改進以提高性能。
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　　生成結構化文本並測試原型
　　在通過仿真驗證控製（zhì）設計後（hòu），我們使（shǐ）用Simulink PLC Coder從Simulink模型中生成了IEC 61131-3結構化文本。然後，我（wǒ）們（men）導入、編譯控製應用程序並將其部署到與硬件原型的傳感器和作動（dòng）器相連的Beckhoff工控機上。我們一（yī）開始的測試看起來很有希望，但不出所料，我們需要調整精細定位控（kòng）製（zhì）器中（zhōng）的一些（xiē）參數以提高性能。這些調整需要考慮（lǜ）電磁體特性的製造差異（這會影響背（bèi）鐵處磁體之間（jiān）約200微米的間隙）以及機器裝配中的其他容差。在（zài）模型中進行必要的更改並通過仿真進行驗證（zhèng）後，我們（men）從模型中重新生成了結構化文本，並執行進一步（bù）測試以驗證原型的超精（jīng）密加（jiā）工能力（5）。
　　5.執行計劃加工的原型。
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　　下一代改進
　　基於模型的設計有助於實現我們的最初目標：展示首創使用磁（cí）懸浮導軌進行超精密加工的（de）全功能原型。在開發下一代（dài）原（yuán）型時，我（wǒ）們將繼續使用Simulink和Simulink PLC Coder進行建模、仿真（zhēn）和代碼生成（chéng）。除了（le）諸多改進外，我們還（hái）在這個（gè）新機器中集成了六自由度（dù）光學位置傳感器，用以取代電容式間隙傳（chuán）感器。由於這些傳（chuán）感器都不太容易（yì）受到電磁噪聲的影（yǐng）響（xiǎng），我們預計此（cǐ）項變更（gèng）將進一（yī）步提（tí）高新一代機器的精度。