磁懸浮技術革新：打造超精密加工新利器，開啟智（zhì）能製造（zào）新篇章
　　在（zài）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（dù）。今天，我們就來探討如何運（yùn）用基於模型（xíng）的設計方法，構（gòu）建磁懸浮原型，以實現更高效、更精準的超精（jīng）密加工，開啟智能製造（zào）的新篇章。
　　基於模型（xíng）的設計，是一種集創新、優（yōu）化和仿真於一體的現代設（shè）計方法。它通（tōng）過對產品（pǐn）進行全麵而係統（tǒng）的建模，使得設計者在產品開（kāi）發的早期階段就能對產品的性能進行（háng）預（yù）測和優化。這種設計方法的出現，極大地提（tí）高了產品設計（jì）的效率和準確（què）性，為磁懸浮原型的構建提供了有力的技術支持。
　　磁懸浮技（jì）術，以其無接觸、無摩擦的特點，在超精（jīng）密加工領域具有廣闊的應（yīng）用前景。通過構建磁懸浮原型，我們（men）可（kě）以實現工件與加工工具之間的完全懸浮，從而消除了傳統加工方（fāng）式中由（yóu）於接觸摩擦而產生的誤差和損傷。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（jù）和工件（jiàn）的使用壽命，降低了生產成本。
　　在構（gòu）建磁懸浮原型的過程中，我（wǒ）們需要對磁（cí）懸浮係統的結構、磁場分布、懸浮力等（děng）關鍵參數（shù）進行（háng）精確的（de）設（shè）計和（hé）計算。基於模型的設（shè）計方法，可以幫助我們建立準確的數學（xué）模型，並通過仿真分析（xī）來預測和優化磁懸浮係統的性能。同時，我們還可以（yǐ）利用先進的製造技（jì）術和材料科學，來確保磁懸浮原型的穩定性（xìng）和可靠（kào）性。
　　當然，構建（jiàn）磁（cí）懸浮原型並不是一蹴而就的事情。我們需要不斷地進行試驗和調試，以（yǐ）驗證和優（yōu）化磁懸浮係統的性能。在這個過程中，基於模型的設計方法也能為我們提供有力（lì）的支持。通過實時監測和數據分析，我們可以及時（shí）發現問題（tí）並進行改（gǎi）進，從（cóng）而確保磁懸浮原型的成功構建和穩定（dìng）運（yùn）行。
　　隨著磁懸浮技（jì）術的（de）不斷發展和完善，我們有理由相信（xìn），它將為超精密加工領域帶來革（gé）命性的變革。未來，我們可以期待看到更多基於磁懸浮（fú）技術的創新應用，為製造業的轉型升級和高質（zhì）量發展注入新的動力。
　　綜上所述，基於模（mó）型的設計方（fāng）法為構建磁懸浮原型以實現超精密加工提供了有力的技術支持。通過不斷地探索（suǒ）和（hé）實踐，我們有（yǒu）信心將（jiāng）磁懸浮技術應用於更廣泛的領域，推（tuī）動製造業的轉型升級和高質（zhì）量發展。讓我們共同（tóng）期待這一美好未來的到來！
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　　作（zuò）者Per Schreiber，漢諾威萊布尼茨（cí）大學生產工程和機床研究（jiū）所(IFW)
　　超精密加工廣泛應用於醫療設備、光（guāng）學、計量和微電子機械係統等領域，在其中（zhōng）發揮著重要作用。用於以亞微米精度（dù）移動機器部件和工件的導軌技術對加工過（guò）程的整體準確（què）度和速度（dù）具有重大影響。最常用的兩（liǎng）種導軌（guǐ）技術-靜液壓驅動和空氣靜（jìng）壓驅動-可提供平穩的運動和抑製振動的阻尼。然而，實現和維護（hù）這（zhè）些導軌可能既昂貴又複雜，尤（yóu）其是對於需要多個自（zì）由度的應用更是如此。
　　在漢諾威（wēi）萊布尼茨大學生產工程和（hé）機床研究所，我和同（tóng）事們實（shí）現了一種基於磁懸浮的超（chāo）精密加工新導軌技術。這種方法既能克服現有導軌技術的一些（xiē）缺（quē）點，又（yòu）能保（bǎo）持極（jí）高的精度。電磁懸（xuán）浮導軌支（zhī）持額外的（de）自由度和主動（dòng）減振，可以提高生產速度，從（cóng）而使超精（jīng）密加工工作效率的顯著提高成為可（kě）能。我們使用原型加工了一個鋁製工件，切削深度從3微米到7微米不等，表麵粗糙度小於45納米Sa（1）。我們使用了基於模型的設計來構建（jiàn）實現（xiàn）這種精度所需的實時（shí）控製係統，即先在Simulink®中對係統進行建模和仿真，然後使用Simulink PLC Coder™生（shēng）成IEC 61131-3結（jié）構化文本以部（bù）署在Beckhoff®工控機（jī）上。此工作流不僅使（shǐ）我們能夠加快開發速度，還最大限度地（dì）減少了繁瑣（suǒ）耗時的手動編碼結構化文本的工作（zuò）量。
　　1.采用電磁懸浮導（dǎo）軌技術加工的鋁製工件。
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　　使用磁懸浮的軸控製
　　為了證明在超精密切削中應用（yòng）懸浮技術的可行性，我們設計並製造了（le）原型。該原型包括完整的（de）三軸超精密銑床的所有（yǒu）相關功能。與單軸導軌原型相比，我們可（kě）以在（zài）實際超精密切削過程中（zhōng）評（píng）估此導軌技術。我們的原型係統設計（jì）包括三（sān）個宏（hóng）觀層麵的軸（x、y和（hé）z）以及五個額外的精細定位自由度(DoF)（2）。這些額外的自由度由電磁懸浮導軌管理，支持更精確的x軸和z軸定位以及旋轉定位（滾動、俯仰和（hé）偏（piān）轉）。在加工過程中，宏觀軸（zhóu）x和z提供進給運動，y軸用於預調整主（zhǔ）軸和刀具（jù）位置。用線性編碼器測量沿這些軸的位置。
　　2.超精密加（jiā）工原（yuán）型：左側顯示（shì）大尺寸定位軸（x、y和z軸），右側顯示使用電磁作動器的小尺寸定位。
　　12個電磁作動器用於懸浮工件（jiàn），12個電容傳感（gǎn）器用於測量工件滑塊和每個電磁體之間（jiān）的間（jiān）隙距（jù）離，它們共同實現了精確定位控製。滑塊在六個自由（yóu）度中的姿態是根（gēn）據這些測量值得出的。
　　控製架構同樣是圍繞著原型的（de）宏觀層麵和精細定位（wèi）層麵進行組（zǔ）織的。一個控製子係統專用於主要的x軸、y軸和z軸（zhóu），另一個子（zǐ）係統用於電磁懸浮係統（3）。我們為原型選擇的Beckhoff工控機（jī）支持的最大采（cǎi）樣率（lǜ）為20 kHz。此控（kòng）製器以此采樣率運行，負責管理超精密定位，並通過電磁體保持足夠的反向（xiàng）力（lì），使刀具能夠切削（xuē）工件。
　　3.原型控製架構。
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　　控製器的建模與仿真
　　我們在（zài）Simulink中對宏觀層麵控製係統和精細（xì）定位控製係統進行建模。宏觀層麵的係統相對簡單。它基於具有比例積分控製器的級聯控製回路，會根據來自x軸、y軸和z軸編碼器的位置和速度（dù）測量值輸出電流設定值（4）。
　　4.z軸宏（hóng）觀層麵控製器的Simulink模型（xíng）。
　　五個自（zì）由度中的每（měi）個（gè）自由度在精細定位控製係統中都（dōu）有一個對應的比例-積分-導數(PID)控製器。此（cǐ）控製器根據原型的12個電容傳感器的輸（shū）入計算電磁體的電流設定值。由於開環狀態（tài）下的電磁懸浮在本質上是不穩定的（de），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。在準備過程中，我們創建了被控對象模（mó）型。該模型可捕（bǔ）獲電容傳感器的特性、傳輸延遲、電（diàn）流與電磁鐵和工件之間間隙的非線性關係及（jí）其他效應。我們在Simulink中使用控製器和被控對象模型進行了大量閉環仿真，以評估控製係統的穩健性，並在工作過（guò）程中執行多項改進以提高性能。
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　　生（shēng）成結構化文本（běn）並測試原（yuán）型
　　在通過仿真驗證控製設計後，我們使用Simulink PLC Coder從Simulink模型中生成了IEC 61131-3結構化文本。然後，我們導入、編譯控製應用（yòng）程序並將其部署到與硬件原型的傳感器和作動器相連的Beckhoff工控機上。我們一開始的測（cè）試（shì）看起來很有希望，但不（bú）出所料，我們需要（yào）調整（zhěng）精細（xì）定位控製器中的一些參數以提高性（xìng）能。這（zhè）些（xiē）調整需要考慮電磁體特性的製（zhì）造差異（yì）（這會影響背鐵處磁體之間約200微米的間隙）以及機器裝配中的其他容差。在（zài）模（mó）型中進行必要的更改並通過仿（fǎng）真進行驗證後，我們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（yàn）證原型的超精密加工能力（5）。
　　5.執行計劃加工的原型。
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　　下一代改（gǎi）進
　　基於模型的設計有助於實現我們的（de）最初目標：展示首創使用磁懸浮導軌進行超精密加工的全功能原型。在開發下一代原型時，我（wǒ）們將繼續使用Simulink和Simulink PLC Coder進行（háng）建模、仿真和代碼生成。除了諸多改（gǎi）進（jìn）外，我們還在這個新機器中集（jí）成了六自由度光學位置傳感器，用以取代電容式間隙傳感器。由於這（zhè）些傳感器都不太容易受到電磁噪聲的影響，我們預計（jì）此項變更（gèng）將進一（yī）步提（tí）高新一代機器的精度（dù）。