高速、高精度直线悬浮垂直冲压系统的关键技术研究

将永磁直线电机与磁悬浮轴承技术相结合，提出一种新型的直线悬浮冲压系统结构。本项目主要研究内容可分为冲头直线驱动系统和垂直磁悬浮系统两部分。内容包括：1.结合有限元法和解析法对永磁直线电机特性进行分析，并对电机结构参数进行优化设计。2.设计基于直接推力控制的速度、位置、推力三闭环控制器，实现对冲头的高速、高精度控制。3.根据冲头垂直悬浮不受重力影响的特点，对磁悬浮轴承进行优化设计，研究ISMC控制器的相关技术，实现冲头的高速运动过程中的稳定悬浮。本项目涉及的直线垂直悬浮冲压技术具有创新性，该高速、高精度冲压系统的研制成功，将极大地影响现有冲压设备的发展方向，具有广阔的应用前景，巨大的经济效益和社会效益。

为研究开发高速、高精度冲压系统，本项目将永磁直线电机与磁悬浮轴承技术相结合，提出一种新型的由直线电机驱动的垂直悬浮冲压系统结构。该新型冲压系统由两个关键部分组成，分别是冲头直线驱动系统和垂直磁悬浮系统。主要研究内容包括：1.冲头驱动电机设计。提出了平板型和圆筒型两种结构的永磁直线电机作为冲头驱动电机。采用有限元法，分别对两种电机进行了建模，对电机气隙磁场和推力特性进行了分析，重点分析了磁场谐波，端部效应等直线电机中存在的主要问题，并根据分析结果对电机进行了优化设计。通过对两种结构驱动电机的分析比较，选择圆筒型永磁直线电机为最终方案，设计并制作了样机和工作测试平台。2. 冲头驱动电机控制器设计。设计基于矢量控制的速度、位置、推力三闭环控制器，实现对冲头的高速、高精度控制。试制了冲头驱动电机控制器，并在工作测试平台上进行了调试。3. 磁悬浮轴承及控制器设计。根据冲头垂直悬浮不受重力影响的特点，提出了一种新型的悬浮轴承结构。该新型磁悬浮轴承由四个悬浮单元组成，每个单元包含一个直线步进电机。采用有限元法对直线步进电机的特性进行了分析，并对电机结构进行了优化设计。重点研究了直线步进电机法向力和切向力的关系问题，试制了单边直线步进电机样机及其控制器，对其性能进行了初步测试。提出了双边H型直线步进电机结构，进一步降低了电机法向力/切向力比。截至目前的研究结果表明，冲头驱动电机及控制器满足该冲压系统的要求，而磁悬浮轴承样机受加工精度影响，性能未达预期水平，需进一步研究改进。本项目涉及的直线垂直悬浮冲压技术具有创新性，具有广阔的应用前景和潜在的经济、社会效益。