磁懸浮技術革新：打（dǎ）造超精密加工新（xīn）利器，開啟智能製造新篇（piān）章
　　在科技日新月異的今天，磁懸（xuán）浮技術正以其獨特的優勢，引領著超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（fāng）法，構建磁懸浮原型，以實現更高效、更精準（zhǔn）的超精密加（jiā）工，開啟智能製造的（de）新篇章。
　　基（jī）於模型的設（shè）計，是一種集創新、優化和仿（fǎng）真於一（yī）體的（de）現（xiàn）代設計方（fāng）法。它通過對產品進行全麵而係統（tǒng）的建模，使得設計者在產品開（kāi）發的早期階段就能（néng）對產品的性能進行預測（cè）和優化。這種設計方法的出現，極大地提高了產品設計的效率和準確性，為磁懸浮原（yuán）型的構建提供了有力的技術支持。
　　磁懸浮技術，以其無接觸、無摩擦的特（tè）點，在超精密加工領域具有廣闊的應用前景。通過構建磁懸浮原型，我們（men）可以實現工件與加工工具之（zhī）間的完全懸浮，從而消除了傳統加工方式中由於接觸摩擦而產（chǎn）生的誤差和損（sǔn）傷。這種無接觸加工方式，不僅提高（gāo）了加工的（de）精度（dù）和表麵質量，還延長了工具和工件的使用壽命，降低了生產成本（běn）。
　　在構建磁懸浮原型的過程中，我們需要對（duì）磁懸浮係統的（de）結構、磁場分布、懸浮力等關鍵參數進行精確的設計和計算。基於模型的（de）設計方法（fǎ），可以幫助我們建立準確的數學模型，並通過仿真分析來預測和優（yōu）化磁懸浮（fú）係統的性能（néng）。同時，我們還（hái）可（kě）以利用先進的製造技術和材料科學，來確（què）保磁懸浮原型的穩定（dìng）性和可（kě）靠性。
　　當然，構建磁懸浮原型並不是一蹴而就的事情。我們需（xū）要不（bú）斷地進行試驗和調試，以驗證和優化磁懸（xuán）浮（fú）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（tí）供有力的支持。通過實時監測和數據分析，我們可以及時發現問題並進（jìn）行改進，從（cóng）而確保磁懸浮原型的成功構建和穩定運行（háng）。
　　隨著磁懸浮技術的不斷（duàn）發展和完善，我們有理由相信，它（tā）將為超精密加工領域帶來革命性的變革。未來，我們可以期待看到更多基於磁（cí）懸浮技術的創新（xīn）應用，為（wéi）製造業的轉型升級和高質量發展注入新的動力。
　　綜（zōng）上所述，基於模型的設計方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（guò）不斷地探（tàn）索和實踐，我們有信心將磁懸（xuán）浮技術應用於更廣泛的領域，推動製造業的轉型升級（jí）和（hé）高（gāo）質量發展。讓我們共同期待這一美好未來的到來！
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　　作者Per Schreiber，漢（hàn）諾（nuò）威萊布尼茨大學生產工程和機床研究（jiū）所(IFW)
　　超精密（mì）加工廣（guǎng）泛應用於醫療設備、光學、計量和微電子機械係統等領域，在其（qí）中發（fā）揮著（zhe）重（chóng）要作用。用於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（chéng）的整體（tǐ）準確（què）度和速度具有重大影響。最（zuì）常用的兩種導軌技術-靜液壓（yā）驅動（dòng）和空氣靜壓驅動-可提供平穩的運動和抑製振動（dòng）的阻尼。然而，實現和維護這些導軌（guǐ）可能既（jì）昂貴又複雜，尤其是對（duì）於需要多個自由度的應用更（gèng）是如此。
　　在漢諾威萊布尼茨大學（xué）生產（chǎn）工程和機（jī）床研究所，我和同（tóng）事們實現了一種基於磁懸浮的超精密加工新導軌技術（shù）。這種方法既能克服現有導軌技術的一些缺點，又能保持極高的精度。電磁（cí）懸浮導軌支持額外的自（zì）由度和主（zhǔ）動減振，可以提高生產速度，從而使超精（jīng）密加工工（gōng）作效率（lǜ）的顯（xiǎn）著提高成為可能。我們使用原型加工了（le）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（lái）構建實現這種精度所需的實時控（kòng）製係統，即先（xiān）在Simulink®中對係統進行建模和仿真，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（cǐ）工（gōng）作流不僅使（shǐ）我們能夠加快開發速度，還最大限度地減少了繁瑣耗時的手動編碼結構化文本的工作量。
　　1.采用電磁懸浮導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懸浮（fú）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（sān）軸超精密銑床的所（suǒ）有相關（guān）功能。與單軸導（dǎo）軌原型相比，我們可以在實際超精密切削過程中評估此導（dǎo）軌技術。我們（men）的原型係（xì）統設計包括三（sān）個宏觀層（céng）麵的（de）軸（x、y和z）以及五個額外（wài）的精細定位自由度(DoF)（2）。這些額外的自由度由（yóu）電磁懸浮導（dǎo）軌管理，支持更精確的x軸和z軸（zhóu）定（dìng）位（wèi）以及旋轉定（dìng）位（滾動、俯仰和偏轉）。在加工過程中，宏觀軸x和z提供進給運動，y軸用於（yú）預調整主軸和刀具位置。用線性編碼器測量沿這些（xiē）軸（zhóu）的位置。
　　2.超精密加（jiā）工（gōng）原型：左側顯示大尺寸定位軸（x、y和z軸），右側顯示使用電磁作動器的小尺寸定位。
　　12個（gè）電磁作動器用於懸浮工件，12個電容傳感器用於測量工件滑塊和每（měi）個電磁體之間的間隙距離（lí），它們共同實（shí）現了精（jīng）確定位控製。滑塊在六個自（zì）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（rào）著（zhe）原型的宏觀層麵和精細定位層麵進行組（zǔ）織的（de）。一個控製子係統專用於主要的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（wéi）原型選擇的Beckhoff工控機支持（chí）的最大采樣（yàng）率為20 kHz。此控（kòng）製器（qì）以此（cǐ）采樣率運（yùn）行，負（fù）責管理超精密定位，並通過電磁體保持足夠的反向力，使刀具能夠切（qiē）削工件。
　　3.原型控製架構。
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　　控製器的建模與仿真
　　我們在Simulink中對宏觀層（céng）麵控製係統和精細定位（wèi）控製係統進行建模。宏觀層麵的係（xì）統相對簡單。它基（jī）於具有比例積分控製器的級（jí）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模型。
　　五個自由度中的每（měi）個自（zì）由度在精細定位控製係統中都有一（yī）個（gè）對應的（de）比例-積分-導數(PID)控製器。此控製器根據原型的12個電容傳感器的輸（shū）入計算電磁體的電流設定值。由於（yú）開環狀態下的電磁（cí）懸浮（fú）在本質（zhì）上是不穩定（dìng）的，因（yīn）此在硬件上（shàng）測（cè）試之（zhī）前需要進行仿真以確定初（chū）始控製參數集。在準備過程中，我們創建（jiàn）了被控（kòng）對象模型。該模型可捕（bǔ）獲電容傳感器（qì）的特性、傳輸延遲、電流與電磁鐵和工件之間間隙的（de）非線性（xìng）關係及（jí）其他效應。我們在Simulink中使用控製器和被控對象（xiàng）模型進（jìn）行了大量閉環仿真，以評估控製係統的穩健性（xìng），並在工作（zuò）過程中（zhōng）執行多項（xiàng）改進以提高性能（néng）。
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　　生成結構化文本並測試原型
　　在通過仿真驗證控（kòng）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（rán）後，我們導入（rù）、編譯控製應用程序（xù）並將（jiāng）其部署到與（yǔ）硬件原型的傳感器（qì）和作動器相連的Beckhoff工控機上。我們一開始的測試（shì）看起來（lái）很有希望，但不出所料，我們需要（yào）調整精細定位控製器中（zhōng）的一些參數（shù）以提高（gāo）性能。這些調整需要考慮電磁體特性的製造差異（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（de）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後，我們從模型中（zhōng）重新生成了結（jié）構（gòu）化（huà）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（zhí）行計劃加工的原型。
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　　下一代改進
　　基於模型（xíng）的設計有助於實現我們的最初目標：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（xíng）時，我們（men）將繼續使（shǐ）用Simulink和Simulink PLC Coder進行建（jiàn）模、仿真和代碼生成（chéng）。除（chú）了諸多改進外，我們還在這個新機器中集成了六自由度光學位置（zhì）傳感器，用以取代（dài）電容式間隙傳感器。由於（yú）這些傳感器都不太容易受到電磁噪聲的影響，我們預計此（cǐ）項變（biàn）更將進一步提高新一代機器的（de）精度。