一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)。包括工作臺、導(dǎo)軌、控制裝置和激光多普勒干涉儀；導(dǎo)軌的兩側(cè)翼和工作臺的兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵，導(dǎo)軌兩側(cè)下表面和工作臺底部兩側(cè)上表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵和兩對直線電機繞組，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺的直線電機轉(zhuǎn)子繞組和設(shè)在導(dǎo)軌的直線電機定子繞組；本實用新型通過磁懸浮方式改變空氣間隙高壓氣體從節(jié)流孔的高速噴出方式，同時通過邊界層上表面加熱控制方法，使空氣間隙中的氣體運動維持在層流狀態(tài)，減小非接觸式工作臺運動部件與固定件之間空氣間隙內(nèi)的阻力，提高非接觸式工作臺定位精度，減小工作臺能耗。
【專利說明】一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，特別是科學(xué)研究、精密加工和微細(xì)加工等領(lǐng)域需要低阻力運行、高精度定位的超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)研究的逐步深入和微細(xì)精密加工的需要，在微光刻技術(shù)、數(shù)控加工、生物技術(shù)、納米表面形貌測量等領(lǐng)域，人們所要求的特征尺度越來越小，逐漸從毫米級向納米級、亞納米級發(fā)展。超精密定位和精確運動的載物平臺在動力學(xué)研究和加工控制中顯得越來越重要。為此，消除運動件之間摩擦的氣墊導(dǎo)軌和氣浮定位工作臺應(yīng)運而生。但是氣墊導(dǎo)軌和氣浮工作臺依靠高壓氣體從節(jié)流孔噴出提供支撐力，同時上方的工作臺運動件帶動氣體水平運動，造成了氣浮的空氣間隙較大，間隙內(nèi)的氣體流動非常紊亂，為復(fù)雜的湍流流動形式，造成運行阻力較大。這造成了氣墊導(dǎo)軌和氣浮工作臺的運動的阻力難以進(jìn)一步減小，這種阻力造成了運動定位誤差的增加和能源效率的降低，使得目前的氣墊導(dǎo)軌科學(xué)實驗和氣浮工作臺精密定位的最小誤差在± 1nm左右難以進(jìn)一步提升。因此，減小氣體間隙的厚度，控制空氣間隙內(nèi)的氣體流動由復(fù)雜湍流變?yōu)檩^簡單的層流，以減小非接觸式工作臺運動部件與固定件之間空氣間隙內(nèi)的阻力，成為進(jìn)一步提高非接觸式工作臺定位精度，減小工作臺能耗的主要方向之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是針對現(xiàn)有氣墊導(dǎo)軌和氣浮工作臺空氣間隙較大，間隙內(nèi)為復(fù)雜的湍流流動形式，造成工作臺運行阻力較大，運動定位誤差增加和能耗增加的不足，提供一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)。
[0004]本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺、導(dǎo)軌、控制裝置和激光多普勒干涉儀；工作臺和導(dǎo)軌采用“T”型布置，導(dǎo)軌的兩側(cè)翼和工作臺的兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵，導(dǎo)軌兩側(cè)下表面和工作臺底部兩側(cè)上表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵和兩對直線電機繞組，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺的直線電機轉(zhuǎn)子繞組和設(shè)在導(dǎo)軌的直線電機定子繞組；每對懸浮磁鐵相互吸引，以懸浮工作臺，導(dǎo)軌的上表面為支撐面，工作臺一側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀；當(dāng)懸浮磁鐵相互吸引或排斥懸浮起工作臺后，導(dǎo)軌和工作臺之間形成懸浮間隙，懸浮間隙水平部分對應(yīng)的工作臺底部設(shè)有一個或多個加熱腔，加熱腔下部設(shè)有蓋板，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔，蓋板上表面均勻布置有測溫裝置，加熱腔的兩端面開有引線孔，加熱腔內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置，工作臺系統(tǒng)由控制裝置控制。
[0006]另一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺、導(dǎo)軌、控制裝置和激光多普勒干涉儀；工作臺和導(dǎo)軌采用“U”型布置，導(dǎo)軌兩內(nèi)側(cè)面和工作臺兩外側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵和兩對直線電機繞組，導(dǎo)軌的兩側(cè)上表面和工作臺的兩側(cè)下表面共設(shè)有兩對懸浮磁鐵，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺的直線電機轉(zhuǎn)子繞組和設(shè)在導(dǎo)軌的直線電機定子繞組；每對懸浮磁鐵相互排斥，以懸浮工作臺，工作臺下部兩側(cè)設(shè)有支撐體，工作臺一側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀；當(dāng)懸浮磁鐵相互吸引或排斥懸浮起工作臺后，導(dǎo)軌和工作臺之間形成懸浮間隙，懸浮間隙水平部分對應(yīng)的工作臺底部設(shè)有一個或多個加熱腔，加熱腔下部設(shè)有蓋板，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔，蓋板上表面均勻布置有測溫裝置，加熱腔的兩端面開有引線孔，加熱腔內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置，工作臺系統(tǒng)由控制裝置控制。
[0007]另一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺、導(dǎo)軌、控制裝置和激光多普勒干涉儀；工作臺和導(dǎo)軌采用“丄”型布置，導(dǎo)軌兩側(cè)翼和工作臺兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵和兩對直線電機繞組，導(dǎo)軌兩側(cè)上表面和工作臺兩側(cè)下表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺的直線電機轉(zhuǎn)子繞組和設(shè)在導(dǎo)軌的直線電機定子繞組；每對懸浮磁鐵互相排斥，以懸浮工作臺，工作臺下部兩側(cè)設(shè)有支撐體，工作臺一側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀；當(dāng)懸浮磁鐵相互吸引或排斥懸浮起工作臺后，導(dǎo)軌和工作臺之間形成懸浮間隙，懸浮間隙水平部分對應(yīng)的工作臺底部設(shè)有一個或多個加熱腔，加熱腔下部設(shè)有蓋板，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔，蓋板上表面均勻布置有測溫裝置，加熱腔的兩端面開有引線孔，加熱腔內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置，工作臺系統(tǒng)由控制裝置控制。
[0008]另一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺、導(dǎo)軌、控制裝置和激光多普勒干涉儀；工作臺和導(dǎo)軌采用“一”型布置，導(dǎo)軌兩側(cè)上表面和工作臺兩側(cè)下表面從外側(cè)向內(nèi)側(cè)設(shè)有兩對懸浮磁鐵、兩對直線電機繞組和兩對導(dǎo)向磁鐵，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺的直線電機轉(zhuǎn)子繞組和設(shè)在導(dǎo)軌的直線電機定子繞組；每對懸浮磁鐵互相排斥，以懸浮工作臺，工作臺下部兩側(cè)設(shè)有支撐體，工作臺一側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀；當(dāng)懸浮磁鐵相互吸引或排斥懸浮起工作臺后，導(dǎo)軌和工作臺之間形成懸浮間隙，懸浮間隙水平部分對應(yīng)的工作臺底部設(shè)有一個或多個加熱腔，加熱腔下部設(shè)有蓋板，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔，蓋板上表面均勻布置有測溫裝置，加熱腔的兩端面開有引線孔，加熱腔內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置，工作臺系統(tǒng)由控制裝置控制。
[0009]所述的控制裝置包括直線電機伺服驅(qū)動器、懸浮電磁線圈電流控制器、導(dǎo)向電磁線圈電流控制器和溫度控制器；直線電機伺服驅(qū)動器與直線電機定子繞組、直線電機轉(zhuǎn)子繞組連接，懸浮電磁線圈電流控制器與懸浮磁鐵連接，導(dǎo)向電磁線圈電流控制器與導(dǎo)向磁鐵連接，溫度控制器與加熱裝置連接。
[0010]所述的懸浮磁鐵采用永磁體或電磁線圈，直線電機定子繞組、直線電機轉(zhuǎn)子繞組或?qū)虼盆F采用電磁線圈，電磁線圈采用有電阻的電磁線圈、高溫超導(dǎo)電磁線圈或帶液氦冷卻液的低溫超導(dǎo)電磁線圈。
[0011]所述有電阻的電磁線圈的電磁繞組材料采用銅鐵金屬合金線材，高溫超導(dǎo)電磁線圈的電磁繞組材料采用硼系線材或錸-鋇-銅-氧構(gòu)成的的錸系線材，低溫超導(dǎo)電磁線圈的電磁繞組材料采用鈮鈦合金線材。
[0012]所述的加熱腔內(nèi)表面和蓋板內(nèi)表面設(shè)有絕緣涂層，所述的測溫裝置為熱電偶或熱電阻，所述的加熱裝置采用加熱絲或加熱條或加熱膜。
[0013]所述的懸浮電磁線圈電流控制器和導(dǎo)向電磁線圈電流控制器為ST7-4-4-028型數(shù)顯電力調(diào)整器，直線電機伺服驅(qū)動器為Parker SLVD-N伺服驅(qū)動器，溫度控制器為賽億凌科技P908型溫度控制器，激光多普勒干涉儀為Optodyne MCV-2002雙光束系列激光多普勒干涉儀。
[0014]本實用新型通過磁懸浮方式減小非接觸式工作臺運動部件與固定件之間的空氣間隙，改變空氣間隙高壓氣體從節(jié)流孔的高速噴出方式，使空氣間隙只有工作臺運動表面帶動下氣流的水平運動。同時通過邊界層上表面加熱控制方法，使空氣間隙中的氣體運動維持在層流狀態(tài)，減小非接觸式工作臺運動部件與固定件之間空氣間隙內(nèi)的阻力，提高非接觸式工作臺定位精度，減小工作臺能耗。
[0015]本實用新型通過改變及控制懸浮間隙的氣體流動形式，大大減小工作臺系統(tǒng)運行阻力，簡化運行定位控制過程，將超精密工作臺的精度從納米級向亞納米級有效地提高。本實用新型的工作臺系統(tǒng)可以為精細(xì)科學(xué)研究和微細(xì)精密加工，提供比現(xiàn)有氣浮工作臺更高精度和能耗更低的工作平臺，有效地促進(jìn)科學(xué)研究和微精細(xì)加工等行業(yè)水平的提高和進(jìn)止/J/ O

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)的“T”型布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實用新型的“U”型布置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本實用新型的“丄”型布置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本實用新型的“一”型布置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5是本實用新型的加熱腔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6是本實用新型加熱腔蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖7是本實用新型加熱腔的主視圖；
[0023]圖8是本實用新型的系統(tǒng)整體控制及檢測示意圖，箭頭表示控制與檢測中物理信號的傳遞方向。

【具體實施方式】
[0024]如圖1、5、6、7所示，一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)包括工作臺2、導(dǎo)軌1、控制裝置20和激光多普勒干涉儀19 ;工作臺2和導(dǎo)軌I采用“T”型布置，導(dǎo)軌I的兩側(cè)翼和工作臺2的兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵9,導(dǎo)軌I兩側(cè)下表面和工作臺底部兩側(cè)上表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵8和兩對直線電機繞組，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺2的直線電機轉(zhuǎn)子繞組11和設(shè)在導(dǎo)軌I的直線電機定子繞組10 ;每對懸浮磁鐵8相互吸引，以懸浮工作臺2，導(dǎo)軌I的上表面為支撐面7，工作臺2—側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀19 ;當(dāng)懸浮磁鐵8相互吸引或排斥懸浮起工作臺2后，導(dǎo)軌I和工作臺2之間形成懸浮間隙4，懸浮間隙4水平部分對應(yīng)的工作臺2底部設(shè)有一個或多個加熱腔5，加熱腔5下部設(shè)有蓋板6，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔3，蓋板6上表面均勻布置有測溫裝置12，加熱腔的兩端面開有引線孔13，加熱腔5內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置14，工作臺系統(tǒng)由控制裝置20控制。
[0025]如圖2、5、6、7所示，另一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺2、導(dǎo)軌1、控制裝置20和激光多普勒干涉儀19 ;工作臺2和導(dǎo)軌I采用“U”型布置，導(dǎo)軌I兩內(nèi)側(cè)面和工作臺2兩外側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵9和兩對直線電機繞組,導(dǎo)軌的兩側(cè)上表面和工作臺的兩側(cè)下表面共設(shè)有兩對懸浮磁鐵8，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺2的直線電機轉(zhuǎn)子繞組11和設(shè)在導(dǎo)軌I的直線電機定子繞組10 ;每對懸浮磁鐵8相互排斥，以懸浮工作臺2，工作臺2下部兩側(cè)設(shè)有支撐體7’，工作臺2 —側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀19 ;當(dāng)懸浮磁鐵8相互吸引或排斥懸浮起工作臺2后，導(dǎo)軌I和工作臺2之間形成懸浮間隙4，懸浮間隙4水平部分對應(yīng)的工作臺2底部設(shè)有一個或多個加熱腔5，加熱腔5下部設(shè)有蓋板6，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔3，蓋板6上表面均勻布置有測溫裝置12，加熱腔的兩端面開有引線孔13，加熱腔5內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置14，工作臺系統(tǒng)由控制裝置20控制。
[0026]如圖3、5、6、7所示，另一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺2、導(dǎo)軌1、控制裝置20和激光多普勒干涉儀19 ;工作臺2和導(dǎo)軌I采用“丄”型布置，導(dǎo)軌I兩側(cè)翼和工作臺2兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵9和兩對直線電機繞組,導(dǎo)軌I兩側(cè)上表面和工作臺2兩側(cè)下表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵8，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺2的直線電機轉(zhuǎn)子繞組11和設(shè)在導(dǎo)軌I的直線電機定子繞組10 ;每對懸浮磁鐵8互相排斥，以懸浮工作臺2，工作臺2下部兩側(cè)設(shè)有支撐體7’，工作臺2 —側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀19 ;當(dāng)懸浮磁鐵8相互吸引或排斥懸浮起工作臺2后，導(dǎo)軌I和工作臺2之間形成懸浮間隙4，懸浮間隙4水平部分對應(yīng)的工作臺2底部設(shè)有一個或多個加熱腔5，加熱腔5下部設(shè)有蓋板6，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔3，蓋板6上表面均勻布置有測溫裝置12，加熱腔的兩端面開有引線孔13，加熱腔5內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置14，工作臺系統(tǒng)由控制裝置20控制。
[0027]如圖4、5、6、7所示，另一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，包括工作臺2、導(dǎo)軌1、控制裝置20和激光多普勒干涉儀19 ;工作臺2和導(dǎo)軌I采用“一”型布置，導(dǎo)軌I兩側(cè)上表面和工作臺兩側(cè)下表面從外側(cè)向內(nèi)側(cè)設(shè)有兩對懸浮磁鐵8、兩對直線電機繞組和兩對導(dǎo)向磁鐵9，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺2的直線電機轉(zhuǎn)子繞組11和設(shè)在導(dǎo)軌I的直線電機定子繞組10 ;每對懸浮磁鐵8互相排斥，以懸浮工作臺2，工作臺2下部兩側(cè)設(shè)有支撐體7’，工作臺2 —側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀19 ;當(dāng)懸浮磁鐵8相互吸引或排斥懸浮起工作臺2后，導(dǎo)軌I和工作臺2之間形成懸浮間隙4，懸浮間隙4水平部分對應(yīng)的工作臺2底部設(shè)有一個或多個加熱腔5，加熱腔5下部設(shè)有蓋板6，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔3，蓋板6上表面均勻布置有測溫裝置12，加熱腔的兩端面開有引線孔13，加熱腔5內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置14，工作臺系統(tǒng)由控制裝置20控制。
[0028]所述的蓋板6采用螺栓通過螺栓孔3固定在工作臺2底面。
[0029]所述的懸浮磁鐵8采用永磁體或電磁線圈，直線電機定子繞組10、直線電機轉(zhuǎn)子繞組11或?qū)虼盆F9采用電磁線圈，電磁線圈采用有電阻的電磁線圈、高溫超導(dǎo)電磁線圈或帶液氦冷卻液的低溫超導(dǎo)電磁線圈。
[0030]所述的懸浮磁鐵8為電磁線圈時，當(dāng)電磁線圈磁性消失，支撐面7與工作臺上部下表面相接觸，或支撐體7’與兩側(cè)導(dǎo)軌I上表面相接觸，以支撐工作臺2，避免磁鐵因直接承重而損壞。
[0031]所述的懸浮磁鐵8為永磁體時，當(dāng)永磁體由于非正常因素導(dǎo)致磁性消失，支撐面7與工作臺2上部下表面相接觸，或支撐體7’與兩側(cè)導(dǎo)軌I上表面相接觸，以支撐工作臺2，防止磁鐵因直接相互擠壓被破壞。
[0032]所述有電阻的電磁線圈的電磁繞組材料采用銅鐵金屬合金線材，高溫超導(dǎo)電磁線圈的電磁繞組材料采用硼系線材或錸-鋇-銅-氧構(gòu)成的的錸系線材，低溫超導(dǎo)電磁線圈的電磁繞組材料采用鈮鈦合金線材。
[0033]如圖5所示，所述的加熱腔5內(nèi)表面和蓋板6內(nèi)表面設(shè)有絕緣涂層，所述的測溫裝置12為熱電偶或熱電阻，所述的加熱裝置14采用加熱絲或加熱條或加熱膜。所述的加熱絲14或加熱條或加熱膜和測溫裝置12的導(dǎo)線通過引線孔13引出，并合成一股線，沿工作臺運動方向中軸線引至電源和溫度控制器18。
[0034]所述的懸浮電磁線圈電流控制器16和導(dǎo)向電磁線圈電流控制器17為ST7-4-4-028型數(shù)顯電力調(diào)整器，直線電機伺服驅(qū)動器15為Parker SLVD-N伺服驅(qū)動器，溫度控制器18為賽億凌科技P908型溫度控制器，激光多普勒干涉儀19為OptodyneMCV-2002雙光束系列激光多普勒干涉儀。所述的直線電機控制器15、懸浮電磁線圈電流控制器16、導(dǎo)向電磁線圈電流控制器17和溫度控制器18可以整合到一個總控制臺。
[0035]如圖8所示，所述的控制裝置20包括直線電機伺服驅(qū)動器15、懸浮電磁線圈電流控制器16、導(dǎo)向電磁線圈電流控制器17和溫度控制器18 ;直線電機伺服驅(qū)動器15與直線電機定子繞組10、直線電機轉(zhuǎn)子繞組11連接，懸浮電磁線圈電流控制器16與懸浮磁鐵8連接，導(dǎo)向電磁線圈電流控制器17與導(dǎo)向磁鐵9連接，溫度控制器18與加熱裝置14連接。直接被控制裝置21包括直線電機定子繞組10、直線電機轉(zhuǎn)子繞組11、懸浮磁鐵8、導(dǎo)向磁鐵9和加熱絲14 ;間接被控制裝置22包括工作臺2和蓋板6 ;檢測裝置23包括測溫裝置12和測位移裝置激光多普勒干涉儀19。
[0036]加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮方法:首先，采用懸浮電磁線圈電流控制器16和導(dǎo)向電磁線圈電流控制器17控制懸浮電磁線圈和導(dǎo)向電磁線圈中的電流,調(diào)整工作臺2懸浮高度和工作臺運動方向，采用直線電機控制器15控制直線電機定子繞組10、直線電機轉(zhuǎn)子繞組11，以設(shè)定工作臺2運行速度為0.3m/s^2.0m/s，再采用溫度控制器18設(shè)定工作臺2底面加熱部分蓋板6溫度高于工作臺懸浮間隙空氣溫度4(T90°C，測溫裝置12將測量的蓋板6溫度反饋到溫度控制器18以實現(xiàn)恒溫或按設(shè)定溫度變化，這樣，在蓋板對應(yīng)的懸浮間隙4部分形成穩(wěn)定的密度分層結(jié)構(gòu)，在工作臺2啟動加速過程層流轉(zhuǎn)捩成湍流邊界層之初，加熱耗散邊界層內(nèi)層的湍流能量，從而使湍流發(fā)生逆轉(zhuǎn)捩演變并維持在層流，降低氣流邊界層和懸浮間隙壁面之間的阻力系數(shù)，極大減小運動粘滯阻力，然后，激光多普勒干涉儀19測量工作臺2初始位置信息，傳輸至直線電機控制器15，以上工作完成后，直線電機控制器15按照設(shè)定速度或位移控制直線電機繞組，啟動直線電機，工作臺2在直線電機控制器15控制下運行，運行過程中工作臺2位置信息由激光多普勒干涉儀19測量后反饋至直線電機控制器15，實現(xiàn)即時位置信息傳遞。工作臺2按指定速度運行到達(dá)指定位置后停止運動，再由激光多普勒干涉儀19測出導(dǎo)軌到達(dá)的位置信息，反饋至直線電機控制器15，完成一次工作過程，在運行過程中，可由直線電機控制器15隨時取消既定運行路線，根據(jù)工作臺2運行速度值，可由溫度控制器18改變設(shè)定溫度值或加熱過程，以確保得到最佳的邊界層流動控制減阻效果。
[0037]本實用新型采用磁懸浮的方法，將工作臺懸浮離開導(dǎo)軌微米級到毫米級的高度，導(dǎo)軌和工作臺相對應(yīng)的位置設(shè)有直線電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，為工作臺運行提供驅(qū)動力。導(dǎo)軌和工作臺相對位置設(shè)有導(dǎo)向磁鐵微調(diào)工作臺沿導(dǎo)軌運行的方向。以此磁懸浮的方法，減小工作臺與導(dǎo)軌之間形成的空氣間隙，消除氣浮工作臺系統(tǒng)中空氣間隙高壓氣體從節(jié)流孔的高速噴出流動，使空氣間隙只有工作臺運動表面帶動下的氣流水平運動。
[0038]本實用新型根據(jù)流體力學(xué)邊界層轉(zhuǎn)捩及控制中氣流外掠加熱平板下表面時湍流邊界層發(fā)生逆轉(zhuǎn)捩，運動粘滯阻力減小的研究成果，對工作臺和導(dǎo)軌形成的懸浮間隙水平部分對應(yīng)的工作臺下表面蓋板進(jìn)行控溫加熱，從而使氣膜中氣流維持在層流狀態(tài)，極大地減少粘滯阻力。本實用新型通過在工作臺底面上增加加熱器，并采用溫度控制器控制加熱，根據(jù)運行速度使工作臺底面溫度高于相應(yīng)空氣間隙對應(yīng)的導(dǎo)軌表面一個不同的恒定值，在工作臺底面和導(dǎo)軌之間的空氣間隙形成穩(wěn)定的密度分層結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)軌啟動加速過程中層流轉(zhuǎn)捩成湍流邊界層之初，加熱使得湍能生成項變成負(fù)值，使邊界層內(nèi)層的湍流能量被集中而迅速地吸收，同時小尺度渦耗散作用增強，浮力引起的湍能吸收項對湍能輸運進(jìn)行抑制，使邊界層以外的流動失去了能量來源，從而使得流動由湍流演變并維持在層流，將空氣間隙的粘滯阻力減少一半左右。這可以極大地提高非接觸式工作臺的定位精度，降低工作臺運行控制過程的復(fù)雜性。
[0039]本實用新型提出的加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，通過磁懸浮方式減小非接觸式工作臺運動部件與固定件之間的空氣間隙，改變空氣間隙高壓氣體從節(jié)流孔的高速噴出方式，使空氣間隙只有工作臺運動表面帶動下氣流的水平運動。同時通過邊界層上表面加熱控制方法，使空氣間隙中的氣體運動維持在層流狀態(tài)，減小非接觸式工作臺運動部件與固定件之間空氣間隙內(nèi)的阻力，提高非接觸式工作臺定位精度，減小工作臺能耗。
[0040]本工作臺系統(tǒng)通過改變及控制懸浮間隙的氣體流動形式，大大減小工作臺系統(tǒng)運行阻力，簡化運行定位控制過程，將超精密工作臺的精度從納米級向亞納米級有效地提高。本實用新型的工作臺系統(tǒng)可以為精細(xì)科學(xué)研究和微細(xì)精密加工，提供比現(xiàn)有氣浮工作臺更高精度和能耗更低的工作平臺，有效地促進(jìn)科學(xué)研究和微精細(xì)加工等行業(yè)水平的提高和進(jìn)止/J/ O
【權(quán)利要求】
1.一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:包括工作臺(2 )、導(dǎo)軌(I)、控制裝置(20 )和激光多普勒干涉儀(19 );工作臺(2 )和導(dǎo)軌(I)采用“T”型布置，導(dǎo)軌(I)的兩側(cè)翼和工作臺(2)的兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵(9),導(dǎo)軌(I)兩側(cè)下表面和工作臺底部兩側(cè)上表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵(8 )和兩對直線電機繞組,每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺(2 )的直線電機轉(zhuǎn)子繞組(11)和設(shè)在導(dǎo)軌(I)的直線電機定子繞組(10);每對懸浮磁鐵(8)相互吸引，以懸浮工作臺(2)，導(dǎo)軌(I)的上表面為支撐面(7)，工作臺(2)—側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀(19);當(dāng)懸浮磁鐵(8)相互吸引或排斥懸浮起工作臺(2)后，導(dǎo)軌(I)和工作臺(2)之間形成懸浮間隙(4)，懸浮間隙(4)水平部分對應(yīng)的工作臺(2 )底部設(shè)有一個或多個加熱腔(5 )，加熱腔(5 )下部設(shè)有蓋板(6 )，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔(3)，蓋板(6)上表面均勻布置有測溫裝置(12)，加熱腔的兩端面開有引線孔(13)，加熱腔(5)內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置(14)，工作臺系統(tǒng)由控制裝置(20)控制。
2.一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:包括工作臺(2)、導(dǎo)軌(I)、控制裝置(20)和激光多普勒干涉儀(19);工作臺(2)和導(dǎo)軌(I)采用“U”型布置，導(dǎo)軌(I)的兩內(nèi)側(cè)面和工作臺(2)兩外側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵(9)和兩對直線電機繞組，導(dǎo)軌的兩側(cè)上表面和工作臺的兩側(cè)下表面共設(shè)有兩對懸浮磁鐵(8)，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺(2)的直線電機轉(zhuǎn)子繞組(11)和設(shè)在導(dǎo)軌(I)的直線電機定子繞組(10);每對懸浮磁鐵(8)相互排斥，以懸浮工作臺(2)，工作臺(2)下部兩側(cè)設(shè)有支撐體(7’)，工作臺(2)—側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀(19);當(dāng)懸浮磁鐵(8)相互吸引或排斥懸浮起工作臺(2)后，導(dǎo)軌(I)和工作臺(2)之間形成懸浮間隙(4)，懸浮間隙(4)水平部分對應(yīng)的工作臺(2)底部設(shè)有一個或多個加熱腔(5)，加熱腔(5)下部設(shè)有蓋板(6)，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔(3)，蓋板(6)上表面均勻布置有測溫裝置(12)，加熱腔的兩端面開有引線孔(13)，加熱腔(5)內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置(14)，工作臺系統(tǒng)由控制裝置(20)控制。
3.一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:包括工作臺(2)、導(dǎo)軌(I)、控制裝置(20)和激光多普勒干涉儀(19);工作臺(2)和導(dǎo)軌(I)采用“丄”型布置，導(dǎo)軌(I)兩側(cè)翼和工作臺(2)兩內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩對導(dǎo)向磁鐵(9)和兩對直線電機繞組，導(dǎo)軌(I)兩側(cè)上表面和工作臺(2)兩側(cè)下表面設(shè)有兩對懸浮磁鐵(8)，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺(2)的直線電機轉(zhuǎn)子繞組(11)和設(shè)在導(dǎo)軌(I)的直線電機定子繞組(10);每對懸浮磁鐵(8)互相排斥，以懸浮工作臺(2)，工作臺(2)下部兩側(cè)設(shè)有支撐體(7’)，工作臺(2)—側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀(19);當(dāng)懸浮磁鐵(8)相互吸引或排斥懸浮起工作臺(2)后，導(dǎo)軌(I)和工作臺(2)之間形成懸浮間隙(4)，懸浮間隙(4)水平部分對應(yīng)的工作臺(2)底部設(shè)有一個或多個加熱腔(5)，加熱腔(5)下部設(shè)有蓋板(6)，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔(3)，蓋板(6)上表面均勻布置有測溫裝置(12)，加熱腔的兩端面開有引線孔(13)，加熱腔(5)內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置(14)，工作臺系統(tǒng)由控制裝置(20)控制。
4.一種加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:包括工作臺(2)、導(dǎo)軌(I)、控制裝置(20)和激光多普勒干涉儀(19);工作臺(2)和導(dǎo)軌(I)采用“一”型布置，導(dǎo)軌(I)兩側(cè)上表面和工作臺兩側(cè)下表面從外側(cè)向內(nèi)側(cè)設(shè)有兩對懸浮磁鐵(8)、兩對直線電機繞組和兩對導(dǎo)向磁鐵(9)，每對直線電機繞組包括設(shè)在工作臺(2)的直線電機轉(zhuǎn)子繞組(11)和設(shè)在導(dǎo)軌(I)的直線電機定子繞組(10 );每對懸浮磁鐵(8)互相排斥，以懸浮工作臺(2)，工作臺(2)下部兩側(cè)設(shè)有支撐體(7’)，工作臺(2) —側(cè)設(shè)有激光多普勒干涉儀(19);當(dāng)懸浮磁鐵(8)相互吸引或排斥懸浮起工作臺(2)后，導(dǎo)軌(I)和工作臺(2)之間形成懸浮間隙(4)，懸浮間隙(4)水平部分對應(yīng)的工作臺(2)底部設(shè)有一個或多個加熱腔(5)，加熱腔(5)下部設(shè)有蓋板(6)，蓋板兩側(cè)設(shè)有數(shù)個螺栓孔(3)，蓋板(6)上表面均勻布置有測溫裝置(12)，加熱腔的兩端面開有引線孔(13)，加熱腔(5)內(nèi)部均勻設(shè)有加熱裝置(14)，工作臺系統(tǒng)由控制裝置(20)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制裝置(20)包括直線電機伺服驅(qū)動器(15)、懸浮電磁線圈電流控制器(16)、導(dǎo)向電磁線圈電流控制器(17)和溫度控制器(18);直線電機伺服驅(qū)動器(15)與直線電機定子繞組(10 )、直線電機轉(zhuǎn)子繞組(11)連接，懸浮電磁線圈電流控制器(16 )與懸浮磁鐵(8)連接，導(dǎo)向電磁線圈電流控制器(17)與導(dǎo)向磁鐵(9)連接，溫度控制器(18)與加熱裝置(14)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的懸浮磁鐵(8)采用永磁體或電磁線圈，直線電機定子繞組(10)、直線電機轉(zhuǎn)子繞組(11)或?qū)虼盆F(9)采用電磁線圈，電磁線圈采用有電阻的電磁線圈、高溫超導(dǎo)電磁線圈或帶液氦冷卻液的低溫超導(dǎo)電磁線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述有電阻的電磁線圈的電磁繞組材料采用銅鐵金屬合金線材，高溫超導(dǎo)電磁線圈的電磁繞組材料采用硼系線材或錸-鋇-銅-氧構(gòu)成的的錸系線材，低溫超導(dǎo)電磁線圈的電磁繞組材料采用鈮鈦合金線材。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的加熱腔(5)內(nèi)表面和蓋板(6)內(nèi)表面設(shè)有絕緣涂層，所述的測溫裝置(12)為熱電偶或熱電阻，所述的加熱裝置(14)采用加熱絲或加熱條或加熱膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的加熱型邊界層控制減阻超精密磁懸浮導(dǎo)軌工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的懸浮電磁線圈電流控制器(16)和導(dǎo)向電磁線圈電流控制器(17)為ST7-4-4-028型數(shù)顯電力調(diào)整器，直線電機伺服驅(qū)動器(15)為Parker SLVD-N伺服驅(qū)動器，溫度控制器(18)為賽億凌科技P908型溫度控制器，激光多普勒干涉儀(19)為OptodyneMCV-2002雙光束系列激光多普勒干涉儀。
【文檔編號】B23Q1/38GK203984275SQ201420317238
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】俞自濤, 田付有, 黃連鋒, 范利武, 朱子欽, 李佳琦 申請人:浙江大學(xué)