加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统及其方法。包括工作台、导轨、控制装置和激光多普勒干涉仪；导轨的两侧翼和工作台的两内侧面设有两对导向磁铁，导轨两侧下表面和工作台底部两侧上表面设有两对悬浮磁铁和两对直线电机绕组，每对直线电机绕组包括设在工作台的直线电机转子绕组和设在导轨的直线电机定子绕组；本发明通过磁悬浮方式改变空气间隙高压气体从节流孔的高速喷出方式，同时通过边界层上表面加热控制方法，使空气间隙中的气体运动维持在层流状态，减小非接触式工作台运动部件与固定件之间空气间隙内的阻力，提高非接触式工作台定位精度，减小工作台能耗。
【专利说明】加热型边界层控制减阻超精密磁悬淳导轨工作台系统及其 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统及其方法， 特别是科学研究、精密加工和微细加工等领域需要低阻力运行、高精度定位的超精密磁悬 浮导轨工作台系统。
【背景技术】
[0002] 随着科学研究的逐步深入和微细精密加工的需要，在微光刻技术、数控加工、生物 技术、纳米表面形貌测量等领域，人们所要求的特征尺度越来越小，逐渐从毫米级向纳米 级、亚纳米级发展。超精密定位和精确运动的载物平台在动力学研究和加工控制中显得越 来越重要。为此，消除运动件之间摩擦的气垫导轨和气浮定位工作台应运而生。但是气垫导 轨和气浮工作台依靠高压气体从节流孔喷出提供支撑力，同时上方的工作台运动件带动气 体水平运动，造成了气浮的空气间隙较大，间隙内的气体流动非常紊乱，为复杂的湍流流动 形式，造成运行阻力较大。这造成了气垫导轨和气浮工作台的运动的阻力难以进一步减小， 这种阻力造成了运动定位误差的增加和能源效率的降低，使得目前的气垫导轨科学实验和 气浮工作台精密定位的最小误差在±l〇nm左右难以进一步提升。因此，减小气体间隙的厚 度，控制空气间隙内的气体流动由复杂湍流变为较简单的层流，以减小非接触式工作台运 动部件与固定件之间空气间隙内的阻力，成为进一步提高非接触式工作台定位精度，减小 工作台能耗的主要方向之一。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有气垫导轨和气浮工作台空气间隙较大，间隙内为复杂的 湍流流动形式，造成工作台运行阻力较大，运动定位误差增加和能耗增加的不足，提供一种 加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统及其方法。
[0004] 本发明通过以下技术方案来实现： 一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，包括工作台、导轨、控制装 置和激光多普勒干涉仪；工作台和导轨采用"T"型布置，导轨的两侧翼和工作台的两内侧 面设有两对导向磁铁，导轨两侧下表面和工作台底部两侧上表面设有两对悬浮磁铁和两对 直线电机绕组，每对直线电机绕组包括设在工作台的直线电机转子绕组和设在导轨的直线 电机定子绕组；每对悬浮磁铁相互吸引，以悬浮工作台，导轨的上表面为支撑面，工作台一 侧设有激光多普勒干涉仪；当悬浮磁铁相互吸引或排斥悬浮起工作台后，导轨和工作台之 间形成悬浮间隙，悬浮间隙水平部分对应的工作台底部设有一个或多个加热腔，加热腔下 部设有盖板，盖板两侧设有数个螺栓孔，盖板上表面均匀布置有测温装置，加热腔的两端面 开有引线孔，加热腔内部均匀设有加热装置，工作台系统由控制装置控制。
[0005] 另一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，包括工作台、导轨、 控制装置和激光多普勒干涉仪；工作台和导轨采用"U"型布置，导轨两内侧面和工作台两 外侧面设有两对导向磁铁和两对直线电机绕组，导轨的两侧上表面和工作台的两侧下表面 共设有两对悬浮磁铁，每对直线电机绕组包括设在工作台的直线电机转子绕组和设在导轨 的直线电机定子绕组；每对悬浮磁铁相互排斥，以悬浮工作台，工作台下部两侧设有支撑 体，工作台一侧设有激光多普勒干涉仪；当悬浮磁铁相互吸引或排斥悬浮起工作台后，导 轨和工作台之间形成悬浮间隙，悬浮间隙水平部分对应的工作台底部设有一个或多个加热 腔，加热腔下部设有盖板，盖板两侧设有数个螺栓孔，盖板上表面均匀布置有测温装置，力口 热腔的两端面开有引线孔，加热腔内部均匀设有加热装置，工作台系统由控制装置控制。
[0006] 另一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，包括工作台、导轨、 控制装置和激光多普勒干涉仪；工作台和导轨采用"丄"型布置，导轨两侧翼和工作台两内 侧面设有两对导向磁铁和两对直线电机绕组，导轨两侧上表面和工作台两侧下表面设有两 对悬浮磁铁，每对直线电机绕组包括设在工作台的直线电机转子绕组和设在导轨的直线电 机定子绕组；每对悬浮磁铁互相排斥，以悬浮工作台，工作台下部两侧设有支撑体，工作台 一侧设有激光多普勒干涉仪；当悬浮磁铁相互吸引或排斥悬浮起工作台后，导轨和工作台 之间形成悬浮间隙，悬浮间隙水平部分对应的工作台底部设有一个或多个加热腔，加热腔 下部设有盖板，盖板两侧设有数个螺栓孔，盖板上表面均匀布置有测温装置，加热腔的两端 面开有引线孔，加热腔内部均匀设有加热装置，工作台系统由控制装置控制。
[0007] 另一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，包括工作台、导轨、 控制装置和激光多普勒干涉仪；工作台和导轨采用"一"型布置，导轨两侧上表面和工作台 两侧下表面从外侧向内侧设有两对悬浮磁铁、两对直线电机绕组和两对导向磁铁，每对直 线电机绕组包括设在工作台的直线电机转子绕组和设在导轨的直线电机定子绕组；每对悬 浮磁铁互相排斥，以悬浮工作台，工作台下部两侧设有支撑体，工作台一侧设有激光多普勒 干涉仪；当悬浮磁铁相互吸引或排斥悬浮起工作台后，导轨和工作台之间形成悬浮间隙，悬 浮间隙水平部分对应的工作台底部设有一个或多个加热腔，加热腔下部设有盖板，盖板两 侧设有数个螺栓孔，盖板上表面均匀布置有测温装置，加热腔的两端面开有引线孔，加热腔 内部均匀设有加热装置，工作台系统由控制装置控制。
[0008] 所述的控制装置包括直线电机伺服驱动器、悬浮电磁线圈电流控制器、导向电磁 线圈电流控制器和温度控制器；直线电机伺服驱动器与直线电机定子绕组、直线电机转子 绕组连接，悬浮电磁线圈电流控制器与悬浮磁铁连接，导向电磁线圈电流控制器与导向磁 铁连接，温度控制器与加热装置连接。
[0009] 所述的悬浮磁铁采用永磁体或电磁线圈，直线电机定子绕组、直线电机转子绕组 或导向磁铁采用电磁线圈，电磁线圈采用有电阻的电磁线圈、高温超导电磁线圈或带液氦 冷却液的低温超导电磁线圈。
[0010] 所述有电阻的电磁线圈的电磁绕组材料采用铜铁金属合金线材，高温超导电磁线 圈的电磁绕组材料采用硼系线材或铼-钡-铜-氧构成的的铼系线材，低温超导电磁线圈 的电磁绕组材料采用铌钛合金线材。
[0011] 所述的加热腔内表面和盖板内表面设有绝缘涂层，所述的测温装置为热电偶或热 电阻，所述的加热装置采用加热丝或加热条或加热膜。
[0012] 所述的悬浮电磁线圈电流控制器和导向电磁线圈电流控制器为ST7-4-4-028型 数显电力调整器，直线电机伺服驱动器为Parker SLVD-N伺服驱动器，温度控制器为赛亿凌 科技P908型温度控制器，激光多普勒干涉仪为Optodyne MCV-2002双光束系列激光多普勒 干涉仪。
[0013] 加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮方法：首先，采用悬浮电磁线圈电流控制器 和导向电磁线圈电流控制器控制悬浮电磁线圈和导向电磁线圈中的电流，调整工作台悬浮 高度和工作台运动方向，采用直线电机控制器控制直线电机定子绕组、直线电机转子绕组， 以设定工作台运行速度为0. 3m/iT2. Om/s，再采用温度控制器设定工作台底面加热部分盖 板温度高于工作台悬浮间隙空气温度4(T90°C，测温装置将测量的盖板温度反馈到温度控 制器以实现恒温或按设定温度变化，这样，在盖板对应的悬浮间隙部分形成稳定的密度分 层结构，在工作台启动加速过程层流转捩成湍流边界层之初，加热耗散边界层内层的湍流 能量，从而使湍流发生逆转捩演变并维持在层流，降低气流边界层和悬浮间隙壁面之间的 阻力系数，极大减小运动粘滞阻力，然后，激光多普勒干涉仪测量工作台初始位置信息，传 输至直线电机控制器，以上工作完成后，直线电机控制器按照设定速度或位移控制直线电 机绕组，启动直线电机，工作台在直线电机控制器控制下运行，运行过程中工作台位置信息 由激光多普勒干涉仪测量后反馈至直线电机控制器，实现即时位置信息传递。工作台按指 定速度运行到达指定位置后停止运动，再由激光多普勒干涉仪测出导轨到达的位置信息， 反馈至直线电机控制器，完成一次工作过程，在运行过程中，可由直线电机控制器随时取消 既定运行路线，根据工作台运行速度值，可由温度控制器改变设定温度值或加热过程，以确 保得到最佳的边界层流动控制减阻效果。
[0014] 本发明通过磁悬浮方式减小非接触式工作台运动部件与固定件之间的空气间隙， 改变空气间隙高压气体从节流孔的高速喷出方式，使空气间隙只有工作台运动表面带动下 气流的水平运动。同时通过边界层上表面加热控制方法，使空气间隙中的气体运动维持在 层流状态，减小非接触式工作台运动部件与固定件之间空气间隙内的阻力，提高非接触式 工作台定位精度，减小工作台能耗。
[0015] 本发明通过改变及控制悬浮间隙的气体流动形式，大大减小工作台系统运行阻 力，简化运行定位控制过程，将超精密工作台的精度从纳米级向亚纳米级有效地提高。本发 明的工作台系统可以为精细科学研究和微细精密加工，提供比现有气浮工作台更高精度和 能耗更低的工作平台，有效地促进科学研究和微精细加工等行业水平的提高和进步。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统的"T"型布置结构示 意图； 图2是本发明的"U"型布置的结构示意图； 图3是本发明的"丄"型布置的结构示意图； 图4是本发明的"一"型布置的结构示意图； 图5是本发明的加热腔的结构示意图； 图6是本发明加热腔盖板的结构示意图； 图7是本发明加热腔的主视图； 图8是本发明的系统整体控制及检测示意图，箭头表示控制与检测中物理信号的传递 方向。
【具体实施方式】
[0017] 如图1、5、6、7所示，一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统包 括工作台2、导轨1、控制装置20和激光多普勒干涉仪19 ;工作台2和导轨1采用"T"型布 置，导轨1的两侧翼和工作台2的两内侧面设有两对导向磁铁9,导轨1两侧下表面和工作 台底部两侧上表面设有两对悬浮磁铁8和两对直线电机绕组，每对直线电机绕组包括设在 工作台2的直线电机转子绕组11和设在导轨1的直线电机定子绕组10 ;每对悬浮磁铁8相 互吸引，以悬浮工作台2,导轨1的上表面为支撑面7,工作台2-侧设有激光多普勒干涉仪 19 ;当悬浮磁铁8相互吸引或排斥悬浮起工作台2后，导轨1和工作台2之间形成悬浮间隙 4,悬浮间隙4水平部分对应的工作台2底部设有一个或多个加热腔5,加热腔5下部设有盖 板6,盖板两侧设有数个螺栓孔3,盖板6上表面均匀布置有测温装置12,加热腔的两端面开 有引线孔13,加热腔5内部均匀设有加热装置14,工作台系统由控制装置20控制。
[0018] 如图2、5、6、7所示，另一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系 统，包括工作台2、导轨1、控制装置20和激光多普勒干涉仪19 ;工作台2和导轨1采用"U" 型布置，导轨1两内侧面和工作台2两外侧面设有两对导向磁铁9和两对直线电机绕组，导 轨的两侧上表面和工作台的两侧下表面共设有两对悬浮磁铁8,每对直线电机绕组包括设 在工作台2的直线电机转子绕组11和设在导轨1的直线电机定子绕组10 ;每对悬浮磁铁8 相互排斥，以悬浮工作台2,工作台2下部两侧设有支撑体7'，工作台2 -侧设有激光多普 勒干涉仪19 ;当悬浮磁铁8相互吸引或排斥悬浮起工作台2后，导轨1和工作台2之间形 成悬浮间隙4,悬浮间隙4水平部分对应的工作台2底部设有一个或多个加热腔5,加热腔 5下部设有盖板6,盖板两侧设有数个螺栓孔3,盖板6上表面均匀布置有测温装置12,加热 腔的两端面开有引线孔13,加热腔5内部均匀设有加热装置14,工作台系统由控制装置20 控制。
[0019] 如图3、5、6、7所示，另一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系 统，包括工作台2、导轨1、控制装置20和激光多普勒干涉仪19 ;工作台2和导轨1采用"丄" 型布置，导轨1两侧翼和工作台2两内侧面设有两对导向磁铁9和两对直线电机绕组，导轨 1两侧上表面和工作台2两侧下表面设有两对悬浮磁铁8,每对直线电机绕组包括设在工作 台2的直线电机转子绕组11和设在导轨1的直线电机定子绕组10 ;每对悬浮磁铁8互相排 斥，以悬浮工作台2,工作台2下部两侧设有支撑体7'，工作台2-侧设有激光多普勒干涉 仪19 ;当悬浮磁铁8相互吸引或排斥悬浮起工作台2后，导轨1和工作台2之间形成悬浮 间隙4,悬浮间隙4水平部分对应的工作台2底部设有一个或多个加热腔5,加热腔5下部 设有盖板6,盖板两侧设有数个螺栓孔3,盖板6上表面均匀布置有测温装置12,加热腔的两 端面开有引线孔13,加热腔5内部均匀设有加热装置14,工作台系统由控制装置20控制。
[0020] 如图4、5、6、7所示，另一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系 统，包括工作台2、导轨1、控制装置20和激光多普勒干涉仪19 ;工作台2和导轨1采用"一" 型布置，导轨1两侧上表面和工作台两侧下表面从外侧向内侧设有两对悬浮磁铁8、两对直 线电机绕组和两对导向磁铁9,每对直线电机绕组包括设在工作台2的直线电机转子绕组 11和设在导轨1的直线电机定子绕组10 ;每对悬浮磁铁8互相排斥，以悬浮工作台2,工作 台2下部两侧设有支撑体7'，工作台2 -侧设有激光多普勒干涉仪19 ;当悬浮磁铁8相互 吸引或排斥悬浮起工作台2后，导轨1和工作台2之间形成悬浮间隙4,悬浮间隙4水平部 分对应的工作台2底部设有一个或多个加热腔5,加热腔5下部设有盖板6,盖板两侧设有 数个螺栓孔3,盖板6上表面均匀布置有测温装置12,加热腔的两端面开有引线孔13,加热 腔5内部均匀设有加热装置14,工作台系统由控制装置20控制。
[0021] 所述的盖板6采用螺栓通过螺栓孔3固定在工作台2底面。
[0022] 所述的悬浮磁铁8采用永磁体或电磁线圈，直线电机定子绕组10、直线电机转子 绕组11或导向磁铁9采用电磁线圈，电磁线圈采用有电阻的电磁线圈、高温超导电磁线圈 或带液氦冷却液的低温超导电磁线圈。
[0023] 所述的悬浮磁铁8为电磁线圈时，当电磁线圈磁性消失，支撑面7与工作台上部下 表面相接触，或支撑体7'与两侧导轨1上表面相接触，以支撑工作台2,避免磁铁因直接承 重而损坏。
[0024] 所述的悬浮磁铁8为永磁体时，当永磁体由于非正常因素导致磁性消失，支撑面7 与工作台2上部下表面相接触，或支撑体7'与两侧导轨1上表面相接触，以支撑工作台2， 防止磁铁因直接相互挤压被破坏。
[0025] 所述有电阻的电磁线圈的电磁绕组材料采用铜铁金属合金线材，高温超导电磁线 圈的电磁绕组材料采用硼系线材或铼-钡-铜-氧构成的的铼系线材，低温超导电磁线圈 的电磁绕组材料采用铌钛合金线材。
[0026] 如图5所示，所述的加热腔5内表面和盖板6内表面设有绝缘涂层，所述的测温装 置12为热电偶或热电阻，所述的加热装置14采用加热丝或加热条或加热膜。所述的加热 丝14或加热条或加热膜和测温装置12的导线通过引线孔13引出，并合成一股线，沿工作 台运动方向中轴线引至电源和温度控制器18。
[0027] 所述的悬浮电磁线圈电流控制器16和导向电磁线圈电流控制器17为 ST7-4-4-028型数显电力调整器，直线电机伺服驱动器15为Parker SLVD-N伺服驱动 器，温度控制器18为赛亿凌科技P908型温度控制器，激光多普勒干涉仪19为Optodyne MCV-2002双光束系列激光多普勒干涉仪。所述的直线电机控制器15、悬浮电磁线圈电流控 制器16、导向电磁线圈电流控制器17和温度控制器18可以整合到一个总控制台。
[0028] 如图8所示，所述的控制装置20包括直线电机伺服驱动器15、悬浮电磁线圈电流 控制器16、导向电磁线圈电流控制器17和温度控制器18 ;直线电机伺服驱动器15与直线 电机定子绕组10、直线电机转子绕组11连接，悬浮电磁线圈电流控制器16与悬浮磁铁8连 接，导向电磁线圈电流控制器17与导向磁铁9连接，温度控制器18与加热装置14连接。直 接被控制装置21包括直线电机定子绕组10、直线电机转子绕组11、悬浮磁铁8、导向磁铁9 和加热丝14 ;间接被控制装置22包括工作台2和盖板6 ;检测装置23包括测温装置12和 测位移装置激光多普勒干涉仪19。
[0029] 加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮方法：首先，采用悬浮电磁线圈电流控制器 16和导向电磁线圈电流控制器17控制悬浮电磁线圈和导向电磁线圈中的电流，调整工作 台2悬浮高度和工作台运动方向，采用直线电机控制器15控制直线电机定子绕组10、直线 电机转子绕组11，以设定工作台2运行速度为0. 3m/iT2. Om/s，再采用温度控制器18设定 工作台2底面加热部分盖板6温度高于工作台悬浮间隙空气温度4(T90°C，测温装置12将 测量的盖板6温度反馈到温度控制器18以实现恒温或按设定温度变化，这样，在盖板对应 的悬浮间隙4部分形成稳定的密度分层结构，在工作台2启动加速过程层流转捩成湍流边 界层之初，加热耗散边界层内层的湍流能量，从而使湍流发生逆转捩演变并维持在层流，降 低气流边界层和悬浮间隙壁面之间的阻力系数，极大减小运动粘滞阻力，然后，激光多普勒 干涉仪19测量工作台2初始位置信息，传输至直线电机控制器15,以上工作完成后，直线 电机控制器15按照设定速度或位移控制直线电机绕组，启动直线电机，工作台2在直线电 机控制器15控制下运行，运行过程中工作台2位置信息由激光多普勒干涉仪19测量后反 馈至直线电机控制器15,实现即时位置信息传递。工作台2按指定速度运行到达指定位置 后停止运动，再由激光多普勒干涉仪19测出导轨到达的位置信息，反馈至直线电机控制器 15,完成一次工作过程，在运行过程中，可由直线电机控制器15随时取消既定运行路线，根 据工作台2运行速度值，可由温度控制器18改变设定温度值或加热过程，以确保得到最佳 的边界层流动控制减阻效果。
[0030] 本发明采用磁悬浮的方法，将工作台悬浮离开导轨微米级到毫米级的高度，导轨 和工作台相对应的位置设有直线电机的定子绕组和转子绕组，为工作台运行提供驱动力。 导轨和工作台相对位置设有导向磁铁微调工作台沿导轨运行的方向。以此磁悬浮的方法， 减小工作台与导轨之间形成的空气间隙，消除气浮工作台系统中空气间隙高压气体从节流 孔的高速喷出流动，使空气间隙只有工作台运动表面带动下的气流水平运动。
[0031] 本发明根据流体力学边界层转捩及控制中气流外掠加热平板下表面时湍流边界 层发生逆转捩，运动粘滞阻力减小的研究成果，对工作台和导轨形成的悬浮间隙水平部分 对应的工作台下表面盖板进行控温加热，从而使气膜中气流维持在层流状态，极大地减少 粘滞阻力。本发明通过在工作台底面上增加加热器，并采用温度控制器控制加热，根据运行 速度使工作台底面温度高于相应空气间隙对应的导轨表面一个不同的恒定值，在工作台底 面和导轨之间的空气间隙形成稳定的密度分层结构，在导轨启动加速过程中层流转捩成湍 流边界层之初，加热使得湍能生成项变成负值，使边界层内层的湍流能量被集中而迅速地 吸收，同时小尺度涡耗散作用增强，浮力引起的湍能吸收项对湍能输运进行抑制，使边界层 以外的流动失去了能量来源，从而使得流动由湍流演变并维持在层流，将空气间隙的粘滞 阻力减少一半左右。这可以极大地提高非接触式工作台的定位精度，降低工作台运行控制 过程的复杂性。
[0032] 本发明提出的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，通过磁悬浮 方式减小非接触式工作台运动部件与固定件之间的空气间隙，改变空气间隙高压气体从节 流孔的高速喷出方式，使空气间隙只有工作台运动表面带动下气流的水平运动。同时通过 边界层上表面加热控制方法，使空气间隙中的气体运动维持在层流状态，减小非接触式工 作台运动部件与固定件之间空气间隙内的阻力，提高非接触式工作台定位精度，减小工作 台能耗。
[0033] 本工作台系统通过改变及控制悬浮间隙的气体流动形式，大大减小工作台系统运 行阻力，简化运行定位控制过程，将超精密工作台的精度从纳米级向亚纳米级有效地提高。 本发明的工作台系统可以为精细科学研究和微细精密加工，提供比现有气浮工作台更高精 度和能耗更低的工作平台，有效地促进科学研究和微精细加工等行业水平的提高和进步。
【权利要求】
1. 一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，其特征在于：包括工作 台（2)、导轨（1)、控制装置（20)和激光多普勒干涉仪（19);工作台（2)和导轨（1)采用"T" 型布置，导轨（1)的两侧翼和工作台（2)的两内侧面设有两对导向磁铁（9)，导轨（1)两侧 下表面和工作台底部两侧上表面设有两对悬浮磁铁（8)和两对直线电机绕组，每对直线电 机绕组包括设在工作台（2)的直线电机转子绕组（11)和设在导轨（1)的直线电机定子绕组 (10);每对悬浮磁铁（8)相互吸引，以悬浮工作台（2)，导轨（1)的上表面为支撑面（7)，工 作台（2)-侧设有激光多普勒干涉仪（19);当悬浮磁铁（8)相互吸引或排斥悬浮起工作台 (2)后，导轨（1)和工作台（2)之间形成悬浮间隙（4)，悬浮间隙（4)水平部分对应的工作台 (2 )底部设有一个或多个加热腔（5 )，加热腔（5 )下部设有盖板（6 )，盖板两侧设有数个螺栓 孔（3)，盖板（6)上表面均匀布置有测温装置（12)，加热腔的两端面开有引线孔（13)，加热 腔（5)内部均匀设有加热装置（14)，工作台系统由控制装置（20)控制。
2. -种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，其特征在于：包括工作 台（2)、导轨（1)、控制装置（20)和激光多普勒干涉仪（19);工作台（2)和导轨（1)采用"U" 型布置，导轨（1)的两内侧面和工作台（2)两外侧面设有两对导向磁铁（9)和两对直线电 机绕组，导轨的两侧上表面和工作台的两侧下表面共设有两对悬浮磁铁（8)，每对直线电 机绕组包括设在工作台（2)的直线电机转子绕组（11)和设在导轨（1)的直线电机定子绕 组（10);每对悬浮磁铁（8)相互排斥，以悬浮工作台（2)，工作台（2)下部两侧设有支撑体 (7'），工作台（2)-侧设有激光多普勒干涉仪（19);当悬浮磁铁（8)相互吸引或排斥悬浮 起工作台（2)后，导轨（1)和工作台（2)之间形成悬浮间隙（4)，悬浮间隙（4)水平部分对 应的工作台（2)底部设有一个或多个加热腔（5)，加热腔（5)下部设有盖板（6)，盖板两侧设 有数个螺栓孔（3)，盖板（6)上表面均匀布置有测温装置（12)，加热腔的两端面开有引线孔 (13)，加热腔（5)内部均匀设有加热装置（14)，工作台系统由控制装置（20)控制。
3. -种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，其特征在于：包括工 作台（2)、导轨（1)、控制装置（20)和激光多普勒干涉仪（19);工作台（2)和导轨（1)采用 "丄"型布置，导轨（1)两侧翼和工作台（2)两内侧面设有两对导向磁铁（9)和两对直线电 机绕组，导轨（1)两侧上表面和工作台（2)两侧下表面设有两对悬浮磁铁（8)，每对直线电 机绕组包括设在工作台（2)的直线电机转子绕组（11)和设在导轨（1)的直线电机定子绕 组（10);每对悬浮磁铁（8)互相排斥，以悬浮工作台（2)，工作台（2)下部两侧设有支撑体 (7'），工作台（2)-侧设有激光多普勒干涉仪（19);当悬浮磁铁（8)相互吸引或排斥悬浮起 工作台（2)后，导轨（1)和工作台（2)之间形成悬浮间隙（4)，悬浮间隙（4)水平部分对应 的工作台（2)底部设有一个或多个加热腔（5)，加热腔（5)下部设有盖板（6)，盖板两侧设 有数个螺栓孔（3)，盖板（6)上表面均匀布置有测温装置（12)，加热腔的两端面开有引线孔 (13)，加热腔（5)内部均匀设有加热装置（14)，工作台系统由控制装置（20)控制。
4. 一种加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，其特征在于：包括工作 台（2)、导轨（1)、控制装置（20)和激光多普勒干涉仪（19);工作台（2)和导轨（1)采用"一" 型布置，导轨（1)两侧上表面和工作台两侧下表面从外侧向内侧设有两对悬浮磁铁（8)、两 对直线电机绕组和两对导向磁铁（9)，每对直线电机绕组包括设在工作台（2)的直线电机 转子绕组（11)和设在导轨（1)的直线电机定子绕组（10);每对悬浮磁铁（8)互相排斥，以 悬浮工作台（2)，工作台（2)下部两侧设有支撑体（7'），工作台（2) -侧设有激光多普勒干 涉仪（19);当悬浮磁铁（8)相互吸引或排斥悬浮起工作台（2)后，导轨（1)和工作台（2)之 间形成悬浮间隙（4)，悬浮间隙（4)水平部分对应的工作台（2)底部设有一个或多个加热腔 (5) ，加热腔（5)下部设有盖板（6)，盖板两侧设有数个螺栓孔（3)，盖板（6)上表面均匀布 置有测温装置（12)，加热腔的两端面开有引线孔（13)，加热腔（5)内部均匀设有加热装置 (14)，工作台系统由控制装置（20)控制。
5. 根据权利要求1、2、3或4所述的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系 统，其特征在于：所述的控制装置（20)包括直线电机伺服驱动器（15)、悬浮电磁线圈电流 控制器（16)、导向电磁线圈电流控制器（17)和温度控制器（18);直线电机伺服驱动器（15) 与直线电机定子绕组（10 )、直线电机转子绕组（11)连接，悬浮电磁线圈电流控制器（16 )与 悬浮磁铁（8)连接，导向电磁线圈电流控制器（17)与导向磁铁（9)连接，温度控制器（18) 与加热装置（14)连接。
6. 根据权利要求1、2、3或4所述的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系 统，其特征在于：所述的悬浮磁铁（8)采用永磁体或电磁线圈，直线电机定子绕组（10)、直 线电机转子绕组（11)或导向磁铁（9)采用电磁线圈，电磁线圈采用有电阻的电磁线圈、高 温超导电磁线圈或带液氦冷却液的低温超导电磁线圈。
7. 根据权利要求6所述的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系统，其特 征在于：所述有电阻的电磁线圈的电磁绕组材料采用铜铁金属合金线材，高温超导电磁线 圈的电磁绕组材料采用硼系线材或铼-钡-铜-氧构成的的铼系线材，低温超导电磁线圈 的电磁绕组材料采用铌钛合金线材。
8. 根据权利要求1、2、3或4所述的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台系 统，其特征在于：所述的加热腔（5)内表面和盖板（6)内表面设有绝缘涂层，所述的测温装 置（12)为热电偶或热电阻，所述的加热装置（14)采用加热丝或加热条或加热膜。
9. 根据权利要求1、2、3或4所述的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮导轨工作台 系统，其特征在于：所述的悬浮电磁线圈电流控制器（16)和导向电磁线圈电流控制器（17) 为ST7-4-4-028型数显电力调整器，直线电机伺服驱动器（15)为Parker SLVD-N伺服驱动 器，温度控制器（18 )为赛亿凌科技P908型温度控制器，激光多普勒干涉仪（19 )为Optodyne MCV-2002双光束系列激光多普勒干涉仪。
10. -种使用权利要求1、2、3或4所述系统的加热型边界层控制减阻超精密磁悬浮 方法，其特征在于：首先，采用悬浮电磁线圈电流控制器（16)和导向电磁线圈电流控制器 (17)控制悬浮电磁线圈和导向电磁线圈中的电流，调整工作台（2)悬浮高度和工作台运动 方向，采用直线电机控制器（15)控制直线电机定子绕组（10)、直线电机转子绕组（11)，以 设定工作台（2)运行速度为0. 3m/iT2. Om/s，再采用温度控制器（18)设定工作台（2)底面加 热部分盖板（6)温度高于工作台悬浮间隙空气温度4(T90°C，测温装置（12)将测量的盖板 (6) 温度反馈到温度控制器（18)以实现恒温或按设定温度变化，这样，在盖板对应的悬浮间 隙（4)部分形成稳定的密度分层结构，在工作台（2)启动加速过程层流转捩成湍流边界层 之初，加热耗散边界层内层的湍流能量，从而使湍流发生逆转捩演变并维持在层流，降低气 流边界层和悬浮间隙壁面之间的阻力系数，极大减小运动粘滞阻力，然后，激光多普勒干涉 仪（19)测量工作台（2)初始位置信息，传输至直线电机控制器（15)，以上工作完成后，直线 电机控制器（15)按照设定速度或位移控制直线电机绕组，启动直线电机，工作台（2)在直 线电机控制器（15)控制下运行，运行过程中工作台（2)位置信息由激光多普勒干涉仪（19) 测量后反馈至直线电机控制器（15)，实现即时位置信息传递； 工作台（2)按指定速度运行到达指定位置后停止运动，再由激光多普勒干涉仪（19)测 出导轨到达的位置信息，反馈至直线电机控制器（15)，完成一次工作过程，在运行过程中， 可由直线电机控制器（15)随时取消既定运行路线，根据工作台（2)运行速度值，可由温度 控制器（18)改变设定温度值或加热过程，以确保得到最佳的边界层流动控制减阻效果。
【文档编号】H02N15/00GK104092410SQ201410264324
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】俞自涛, 田付有, 黄连锋, 范利武, 朱子钦, 李佳琦 申请人:浙江大学