本發(fā)明屬于往復運動平臺技術領域，特別涉及一種高速往復運動平臺。

背景技術：

在托卡馬克等磁約束聚變實驗裝置中，等離子體內(nèi)部磁場、懸浮電位、電子密度和電子溫度等參數(shù)沿徑向的分布對于了解裝置的運行狀態(tài)、改善等離子體的約束以及研究邊界等離子體物理等極為重要。一種較為實用的獲取等離子體參數(shù)徑向分布的辦法是將磁探針或者朗繆爾探針安裝在高速往復運動的平臺上，通過在放電過程中對等離子體的某個區(qū)域進行掃描，從而得到等離子體參數(shù)的徑向分布。目前已有的高速往復探針主要有兩種驅動方式：利用壓縮空氣驅動(Boedo,J.et al.,2009.RSI；Yan,L.et al.,2005.RSI)，或者利用伺服電機驅動(Zhang,W.et al.,2010.RSI)。這兩種方式都需要復雜的驅動機構，運動部件較為沉重，慣性很大。因此，雖然它們的驅動功率都很高，但其實際最高運動速度均不超過3m/s，僅適用于穩(wěn)定且持續(xù)時間較長的等離子體放電，不能用于測量快速變化或者脈沖時間較短的等離子體。并且，復雜的機構導致這兩種探針空間占用較多，造價較高。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明提供了一種高速往復運動平臺。

一種高速往復運動平臺，包括支撐組件、滑動組件、驅動組件、復位組件和控制組件；

所述支撐組件包括底座1、前蓋3和后蓋2，用于支撐驅動組件、滑動組件和復位組件；

所述滑動組件，導軌6的前后兩端分別固定在前蓋3和后蓋2上，在導軌6的前后兩端設有彈簧17；牽引環(huán)8具有導磁性，其套在導軌6上，位于前后彈簧17之間，并能夠沿導軌6自由滑動；牽引環(huán)8的前側連接有導管7，所述導管7穿出前蓋3與載荷連接；輸出信號的引線12的前端與載荷連接，后端依次穿過前蓋3和后蓋2引出，并與計算機連接；

所述驅動組件包括線圈4及其配套電源、開關；若干級線圈4沿導軌6的軸向依次布置；其中，后側的若干級線圈4為加速線圈，用以在一定的時間和位移范圍內(nèi)，將牽引環(huán)8加速至預設速度；前側的若干級線圈4為減速線圈，其中一部分用以控制牽引環(huán)8快速停止前進，另一部分用以在前端的彈簧17恢復原長的過程中，避免牽引環(huán)8的運動速度過快；

所述復位組件，絲杠15與導軌6平行設置，其前后兩端與前蓋3和后蓋2連接，且其后端通過聯(lián)軸器14與步進電機11連接，偏心螺母13套在絲杠15上，位于牽引環(huán)8的前側，并能夠沿絲杠15平移；

所述控制組件，光柵16平行安裝于導管7上，垂直于光柵16安裝激光收發(fā)器；所述激光收發(fā)器包括相對應的激光發(fā)射器18和激光接收器19；所述開關、步進電機11、激光發(fā)射器18和激光接收器19分別與嵌入式控制器連接，所述嵌入式控制器與計算機連接。

所述線圈4由前后兩塊夾板5夾緊固定，所述夾板5固定在支撐組件上。

所述開關采用IGBT。

所述高速往復運動平臺還包括石英玻璃管9，所述石英玻璃管9的前后兩端分別固定在前蓋3和后蓋2上；所述導軌6及其上的彈簧17，牽引環(huán)8及前蓋3后側的導管7，絲杠15及其上的偏心螺母13均置于石英玻璃管9內(nèi)；所述線圈4依次套在石英玻璃管9外側；石英玻璃管9的前后兩端分別設有密封法蘭，所述密封法蘭分別位于前蓋3和后蓋2的外側，用以與真空泵或者真空室連接，進行高真空環(huán)境下的操作。

一種高速往復運動平臺的控制方法，包括以下步驟：

用戶先通過控制計算機設定所需的速度和位移時序，并將設置寫入嵌入式控制器；

牽引環(huán)8的初始位置在第一級線圈4的后方，嵌入式控制器接收到觸發(fā)信號后，觸發(fā)第一級線圈4，線圈電流迅速增加并產(chǎn)生強磁場，牽引環(huán)8受到磁場吸引開始加速運動，并通過導管7帶動載荷運動；同時，嵌入式控制器觸發(fā)激光收發(fā)器，根據(jù)激光接收器19發(fā)送的信號計算并記錄滑動組件的速度、位移和運動方向；

嵌入式控制器根據(jù)牽引環(huán)8的實時位置依次接通其他各級線圈4控制牽引環(huán)8的運動；隨著各級加速線圈的依次接通，牽引環(huán)8達到預設速度，并以預設速度繼續(xù)向前運動一段距離后接觸到導軌6前端的彈簧17，前端的彈簧17開始被壓縮，牽引環(huán)8開始減速，待牽引環(huán)8抵達預定位置，再依次觸發(fā)相應的減速線圈，使牽引環(huán)8迅速停止前進，此時前端的彈簧17處于壓縮狀態(tài)并開始恢復原狀，在彈簧17恢復原長的過程中，由相應的減速線圈控制牽引環(huán)8的速度，避免牽引環(huán)8向后蓋2方向運動時的速度過快；

滑動組件靜止后，嵌入式控制器控制步進電機11驅動絲杠15，通過偏心螺母13將滑動組件回收至起始位置；

待往復運動完成后，嵌入式控制器將所記錄的數(shù)據(jù)傳輸給計算機；

牽引環(huán)8帶動載荷運動過程中，載荷的信號通過引線12輸出至計算機。

所述高速往復運動平臺依次包括三組激光收發(fā)器；嵌入式控制器控制每組激光收發(fā)器交替開關，由激光接收器19交替輸出方波信號至嵌入式控制器，且三個激光接收器19的方波信號之間的相位依次相差120°，嵌入式控制器根據(jù)方波信號的頻率、周期數(shù)和相位關系分別計算并記錄滑動組件的速度、位移和運動方向。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明基于線圈炮的原理，依次向多個線圈注入千安級瞬時大電流，在一系列不同位置產(chǎn)生強大的軸向磁場，驅動往復平臺在10毫秒以內(nèi)迅速加速至超過20m/s。本發(fā)明加速快，遠超現(xiàn)有往復探針的速度，高于已有方案至少一個數(shù)量級，最大位移超過20cm；

2、本發(fā)明使用線圈作為驅動器，工作可靠，體積緊湊，免維護；

3、本發(fā)明中運動組件和驅動組件沒有實體連接，非常容易實現(xiàn)真空隔離，因此，本發(fā)明可應用于高真空環(huán)境。

附圖說明

圖1為一種高速往復運動平臺的結構示意圖；

圖2a為用于測量位置的光柵系統(tǒng)；

圖2b為用于測量位置的方波信號；

圖3為驅動線圈電源電路；

圖4為系統(tǒng)控制框圖。

標號說明：1-底座，2-后蓋，3-前蓋，4-線圈，5-夾板，6-導軌，7-導管，8-牽引環(huán)，9-石英玻璃管，10-螺桿，11-步進電機，12-引線，13-偏心螺母，14-聯(lián)軸器，15-絲杠，16-光柵，17-彈簧，18-激光發(fā)射器，19-激光接收器，20-激光光路，C1-儲能電容，L1-線圈4的電感，R1-線圈4的電阻，R2-大功率無感電阻，D1、D2-二極管，D3-IGBT內(nèi)部集成的二極管。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。

如圖1所示一種高速往復運動平臺，包括支撐組件、密封組件、滑動組件、驅動組件、復位組件和控制組件。

所述支撐組件用于支撐驅動組件、滑動組件、密封組件和復位組件；前蓋3和后蓋2的底部設有螺紋孔，通過螺栓固定在不銹鋼底座1的前后兩端。

所述密封組件，石英玻璃管9的前后兩端分別固定在前蓋3和后蓋2上，在石英玻璃管9的前后兩端分別設有CF100標準刀口密封法蘭，所述密封法蘭分別位于前蓋3和后蓋2的外側，用以與真空泵或者真空室連接，進行高真空環(huán)境下的操作。

所述滑動組件，四根導軌6位于石英玻璃管9內(nèi)，其前后兩端分別固定在前蓋3和后蓋2上，在導軌6的前后兩端分別設有緩沖彈簧17；牽引環(huán)8由高磁導率的碳鋼制成，其上開有四個圓孔，套在所述四根導軌6上，位于前后彈簧17之間，并能夠沿導軌6自由滑動；牽引環(huán)8的前側通過螺紋連接導管7，所述導管7穿出前蓋3與載荷連接，載荷可以為探針或者其他；用于載荷輸出信號的引線12，其前端與載荷連接，后端依次穿過前蓋3和后蓋2引出，并與計算機連接；其中，從牽引環(huán)8至后蓋2的部分引線12，牽引環(huán)8位于初始位置，即靠近后蓋2的位置時，這部分引線12被折疊成鋸齒狀堆疊在石英玻璃管9尾部，載荷被發(fā)射出去后引線12展開，載荷復位后引線12再次堆疊。

所述驅動組件，從后至前依次包括五級線圈4，各級線圈4及其配套電源、開關和其他配件分別組成如圖3所示的強電流電路。其中，線圈4由漆包線繞制而成，沿石英玻璃管9的軸向依次套在石英玻璃管9上，并由前后兩塊夾板5夾緊固定。所述夾板5固定在底座1上，并在四角各開有一個圓孔。四根M16螺桿13依次穿過各夾板5，并通過螺母鎖緊，且其前后兩端分別固定在前蓋3和后蓋2上，從而使得所有的線圈4、夾板5、后蓋2和前蓋3通過四根螺桿13連為一體而固定在底座1上，可承受平臺高速往復運動時的劇烈沖擊。線圈4必須通入千安級大電流才能提供足夠強的驅動力，并且需要在牽引環(huán)8遠離之前切斷電流，再考慮到往復運動平臺間歇的工作模式，線圈4由儲能電容C1供電，用IGBT作開關是比較合適的。如圖3所示的強電流電路原理圖中，L1和R1分別代表線圈4的電感和電阻；R2是一個大功率無感電阻，用于快速衰減線圈4的電流；IGBT為電路開關，其中D3為IGBT內(nèi)部集成的二極管；D1和D2是普通二極管。

五級線圈中，第一級至第三級線圈4為加速線圈，用以在一定的時間和位移范圍內(nèi)，將牽引環(huán)8加速至預設速度；第四級線圈4為減速線圈，用以控制牽引環(huán)8快速停止前進；第五級線圈為減速線圈，用以在前端的彈簧17恢復原長的過程中，避免牽引環(huán)8的運動速度過快。

載荷被發(fā)射出去以后，由專門的復位組件使之復位，以便進行下一次發(fā)射。所述復位組件，絲杠15位于石英玻璃管9內(nèi)，與導軌6平行設置，其前后兩端與前蓋3和后蓋2連接，且其后端通過聯(lián)軸器14與步進電機11連接，偏心螺母13套在絲杠15上，位于牽引環(huán)8的前側，并能夠沿絲杠15平移。

所述控制組件，光柵16平行安裝于導管7上，如圖2a所示，垂直于光柵16安裝三組激光收發(fā)器，所述激光收發(fā)器包括相對應的激光發(fā)射器18和激光接收器19。控制電路如圖4所示，其核心是嵌入式控制器，本實施方式中采用單片機。所述開關、步進電機11、激光發(fā)射器18和激光接收器19分別與單片機連接，單片機與計算機連接。計算機用于提供人機交互界面，以便操作員設定往復運動平臺的速度并獲取往復運動平臺的運行數(shù)據(jù)。

以下說明一種高速往復運動平臺的工作原理。

用戶先通過控制計算機設定所需的速度和位移時序，并將設置寫入嵌入式控制器。

牽引環(huán)8的初始位置在第一級線圈4的后方大約2cm處，嵌入式控制器接收到觸發(fā)信號后，觸發(fā)第一級線圈4，線圈電流迅速增加并產(chǎn)生強磁場，牽引環(huán)8受到磁場吸引開始加速運動，并通過導管7帶動載荷運動；同時，嵌入式控制器交替觸發(fā)激光收發(fā)器，由激光接收器19交替輸出方波信號至嵌入式控制器，且三個激光接收器19輸出的方波信號之間的相位依次相差120°，嵌入式控制器根據(jù)方波信號的頻率、周期數(shù)和相位關系分別計算并記錄滑動組件的速度、位移和運動方向。

待牽引環(huán)8到達適當位置時，嵌入式控制器切斷第一級線圈4，并觸發(fā)第二級線圈4開始放電，牽引環(huán)8繼續(xù)加速；再以同樣的方式完成第三次加速，牽引環(huán)8達到最大速度。牽引環(huán)8以最大速度運動一段距離后接觸到導軌6前端的彈簧17，前端的彈簧17開始被壓縮，牽引環(huán)8開始減速，待牽引環(huán)8抵達預定位置，再觸發(fā)第四級線圈4，使牽引環(huán)8迅速停止前進。此時前端的彈簧17會有很大的壓縮量并開始恢復原狀，在前端的彈簧17恢復原長過程中觸發(fā)第五級線圈4，確保牽引環(huán)8向后蓋2運動時速度很慢，以免損壞。總的來說，線圈4與普通彈簧配合，使牽引環(huán)8以很快的速度沖向前端的彈簧17，又以很慢的速度離開前端的彈簧17。

待往復運動完成后，嵌入式控制器將所記錄的數(shù)據(jù)傳輸給計算機；

牽引環(huán)8帶動載荷運動過程中，載荷的信號通過引線12輸出至計算機。

往復運動完成后，滑動組件最終所處的位置并不確定，所以在嵌入式控制器向計算機傳輸完數(shù)據(jù)之后，需要將載荷復位?；瑒咏M件靜止后，嵌入式控制器向復位組件中的步進電機11發(fā)送控制信號，轉動絲杠15，使絲杠15上的偏心螺母13從前蓋3附近平移到牽引環(huán)8處，并繼續(xù)帶動牽引環(huán)8至后蓋2一端的初始位置。之后，絲杠15反向轉動，使偏心螺母13回到前蓋3一端，即完成復位，往復運動平臺便可再次工作。