静压导轨

精密与超精密加工技术是制造业水平的重要标志，是先进制造技术的基础和关键。而超精密液体静压导轨是超精密加工技术广泛应用的共用关键基础功能模块。由于目前对超精密液体静压导轨多场耦合作用机理和承载特性认识不足，严重制约超精密加工机床的设计和应用精度，为此本申请课题拟在已有工作基础上开展以下研究工作：超精密液体静压导轨系统的机、液、热多物理场复杂非线性耦合机理研究；超精密液体静压导轨系统综合性能指标分析及评价体系研究；超精密液体静压导轨多物理场复杂非线性耦合系统综合性能动态优化设计理论研究；超精密液体静压导轨系统的综合性能动态优化设计软件研究。通过理论分析、计算机模拟、实验测试相结合的方法揭示多场耦合作用下超精密液体静压导轨承载机理，建立导轨承载特性评价体系，提出一种高效可靠的超精密液体静压导轨综合动态优化设计方法并开发出相应的设计平台。

摘要：精密与超精密加工技术是制造业水平的重要标志，是先进制造技术的基础和关键。而超精密液体静压导轨是超精密加工技术广泛应用的共用关键基础功能模块。但目前对超精密液体静压导轨多场耦合作用机理和承载特性认识不足，严重制约了超精密加工机床的设计和应用精度。本申请课题在已有工作的基础上开展了以下研究工作：(1)超精密液体静压导轨系统的机、液、热多物理场复杂非线性耦合机理研究。在机、液、热多物理场耦合模型的基础上，对导轨机械结构进行静力学分析、模态分析及热特性分析，并对导轨油膜进行流场仿真分析。(2)超精密液体静压导轨系统综合性能指标分析及评价体系研究。分析了节流器结构、薄膜节流器特性参数对静压导轨承载特性以及油膜刚度的影响规律，研究了液体静压导轨综合性能指标评价体系。(3)超精密液体静压导轨多物理场复杂非线性耦合系统综合性能动态优化设计及控制理论研究。对液体静压导轨性能进行了正交优化研究，并对其油膜波动进行了预见控制及最优控制理论研究。(4)超精密液体静压导轨系统的综合性能动态优化设计平台及实验研究。在理论分析的基础上，开发了液体静压导轨的优化设计平台，并对原系统进行了改造，搭建了液体静压导轨的测试实验平台，并进行了实验研究。通过理论分析、计算机模拟、实验测试相结合的方法揭示多场耦合作用下超精密液体静压导轨承载机理，建立导轨承载特性评价体系，提出高效可靠的超精密液体静压导轨综合动态优化设计方法及控制理论并开发出相应的设计平台。

随着尖端工业生产和科学研究领域的超精密测量及加工精度水平由微米量级向纳米量级过渡，对超精密测量和加工系统的重要单元空气静压导轨的定位精度和静态性能也提出了更高的要求。对于微尺度空气导轨，当工作压力较高, 而工作间隙又非常小时（十几微米甚至几微米）, 润滑气膜会变得很稀薄。由于尺度的微细化及气体的稀薄效应，常规的连续性方程及N-S方程等不再使用。当气流变稀薄后, 根据稀薄气体动力学理论, 导轨的界面上产生速度滑移, 界面速度发生变化, 进而导致整个润滑气膜的速度分布发生变化, 对导轨的性能将产生明显的影响。 基于Enskog 稠密气体理论, 通过考察不同因素对气体物性及流动特性的影响, 分析微气体流动中稠密性对气体物性和宏观流动参数的影响。从微观角度用LBM研究滑移边界条件的低渗透率微缝隙气体流动机理。将反弹边界处理和自由滑移边界处理相结合，以微气体流动和稀薄气体流动的3个特征数( K n、R e 和Ma)为表征，进一步研究气体稀薄效应对微尺度下空气静压导轨的影响，指出气膜狭缝中稀薄气体流动与努森数和切向动量调和系数之间的关系以及气体滑落效应与气体性质和气膜狭缝宽度之间的影响。