《空氣靜壓導軌宏-微尺度氣膜波動機理研究》是依託北京工業大學，由陳東菊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：空氣靜壓導軌宏-微尺度氣膜波動機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳東菊
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
空氣靜壓導軌已成為超精密加工和檢測設備達到高精度不可缺少的重要元件。目前越來越多的超精密工具機採用空氣靜壓導軌來實現精密級的加工。由於空氣靜壓導軌氣膜均化作用引起誤差相對較小，在傳統的工具機誤差研究中，只從巨觀上分析了系統結構引起的幾何誤差而忽略了導軌溜板內氣膜波動引起的誤差。但對於超精密加工領域，氣膜波動卻是加工波紋度生成的主要因素。本課題擬從宏-微尺度結合角度，分析導軌內氣膜波動現象，提出能夠避免氣膜波動的導軌節流結構裝置。本課題研究的目的就是通過研究加工過程中空氣靜壓導軌內部氣膜波動機理來進一步揭示加工波紋度現象的本質，為超精密加工結果提供理論解釋，並為進一步探索提高加工精度的手段提供理論依據，總結提出能夠有效避免氣膜波動的導軌節流結構裝置。
結題摘要
空氣靜壓導軌是超精密數控工具機關鍵運動部件，由於空氣靜壓導軌的氣膜間隙處於微尺度範疇，傳統巨觀尺度的流體方程對氣膜流態的分析已不適用。本項目基於理論分析、仿真計算和實驗驗證的原則，針對空氣靜壓導軌內部氣膜波動現象對宏-微尺度下氣膜的動力學特性進行了深入研究。 首先，通過將速度滑移計算方法引入Navier-Stokes方程，推導出適合可壓縮氣體在微尺度條件下的雷諾方程。利用流體仿真軟體對微尺度下的氣膜流態進行仿真分析，得出隨著氣膜厚度的增大氣腔內的壓強呈減小趨勢，而隨著節流孔直徑的增加，氣腔內的壓強呈增大趨勢。接著通過對壓強積分運算求得氣膜承載力和氣膜剛度隨氣膜厚度變化的規律：空氣靜壓導軌的承載力隨氣膜厚度的增大而減小。空氣靜壓導軌的剛度隨氣膜厚度的增加呈先增大後減小的趨勢，氣膜厚度在0.002mm-0.008mm範圍內氣膜剛度較大。為後期研究氣腔內的氣旋現象提供參數數據。其次我們建立了適合空氣靜壓導軌氣膜的擠壓膜阻尼力模型，利用MATLAB軟體得到了擠壓模阻尼力隨氣膜厚度和導軌系統振動頻率變化的規律，對導軌內部阻尼特性進行了詮釋。針對空氣靜壓導軌運動過程中出現的氣膜波動問題，研究了溜板氣腔結構、節流器直徑、供氣壓強對氣膜內氣旋及氣膜波動的影響。通過仿真數據的對比分析發現氣旋現象與氣膜波動存在緊密的聯繫。從仿真結果我們得到了對氣膜波動產生影響的因素有：節流孔的直徑、氣腔的結構形狀和供氣壓強的大小。在上述的這些影響因素中供氣壓強的大小對氣膜波動影響較大。最後通過溜板振動信號的檢測實驗對上述得出的結論進行了驗證，實驗結果與仿真結果吻合。這些分析為我們從導軌結構和工藝參數上對空氣靜壓導軌的氣膜波動進行抑制，提高導軌的穩定性及加工精度提供了理論依據。
