近場超聲懸浮線性導軌的關鍵問題研究

《近場超聲懸浮線性導軌的關鍵問題研究》是依託南京航空航天大學，由馬希直擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：近場超聲懸浮線性導軌的關鍵問題研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬希直
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

針對現代高科技研究領域對高精密運動及支承定位元件的需求，以及傳統支承設備存在特殊環境下不能滿足使用要求的現狀，提出一種新概念支承導軌，即用壓電晶體振動所產生的氣體擠壓膜實現無摩擦精密定位和支承。套用氣體動力學、壓電晶體機電耦合理論、結構動力學、傳熱學等方面的知識建立擠壓膜中壓力、溫度、模態振型、速度等多物理場耦合模型，深入剖析壓電氣體擠壓膜的工作機理，給出擠壓膜中物理參數的定量描述。研究高超聲頻激勵下，流體慣性和表面粗糙度對擠壓膜參數的影響，分析瞬時膜厚接近平均分子自由程時擠壓膜壓力等參數的變化規律；研究超聲懸浮支承的承載能力、懸浮精度以及實現穩定懸浮條件。用實驗手段測試導軌支承精度、氣膜厚度、承載能力、動態參數的測定等，解決壓電氣體擠壓膜導軌的設計關鍵問題，確定近場超聲氣膜導軌特殊結構的設計方法。

結題摘要

針對現代高科技領域對精密運動支承元件的需求，以及傳統支承方式在特殊環境下不能滿足使用要求的現狀，套用壓電陶瓷振動所產生的氣體擠壓膜實現無摩擦精密定位和支承是滿足這種需求的新方法之一，因此對其機理的研究及套用技術的開發具有重要的理論意義及廣闊的套用前景。 套用氣體動力學、結構動力學、壓電晶體的機電耦合理論建立擠壓膜中壓力、膜厚、變形等多物理場耦合模型，套用數值方法求解非線性耦合模型，深入剖析了氣體擠壓膜的工作機理，獲得超聲擠壓膜的承載能力等靜態性能，研究了擠壓膜的懸浮精度及其影響參數； 通過懸浮體動力學方程、非線性可壓縮氣膜方程、激勵盤振動方程聯立求解，研究了懸浮體起浮過程的瞬態行為，建立了擠壓氣膜的動特性的計算模型，並獲得了擠壓膜的剛度、阻尼及其影響參數的影響規律； 對高超聲頻激勵下粗糙表面擠壓膜建立了擠壓膜平均膜厚模型和平均流量模型，探討了不同的表面粗糙度對於氣體擠壓膜承載性能的影響； 對膜厚接近平均分子自由程的擠壓氣膜，通過壁面速度滑移條件，建立了考慮氣體稀薄效應的擠壓膜潤滑模型，得到了氣體稀薄效應條件下氣膜壓力的變化情況，研究了表面粗糙度和氣體稀薄效應的綜合影響； 建立了考慮慣性的氣體擠壓膜模型，得到了考慮慣性時的氣體擠壓膜壓力變化規律，發現氣體慣性效應對表面粗糙度效應具有一定的弱化作用； 設計並製作了多種基於變幅桿以及柔性鉸鏈的氣體擠壓膜懸浮裝置，並套用所建立的理論對其性能進行了分析，用電-固-聲耦合方法從聲學角度分析了導軌的聲壓分布； 設計製作了基於單片機的數字控制器硬體電路，編寫了基於不完全微分PID的控制程式。針對壓電陶瓷執行器的容性負載，利用高壓集成運放和絕柵型場效應管設計並製作了一種由甲乙類推挽功率放大電路組成的功率放大器，具有電流驅動能力大、驅動頻率高、線性度好等優點，初步實現了擠壓膜軸承的驅動。 設計製作了擠壓膜性能測試實驗台，並進行了大量的擠壓膜性能實驗，測試了擠壓膜懸浮體的懸浮高度、承載能力、靜態剛度以及瞬態回響過程等。 通過研究進一步加深了對超聲擠壓膜懸浮機理的理解，證明氣體擠壓膜具有一定的承載能力、懸浮精度高、結構簡單，可以用於一些對承載要求不高但用傳統方法無法實現支承的場合，這些研究結果可以為今後擠壓膜懸浮器件的設計與套用提供有力的支持。