基于复合节流控制的主动气浮支承动刚度形成及其调控机制研究

Aerostatic bearing is an important developing direction of motion bearings in ultra-precision manufacturing equipment. As the accuracy of ultra-precision manufacturing featuring IC manufacturing come to sub-nanoscale, aerostatic bearing face challenge that higher speed，higher precision, stronger disturbance. Aerostatic bearing with the active restrictor is a new form of ultra-precision bearing expected to solve this problem. But the formation mechanism of dynamic stiffness and its multi-throttle control strategy are still need urgent to be solved. Focused on the following two key scientific challenges, i.e., 1) the generation mechanism of dynamic stiffness due to dynamic changes of multi-throttle, and 2) the method for multi-throttle control under multi-physics effect, this project will carry out the following studies: multi-physics modeling and analysis of active aerostatic bearings, optimal design of active aerostatic bearings, multi-throttle control strategy, dynamically experiments and control experiments on active aerostatic bearing prototype. This project will exclude the mechanism of dynamic stiffness enhancement via multi-throttle control, providing scientifically and technically support for the design of high performance suspension components in ultra-precision manufacturing machines.

气浮支承是超精密制造装备运动支承技术发展的重要方向。以IC制造为代表的超精密制造精度已达纳米级，并向亚纳米级发展，运动支承面临更高速度、高精度、强扰动等要求，主动气浮支承是可望满足发展需求的超精密支承新形式，但亟需探明气浮支承动刚度形成机制及其主动调控策略。项目拟利用压电智能结构主动调控复合节流特性来提高气浮支承动刚度并主动抑制扰动，开展多物理场耦合动力学建模与分析、主动气浮支承结构设计与优化、复合节流主动调控策略、主动气浮支承原型动态测试与控制实验等研究。项目将阐明多物理场作用下气浮支承动刚度形成及其调控机制的科学问题，为高性能运动支承部件的设计提供理论和技术支持。

本项目面向超精密运动平台中核心部件气浮支承的高承载、高刚度和高稳定性需求，提出了智能压电驱动的主动气浮支承新构型。围绕智能压电材料作动下复合节流器的节流变化规律及其支承特性的影响机制问题，开展了柔性结构设计与建模、多物理场统一建模与分析、节流高度和节流面积变化与动态特性的影响规律、主动气浮支承的结构设计与优化、支承特性的测量与控制方法等研究，取得了以下主要成果： 1. 提出了一种广义V型圆锥倒角柔性铰链结构，基于欧拉-伯努利梁理论推导了其柔度方程、精度方程和应力集中方程，利用有限元和实验验证了柔度的准确性，解决了柔性铰链的综合设计问题。2. 提出了一种非对称椭圆柔性铰链结构，基于欧拉-伯努利梁理论推导了其柔度方程、精度方程和应力集中方程，利用有限元和实验验证了其柔度的准确性，改善了柔性铰链的轴漂和寄生运动。3. 提出了具有表面微织构的气浮支承新构型，基于CFD理论计算了其承载力和刚度，相对于传统有腔气浮支承，其承载力和刚度显著提高，显著改善了气浮轴承承载力和刚度偏低问题。4. 提出了一种主动小孔节流（节流高度）气浮支承结构，分析了不同结构参数和工况对其承载力的影响规律，主动小孔节流可以有效改变气浮支承内部压力分布，间接改变气浮支承承载力，从而实现了气浮支承的主动控制。5．提出了一种主动狭缝节流（节流面积）气浮支承结构，分析了不同结构参数和工况对其承载力的影响规律，主动小孔节流可以有效改变气浮支承内部压力分布，间接改变气浮支承承载力，从而实现了气浮支承的主动控制。6. 揭示了复合节流变化对动态特性的影响规律，阐明了通过压电结构调控复合节流来增强动态特性的机制，提出了基于复合节流控制的主动气浮支承新构型和控制方法，为高性能空气静压支承的设计提供了理论指导。.本课题历时3年，所有工作按计划完成。本课题实施过程中发表高水平论文9篇，其中SCI/EI 论文4 篇。申请专利4项，其中发明专利3项。本项目研究累计培养研究生近7人，其中硕士在读3人，毕业3人，博士毕业1人。