空气静压导轨宏-微尺度气膜波动机理研究

空气静压导轨已成为超精密加工和检测设备达到高精度不可缺少的重要元件。目前越来越多的超精密机床采用空气静压导轨来实现精密级的加工。由于空气静压导轨气膜均化作用引起误差相对较小，在传统的机床误差研究中，只从宏观上分析了系统结构引起的几何误差而忽略了导轨溜板内气膜波动引起的误差。但对于超精密加工领域，气膜波动却是加工波纹度生成的主要因素。本课题拟从宏-微尺度结合角度，分析导轨内气膜波动现象，提出能够避免气膜波动的导轨节流结构装置。本课题研究的目的就是通过研究加工过程中空气静压导轨内部气膜波动机理来进一步揭示加工波纹度现象的本质，为超精密加工结果提供理论解释，并为进一步探索提高加工精度的手段提供理论依据，总结提出能够有效避免气膜波动的导轨节流结构装置。

空气静压导轨是超精密数控机床关键运动部件，由于空气静压导轨的气膜间隙处于微尺度范畴，传统宏观尺度的流体方程对气膜流态的分析已不适用。本项目基于理论分析、仿真计算和实验验证的原则，针对空气静压导轨内部气膜波动现象对宏-微尺度下气膜的动力学特性进行了深入研究。.首先，通过将速度滑移计算方法引入Navier-Stokes方程，推导出适合可压缩气体在微尺度条件下的雷诺方程。利用流体仿真软件对微尺度下的气膜流态进行仿真分析，得出随着气膜厚度的增大气腔内的压强呈减小趋势，而随着节流孔直径的增加，气腔内的压强呈增大趋势。接着通过对压强积分运算求得气膜承载力和气膜刚度随气膜厚度变化的规律：空气静压导轨的承载力随气膜厚度的增大而减小。空气静压导轨的刚度随气膜厚度的增加呈先增大后减小的趋势，气膜厚度在0.002mm-0.008mm范围内气膜刚度较大。为后期研究气腔内的气旋现象提供参数数据。其次我们建立了适合空气静压导轨气膜的挤压膜阻尼力模型，利用MATLAB软件得到了挤压模阻尼力随气膜厚度和导轨系统振动频率变化的规律，对导轨内部阻尼特性进行了诠释。针对空气静压导轨运动过程中出现的气膜波动问题，研究了溜板气腔结构、节流器直径、供气压强对气膜内气旋及气膜波动的影响。通过仿真数据的对比分析发现气旋现象与气膜波动存在紧密的联系。从仿真结果我们得到了对气膜波动产生影响的因素有：节流孔的直径、气腔的结构形状和供气压强的大小。在上述的这些影响因素中供气压强的大小对气膜波动影响较大。最后通过溜板振动信号的检测实验对上述得出的结论进行了验证，实验结果与仿真结果吻合。这些分析为我们从导轨结构和工艺参数上对空气静压导轨的气膜波动进行抑制，提高导轨的稳定性及加工精度提供了理论依据。