近场超声悬浮线性导轨的关键问题研究

针对现代高科技研究领域对高精密运动及支承定位元件的需求，以及传统支承设备存在特殊环境下不能满足使用要求的现状，提出一种新概念支承导轨，即用压电晶体振动所产生的气体挤压膜实现无摩擦精密定位和支承。应用气体动力学、压电晶体机电耦合理论、结构动力学、传热学等方面的知识建立挤压膜中压力、温度、模态振型、速度等多物理场耦合模型，深入剖析压电气体挤压膜的工作机理，给出挤压膜中物理参数的定量描述。研究高超声频激励下，流体惯性和表面粗糙度对挤压膜参数的影响，分析瞬时膜厚接近平均分子自由程时挤压膜压力等参数的变化规律；研究超声悬浮支承的承载能力、悬浮精度以及实现稳定悬浮条件。用实验手段测试导轨支承精度、气膜厚度、承载能力、动态参数的测定等，解决压电气体挤压膜导轨的设计关键问题，确定近场超声气膜导轨特殊结构的设计方法。

针对现代高科技领域对精密运动支承元件的需求，以及传统支承方式在特殊环境下不能满足使用要求的现状，应用压电陶瓷振动所产生的气体挤压膜实现无摩擦精密定位和支承是满足这种需求的新方法之一，因此对其机理的研究及应用技术的开发具有重要的理论意义及广阔的应用前景。.应用气体动力学、结构动力学、压电晶体的机电耦合理论建立挤压膜中压力、膜厚、变形等多物理场耦合模型，应用数值方法求解非线性耦合模型，深入剖析了气体挤压膜的工作机理，获得超声挤压膜的承载能力等静态性能，研究了挤压膜的悬浮精度及其影响参数；.通过悬浮体动力学方程、非线性可压缩气膜方程、激励盘振动方程联立求解，研究了悬浮体起浮过程的瞬态行为，建立了挤压气膜的动特性的计算模型，并获得了挤压膜的刚度、阻尼及其影响参数的影响规律；.对高超声频激励下粗糙表面挤压膜建立了挤压膜平均膜厚模型和平均流量模型，探讨了不同的表面粗糙度对于气体挤压膜承载性能的影响；.对膜厚接近平均分子自由程的挤压气膜，通过壁面速度滑移条件，建立了考虑气体稀薄效应的挤压膜润滑模型，得到了气体稀薄效应条件下气膜压力的变化情况，研究了表面粗糙度和气体稀薄效应的综合影响；.建立了考虑惯性的气体挤压膜模型，得到了考虑惯性时的气体挤压膜压力变化规律，发现气体惯性效应对表面粗糙度效应具有一定的弱化作用；.设计并制作了多种基于变幅杆以及柔性铰链的气体挤压膜悬浮装置，并应用所建立的理论对其性能进行了分析，用电-固-声耦合方法从声学角度分析了导轨的声压分布；.设计制作了基于单片机的数字控制器硬件电路，编写了基于不完全微分PID的控制程序。针对压电陶瓷执行器的容性负载，利用高压集成运放和绝栅型场效应管设计并制作了一种由甲乙类推挽功率放大电路组成的功率放大器，具有电流驱动能力大、驱动频率高、线性度好等优点，初步实现了挤压膜轴承的驱动。.设计制作了挤压膜性能测试实验台，并进行了大量的挤压膜性能实验，测试了挤压膜悬浮体的悬浮高度、承载能力、静态刚度以及瞬态响应过程等。.通过研究进一步加深了对超声挤压膜悬浮机理的理解，证明气体挤压膜具有一定的承载能力、悬浮精度高、结构简单，可以用于一些对承载要求不高但用传统方法无法实现支承的场合，这些研究结果可以为今后挤压膜悬浮器件的设计与应用提供有力的支持。