精密與超精密加工技術(shù)是制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。而超精密液體靜壓導(dǎo)軌是超精密加工技術(shù)廣泛應(yīng)用的共用關(guān)鍵基礎(chǔ)功能模塊。由于目前對(duì)超精密液體靜壓導(dǎo)軌多場(chǎng)耦合作用機(jī)理和承載特性認(rèn)識(shí)不足，嚴(yán)重制約超精密加工機(jī)床的設(shè)計(jì)和應(yīng)用精度，為此本申請(qǐng)課題擬在已有工作基礎(chǔ)上開(kāi)展以下研究工作：超精密液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的機(jī)、液、熱多物理場(chǎng)復(fù)雜非線(xiàn)性耦合機(jī)理研究；超精密液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)分析及評(píng)價(jià)體系研究；超精密液體靜壓導(dǎo)軌多物理場(chǎng)復(fù)雜非線(xiàn)性耦合系統(tǒng)綜合性能動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究；超精密液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的綜合性能動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件研究。通過(guò)理論分析、計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法揭示多場(chǎng)耦合作用下超精密液體靜壓導(dǎo)軌承載機(jī)理，建立導(dǎo)軌承載特性評(píng)價(jià)體系，提出一種高效可靠的超精密液體靜壓導(dǎo)軌綜合動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

摘要：精密與超精密加工技術(shù)是制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。而超精密液體靜壓導(dǎo)軌是超精密加工技術(shù)廣泛應(yīng)用的共用關(guān)鍵基礎(chǔ)功能模塊。但目前對(duì)超精密液體靜壓導(dǎo)軌多場(chǎng)耦合作用機(jī)理和承載特性認(rèn)識(shí)不足，嚴(yán)重制約了超精密加工機(jī)床的設(shè)計(jì)和應(yīng)用精度。本申請(qǐng)課題在已有工作的基礎(chǔ)上開(kāi)展了以下研究工作：(1)超精密液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的機(jī)、液、熱多物理場(chǎng)復(fù)雜非線(xiàn)性耦合機(jī)理研究。在機(jī)、液、熱多物理場(chǎng)耦合模型的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)軌機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析及熱特性分析，并對(duì)導(dǎo)軌油膜進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。(2)超精密液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)分析及評(píng)價(jià)體系研究。分析了節(jié)流器結(jié)構(gòu)、薄膜節(jié)流器特性參數(shù)對(duì)靜壓導(dǎo)軌承載特性以及油膜剛度的影響規(guī)律，研究了液體靜壓導(dǎo)軌綜合性能指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。(3)超精密液體靜壓導(dǎo)軌多物理場(chǎng)復(fù)雜非線(xiàn)性耦合系統(tǒng)綜合性能動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制理論研究。對(duì)液體靜壓導(dǎo)軌性能進(jìn)行了正交優(yōu)化研究，并對(duì)其油膜波動(dòng)進(jìn)行了預(yù)見(jiàn)控制及最優(yōu)控制理論研究。(4)超精密液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的綜合性能動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)研究。在理論分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了液體靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，并對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了改造，搭建了液體靜壓導(dǎo)軌的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)理論分析、計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法揭示多場(chǎng)耦合作用下超精密液體靜壓導(dǎo)軌承載機(jī)理，建立導(dǎo)軌承載特性評(píng)價(jià)體系，提出高效可靠的超精密液體靜壓導(dǎo)軌綜合動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及控制理論并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

隨著尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域的超精密測(cè)量及加工精度水平由微米量級(jí)向納米量級(jí)過(guò)渡，對(duì)超精密測(cè)量和加工系統(tǒng)的重要單元空氣靜壓導(dǎo)軌的定位精度和靜態(tài)性能也提出了更高的要求。對(duì)于微尺度空氣導(dǎo)軌，當(dāng)工作壓力較高, 而工作間隙又非常小時(shí)（十幾微米甚至幾微米）, 潤(rùn)滑氣膜會(huì)變得很稀薄。由于尺度的微細(xì)化及氣體的稀薄效應(yīng)，常規(guī)的連續(xù)性方程及N-S方程等不再使用。當(dāng)氣流變稀薄后, 根據(jù)稀薄氣體動(dòng)力學(xué)理論, 導(dǎo)軌的界面上產(chǎn)生速度滑移, 界面速度發(fā)生變化, 進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)潤(rùn)滑氣膜的速度分布發(fā)生變化, 對(duì)導(dǎo)軌的性能將產(chǎn)生明顯的影響。 基于Enskog 稠密氣體理論, 通過(guò)考察不同因素對(duì)氣體物性及流動(dòng)特性的影響, 分析微氣體流動(dòng)中稠密性對(duì)氣體物性和宏觀流動(dòng)參數(shù)的影響。從微觀角度用LBM研究滑移邊界條件的低滲透率微縫隙氣體流動(dòng)機(jī)理。將反彈邊界處理和自由滑移邊界處理相結(jié)合，以微氣體流動(dòng)和稀薄氣體流動(dòng)的3個(gè)特征數(shù)( K n、R e 和Ma)為表征，進(jìn)一步研究氣體稀薄效應(yīng)對(duì)微尺度下空氣靜壓導(dǎo)軌的影響，指出氣膜狹縫中稀薄氣體流動(dòng)與努森數(shù)和切向動(dòng)量調(diào)和系數(shù)之間的關(guān)系以及氣體滑落效應(yīng)與氣體性質(zhì)和氣膜狹縫寬度之間的影響。