变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法、系统技术方案

本发明专利技术属于静压滑台控制技术领域，公开了一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法、系统，构建考虑实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型，反映油膜厚度的微量变化；构建竖直静压滑台工作性能的预测模型以及综合静压滑台承载力、静刚度、动刚度、快速响应时间和温度影响的油膜厚度微量变化预测模型；基于构建的模型确定变油膜厚度的竖直静压滑台达到最优工作性能的条件；基于确定的条件构建基于等效油膜厚度、供油压力、封油边尺寸和流量比的超精密竖直静压滑台的精度控制模型，进行竖直静压滑台控制。本发明专利技术能够有效提高静压滑台的刚性、抗振性，降低响应时间，减少温度波动。

【技术实现步骤摘要】
变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法、系统
本专利技术属于静压滑台控制
，尤其涉及一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法、系统。
技术介绍
目前：油膜是静压轴承的关键，而油膜厚度的变化将直接影响静压滑台的性能，合理估算的油膜厚度有助于为静压导轨的设计提供较大的承载载荷、出色的动态刚度和精确的定位精度。而形状误差和变形是影响油膜厚度的主要因素。油膜厚度的变化及其控制对静压滑台的性能具有及其重要的作用，是超精密液体静压滑台实现超精密、大负载和高稳定性的前提和保证。而科学计算油膜厚度可以为静压滑台的工作性能的预测提供准确的数据。静压滑台是集合了摩擦学、力学、优化方法和结构设计的工程实践应用典型实施案例。超精密静压滑台的工作性能包括了滑台的刚度、运动稳定性、可靠性和寿命。在超精密竖直静压滑台的设计过程中，如果设计参数选择不当，可能会导致滑台刚度低、运动精度差、稳定性差等问题。超精密竖直静压滑台不同设计参数组合都会得到不一样的静态性能、动态性能、热性能。而采用有限元分析法分析静压滑台的工作性能，需要通过多次建模及大量的计算时间才能够明确表达工作性能与所有设计参数之间的关系并选取最优设计参数。基于经验的优化设计方法在选择设计参数组合时，成本高、耗时长且计算繁琐，难以获得最优的设计参数组合。因此，考虑和探索动态变化的工况条件下，油膜厚度的变化规律，合理选择性能评价指标及建立准确的设计参数与评价指标间的映射关系，是研制具有快速动态响应能力的超精密、大负载和高稳定性液体静压滑台的基础理论之一。>通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的竖直静压滑台工作性能预测方法成本高、耗时长且计算繁琐，难以获得最优的设计参数组合；且现有的滑台控制方法控制进度不高，且控制的滑台刚度低、运动精度差、稳定性差。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法、系统。本专利技术是这样实现的，一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法包括：通过构建考虑实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型、竖直静压滑台工作性能的预测模型，以及基于等效油膜厚度及其他设计参数的超精密竖直静压滑台性能控制模型，进行变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制。进一步，所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法包括以下步骤：步骤一，构建考虑实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型，反映油膜厚度的微量变化；步骤二，构建竖直静压滑台工作性能的预测模型以及综合静压滑台承载力、静刚度、动刚度、快速响应时间和温度影响的油膜厚度微量变化预测模型；步骤三，基于步骤一、步骤二构建的模型确定变油膜厚度的竖直静压滑台达到最优工作性能的条件；步骤四，基于确定的条件构建基于等效油膜厚度、供油压力、封油边尺寸和流量比的超精密竖直静压滑台的精度控制模型，进行竖直静压滑台控制。进一步，所述考虑实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型包括：考虑系统误差的油膜厚度计算模型和变油膜厚度薄膜式润滑理论模型。进一步，所述考虑系统误差的油膜厚度计算模型如下：其中，h(x,z)表示油膜厚度h(x,z)，h0表示理论油膜厚度，z表示滑块运动方向的坐标变量，x表示油膜宽度方向的坐标变量，a0表示初始偏置值；axm表示x方向上的m次偏差值；px表示x方向上的偏差波长；φxm表示x方向上的m次初始相位角偏差值；azn表示z方向上的n次幅偏差值；pz表示z方向上的偏差波长；φzn表示z方向上的n次初始相位角偏差值；εmn表示x、y方向耦合偏差值；θmn表示x、y方向耦合偏差的初始相位角。进一步，所述变油膜厚度薄膜式润滑理论模型如下：其中，QP表示矩形油腔的流量；qx表示x方向上单位宽度的流量，qz表示z方向上单位宽度的流量；L和B分别表示油垫的长度和宽度，l和b分别表示长度和宽度方向的封油边长度；μ表示流体动力粘度，pr表示油腔内最大油膜压力；R为油腔液阻，计算公式如下：其中，cR表示常量，计算公式下：进一步，步骤二中，所述综合静压滑台承载力、静刚度、动刚度、快速响应时间和温度影响的油膜厚度微量变化预测模型包括：静压滑台承载力预测模型、静刚度预测模型、动刚度预测模型、快速响应时间预测模型和温度影响预测模型；所述静压滑台承载力预测模型如下：其中，pri表示第i个油膜的最大油膜压力，ps表示供油压力，q0i表示第i个油垫的初始流量，cri表示第i个油垫的流量比；Ai表示第i个油垫的等效油膜承载面积，计算公式如下：Ai＝(Li-li)(Bi-bi)；式中，Li和Bi分别表示油垫的长度和宽度；li和bi分别表示长度和宽度方向的封油边长度；所述静刚度预测模型如下：其中，dF为外载力，dh为受力后产生的位移量；所述动刚度预测模型如下：其中，G(s)表示静压滑台的传递函数，ω表示载荷频率，Γ0和Γ1的表达式如下：其中：(i＝1,2)，Θ1＝-2T1A1，Θ3＝-2T2A2；所述响应时间预测模型如下：其中，m表示滑台及其负载质量，Δ％表示滑台稳态值的百分比；所述温度变化预测模型如下：其中，Δt表示单位时间的温度波动量；PT表示总功率损耗；Q表示总流量；Cp表示比热容、ρ为密度；式中，v表示滑台的运动速度、n表示油腔个数；cR表示常量；Qi和Q分别表示单个油腔和全部油腔流量，计算公式如下：进一步，步骤三中，所述变油膜厚度的竖直静压滑台达到最优工作性能的条件为油膜液阻的倒数与节流器液阻的差值正向趋0。进一步，所述基于等效油膜厚度、供油压力、封油边尺寸和流量比的超精密竖直静压滑台的精度控制模型包括：基于等效油膜厚度、供油压力、封油边尺寸和流量比的油膜液阻的控制模型以及薄膜节流器液阻的控制模型。进一步，所述基于等效油膜厚度及其他设计参数的油膜液阻的控制模型以及薄膜节流器液阻的控制模型包括：所述油膜液阻的控制模型和薄膜节流器液阻控制模型均与等效油膜厚度ha的三次方成反比，且薄膜节流器液阻控制模型与流量比cr成正比、与供油压力ps成反比，如下：进一步，所述进行竖直静压滑台控制包括：通过选取尽可能小的供油压力值，同时令油膜液阻倒数与节流器液阻的差值fu正向趋0，进行竖直静压滑台控制；即：ps→psmin；本专利技术的另一目的在于提供一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制系统，包括：静压支承设计模型构建模块，用于构建实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型，反映油膜厚度的微量变化；预测模型构建模块，用于构建竖直静压滑台工作性能的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法包括：/n通过构建实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型、竖直静压滑台工作性能的预测模型，以及基于等效油膜厚度及其他设计参数的超精密竖直静压滑台性能控制模型，进行变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法包括：
通过构建实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型、竖直静压滑台工作性能的预测模型，以及基于等效油膜厚度及其他设计参数的超精密竖直静压滑台性能控制模型，进行变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制。


2.如权利要求1所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法具体包括以下步骤：
步骤一，构建实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型，反映油膜厚度的微量变化；
步骤二，构建竖直静压滑台工作性能的预测模型以及综合静压滑台承载力、静刚度、动刚度、快速响应时间和温度影响的油膜厚度微量变化预测模型；
步骤三，基于步骤一、步骤二构建的模型确定变油膜厚度的竖直静压滑台达到最优工作性能的条件；
步骤四，基于确定的条件构建基于等效油膜厚度、供油压力、封油边尺寸和流量比的超精密竖直静压滑台的精度控制模型，进行竖直静压滑台控制。


3.如权利要求2所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，所述考虑实际工况的变油膜厚度薄膜式静压支承设计模型包括：考虑系统误差的油膜厚度计算模型和变油膜厚度薄膜式润滑理论模型。


4.如权利要求3所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，所述考虑系统误差的油膜厚度计算模型如下：



其中，h(x,z)表示油膜厚度h(x,z)，h0表示理论油膜厚度，z表示滑块运动方向的坐标变量，x表示油膜宽度方向的坐标变量，a0表示初始偏置值；axm表示x方向上的m次偏差值；px表示x方向上的偏差波长；φxm表示x方向上的m次初始相位角偏差值；azn表示z方向上的n次幅偏差值；pz表示z方向上的偏差波长；φzn表示z方向上的n次初始相位角偏差值；εmn表示x、y方向耦合偏差值；θmn表示x、y方向耦合偏差的初始相位角。


5.如权利要求3所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，所述变油膜厚度薄膜式润滑理论模型如下：



其中，QP表示矩形油腔的流量；qx表示x方向上单位宽度的流量，qz表示z方向上单位宽度的流量；L和B分别表示油垫的长度和宽度，l和b分别表示长度和宽度方向的封油边长度；μ表示流体动力粘度，pr表示油腔内最大油膜压力；R为油腔液阻，计算公式如下：



其中，cR表示常量，计算公式下：





6.如权利要求2所述变油膜厚度的竖直静压滑台工作性能预测与控制方法，其特征在于，步骤二中，所述综合静压滑台承载力、静刚度、动刚度、快速响应时间和温度影响的油膜厚度微量变化预测模型包括：
静压滑台承载力预测模型、静刚度预测模型、动刚度预测模型、快速响应时间预测模型和温度影响预测模型；
所述静压滑台承载力预测模型如下：



其中，pri表示第i个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蓓智，董婉娇，杨建国，郭立杰，黄顺舟，董丰波，
申请(专利权)人：东华大学，上海航天设备制造总厂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31