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1、超精密加工的環(huán)境條件與控制策略摘要:超精密加工是現(xiàn)代國(guó)家高新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前進(jìn)基礎(chǔ)和保障,是各個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的象征,推動(dòng)著國(guó)家高新制造產(chǎn)業(yè)的不斷前進(jìn)。加工精度和效率的提高促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的向更高層面邁進(jìn),但是環(huán)境條件尤其是振動(dòng)條件是影響超精密加工精度和效率的主要因素。為了研究超精密加工中環(huán)境條件特別是振動(dòng)環(huán)境的控制,本文主要研究超精密加工主要影響超精密加工的環(huán)境條件及其控制的策略;研究超精密加工中環(huán)境振動(dòng)的分類(lèi)和來(lái)源以及其對(duì)超精密加工的影響;研究超精密加工中控制環(huán)境振動(dòng)所采用的技術(shù)和材料裝置,并對(duì)其采用后的效果進(jìn)行評(píng)估和相對(duì)應(yīng)振動(dòng)的分類(lèi)。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的研究,初步掌握環(huán)境振動(dòng)對(duì)于超精密加工

2、的影響,并對(duì)環(huán)境振動(dòng)采取有效的隔振消振處理和探索,為超精密加工中的環(huán)境振動(dòng)的控制提出合理有建設(shè)性意義的建議。關(guān)鍵詞:超精密加工;環(huán)境振動(dòng);隔振措施;消振措施I1.1介紹超精密加工制造技術(shù)是當(dāng)今高新科技工業(yè)發(fā)展的基本要素,同樣也成為了將來(lái)制造科學(xué)前進(jìn)的方向,在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中,超精密加工制造技術(shù)也是至關(guān)重要的高新頂尖技術(shù)步驟之一。它綜合運(yùn)用了機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的最新的研究成果以及現(xiàn)代電子訊息技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量和電腦技術(shù)等高新技術(shù),是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要依據(jù),因此受到各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。從應(yīng)用的角度來(lái)看,在關(guān)系國(guó)家安全和綜合國(guó)力的行業(yè)如國(guó)防科技、探空技術(shù)、核子能、高新電子等高

3、科技的高新技術(shù)領(lǐng)域中超精密加工及其制造的高精儀器起著相當(dāng)重要的角色,在這些領(lǐng)域的使用中有探空火箭技術(shù)、高新儀器里的齒輪、人工智能機(jī)器等。超精密加工的加工材料范圍廣泛,包括軟金屬、淬火鋼、不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等較難加工的材料,也包括半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料,不受材料外形的限制,使用的未來(lái)遠(yuǎn)景極為廣1。跟著現(xiàn)代加工制造技術(shù)和高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品的精度以及表面完整性的要求愈來(lái)愈高,超精密加工制造技術(shù)的重要性逐漸體現(xiàn)。有關(guān)范疇的技術(shù)開(kāi)發(fā)和發(fā)展就開(kāi)始竭力于加工精度的一直提升,從微米級(jí)、亞微米級(jí)到納米級(jí),甚至現(xiàn)在的亞納米級(jí),比如航空航天產(chǎn)業(yè)里陀螺儀的軸承、電子信息產(chǎn)業(yè)里的集成電路和光學(xué)工業(yè)上的

4、集成光路等,這些技術(shù)使生產(chǎn)的產(chǎn)品的體積減小,使產(chǎn)品質(zhì)量和性能得到提升,并減少了這些工業(yè)產(chǎn)品使用成本??傮w上看,產(chǎn)品精度的不斷提升促使產(chǎn)業(yè)有產(chǎn)品微型化的趨勢(shì),并且提高了產(chǎn)品零件之間的可置換性,有效提升了組裝裝配的效率,提高產(chǎn)業(yè)的整體自動(dòng)化程度。對(duì)于超精密加工生產(chǎn)中產(chǎn)品加工精度產(chǎn)生影響的主要是因?yàn)榧庸どa(chǎn)中的環(huán)境振動(dòng)。盡管超精密加工機(jī)床在設(shè)計(jì)生產(chǎn)之初就已經(jīng)盡可能減少了環(huán)境振動(dòng)對(duì)于超精密加工的不良影響,但由于生產(chǎn)加工環(huán)境和加工技術(shù)的轉(zhuǎn)變,環(huán)境振動(dòng)還是會(huì)存在在一些超精密加工的機(jī)床設(shè)備里,從而使產(chǎn)品加工精度的下降,這個(gè)現(xiàn)象嚴(yán)重影響了超精密加工制造的未來(lái)成長(zhǎng)與壯大。所以處理環(huán)境振動(dòng)對(duì)超精密加工設(shè)備的干擾就

5、變得格外迫切。1.2超精密加工及其環(huán)境條件的介紹1.2.1國(guó)外超精密加工發(fā)展概況國(guó)際上其他國(guó)家超精密加工開(kāi)展較早,上個(gè)世紀(jì)六十年代初期,上個(gè)世紀(jì)五十年代至八十年代為技術(shù)發(fā)展初期。這一個(gè)時(shí)間段,美國(guó)首先開(kāi)始研究了以單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)為象征的超精密加工技術(shù),主要適用于航空技術(shù)、國(guó)家防御、天文等領(lǐng)域的激光核聚變反射鏡、球面、非球面大型零件的加工2。歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)成功研制成功了用于超精密加工的超精密金剛石車(chē)床,用于一些常見(jiàn)軟金屬的超精密加工,加工的形狀也只限于簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱(chēng)圖形零件。上個(gè)世紀(jì)八十年代至九十年代進(jìn)入民間工業(yè)的應(yīng)用初期。美國(guó)、日本、歐洲的一些領(lǐng)頭的超精密加工研究的公司在政府的支

6、持下,將超精密加工技術(shù)開(kāi)始投向市場(chǎng),一開(kāi)始是民用的精密鏡頭的生產(chǎn)。但是由于超精密加工設(shè)備的缺少和代價(jià)高昂,初期主要是少量的專(zhuān)門(mén)訂制。在這時(shí)間段還出現(xiàn)了可處理硬質(zhì)金屬的超精密金剛石磨削磨床,但盡管如此,超精密加工的效率還是無(wú)法趕上金剛石車(chē)床。上個(gè)世紀(jì)八十年代末期,美國(guó)投入大量研究資金和人力,成功研制了大型光學(xué)超精密加工車(chē)床,也成功成為了超精密加工領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。上個(gè)世紀(jì)九十年代后,民用超精密加工技術(shù)漸漸完善和成熟。在民用交通、環(huán)境工程、光電信息、醫(yī)療儀器設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下,這些產(chǎn)業(yè)中光學(xué)鏡片、超精密制造的模具、半導(dǎo)體元件等成了超精密加工廣泛應(yīng)用的平臺(tái)。隨著超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟,超

7、精密加工設(shè)備成為工業(yè)生產(chǎn)中比較習(xí)見(jiàn)的生產(chǎn)設(shè)備。另外,產(chǎn)品的加工精度也漸漸達(dá)到納米級(jí)水平、可處理加工的零件材料的尺寸也越來(lái)越大,使用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。當(dāng)今國(guó)際范圍內(nèi)的超精密加工技術(shù)大國(guó)以日本、歐洲和美國(guó)為首,但是它們各自發(fā)展的關(guān)注重點(diǎn)又不盡相同。美國(guó)在超精密加工中已經(jīng)投入大量資金,而大型X射線(xiàn)探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡是其一直研究的重點(diǎn)方向。當(dāng)下這類(lèi)反射鏡的材料為重量小且導(dǎo)熱性較好的碳化硅,但這種材料的硬度較高,對(duì)于這種材料的超精密加工會(huì)遇到較高的技術(shù)要求。日本研究超精密加工的時(shí)間要晚于歐洲和美國(guó),但是日本研究發(fā)展的速度很快。日本超精密發(fā)展偏向于電腦硬盤(pán)磁片、民用光學(xué)透鏡等民用產(chǎn)品?,F(xiàn)如今,日本

8、在辦公器材、光學(xué)透鏡、聲、微型電子等超精密加工方面相較于歐美有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)領(lǐng)先。1.2.2國(guó)內(nèi)超精密加工發(fā)展概況我國(guó)于上個(gè)世紀(jì)六十年代中期開(kāi)始研究鏡面外圓磨床,加工圓度小于0.3m,表面粗糙度能低于Ra0.01m。上個(gè)世紀(jì)六十年代末期成功研發(fā)完成單晶金剛石鏡面車(chē)床,可加工材料的表面粗糙度降到Ra0.025m以下。上個(gè)世紀(jì)七十年代后期研制了高精度磁盤(pán)車(chē)床。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)八十年代后,國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域都相繼投入資金人力開(kāi)始研究超精密加工的技術(shù)和超精密加工設(shè)備,尤其是在上個(gè)世紀(jì)九十年代后期很多企業(yè)研究機(jī)構(gòu)成功研制了非球面超精密加工設(shè)備,這是我國(guó)在超精密加工領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國(guó)研究超精密加工設(shè)

9、備技術(shù)最早的研究機(jī)構(gòu)之一,在上個(gè)世紀(jì)九十年代中期成功研制了亞微米級(jí)的超精密機(jī)床,并且對(duì)超精密切削過(guò)程的加工工藝機(jī)理、刀具耗損原理、脆性材料超精密切削去除機(jī)制等方向進(jìn)行了相當(dāng)多的研究和探索,本世紀(jì)初期研制成的大平面超精密銑床,已被采用到核聚變關(guān)鍵零件超精密加工過(guò)程中去了。北京機(jī)床研究所我國(guó)研究超精密加工技術(shù)的重要研究所之一,研制成功了NAM-800型納米數(shù)控車(chē)床納米級(jí)加工機(jī)床。北京航空精密機(jī)械研究所在我國(guó)超精密加工設(shè)備研究單位中是獨(dú)具特色的,研制出Nanosys-300非球曲面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)3。還有超精密加工技術(shù)比較領(lǐng)先的有長(zhǎng)春光機(jī)研制的數(shù)控非球面加工中心和國(guó)防科技大學(xué)于本世紀(jì)初研制的集銑磨

10、成型、研磨拋光、接觸式檢測(cè)于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床AOCMT。國(guó)內(nèi)有很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)磁流變拋光進(jìn)行了探索研究,國(guó)防科技大學(xué)本世紀(jì)初研制了加工尺寸可達(dá)1m口徑的磁流變拋光設(shè)備KDMRF-1000。國(guó)防科技大學(xué)是我國(guó)研究離子束拋光的主要研究機(jī)構(gòu),在世紀(jì)初完成了具備非球面加工能力的離子束拋光設(shè)備KDIFS-500,可處理加工的最大直徑500mm。此外,哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫希威等4首先對(duì)大氣等離子體拋光技術(shù)看展了探究,對(duì)于單晶硅片的加工試驗(yàn)獲得了較為滿(mǎn)意的成果。中國(guó)科學(xué)院成都光電所對(duì)應(yīng)力盤(pán)拋光技術(shù)開(kāi)展了研究,哈爾濱工業(yè)大學(xué)和浙江工業(yè)大學(xué)對(duì)氣囊拋光進(jìn)行了研究,都獲得了預(yù)期的成果。長(zhǎng)久以來(lái),

11、我國(guó)高新先進(jìn)的制造業(yè)電子產(chǎn)品主要技術(shù)設(shè)備基本上都依靠國(guó)外的進(jìn)口,更無(wú)法觸及到超精密加工技術(shù)的核心,嚴(yán)重約束了我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)、超精密加工行業(yè)的長(zhǎng)足自主發(fā)展和壯大。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)都肩負(fù)著壯大我國(guó)電子科技產(chǎn)業(yè)、超精密加工產(chǎn)業(yè)的重?fù)?dān),為我國(guó)的偉大復(fù)興貢獻(xiàn)自己的一份力。1.2.3超精密加工環(huán)境條件的研究超精密加工是現(xiàn)代發(fā)展高科技和高精密儀器機(jī)械的必需的機(jī)械制造工藝,該技術(shù)最核心的問(wèn)題就是怎么去除接近材料分子尺寸的極其薄的材料層。要完成這個(gè)超精密加工,除了要具有能適應(yīng)這種工藝的機(jī)床、材料、測(cè)量技術(shù)、刀具以外,還需要十分嚴(yán)苛的超精密加工環(huán)境條件。干擾超精密加工精度和質(zhì)量的環(huán)境條件有空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境、

12、聲環(huán)境、光環(huán)境和靜電環(huán)境等較多因素,這些因素一起影響著加工過(guò)程中加工的精度和質(zhì)量??諝猸h(huán)境中的主要指標(biāo)為潔凈度、氣體流動(dòng)速度、壓力和有害氣體,空氣的潔凈度主要是空氣中的塵埃含量,要使空氣的潔凈度變高就要使空氣中的塵埃變少。超精密加工中,所需要的條件中,空氣潔凈度是很重要的指標(biāo),如果不能保證所要求的空氣潔凈度,就很難加工出很達(dá)到要求粗糙度的表面,空氣中的塵埃的混入會(huì)使被加工工件的表面劃傷或者工件精度收到影響,一顆直徑0.3m的塵埃就有可能是被加工材料變成廢品,因此進(jìn)行超緊密加工需要建設(shè)潔凈室,所謂潔凈室就是講空氣環(huán)境中的各個(gè)條件進(jìn)行有效控制的房間。而潔凈室因不同的加工精度要求而采用不同標(biāo)準(zhǔn)的凈化

13、等級(jí)。國(guó)際上所接納的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)包括100級(jí)、1000級(jí)、10000級(jí)、100000級(jí)。通常在超精密加工中要求的潔凈度為100級(jí),就是1m³的空氣中,直徑大于等于0.3m的顆粒物要少于100個(gè)。在潔凈室中,環(huán)境條件中的壓力條件,為了保持超精密加工中的潔凈度和濕度溫度,潔凈室內(nèi)的壓力就要比室外高,來(lái)有效阻止室外的污染空氣和不同溫度濕度的空氣進(jìn)入室內(nèi)。熱環(huán)境的主要指標(biāo)是溫度和濕度,溫度的變化直接影響到機(jī)床和被加工工件在超精密加工過(guò)程中的形變和加工的精度,在超精密加工中主要控制溫度的上下起伏,就是要求在加工過(guò)程中溫度的變化越小越好,即控制恒溫。在超精密加工中一般要求潔凈室內(nèi)溫度控制在(20&#

14、177;0.06)之間,而也可使用恒溫室來(lái)進(jìn)行整體的恒溫,為了降低能耗,一般夏季控制在23,冬季控制在17。濕度指的高低和加工過(guò)程有關(guān),一般濕度低于40%時(shí)會(huì)由于靜電的影響,超精密加工的工作精度無(wú)法保證,高于50%時(shí),工件又容易生銹。所以在超精密加工中始終保持40%50%的濕度環(huán)境,并在加工的過(guò)程中始終注意濕度的變化,隨時(shí)給設(shè)備進(jìn)行加濕和減濕的處理,保證超精密加工過(guò)程的高精度。振動(dòng)環(huán)境是當(dāng)今超精密加工過(guò)程中研究的一個(gè)很重要的課題,環(huán)境的振動(dòng)對(duì)于提高超精密加工的加工精度和提升生產(chǎn)效率都具有很大的影響。振動(dòng)的來(lái)源一般分為室內(nèi)振動(dòng)、室外振動(dòng)和自然界的振動(dòng),室內(nèi)振動(dòng)大體上包括人員移動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)、設(shè)備本

15、身加工時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)、材料物資轉(zhuǎn)移搬運(yùn)所產(chǎn)生的振動(dòng)、輔助器械所產(chǎn)生的振動(dòng)。室外振動(dòng)通常包括交通運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)、工廠生產(chǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)、建筑施工產(chǎn)生的振動(dòng)和輔助設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)。自然界的振動(dòng)通常包括風(fēng)等。其他環(huán)境條件包括聲、光、電磁環(huán)境等,在超精密加工中也要充分考慮和控制這些環(huán)境條件,防電磁波環(huán)境中電磁波對(duì)于設(shè)備造成的干擾和破壞,對(duì)于某些超精密加工時(shí)要能建設(shè)能屏蔽電磁波的環(huán)境。防靜電環(huán)境中靜電有可能造成半導(dǎo)體元器件的損傷,能是某些超精密加工中的膠片感光、出現(xiàn)某些氣泡、沾染塵埃,造成超精密加工中的生產(chǎn)質(zhì)量不達(dá)標(biāo),為了防止此類(lèi)事故,要采取措施防止靜電。對(duì)于其他環(huán)境條件,還要充分考慮“光”、“聲”、“放射線(xiàn)

16、”等對(duì)于超精密加工或者超精密加工環(huán)境的干擾和影響。1.3超精密加工中環(huán)境條件控制策略概述 對(duì)于超精密加工過(guò)程中的各類(lèi)環(huán)境條件,為了控制環(huán)境條件來(lái)達(dá)到超精密加工過(guò)程中所需要的要求,我們就必須采取措施來(lái)保證和控制超精密加工時(shí)環(huán)境條件的達(dá)標(biāo)??諝猸h(huán)境的指標(biāo)的控制主要是控制產(chǎn)生塵埃的量,不帶入塵埃并不在加工過(guò)程中產(chǎn)生塵埃,操作人員要穿著無(wú)塵操作服,設(shè)立除塵室清除灰塵;安裝空氣控制過(guò)濾裝置,有效調(diào)節(jié)氣流速度;控制加工環(huán)境對(duì)于外部環(huán)境的正壓,防止外部空氣的介入。熱環(huán)境的指標(biāo)的控制主要是控制超精密加工時(shí)工作環(huán)境的恒溫和恒濕,安裝空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng),包括:加熱裝置、冷卻裝置、加濕裝置、減濕裝置等。振動(dòng)環(huán)境的指標(biāo)的控

17、制主要包含內(nèi)部振動(dòng)的消除和外部振動(dòng)的消除,內(nèi)部振動(dòng)的消除有提高設(shè)備回轉(zhuǎn)零件的動(dòng)平衡精度;減少設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng);減少液壓系統(tǒng)的干擾;提高系統(tǒng)的抗振性能。外部振動(dòng)的消除主要是隔振:遠(yuǎn)離振動(dòng)源;隔絕空氣彈簧;隔振地基、安防隔振元件等。其他環(huán)境條件的指標(biāo)的控制主要是安裝細(xì)聲材料;采用消聲器控制噪聲;安裝消除靜電的裝置;設(shè)立放電磁干擾的設(shè)備等2.1振動(dòng)環(huán)境與對(duì)超精密加工影響概述超精密加工中的振動(dòng)環(huán)境是因?yàn)橥獠凯h(huán)境不同的振源所引發(fā)的。和常見(jiàn)的地震想對(duì)比,都有著相類(lèi)似的振動(dòng)輸出和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)樣式,但兩者的持續(xù)時(shí)間、振動(dòng)強(qiáng)度和人們研究的物理量大體卻不相同5。2.1.1環(huán)境振動(dòng)的形成振動(dòng)條件的形成原因主要有2個(gè)

18、:人為操作活動(dòng)產(chǎn)生的以及自然界所產(chǎn)生的振動(dòng)。在振動(dòng)的防治過(guò)程中,首先要充分考慮和分析振源所具有的特性,。在實(shí)際生產(chǎn)生活中,因?yàn)榻煌ǖ倪\(yùn)輸、操作人員行走、動(dòng)力設(shè)備的使用等,都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。相比較不同的振源的不同特點(diǎn),可以將它們分為瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)振動(dòng),大部分的振動(dòng)由空氣壓縮機(jī)、冷凍機(jī)、電動(dòng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備引起,振動(dòng)頻率在280Hz。在這些之中,空氣壓縮機(jī)在振動(dòng)時(shí)的頻率較低、振動(dòng)蘊(yùn)含能量較大,在傳播過(guò)程中能量的衰減比較緩慢;那些振動(dòng)能量不大、影響范圍小的設(shè)備,在超精密加工設(shè)備周邊的影響是不可以不考慮的。部分實(shí)測(cè)的外界振動(dòng)干擾頻率如表2.1所示。表2.1部分實(shí)測(cè)的外界振動(dòng)干擾頻率振源頻率測(cè)點(diǎn)據(jù)振

19、源距離空氣壓縮機(jī)2.540附近冷凍機(jī)45附近鍛錘1035錘擊處起重機(jī)1595附近火車(chē)30400m(常速運(yùn)行)20251030m(20km/h運(yùn)行)汽車(chē)10252038m(空載)5152038m(滿(mǎn)載)在實(shí)際布置時(shí)考慮土地問(wèn)題對(duì)于超精密加工的影響,巖石上的振動(dòng)頻率高,振幅比較小,相比較土層則是恰恰相反。另外,一些設(shè)備儀器哪怕產(chǎn)生的振動(dòng)能量很微弱,但是由于生產(chǎn)中的儀器擺放布置和操作不當(dāng)使零件或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)的磨損,會(huì)導(dǎo)致干擾力的增強(qiáng),會(huì)對(duì)超精密加工的環(huán)境造成較大的影響。所以,對(duì)于這些由于人為原因造成的振動(dòng)要根據(jù)不同的方面來(lái)分析超精密加工中處理振動(dòng)的方法。自然界的某些自然活動(dòng)也會(huì)引發(fā)振動(dòng),最主要的有風(fēng)、

20、海浪潮汐、高低壓氣團(tuán)交匯等環(huán)境所造成的。地球的自轉(zhuǎn)還有太陽(yáng)引力變化也會(huì)對(duì)地球造成不可避免的振動(dòng)。這產(chǎn)生的振動(dòng)有一定的隨機(jī)性,大體在0.10.5 Hz,振幅為0.110nm。2.1.2振動(dòng)條件對(duì)周?chē)h(huán)境影響概述振動(dòng)環(huán)境在實(shí)際生產(chǎn)生活中無(wú)處不在,在日常生產(chǎn)生活中,機(jī)械振動(dòng)時(shí)指物體在平衡位置附近做往復(fù)的重復(fù)運(yùn)動(dòng),并且具有雙重性。在正常生活生產(chǎn)中,有時(shí)需要利用振動(dòng)來(lái)完某些運(yùn)動(dòng)和工序,如利用超聲波進(jìn)行診斷和治療疾??;在建筑時(shí)利用振動(dòng)進(jìn)行打樁、振動(dòng)撥樁以及混凝土灌注時(shí)的振動(dòng)搗固來(lái)提高建筑工程的工作進(jìn)度與效率;在電子信息產(chǎn)業(yè)中的許多電子產(chǎn)品利用諧振器才能有效工作;海洋工程中利用海洋波動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。在近幾十年的

21、發(fā)展過(guò)程中,振動(dòng)環(huán)境被快速開(kāi)發(fā)或者利用,成功造福于社會(huì)生產(chǎn)生活之中,先后有一百多項(xiàng)與振動(dòng)有關(guān)的技術(shù)被廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)生活中,它們?cè)诟鱾€(gè)部門(mén)中起著十分重要的作用,為振動(dòng)工程學(xué)的發(fā)展和社會(huì)制造生產(chǎn)貢獻(xiàn)了力量。雙重性就意味著振動(dòng)還有給社會(huì)生產(chǎn)生活帶來(lái)的不利影響,振動(dòng)在日常生活生產(chǎn)中很重要的一個(gè)影響就是噪聲,振動(dòng)帶來(lái)的噪聲污染在機(jī)械數(shù)字化程度不高的工廠和軌道交通運(yùn)輸中日益嚴(yán)重,還有一個(gè)很?chē)?yán)重的現(xiàn)象就是共振,歷史上很多次悲劇就是由于人們還沒(méi)有完全的認(rèn)識(shí)共振而釀成了十分慘烈的后果,包括二十世紀(jì)四十年代,美國(guó)全場(chǎng)860米的塔科姆大橋在建成短短四個(gè)月之后就因?yàn)轱L(fēng)帶來(lái)的共振而坍塌,這是人類(lèi)對(duì)于振動(dòng)的不了解和忽視了

22、振動(dòng)對(duì)日常生產(chǎn)生活的影響,并未對(duì)振動(dòng)可能帶來(lái)的危害做出相對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施和解決方法。由此可見(jiàn),振動(dòng)在日常生活中扮演著雙面手的角色,我們要正確認(rèn)識(shí)振動(dòng),利用振動(dòng)來(lái)造福于人類(lèi)也要認(rèn)識(shí)到振動(dòng)的影響甚至于危害,在必要的時(shí)候和地點(diǎn),提前做好防范振動(dòng)危害的措施,將未知的振動(dòng)危害控制在可以掌控的范圍之內(nèi)。2.1.3振動(dòng)條件對(duì)于超精密加工的影響環(huán)境振動(dòng)對(duì)超精密加工的影響特別是會(huì)對(duì)一些對(duì)振動(dòng)敏感的儀器設(shè)備造成較大的干擾和影響。如光學(xué)干涉測(cè)量?jī)x、電子顯微鏡,以及精密加工設(shè)備,如金屬切削等,在納米精度在的操作,高精度、高分辨率和高靈敏度是這些加工操作的關(guān)鍵所在。如果環(huán)境振動(dòng)超過(guò)其能允許的范圍數(shù)值時(shí)會(huì)直接影響到超精密加

23、工設(shè)備儀器的正常使用,還有可能直接導(dǎo)致設(shè)備的無(wú)法使用。相對(duì)于不同的機(jī)器設(shè)備,對(duì)于振動(dòng)的允許范圍指標(biāo)就不徑相同,在精度要求比較高的加工儀器加工材料時(shí),振動(dòng)會(huì)使加工材料與刀具之間產(chǎn)生顫振。當(dāng)前國(guó)際范圍內(nèi)對(duì)于精密加工中的振動(dòng)有一套公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),包含VC-A、VC-B、VC-C、VC-D和VC-E這5個(gè)等級(jí),來(lái)分別表示振動(dòng)在超精密加工中的不同程度的強(qiáng)度,來(lái)更好的制定有效針對(duì)的策略加以控制,并能根據(jù)不同振動(dòng)的特點(diǎn),在防治振動(dòng)的措施中能有效針對(duì)所想防治振動(dòng)的特點(diǎn),節(jié)省成本。在這五個(gè)等級(jí)中,A類(lèi)的振動(dòng)對(duì)于超精密加工的影響是最大,而E類(lèi)最小,基本上高科技廠商對(duì)于超精密加工的環(huán)境振動(dòng)的要求在VC-C,擁有光學(xué)儀器

24、設(shè)備的公司對(duì)環(huán)境振動(dòng)的要求就稍微要高一點(diǎn),大概在VC-D以上,這就要求公司要考慮到專(zhuān)業(yè)的減振隔振設(shè)備與措施。不同的地點(diǎn),相對(duì)應(yīng)常見(jiàn)振動(dòng)的類(lèi)型不盡相同,振動(dòng)的不同性質(zhì)和特點(diǎn)對(duì)人和超精密設(shè)備的影響不同,表2.2為在不同場(chǎng)合,超精密設(shè)備對(duì)于振動(dòng)的反應(yīng)。表2.2超精密設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)規(guī)范振動(dòng)值振動(dòng)表現(xiàn)速度m/s4Hz(dB)8Hz(dB)工廠(ISO)812.809690明顯感覺(jué)到振動(dòng)辦公室(ISO)406.409084稍微感覺(jué)到振動(dòng)住宅(ISO)203.208478幾乎感覺(jué)不到振動(dòng)手術(shù)室(ISO)101.607872感覺(jué)不到振動(dòng),適用于倍率100的顯微鏡已經(jīng)振動(dòng)敏感低的設(shè)備VC-A50.807266

25、適用于倍率400的顯微鏡續(xù)表2.2 超精密設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)規(guī)范振動(dòng)值振動(dòng)表現(xiàn)速度m/s4Hz(dB)8Hz(dB)VC-B25.406660適用于倍率1000的顯微鏡以及分辨率3m的照相制版和光學(xué)檢測(cè)儀器VC-C12.706054適用于分辨率1m的照相制版和光學(xué)檢測(cè)儀器VC-D6.355448適用于大多數(shù)精密儀器,包括電子顯微鏡等VC-E3.184842適用于分辨率0.5m的照相制版和激光作業(yè),要求極為嚴(yán)格2.2國(guó)外超精密加工的振動(dòng)環(huán)境的研究國(guó)外針對(duì)振動(dòng)環(huán)境對(duì)于超精密加工中給加工的工件帶來(lái)的影響研究得比較早,特別是日本與歐美幾個(gè)國(guó)家,這些國(guó)家在分析研究超精密加工中環(huán)境振動(dòng)的影響時(shí)都是通過(guò)理論的

26、推理外加建立模型分析為主,主要專(zhuān)研的是振動(dòng)的傳播特別是在介質(zhì)中的規(guī)律,包括地基土的動(dòng)力特性及其對(duì)振動(dòng)波傳播的影響;振動(dòng)傳播途徑和相關(guān)隔振理論及隔振措施等問(wèn)題。在超精密加工中振動(dòng)環(huán)境的多年研究中,科研人員進(jìn)行了很多有效的嘗試和很多的創(chuàng)新。日本以及歐美發(fā)達(dá)國(guó)家成功建立了完整的研究體系,研究了如軌道交通的存在對(duì)于地面振動(dòng)的研究和模型6;使用多元回歸法研究鐵路產(chǎn)生的振動(dòng)的各種因素;利用有限元法分析屏障隔振的使用作用和影響;利用薄層法和邊界元方法相互融合研究了空置溝的隔振效果;壓電堆棧式作動(dòng)器在超精密加工中振動(dòng)控制的主動(dòng)系統(tǒng)中能取得有效的效果。在超精密加工的振動(dòng)控制上,歐美以及日本一直處于世界研究的前列

27、,但是各自研究振動(dòng)的方向又各有特點(diǎn),促使世界研究超精密加工的振動(dòng)研究有序良好得往各個(gè)方面發(fā)展,建立了現(xiàn)如今世界在這些領(lǐng)域有序競(jìng)爭(zhēng)的良好現(xiàn)象。2.3國(guó)內(nèi)超精密加工的振動(dòng)環(huán)境的研究我國(guó)在超精密加工的環(huán)境振動(dòng)條件的研究領(lǐng)域的開(kāi)始時(shí)間比較晚。在超精密加工的振動(dòng)環(huán)境條件的研究中,國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了一大批杰出的科研的人員,在振動(dòng)環(huán)境的研究過(guò)程中由于國(guó)外的某些技術(shù)封鎖和本身基礎(chǔ)的薄弱,在開(kāi)展研究的過(guò)程中遇到了不少困難,但是還是在努力攻堅(jiān)克難中完成了一個(gè)又一個(gè)的艱難課題。在處理超精密加工過(guò)程中的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題時(shí),我國(guó)比較常見(jiàn)的處理控制方法時(shí)采用空氣彈簧,當(dāng)然除了空氣彈簧還有采用多級(jí)被動(dòng)隔振技術(shù)來(lái)增強(qiáng)隔振效果的方法。最近

28、幾年來(lái),國(guó)家加大了對(duì)于超精密加工中環(huán)境振動(dòng)防治的研究投入和力度,如研究用于隔振平臺(tái)進(jìn)行主動(dòng)控制的制動(dòng)器以及一些磁致伸縮材料、電流變液體等一批使用在隔振設(shè)備中的新型材料。近些年來(lái),我國(guó)在超精密加工領(lǐng)域的振動(dòng)防治也取得了一系列較為喜人的成果,比如由哈工大精密工程研究所在不斷研究和改進(jìn)中誕生的HCM-1亞微米超精密車(chē)床通過(guò)微制造平臺(tái)混合隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7,其中的隔振元件由隔振橡膠層和空氣彈簧組成,主動(dòng)控制裝置是超磁致伸縮制動(dòng)器,這套裝置能使在超精密加工時(shí)的振動(dòng)衰減80%左右;也有研究由超磁致伸縮作動(dòng)器研發(fā)而成的人工模糊神經(jīng)網(wǎng)控制的超精密機(jī)床隔振系統(tǒng)8;稀土-鐵系功能材料進(jìn)行超磁致微位移直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的研究

29、9等。為我國(guó)的超精密加工中的振動(dòng)防治產(chǎn)業(yè)增加了新鮮的血液,促進(jìn)了我國(guó)超精密加工制造產(chǎn)業(yè)的高效長(zhǎng)足發(fā)展,使我國(guó)加快步伐追趕在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先的日本和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。跟國(guó)際上的超精密加工中環(huán)境振動(dòng)防治的發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)國(guó)內(nèi)的防治環(huán)境振動(dòng)的理論和經(jīng)驗(yàn)還是有相當(dāng)多的欠缺的,和日本與歐美幾個(gè)在超精密加工領(lǐng)域領(lǐng)先的國(guó)家有著較大的差距,國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的環(huán)境振動(dòng)的防治方案和措施還只是出于理論階段,要完成它的實(shí)際效益還需要更深入的驗(yàn)證和試驗(yàn);而且在我國(guó)還沒(méi)有制定超精密加工中一些對(duì)于精度要求極高的設(shè)備在使用中的專(zhuān)門(mén)的環(huán)境振動(dòng)允許值的標(biāo)準(zhǔn)。由于在超精密加工制造中影響最大的環(huán)境振動(dòng),國(guó)家應(yīng)該盡快加大力度和研發(fā)力量完善我

30、國(guó)制造業(yè)中超精密加工的體系,并有效制定環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)體系,為下一步對(duì)于超精密加工中環(huán)境振動(dòng)的控制提供依據(jù)。3.1被動(dòng)控制被動(dòng)控制通常指結(jié)構(gòu)的被動(dòng)阻尼設(shè)計(jì),是事先一次性設(shè)計(jì)的控制措施,通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)、釋放自身潛在的能量,最大程度地吸收和耗散關(guān)注頻段內(nèi)的模態(tài)應(yīng)變能5。其控制方法主要包括隔振、消振和動(dòng)力吸振技術(shù)。3.1.1隔振最常見(jiàn)的隔振措施就是用阻尼和彈性元件組成的隔振器放置在結(jié)構(gòu)之中。而相對(duì)于隔振的對(duì)象來(lái)說(shuō),現(xiàn)在的隔振措施分為主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振。前一項(xiàng)是隔離產(chǎn)生振動(dòng)的振源,使振源與地基相隔離開(kāi),減少振源振動(dòng)對(duì)于超精密加工設(shè)備的輸出;后一項(xiàng)是主要保護(hù)超精密加工的設(shè)備,使超精密加工設(shè)備與地基隔離開(kāi)

31、,減少振源振動(dòng)的輸入。(1)隔振器當(dāng)前國(guó)際社會(huì)上超精密加工制造產(chǎn)業(yè)中最常見(jiàn)的隔振器的類(lèi)型主要是鋼彈簧、橡膠、空氣彈簧隔振器。鋼彈簧隔振器相較于其他兩種隔振器的優(yōu)點(diǎn)在于承載能力更高,較大的變形范圍,使用壽命較長(zhǎng)和隔振器本身比較耐高溫,但是由于剛度較小,固有頻率2.05.5Hz,阻尼僅僅只有0.01,在控制設(shè)備共振振幅的表現(xiàn)較差。為了彌補(bǔ)鋼彈簧隔振器先天的缺陷,常常在鋼彈簧外部附加一層隔振橡膠,但是它的水平剛度還是不足,容易在使用的過(guò)程中產(chǎn)生水平晃動(dòng),故不適合精密設(shè)備隔振的需要。橡膠隔振器產(chǎn)品種類(lèi)繁多,樣式多樣,變形可逆性較好。常見(jiàn)分為剪切型、壓縮型與復(fù)合型,相對(duì)于不同的受力方式而改變不同的使用組

32、合,固有頻率為520 Hz,形狀可以參考使用場(chǎng)合和具體條件自由選擇。橡膠隔振器剛度較大,阻尼系數(shù)0.150.3,主要和金屬?gòu)椈上啻钆溆糜谥鲃?dòng)隔振中,能較好隔離高頻率的振動(dòng)。但是橡膠本身對(duì)于環(huán)境要求比較苛刻,耐油性比較差,使用過(guò)程中容易老化,不能較長(zhǎng)時(shí)間的使用。橡膠隔振器的承壓能力也比較弱,在使用過(guò)程中需要控制其初始的變形量,盡可能控制在百分之十之內(nèi)??諝鈴椈?0相較于其他兩種隔振器在適用的范圍以及隔振的效果來(lái)看有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。從最初應(yīng)用于車(chē)輛的空氣彈黃懸架,到各類(lèi)機(jī)車(chē)的座椅減振、航空航天領(lǐng)域精密儀器儀表的減振,以及精密和超精密加工設(shè)備的隔振系統(tǒng)和隔振平臺(tái)的振動(dòng)控制的使用,發(fā)展前景廣闊。 圖

33、3.1囊式空氣彈簧 圖3.2空氣彈簧隔振模型由于空氣彈簧的非金屬性,其彈性特性良好。借助其氣囊內(nèi)壓縮空氣氣柱體積和壓強(qiáng)的關(guān)系,在振動(dòng)荷載下通過(guò)彈簧高度的變化,使得氣囊容積變化,從而改變氣柱的有效承載面積和囊內(nèi)壓力,達(dá)到振動(dòng)的平穩(wěn)傳遞11。彈簧高度可以通過(guò)高度控制閥調(diào)節(jié),且剛度也能利用附加氣室的容積和有效面積來(lái)改變,如圖3.2和圖3.3所示。此外,在空氣彈黃和附加氣室之間加設(shè)一個(gè)節(jié)流孔,使得彈簧變形時(shí)空氣流經(jīng)節(jié)流孔產(chǎn)生能量耗散,從而衰減部分振動(dòng)。鑒于其承載力較高,且固有頻率在0.54 Hz,使得隔振系統(tǒng)固有頻率較低,從而遠(yuǎn)離環(huán)境振動(dòng)的干擾,提高隔振效果。并且考慮到其安裝、更換方便,因而在超精密加

34、工設(shè)備的隔振設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣泛。除了上述隔振器之外,還可以使用軟木、樣膠、沙料、毛租等阻尼較大、有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的材料,以減小振動(dòng)傳遞率。(2)隔振模型超精密加工機(jī)床由不同部件組成,是多自由度彈性體系,因而可以用若干彈性質(zhì)量連接體表示。若從設(shè)備基礎(chǔ)的角度考慮設(shè)備對(duì)振動(dòng)的響應(yīng),可以將機(jī)床作為整體進(jìn)行研究。目前,大部分研究模型都簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的振動(dòng),即把機(jī)床簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量塊,和地基間通過(guò)彈黃支承相連。(3)隔振措施對(duì)環(huán)境振動(dòng)的防治,首先要保證精密加工設(shè)備和儀器處于良好的工作環(huán)境,考慮合理的空間布局,選擇合適的安裝基礎(chǔ),以減少振源振動(dòng)的放大與輸入。因此,有效的隔振方法包括:1)遠(yuǎn)離振源對(duì)于超精密

35、加工機(jī)床而言,其所受環(huán)境振動(dòng)的影響程度與距振源的距離和深度有關(guān)。由于振動(dòng)波的傳播距離與振源強(qiáng)度成正比,與頻率的平方成反比,故低頻振動(dòng)傳播距離較遠(yuǎn),因而對(duì)超精密加工精度的影響更為顯著,尤其是大型動(dòng)力機(jī)械及設(shè)有振動(dòng)機(jī)械的工廠、車(chē)間,以及運(yùn)輸量大的鐵路、公路等地段12。而對(duì)有效防振距離的確定要綜合場(chǎng)地的地質(zhì)條件、振源的振動(dòng)特性、超精密設(shè)備的允許振動(dòng)值和設(shè)備本身的隔振措施等進(jìn)行分析,較為復(fù)雜。2)設(shè)置隔振屏障根據(jù)波的反射、散射和衍射原理,由于波的振動(dòng)隨距地表垂直距離的增加而衰減,主要的能量都沿著地表傳播,因此在超精密加工設(shè)備周?chē)O(shè)置隔振屏障能適當(dāng)減小振動(dòng)波的振幅。隔振屏障包括空溝、粉煤灰等連續(xù)屏障和孔

36、列、混凝土樁等非連續(xù)屏障,隔振效果與其深度、長(zhǎng)度、材料以及振動(dòng)的頻率、傳播的距離等都有關(guān),做法可參照?qǐng)D3.3所示。大多數(shù)超精密加工機(jī)床都有設(shè)置隔振溝的要求,目的是通過(guò)垂直于地表的隔離層空隙來(lái)切斷振動(dòng)在土壤中的傳播,削減振動(dòng)能量。工程中通常采用隔振溝前、后的振幅比值X1/X2來(lái)衡量隔振效果。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,隔振溝寬度一定時(shí),隔振效果隨溝的深度和地表振動(dòng)波長(zhǎng)的關(guān)系而變化。當(dāng)取隔振溝寬度為振動(dòng)波長(zhǎng)的1/20時(shí),溝的深度越接近振動(dòng)波長(zhǎng)A,振幅降低越多。圖3.3隔振溝的做法但考慮到實(shí)際應(yīng)用中,土壤的固有頻率為1020Hz,而振動(dòng)波的傳播速度約為200m/s,則波長(zhǎng)為1020m。對(duì)沖擊振動(dòng)或高于30Hz

37、的振動(dòng),隔振溝能起到明顯效果,但對(duì)于較低頻率的振動(dòng),即要求隔振溝的深度達(dá)到1020m,從經(jīng)濟(jì)型和安全性看來(lái)往往較難實(shí)現(xiàn)。3)采用隔振元件對(duì)于與地面之間設(shè)置隔振元件的選擇,應(yīng)根據(jù)不同振源的特點(diǎn)和加工設(shè)備所處的工作環(huán)境,從隔振效果、經(jīng)濟(jì)成本、安裝拆卸及長(zhǎng)期使用中的調(diào)整和更換方便等因素綜合考慮,采用合適的隔振器類(lèi)型和尺寸,應(yīng)保證隔振器的總體剛度和阻尼滿(mǎn)足機(jī)床系統(tǒng)的隔振要求。一般而言,支承式隔振裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單,便于施工,且隔振性能良好,使用最為普遍,特別適用于高頻設(shè)備;而懸掛式隔振裝置適用于平衡性能差的低頻設(shè)備,但安裝和調(diào)整調(diào)適稍困難。4)增大基礎(chǔ)剛度和質(zhì)量為減小機(jī)床的振動(dòng),在保證強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的情

38、況下,應(yīng)使機(jī)床和固定基礎(chǔ)穩(wěn)固連接。當(dāng)外界擾力頻率較低時(shí),不僅要降低支承剛度,還應(yīng)在基礎(chǔ)下部采用隔振元件,利用基礎(chǔ)增加隔振系統(tǒng)的質(zhì)量,構(gòu)成一個(gè)具有低固有頻率的隔振系統(tǒng)。通常,機(jī)床與基礎(chǔ)的連接方式有剛性連接或彈性連接,前者是將機(jī)床安裝在單獨(dú)基礎(chǔ)上,使機(jī)床和基礎(chǔ)固接為整體;后者主要是對(duì)中小型機(jī)床而言,采用彈性元件連接于直接將其安裝于混凝土地面。規(guī)范13規(guī)定:對(duì)于一般的數(shù)控設(shè)備基礎(chǔ),應(yīng)根據(jù)機(jī)床的外形尺寸、機(jī)床及加工工件重力的分布情況等進(jìn)行設(shè)計(jì),而對(duì)重型和精密機(jī)床的安裝則應(yīng)采用單獨(dú)基礎(chǔ),考慮基礎(chǔ)的尺寸、配筋、隔振以及施工方法。規(guī)范明確規(guī)定了不同機(jī)床種類(lèi)所應(yīng)滿(mǎn)足的基礎(chǔ)混凝土厚度,見(jiàn)表3.1。其中,L和H分

39、別為機(jī)床外形的長(zhǎng)度和高度(m)。表3.1金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)混凝土厚度(m)機(jī)床名稱(chēng)基礎(chǔ)厚度(m)機(jī)床名稱(chēng)基礎(chǔ)厚度(m)臥式車(chē)床0.3+0.07L銑床0.2+0.15L立式車(chē)床0.5+0.15H龍門(mén)銑床0.3+0.075L導(dǎo)軌磨床0.4+0.07L插床0.3+0.15H內(nèi)圓/無(wú)心/平面磨床0.3+0.08L螺紋/齒輪/精密外圓磨床0.4+0.10L搖臂鉆床0.2+0.13H深孔鉆床0.3+0.05L龍門(mén)刨床0.3+0.07L坐標(biāo)鏜床0.5+0.15L齒輪加工機(jī)床0.3+0.15L臥式、落地鏜床0.3+0.12L牛頭刨床0.61.0立式鉆床0.30.6另外,也有單位為達(dá)到隔振和保溫目的,將超精密加工

40、機(jī)床安置于地下室,但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,其隔振效果不明顯,且影響正常的生產(chǎn)操作,不推薦使用。此外,盡量避免超精密加工設(shè)備和有明顯振動(dòng)影響的動(dòng)力設(shè)備同時(shí)使用也能起到一定的防范作用。5)優(yōu)化動(dòng)力設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為減少其他動(dòng)力機(jī)械設(shè)備等工作產(chǎn)生的基礎(chǔ)振動(dòng)干擾,選擇動(dòng)平衡性能好的機(jī)械設(shè)備較為關(guān)鍵。合理選擇動(dòng)力設(shè)備的結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)造、重心位置、擾力方向等,從而減小不平衡的離心慣性力。同時(shí)應(yīng)在日常使用中注意定期維修保養(yǎng)。另一方面,從需要隔振的設(shè)備角度來(lái)看,往往米用動(dòng)剛度指標(biāo)來(lái)衡量設(shè)備的抗振能力,即設(shè)備產(chǎn)生單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力。通過(guò)改善結(jié)構(gòu)斷面的尺寸、形狀,以及零部件間的聯(lián)接剛度等以?xún)?yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu),提高其抗振能力。3

41、.1.2消振在系統(tǒng)的振動(dòng)過(guò)程中,消振主要通過(guò)阻尼實(shí)現(xiàn),即附加子系統(tǒng)來(lái)消耗振動(dòng)能量,降低結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在共振頻率附近的動(dòng)響應(yīng)和寬頻帶隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)均方根值,避免自激振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳遞。實(shí)現(xiàn)阻尼消振的方法很多:如汽車(chē)懸架多安裝的阻尼減振器,或采用各種內(nèi)阻較高的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和粘彈性材料實(shí)現(xiàn)目前工程上廣泛采用粘貼自由阻尼層或約束阻尼層的方法控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。前者利用拉壓變形,后者則利用剪切變形來(lái)消耗振動(dòng)能量。實(shí)踐證明,多層約束阻尼層消振效果較好。此外,對(duì)于阻尼較小的結(jié)構(gòu),若不便安裝阻尼器時(shí),可利用連接處的相對(duì)摩擦進(jìn)行減振。3.1.3動(dòng)力吸振動(dòng)力吸振14是一種較為簡(jiǎn)單的衰減外界振幅的方法

42、,即對(duì)主系統(tǒng)附加調(diào)制阻尼器形成兩自由度系統(tǒng)。通常將其置于被控結(jié)構(gòu)位移最大處,通過(guò)調(diào)整該附加子結(jié)構(gòu)的自振頻率,達(dá)到主結(jié)構(gòu)的基頻,從而使子結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)整體受到外界振動(dòng)激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生與主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的慣性力,達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。動(dòng)力吸振的實(shí)質(zhì)即利用子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“鞭梢效應(yīng)”來(lái)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量而實(shí)現(xiàn)減振。早在結(jié)構(gòu)控制的概念被提出之前,Frahm(1909)就在船舶設(shè)備上利用水箱作為動(dòng)力吸振器,控制船體的橫向翻滾振動(dòng)。目前常用的動(dòng)力吸振裝置(DVA)包括調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)和調(diào)諧液體阻尼器(TLD)。前者是包含質(zhì)量塊、彈簧和緩沖裝置的振蕩系統(tǒng),后者則是盛有液體的容器。由多個(gè)動(dòng)力吸振器并聯(lián)組成的多

43、重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器,也逐步用于艦船設(shè)備,用以抑制柴油機(jī)不平衡擾力引起的振動(dòng)。3.2主動(dòng)控制振動(dòng)主動(dòng)控制是近二十年才開(kāi)始研究的重要課題,是在振動(dòng)控制過(guò)程中,通過(guò)傳感器檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動(dòng),經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算后,反饋并驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)反向施加控制振動(dòng)所需的作用以抵消振動(dòng)干擾。其低頻持續(xù)性好,具有明顯的反饋控制回路,是一種有源控制方法15。其中,致動(dòng)器和傳感器是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的關(guān)鍵部件。常用的致動(dòng)器包括壓電陶瓷、液壓元件、氣動(dòng)元件和電動(dòng)元件等,多用于體積和質(zhì)量較大的地面及固定系統(tǒng)的主動(dòng)隔振系統(tǒng)。目前,對(duì)新型智能材料的應(yīng)用研究較多,如電致伸縮材料、超磁致伸縮材料、電流變流體、形狀記憶合金等,且較多應(yīng)用于精密

44、、超精密加工和測(cè)量中。對(duì)于傳感器的選擇,應(yīng)根據(jù)可測(cè)頻率范圍確定。即在檢測(cè)前應(yīng)結(jié)合研宄的主要頻率段選定適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞣N類(lèi)。在通常的接觸式傳感器中,速度型傳感器適用于測(cè)量設(shè)備不平衡、轉(zhuǎn)軸不對(duì)中,以及連接松動(dòng)、等問(wèn)題引起的低頻振動(dòng),用其進(jìn)行振動(dòng)位移的測(cè)量,數(shù)據(jù)結(jié)果較穩(wěn)定。而加速度傳感器適用于較高頻率的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量,當(dāng)系統(tǒng)受到外界低頻振動(dòng)影響時(shí),若使用加速度傳感器,測(cè)得的數(shù)值較小,從而經(jīng)過(guò)二次積分得到的振動(dòng)位移值發(fā)生較多的干擾累積,影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此,位移傳感器和超磁致伸縮致動(dòng)器對(duì)于高精密儀器及加工設(shè)備的微振動(dòng)控制較為適用,能夠?qū)崿F(xiàn)低頻共振峰值最小化。在借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),也總結(jié)出一些亟待解決的問(wèn)

45、題,如控制能量需求較大,控制中會(huì)受到致動(dòng)器本身的能量和控制范圍的限制;控制中存在的時(shí)滯問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致施加給結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制力引發(fā)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定等。考慮到結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制往往要求實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同步控制,如海洋結(jié)構(gòu)物對(duì)風(fēng)振和海浪荷載的抵抗能力,這就對(duì)主動(dòng)控制提出了更高的目標(biāo)和研究方向。3.3半主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制基本原理與主動(dòng)控制類(lèi)似,僅需少量的外界能量即可調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài),其作動(dòng)器通常是被動(dòng)的剛度和阻尼裝置與機(jī)械式主動(dòng)調(diào)節(jié)器結(jié)合的控制系統(tǒng),從而以較小的代價(jià)更容易實(shí)現(xiàn)和主動(dòng)控制相近的控制效果,盡可能達(dá)到最優(yōu)的跟蹤控制,有較大的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。半主動(dòng)控制系統(tǒng)多利用開(kāi)關(guān)控制,即“0-1”控制方式來(lái)

46、改變控制器的工作狀態(tài),以平衡結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。目前對(duì)半主動(dòng)控制方法的研究不多,幾種典型的半主動(dòng)控制裝置有:半主動(dòng)TMD、半主動(dòng)動(dòng)力觸動(dòng)器、主動(dòng)變剛度裝置和主動(dòng)變阻尼裝置等。其中,主動(dòng)變剛度控制裝置在每個(gè)采樣周期中對(duì)外荷載的頻譜特性進(jìn)行提取,并對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度值進(jìn)行切換,使得受控結(jié)構(gòu)盡量避開(kāi)共振頻率,而減小振動(dòng)。目前,對(duì)主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)的算法也有部分研宄,且相關(guān)試驗(yàn)表明也證實(shí)了其較明顯的控制效果,因此受到了國(guó)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。從系統(tǒng)自身特性來(lái)看,主動(dòng)變阻尼控制裝置則對(duì)系統(tǒng)阻尼進(jìn)行切換。將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),構(gòu)成新型主動(dòng)變剛度-阻尼控制裝置則更有優(yōu)勢(shì)。3.4混合控制混合控制是結(jié)合主動(dòng)、被動(dòng)控制方法,將

47、二者同時(shí)施加于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制形式。從組合方式來(lái)看,可分為主從組合方式和并列組合方式。前者是以某一種控制為主,其他部件通過(guò)主要部件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制;后者是兩種控制方法各自獨(dú)立工作,可進(jìn)行控制校核。研究較多的是以被動(dòng)控制為主,主動(dòng)控制為輔的方法,能夠在較高的經(jīng)濟(jì)效益下保證結(jié)構(gòu)的使用舒適度和安全性能。在混合控制當(dāng)中,被動(dòng)控制是結(jié)構(gòu)對(duì)一般振動(dòng)的隔離和防治,而主動(dòng)控制則是結(jié)構(gòu)破壞的最后一道防線(xiàn),為被動(dòng)控制提供恢復(fù)力并起到減小限位的作用。近年來(lái),國(guó)外對(duì)混合控制的研究正逐步發(fā)展到非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)體系上,理論研究也取得了一些進(jìn)展。目前,較典型的幾種混合控制裝置包括AMD與TMD組合,以及主動(dòng)控制與基礎(chǔ)隔振、耗能減振裝置的組合16等。4.1全文總結(jié) 超精密加工技術(shù)在當(dāng)今國(guó)際社會(huì)中扮演著重要的角色,各國(guó)都把它看成綜合國(guó)力相比較的一項(xiàng)重要指標(biāo);在如今高科技高新產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展中也起著核心的左右,是國(guó)家新世紀(jì)制造業(yè)前進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。在超精密加工領(lǐng)域,精度始終占據(jù)著這個(gè)領(lǐng)域絕對(duì)的核心位置,加工精度左右著超精密加工的前進(jìn)步伐,然而各類(lèi)影響超精密加工精度的環(huán)境條件一直是各個(gè)研究人員首要面對(duì)的難題,尤其

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