超精密加工的环境条件与控制策略

1、超精密加工的环境条件与控制策略摘要：超精密加工是现代国家高新科技产业发展的前进基础和保障，是各个国家综合国力的象征，推动着国家高新制造产业的不断前进。加工精度和效率的提高促进了超精密加工技术的向更高层面迈进，但是环境条件尤其是振动条件是影响超精密加工精度和效率的主要因素。为了研究超精密加工中环境条件特别是振动环境的控制，本文主要研究超精密加工主要影响超精密加工的环境条件及其控制的策略；研究超精密加工中环境振动的分类和来源以及其对超精密加工的影响；研究超精密加工中控制环境振动所采用的技术和材料装置，并对其采用后的效果进行评估和相对应振动的分类。通过对上述内容的研究，初步掌握环境振动对于超精密加工

2、的影响，并对环境振动采取有效的隔振消振处理和探索，为超精密加工中的环境振动的控制提出合理有建设性意义的建议。关键词：超精密加工；环境振动；隔振措施；消振措施1.1介绍超精密加工制造技术是当今高新科技工业发展的基本要素，同样也成为了将来制造科学前进的方向，在国际竞争中，超精密加工制造技术也是至关重要的高新顶尖技术步骤之一。它综合运用了机械制造技术发展的最新的研究成果以及现代电子讯息技术、光学技术、现代测量和电脑技术等高新技术，是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要依据，因此受到各个工业发达国家的高度重视。从应用的角度来看，在关系国家安全和综合国力的行业如国防科技、探空技术、核子能、高新电子等高科

3、技的高新技术领域中超精密加工及其制造的高精仪器起着相当重要的角色，在这些领域的使用中有探空火箭技术、高新仪器里的齿轮、人工智能机器等。超精密加工的加工材料范围广泛，包括软金属、淬火钢、不锈钢、高速钢、硬质合金等较难加工的材料，也包括半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，不受材料外形的限制，使用的未来远景极为广1。跟着现代加工制造技术和高新产业产品对产品的精度以及表面完整性的要求愈来愈高,超精密加工制造技术的重要性逐渐体现。有关范畴的技术开发和发展就开始竭力于加工精度的一直提升,从微米级、亚微米级到纳米级,甚至现在的亚纳米级,比如航空航天产业里陀螺仪的轴承、电子信息产业里的集成电路和光学工业上的集

4、成光路等,这些技术使生产的产品的体积减小,使产品质量和性能得到提升,并减少了这些工业产品使用成本。总体上看，产品精度的不断提升促使产业有产品微型化的趋势,并且提高了产品零件之间的可置换性,有效提升了组装装配的效率,提高产业的整体自动化程度。对于超精密加工生产中产品加工精度产生影响的主要是因为加工生产中的环境振动。尽管超精密加工机床在设计生产之初就已经尽可能减少了环境振动对于超精密加工的不良影响,但由于生产加工环境和加工技术的转变,环境振动还是会存在在一些超精密加工的机床设备里,从而使产品加工精度的下降,这个现象严重影响了超精密加工制造的未来成长与壮大。所以处理环境振动对超精密加工设备的干扰就变

5、得格外迫切。1.2超精密加工及其环境条件的介绍1.2.1国外超精密加工发展概况国际上其他国家超精密加工开展较早，上个世纪六十年代初期，上个世纪五十年代至八十年代为技术发展初期。这一个时间段，美国首先开始研究了以单点金刚石切削（SPDT）为象征的超精密加工技术，主要适用于航空技术、国家防御、天文等领域的激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工2。欧美一些发达国家陆续成功研制成功了用于超精密加工的超精密金刚石车床，用于一些常见软金属的超精密加工，加工的形状也只限于简单的轴对称图形零件。上个世纪八十年代至九十年代进入民间工业的应用初期。美国、日本、欧洲的一些领头的超精密加工研究的公司在政府的支持

6、下，将超精密加工技术开始投向市场，一开始是民用的精密镜头的生产。但是由于超精密加工设备的缺少和代价高昂，初期主要是少量的专门订制。在这时间段还出现了可处理硬质金属的超精密金刚石磨削磨床，但尽管如此，超精密加工的效率还是无法赶上金刚石车床。上个世纪八十年代末期，美国投入大量研究资金和人力，成功研制了大型光学超精密加工车床，也成功成为了超精密加工领域的一个里程碑。上个世纪九十年代后，民用超精密加工技术渐渐完善和成熟。在民用交通、环境工程、光电信息、医疗仪器设备等产业的推动下，这些产业中光学镜片、超精密制造的模具、半导体元件等成了超精密加工广泛应用的平台。随着超精密加工设备的相关技术的逐渐成熟，超精

7、密加工设备成为工业生产中比较习见的生产设备。另外，产品的加工精度也渐渐达到纳米级水平、可处理加工的零件材料的尺寸也越来越大，使用的领域也越来越广泛。当今国际范围内的超精密加工技术大国以日本、欧洲和美国为首，但是它们各自发展的关注重点又不尽相同。美国在超精密加工中已经投入大量资金，而大型X射线探测望远镜的大口径反射镜是其一直研究的重点方向。当下这类反射镜的材料为重量小且导热性较好的碳化硅，但这种材料的硬度较高，对于这种材料的超精密加工会遇到较高的技术要求。日本研究超精密加工的时间要晚于欧洲和美国，但是日本研究发展的速度很快。日本超精密发展偏向于电脑硬盘磁片、民用光学透镜等民用产品。现如今，日本在

8、办公器材、光学透镜、声、微型电子等超精密加工方面相较于欧美有相当的技术领先。1.2.2国内超精密加工发展概况我国于上个世纪六十年代中期开始研究镜面外圆磨床，加工圆度小于0.3m，表面粗糙度能低于Ra0.01m。上个世纪六十年代末期成功研发完成单晶金刚石镜面车床，可加工材料的表面粗糙度降到Ra0.025m以下。上个世纪七十年代后期研制了高精度磁盘车床。进入上个世纪八十年代后，国家各个领域都相继投入资金人力开始研究超精密加工的技术和超精密加工设备，尤其是在上个世纪九十年代后期很多企业研究机构成功研制了非球面超精密加工设备，这是我国在超精密加工领域的一个里程碑。哈尔滨工业大学是我国研究超精密加工设备

9、技术最早的研究机构之一，在上个世纪九十年代中期成功研制了亚微米级的超精密机床，并且对超精密切削过程的加工工艺机理、刀具耗损原理、脆性材料超精密切削去除机制等方向进行了相当多的研究和探索，本世纪初期研制成的大平面超精密铣床，已被采用到核聚变关键零件超精密加工过程中去了。北京机床研究所我国研究超精密加工技术的重要研究所之一，研制成功了NAM-800型纳米数控车床纳米级加工机床。北京航空精密机械研究所在我国超精密加工设备研究单位中是独具特色的，研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统3。还有超精密加工技术比较领先的有长春光机研制的数控非球面加工中心和国防科技大学于本世纪初研制的集铣磨成

10、型、研磨抛光、接触式检测于一体的光学非球面复合加工机床AOCMT。国内有很多研究机构和企业研发团队对磁流变抛光进行了探索研究，国防科技大学本世纪初研制了加工尺寸可达1m口径的磁流变抛光设备KDMRF-1000。国防科技大学是我国研究离子束抛光的主要研究机构，在世纪初完成了具备非球面加工能力的离子束抛光设备KDIFS-500，可处理加工的最大直径500mm。此外，哈尔滨工业大学孙希威等4首先对大气等离子体抛光技术看展了探究，对于单晶硅片的加工试验获得了较为满意的成果。中国科学院成都光电所对应力盘抛光技术开展了研究，哈尔滨工业大学和浙江工业大学对气囊抛光进行了研究，都获得了预期的成果。长久以来，我

11、国高新先进的制造业电子产品主要技术设备基本上都依靠国外的进口，更无法触及到超精密加工技术的核心，严重约束了我国电子产业、超精密加工行业的长足自主发展和壮大。国内的研究机构都肩负着壮大我国电子科技产业、超精密加工产业的重担，为我国的伟大复兴贡献自己的一份力。1.2.3超精密加工环境条件的研究超精密加工是现代发展高科技和高精密仪器机械的必需的机械制造工艺，该技术最核心的问题就是怎么去除接近材料分子尺寸的极其薄的材料层。要完成这个超精密加工，除了要具有能适应这种工艺的机床、材料、测量技术、刀具以外，还需要十分严苛的超精密加工环境条件。干扰超精密加工精度和质量的环境条件有空气环境、热环境、振动环境、声

12、环境、光环境和静电环境等较多因素，这些因素一起影响着加工过程中加工的精度和质量。空气环境中的主要指标为洁净度、气体流动速度、压力和有害气体，空气的洁净度主要是空气中的尘埃含量,要使空气的洁净度变高就要使空气中的尘埃变少。超精密加工中，所需要的条件中，空气洁净度是很重要的指标，如果不能保证所要求的空气洁净度，就很难加工出很达到要求粗糙度的表面，空气中的尘埃的混入会使被加工工件的表面划伤或者工件精度收到影响，一颗直径0.3m的尘埃就有可能是被加工材料变成废品，因此进行超紧密加工需要建设洁净室，所谓洁净室就是讲空气环境中的各个条件进行有效控制的房间。而洁净室因不同的加工精度要求而采用不同标准的净化等

13、级。国际上所接纳的标准等级包括100级、1000级、10000级、级。通常在超精密加工中要求的洁净度为100级，就是1m的空气中，直径大于等于0.3m的颗粒物要少于100个。在洁净室中，环境条件中的压力条件，为了保持超精密加工中的洁净度和湿度温度，洁净室内的压力就要比室外高，来有效阻止室外的污染空气和不同温度湿度的空气进入室内。热环境的主要指标是温度和湿度，温度的变化直接影响到机床和被加工工件在超精密加工过程中的形变和加工的精度，在超精密加工中主要控制温度的上下起伏，就是要求在加工过程中温度的变化越小越好，即控制恒温。在超精密加工中一般要求洁净室内温度控制在（200.06）之间，而也可使用恒温

14、室来进行整体的恒温，为了降低能耗，一般夏季控制在23，冬季控制在17。湿度指的高低和加工过程有关，一般湿度低于40%时会由于静电的影响，超精密加工的工作精度无法保证，高于50%时，工件又容易生锈。所以在超精密加工中始终保持40%50%的湿度环境，并在加工的过程中始终注意湿度的变化，随时给设备进行加湿和减湿的处理，保证超精密加工过程的高精度。振动环境是当今超精密加工过程中研究的一个很重要的课题，环境的振动对于提高超精密加工的加工精度和提升生产效率都具有很大的影响。振动的来源一般分为室内振动、室外振动和自然界的振动，室内振动大体上包括人员移动产生的振动、设备本身加工时所产生的振动、材料物资转移搬运

15、所产生的振动、辅助器械所产生的振动。室外振动通常包括交通运输产生的振动、工厂生产产生的振动、建筑施工产生的振动和辅助设备产生的振动。自然界的振动通常包括风等。其他环境条件包括声、光、电磁环境等，在超精密加工中也要充分考虑和控制这些环境条件，防电磁波环境中电磁波对于设备造成的干扰和破坏，对于某些超精密加工时要能建设能屏蔽电磁波的环境。防静电环境中静电有可能造成半导体元器件的损伤，能是某些超精密加工中的胶片感光、出现某些气泡、沾染尘埃，造成超精密加工中的生产质量不达标，为了防止此类事故，要采取措施防止静电。对于其他环境条件，还要充分考虑“光”、“声”、“放射线”等对于超精密加工或者超精密加工环境的

16、干扰和影响。1.3超精密加工中环境条件控制策略概述 对于超精密加工过程中的各类环境条件，为了控制环境条件来达到超精密加工过程中所需要的要求，我们就必须采取措施来保证和控制超精密加工时环境条件的达标。空气环境的指标的控制主要是控制产生尘埃的量，不带入尘埃并不在加工过程中产生尘埃，操作人员要穿着无尘操作服，设立除尘室清除灰尘；安装空气控制过滤装置，有效调节气流速度；控制加工环境对于外部环境的正压，防止外部空气的介入。热环境的指标的控制主要是控制超精密加工时工作环境的恒温和恒湿，安装空气调节系统，包括：加热装置、冷却装置、加湿装置、减湿装置等。振动环境的指标的控制主要包含内部振动的消除和外部振动的消

17、除，内部振动的消除有提高设备回转零件的动平衡精度；减少设备传动系统的振动；减少液压系统的干扰；提高系统的抗振性能。外部振动的消除主要是隔振：远离振动源；隔绝空气弹簧；隔振地基、安防隔振元件等。其他环境条件的指标的控制主要是安装细声材料；采用消声器控制噪声；安装消除静电的装置；设立放电磁干扰的设备等2.1振动环境与对超精密加工影响概述超精密加工中的振动环境是因为外部环境不同的振源所引发的。和常见的地震想对比，都有着相类似的振动输出和结构的响应样式,但两者的持续时间、振动强度和人们研究的物理量大体却不相同5。2.1.1环境振动的形成振动条件的形成原因主要有2个:人为操作活动产生的以及自然界所产生的

18、振动。在振动的防治过程中，首先要充分考虑和分析振源所具有的特性，。在实际生产生活中,因为交通的运输、操作人员行走、动力设备的使用等,都会产生振动。相比较不同的振源的不同特点,可以将它们分为瞬态、稳态、随机振动,大部分的振动由空气压缩机、冷冻机、电动机、通风机和水泵等设备引起,振动频率在280Hz。在这些之中，空气压缩机在振动时的频率较低、振动蕴含能量较大,在传播过程中能量的衰减比较缓慢;那些振动能量不大、影响范围小的设备,在超精密加工设备周边的影响是不可以不考虑的。部分实测的外界振动干扰频率如表2.1所示。表2.1部分实测的外界振动干扰频率振源频率测点据振源距离空气压缩机2.540附近冷冻机4

19、5附近锻锤1035锤击处起重机1595附近火车30400m（常速运行）20251030m（20km/h运行)汽车10252038m（空载）5152038m（满载）在实际布置时考虑土地问题对于超精密加工的影响，岩石上的振动频率高，振幅比较小,相比较土层则是恰恰相反。另外,一些设备仪器哪怕产生的振动能量很微弱，但是由于生产中的仪器摆放布置和操作不当使零件或者内部结构的磨损,会导致干扰力的增强,会对超精密加工的环境造成较大的影响。所以，对于这些由于人为原因造成的振动要根据不同的方面来分析超精密加工中处理振动的方法。自然界的某些自然活动也会引发振动,最主要的有风、海浪潮汐、高低压气团交汇等环境所造成的

20、。地球的自转还有太阳引力变化也会对地球造成不可避免的振动。这产生的振动有一定的随机性,大体在0.10.5 Hz,振幅为0.110nm。2.1.2振动条件对周围环境影响概述振动环境在实际生产生活中无处不在，在日常生产生活中，机械振动时指物体在平衡位置附近做往复的重复运动，并且具有双重性。在正常生活生产中，有时需要利用振动来完某些运动和工序，如利用超声波进行诊断和治疗疾病；在建筑时利用振动进行打桩、振动拨桩以及混凝土灌注时的振动捣固来提高建筑工程的工作进度与效率；在电子信息产业中的许多电子产品利用谐振器才能有效工作；海洋工程中利用海洋波动进行发电。在近几十年的发展过程中，振动环境被快速开发或者利用

21、，成功造福于社会生产生活之中，先后有一百多项与振动有关的技术被广泛运用于生产生活中，它们在各个部门中起着十分重要的作用，为振动工程学的发展和社会制造生产贡献了力量。双重性就意味着振动还有给社会生产生活带来的不利影响，振动在日常生活生产中很重要的一个影响就是噪声，振动带来的噪声污染在机械数字化程度不高的工厂和轨道交通运输中日益严重，还有一个很严重的现象就是共振，历史上很多次悲剧就是由于人们还没有完全的认识共振而酿成了十分惨烈的后果，包括二十世纪四十年代，美国全场860米的塔科姆大桥在建成短短四个月之后就因为风带来的共振而坍塌，这是人类对于振动的不了解和忽视了振动对日常生产生活的影响，并未对振动可

22、能带来的危害做出相对应的防护措施和解决方法。由此可见，振动在日常生活中扮演着双面手的角色，我们要正确认识振动，利用振动来造福于人类也要认识到振动的影响甚至于危害，在必要的时候和地点，提前做好防范振动危害的措施，将未知的振动危害控制在可以掌控的范围之内。2.1.3振动条件对于超精密加工的影响环境振动对超精密加工的影响特别是会对一些对振动敏感的仪器设备造成较大的干扰和影响。如光学干涉测量仪、电子显微镜,以及精密加工设备,如金属切削等,在纳米精度在的操作,高精度、高分辨率和高灵敏度是这些加工操作的关键所在。如果环境振动超过其能允许的范围数值时会直接影响到超精密加工设备仪器的正常使用，还有可能直接导致

23、设备的无法使用。相对于不同的机器设备，对于振动的允许范围指标就不径相同，在精度要求比较高的加工仪器加工材料时，振动会使加工材料与刀具之间产生颤振。当前国际范围内对于精密加工中的振动有一套公认的标准，包含VC-A、VC-B、VC-C、VC-D和VC-E这5个等级，来分别表示振动在超精密加工中的不同程度的强度，来更好的制定有效针对的策略加以控制，并能根据不同振动的特点，在防治振动的措施中能有效针对所想防治振动的特点，节省成本。在这五个等级中，A类的振动对于超精密加工的影响是最大，而E类最小，基本上高科技厂商对于超精密加工的环境振动的要求在VC-C，拥有光学仪器设备的公司对环境振动的要求就稍微要高一

24、点，大概在VC-D以上，这就要求公司要考虑到专业的减振隔振设备与措施。不同的地点，相对应常见振动的类型不尽相同，振动的不同性质和特点对人和超精密设备的影响不同，表2.2为在不同场合，超精密设备对于振动的反应。表2.2超精密设备振动标准振动规范振动值振动表现速度m/s4Hz（dB）8Hz（dB）工厂（ISO）812.809690明显感觉到振动办公室（ISO）406.409084稍微感觉到振动住宅（ISO）203.208478几乎感觉不到振动手术室（ISO）101.607872感觉不到振动，适用于倍率100的显微镜已经振动敏感低的设备VC-A50.807266适用于倍率400的显微镜续表2.2 超

25、精密设备振动标准振动规范振动值振动表现速度m/s4Hz（dB）8Hz（dB）VC-B25.406660适用于倍率1000的显微镜以及分辨率3m的照相制版和光学检测仪器VC-C12.706054适用于分辨率1m的照相制版和光学检测仪器VC-D6.355448适用于大多数精密仪器，包括电子显微镜等VC-E3.184842适用于分辨率0.5m的照相制版和激光作业，要求极为严格2.2国外超精密加工的振动环境的研究国外针对振动环境对于超精密加工中给加工的工件带来的影响研究得比较早,特别是日本与欧美几个国家,这些国家在分析研究超精密加工中环境振动的影响时都是通过理论的推理外加建立模型分析为主，主要专研的是

26、振动的传播特别是在介质中的规律，包括地基土的动力特性及其对振动波传播的影响;振动传播途径和相关隔振理论及隔振措施等问题。在超精密加工中振动环境的多年研究中，科研人员进行了很多有效的尝试和很多的创新。日本以及欧美发达国家成功建立了完整的研究体系，研究了如轨道交通的存在对于地面振动的研究和模型6；使用多元回归法研究铁路产生的振动的各种因素；利用有限元法分析屏障隔振的使用作用和影响；利用薄层法和边界元方法相互融合研究了空置沟的隔振效果；压电堆栈式作动器在超精密加工中振动控制的主动系统中能取得有效的效果。在超精密加工的振动控制上，欧美以及日本一直处于世界研究的前列，但是各自研究振动的方向又各有特点，促

27、使世界研究超精密加工的振动研究有序良好得往各个方面发展，建立了现如今世界在这些领域有序竞争的良好现象。2.3国内超精密加工的振动环境的研究我国在超精密加工的环境振动条件的研究领域的开始时间比较晚。在超精密加工的振动环境条件的研究中，国内涌现了一大批杰出的科研的人员，在振动环境的研究过程中由于国外的某些技术封锁和本身基础的薄弱，在开展研究的过程中遇到了不少困难，但是还是在努力攻坚克难中完成了一个又一个的艰难课题。在处理超精密加工过程中的环境振动问题时，我国比较常见的处理控制方法时采用空气弹簧，当然除了空气弹簧还有采用多级被动隔振技术来增强隔振效果的方法。最近几年来，国家加大了对于超精密加工中环境

28、振动防治的研究投入和力度，如研究用于隔振平台进行主动控制的制动器以及一些磁致伸缩材料、电流变液体等一批使用在隔振设备中的新型材料。近些年来，我国在超精密加工领域的振动防治也取得了一系列较为喜人的成果，比如由哈工大精密工程研究所在不断研究和改进中诞生的HCM-1亚微米超精密车床通过微制造平台混合隔振系统的设计7，其中的隔振元件由隔振橡胶层和空气弹簧组成，主动控制装置是超磁致伸缩制动器，这套装置能使在超精密加工时的振动衰减80%左右；也有研究由超磁致伸缩作动器研发而成的人工模糊神经网控制的超精密机床隔振系统8；稀土-铁系功能材料进行超磁致微位移直线驱动器的研究9等。为我国的超精密加工中的振动防治产

29、业增加了新鲜的血液，促进了我国超精密加工制造产业的高效长足发展，使我国加快步伐追赶在该领域一直处于领先的日本和欧美发达国家。跟国际上的超精密加工中环境振动防治的发达国家相比，我国国内的防治环境振动的理论和经验还是有相当多的欠缺的,和日本与欧美几个在超精密加工领域领先的国家有着较大的差距,国内相当多的环境振动的防治方案和措施还只是出于理论阶段，要完成它的实际效益还需要更深入的验证和试验;而且在我国还没有制定超精密加工中一些对于精度要求极高的设备在使用中的专门的环境振动允许值的标准。由于在超精密加工制造中影响最大的环境振动，国家应该尽快加大力度和研发力量完善我国制造业中超精密加工的体系，并有效制定

30、环境振动的评价体系，为下一步对于超精密加工中环境振动的控制提供依据。3.1被动控制被动控制通常指结构的被动阻尼设计,是事先一次性设计的控制措施,通过改变结构参数、释放自身潜在的能量,最大程度地吸收和耗散关注频段内的模态应变能5。其控制方法主要包括隔振、消振和动力吸振技术。3.1.1隔振最常见的隔振措施就是用阻尼和弹性元件组成的隔振器放置在结构之中。而相对于隔振的对象来说，现在的隔振措施分为主动隔振和被动隔振。前一项是隔离产生振动的振源，使振源与地基相隔离开，减少振源振动对于超精密加工设备的输出;后一项是主要保护超精密加工的设备，使超精密加工设备与地基隔离开，减少振源振动的输入。(1)隔振器当前

31、国际社会上超精密加工制造产业中最常见的隔振器的类型主要是钢弹簧、橡胶、空气弹簧隔振器。钢弹簧隔振器相较于其他两种隔振器的优点在于承载能力更高，较大的变形范围，使用寿命较长和隔振器本身比较耐高温，但是由于刚度较小，固有频率2.05.5Hz，阻尼仅仅只有0.01，在控制设备共振振幅的表现较差。为了弥补钢弹簧隔振器先天的缺陷，常常在钢弹簧外部附加一层隔振橡胶，但是它的水平刚度还是不足，容易在使用的过程中产生水平晃动，故不适合精密设备隔振的需要。橡胶隔振器产品种类繁多，样式多样，变形可逆性较好。常见分为剪切型、压缩型与复合型，相对于不同的受力方式而改变不同的使用组合,固有频率为520 Hz，形状可以参

32、考使用场合和具体条件自由选择。橡胶隔振器刚度较大,阻尼系数0.150.3,主要和金属弹簧相搭配用于主动隔振中，能较好隔离高频率的振动。但是橡胶本身对于环境要求比较苛刻，耐油性比较差，使用过程中容易老化，不能较长时间的使用。橡胶隔振器的承压能力也比较弱，在使用过程中需要控制其初始的变形量，尽可能控制在百分之十之内。空气弹簧10相较于其他两种隔振器在适用的范围以及隔振的效果来看有着无可比拟的优点。从最初应用于车辆的空气弹黃悬架,到各类机车的座椅减振、航空航天领域精密仪器仪表的减振,以及精密和超精密加工设备的隔振系统和隔振平台的振动控制的使用,发展前景广阔。 图3.1囊式空气弹簧 图3.2空气弹簧隔

33、振模型由于空气弹簧的非金属性,其弹性特性良好。借助其气囊内压缩空气气柱体积和压强的关系,在振动荷载下通过弹簧高度的变化,使得气囊容积变化,从而改变气柱的有效承载面积和囊内压力,达到振动的平稳传递11。弹簧高度可以通过高度控制阀调节,且刚度也能利用附加气室的容积和有效面积来改变,如图3.2和图3.3所示。此外,在空气弹黃和附加气室之间加设一个节流孔,使得弹簧变形时空气流经节流孔产生能量耗散,从而衰减部分振动。鉴于其承载力较高,且固有频率在0.54 Hz,使得隔振系统固有频率较低,从而远离环境振动的干扰,提高隔振效果。并且考虑到其安装、更换方便,因而在超精密加工设备的隔振设计中应用较广泛。除了上述

34、隔振器之外,还可以使用软木、樣胶、沙料、毛租等阻尼较大、有一定强度和稳定性的材料,以减小振动传递率。(2)隔振模型超精密加工机床由不同部件组成,是多自由度弹性体系,因而可以用若干弹性质量连接体表示。若从设备基础的角度考虑设备对振动的响应,可以将机床作为整体进行研究。目前,大部分研究模型都简化为单自由度系统的振动,即把机床简化为一个质量块,和地基间通过弹黃支承相连。(3)隔振措施对环境振动的防治,首先要保证精密加工设备和仪器处于良好的工作环境,考虑合理的空间布局,选择合适的安装基础,以减少振源振动的放大与输入。因此,有效的隔振方法包括:1)远离振源对于超精密加工机床而言,其所受环境振动的影响程度

35、与距振源的距离和深度有关。由于振动波的传播距离与振源强度成正比,与频率的平方成反比,故低频振动传播距离较远,因而对超精密加工精度的影响更为显著,尤其是大型动力机械及设有振动机械的工厂、车间,以及运输量大的铁路、公路等地段12。而对有效防振距离的确定要综合场地的地质条件、振源的振动特性、超精密设备的允许振动值和设备本身的隔振措施等进行分析,较为复杂。2)设置隔振屏障根据波的反射、散射和衍射原理,由于波的振动随距地表垂直距离的增加而衰减,主要的能量都沿着地表传播,因此在超精密加工设备周围设置隔振屏障能适当减小振动波的振幅。隔振屏障包括空沟、粉煤灰等连续屏障和孔列、混凝土桩等非连续屏障,隔振效果与其

36、深度、长度、材料以及振动的频率、传播的距离等都有关,做法可参照图3.3所示。大多数超精密加工机床都有设置隔振沟的要求,目的是通过垂直于地表的隔离层空隙来切断振动在土壤中的传播,削减振动能量。工程中通常采用隔振沟前、后的振幅比值X1/X2来衡量隔振效果。通过实测数据表明,隔振沟宽度一定时,隔振效果随沟的深度和地表振动波长的关系而变化。当取隔振沟宽度为振动波长的1/20时,沟的深度越接近振动波长A,振幅降低越多。图3.3隔振沟的做法但考虑到实际应用中,土壤的固有频率为1020Hz,而振动波的传播速度约为200m/s,则波长为1020m。对冲击振动或高于30Hz的振动,隔振沟能起到明显效果,但对于较

37、低频率的振动,即要求隔振沟的深度达到1020m,从经济型和安全性看来往往较难实现。3)采用隔振元件对于与地面之间设置隔振元件的选择,应根据不同振源的特点和加工设备所处的工作环境,从隔振效果、经济成本、安装拆卸及长期使用中的调整和更换方便等因素综合考虑,采用合适的隔振器类型和尺寸,应保证隔振器的总体刚度和阻尼满足机床系统的隔振要求。一般而言,支承式隔振装置构造简单,便于施工,且隔振性能良好,使用最为普遍,特别适用于高频设备;而悬挂式隔振装置适用于平衡性能差的低频设备,但安装和调整调适稍困难。4)增大基础刚度和质量为减小机床的振动,在保证强度、刚度和稳定性的情况下,应使机床和固定基础稳固连接。当外

38、界扰力频率较低时,不仅要降低支承刚度,还应在基础下部采用隔振元件,利用基础增加隔振系统的质量,构成一个具有低固有频率的隔振系统。通常,机床与基础的连接方式有刚性连接或弹性连接,前者是将机床安装在单独基础上,使机床和基础固接为整体;后者主要是对中小型机床而言,采用弹性元件连接于直接将其安装于混凝土地面。规范13规定:对于一般的数控设备基础,应根据机床的外形尺寸、机床及加工工件重力的分布情况等进行设计,而对重型和精密机床的安装则应采用单独基础,考虑基础的尺寸、配筋、隔振以及施工方法。规范明确规定了不同机床种类所应满足的基础混凝土厚度,见表3.1。其中,L和H分别为机床外形的长度和高度(m)。表3.

39、1金属切削机床基础混凝土厚度（m）机床名称基础厚度（m）机床名称基础厚度（m）卧式车床0.3+0.07L铣床0.2+0.15L立式车床0.5+0.15H龙门铣床0.3+0.075L导轨磨床0.4+0.07L插床0.3+0.15H内圆/无心/平面磨床0.3+0.08L螺纹/齿轮/精密外圆磨床0.4+0.10L摇臂钻床0.2+0.13H深孔钻床0.3+0.05L龙门刨床0.3+0.07L坐标镗床0.5+0.15L齿轮加工机床0.3+0.15L卧式、落地镗床0.3+0.12L牛头刨床0.61.0立式钻床0.30.6另外,也有单位为达到隔振和保温目的,将超精密加工机床安置于地下室,但实测数据表明,其隔

40、振效果不明显,且影响正常的生产操作,不推荐使用。此外,尽量避免超精密加工设备和有明显振动影响的动力设备同时使用也能起到一定的防范作用。5)优化动力设备的结构设计为减少其他动力机械设备等工作产生的基础振动干扰,选择动平衡性能好的机械设备较为关键。合理选择动力设备的结构选型、构造、重心位置、扰力方向等,从而减小不平衡的离心惯性力。同时应在日常使用中注意定期维修保养。另一方面,从需要隔振的设备角度来看,往往米用动刚度指标来衡量设备的抗振能力,即设备产生单位振幅所需要的动态力。通过改善结构断面的尺寸、形状,以及零部件间的联接刚度等以优化机床结构,提高其抗振能力。3.1.2消振在系统的振动过程中,消振主

41、要通过阻尼实现,即附加子系统来消耗振动能量,降低结构或系统在共振频率附近的动响应和宽频带随机激励响应均方根值,避免自激振动引起的结构不稳定,减少结构振动的传递。实现阻尼消振的方法很多:如汽车悬架多安装的阻尼减振器,或采用各种内阻较高的纤维增强复合材料和粘弹性材料实现目前工程上广泛采用粘贴自由阻尼层或约束阻尼层的方法控制结构振动。前者利用拉压变形,后者则利用剪切变形来消耗振动能量。实践证明,多层约束阻尼层消振效果较好。此外,对于阻尼较小的结构,若不便安装阻尼器时,可利用连接处的相对摩擦进行减振。3.1.3动力吸振动力吸振14是一种较为简单的衰减外界振幅的方法,即对主系统附加调制阻尼器形成两自由度

42、系统。通常将其置于被控结构位移最大处,通过调整该附加子结构的自振频率,达到主结构的基频,从而使子结构在结构整体受到外界振动激励时产生与主体结构振动方向相反的惯性力,达到抑制振动的目的。动力吸振的实质即利用子结构系统的“鞭梢效应”来吸收主体结构的振动能量而实现减振。早在结构控制的概念被提出之前,Frahm(1909)就在船舶设备上利用水箱作为动力吸振器,控制船体的横向翻滚振动。目前常用的动力吸振装置(DVA)包括调谐质量阻尼器(TMD)和调谐液体阻尼器(TLD)。前者是包含质量块、弹簧和缓冲装置的振荡系统,后者则是盛有液体的容器。由多个动力吸振器并联组成的多重调谐质量阻尼器,也逐步用于舰船设备,

43、用以抑制柴油机不平衡扰力引起的振动。3.2主动控制振动主动控制是近二十年才开始研究的重要课题,是在振动控制过程中,通过传感器检测设备结构的振动,经过计算机实时计算后,反馈并驱动致动器对结构反向施加控制振动所需的作用以抵消振动干扰。其低频持续性好,具有明显的反馈控制回路,是一种有源控制方法15。其中,致动器和传感器是实现主动控制的关键部件。常用的致动器包括压电陶瓷、液压元件、气动元件和电动元件等,多用于体积和质量较大的地面及固定系统的主动隔振系统。目前,对新型智能材料的应用研究较多,如电致伸缩材料、超磁致伸缩材料、电流变流体、形状记忆合金等,且较多应用于精密、超精密加工和测量中。对于传感器的选择

44、,应根据可测频率范围确定。即在检测前应结合研宄的主要频率段选定适当的传感器种类。在通常的接触式传感器中,速度型传感器适用于测量设备不平衡、转轴不对中,以及连接松动、等问题引起的低频振动,用其进行振动位移的测量,数据结果较稳定。而加速度传感器适用于较高频率的振动信号测量,当系统受到外界低频振动影响时,若使用加速度传感器,测得的数值较小,从而经过二次积分得到的振动位移值发生较多的干扰累积,影响数据的准确性。因此,位移传感器和超磁致伸缩致动器对于高精密仪器及加工设备的微振动控制较为适用,能够实现低频共振峰值最小化。在借鉴其成功经验的同时,也总结出一些亟待解决的问题,如控制能量需求较大,控制中会受到致

45、动器本身的能量和控制范围的限制;控制中存在的时滞问题,会导致施加给结构的主动控制力引发结构的不稳定等。考虑到结构振动控制往往要求实现多目标同步控制,如海洋结构物对风振和海浪荷载的抵抗能力,这就对主动控制提出了更高的目标和研究方向。3.3半主动控制结构半主动控制基本原理与主动控制类似,仅需少量的外界能量即可调节受控系统的振动状态,其作动器通常是被动的刚度和阻尼装置与机械式主动调节器结合的控制系统,从而以较小的代价更容易实现和主动控制相近的控制效果,尽可能达到最优的跟踪控制,有较大的研究价值和广阔的应用前景。半主动控制系统多利用开关控制,即“0-1”控制方式来改变控制器的工作状态,以平衡结构的动力

46、特性。目前对半主动控制方法的研究不多,几种典型的半主动控制装置有:半主动TMD、半主动动力触动器、主动变刚度装置和主动变阻尼装置等。其中,主动变刚度控制装置在每个采样周期中对外荷载的频谱特性进行提取,并对结构的刚度值进行切换,使得受控结构尽量避开共振频率,而减小振动。目前,对主动变刚度控制系统的算法也有部分研宄,且相关试验表明也证实了其较明显的控制效果,因此受到了国外学者的广泛关注。从系统自身特性来看,主动变阻尼控制装置则对系统阻尼进行切换。将二者有机地结合起来,构成新型主动变刚度-阻尼控制装置则更有优势。3.4混合控制混合控制是结合主动、被动控制方法,将二者同时施加于结构的振动控制形式。从组

47、合方式来看,可分为主从组合方式和并列组合方式。前者是以某一种控制为主,其他部件通过主要部件实现振动控制;后者是两种控制方法各自独立工作,可进行控制校核。研究较多的是以被动控制为主,主动控制为辅的方法,能够在较高的经济效益下保证结构的使用舒适度和安全性能。在混合控制当中,被动控制是结构对一般振动的隔离和防治,而主动控制则是结构破坏的最后一道防线,为被动控制提供恢复力并起到减小限位的作用。近年来,国外对混合控制的研究正逐步发展到非线性结构体系上,理论研究也取得了一些进展。目前,较典型的几种混合控制装置包括AMD与TMD组合,以及主动控制与基础隔振、耗能减振装置的组合16等。4.1全文总结 超精密加工技术在当今国际社会中扮演着重要的角色，各国都把它看成综合国力相比较的一项重要指标；在如今高科技高新产业的蓬勃发展中也起着核心的左右，是国家新世纪制造业前进的发动机。在超精密加工领域，精度始终占据着这个领域绝对的核心位置，加工精度左右着超精密加工的前进步伐，然而各类影响超精密加工精度的环境条件一直是各个研究人员首要面对的难题，尤其