液压微进给机构

`江苏大学硕士学位论文液压式薄壁微量进给装置应用基础研究ApplicationStudyonThinSheetHydraulicMicro-feedActuator专业机械制造及其自动化指导教师王树林研究生陈兴华2009年4月-（3.5）发现变形的最大处是端面中心位置。由于变形的大小与油压的大小成正比，呈一次线性关系，因此输入与输出的关系也是一次线性关系，故只要控制油压大小在一定范围内的变化，就可以确定端面相应的变形大小。从原理上来讲，这种装置具有好的线性度。根据所控制油压的分辨率可确定该微进给装置的分辨率。两者之间对应的关系如下： (3.SEQ3.\*ARABIC7)其中为微进给装置的分辨率，为油压的分辨率，为微进给装置的位移范围，为油压的可调范围。通过式3.7可以确定微进给装置的行程范围、分辨率、油压大小和分辨率之间的关系。如工作最大油压为20MPa，油液可调节压力分辨力为0.2MPa，端面变形范围为10μm，则分辨率可以达到0.1μm；端面变形为1μm，分辨率则可达到0.01μm。如果油液可调节压力的分辨率可以更小的话，微进给机构的分辨率可以在相同的变形行程范围下达到更高。油压分辨率的大小与控制系统的性能有关。目前市面上20MPa以上量程的高精密压表的最高分辨率约为0.02MPa。在本课题的实验中精密压力表的最小刻度为0.2MPa，具有很好的可控性，在后面章节中油压的分辨率即为此值。3.2.2设计方法为了设计出具有合适行程和分辨率的进给装置，我们利用式3.5对缸体尺寸进行计算。（1）线弹性要求钢在弹性范围内的应变为 （3.SEQ3.\*ARABIC8）考虑到其它一些不确定因素，这里进给装置的最大应变=0.0015。（2）灵敏度要求除了线弹性之外，装置的位移也要满足灵敏度的要求。灵敏度可以用公式 K= (3.SEQ3.\*ARABIC9)在给定薄壁半径a的情况下可以得到壁厚h的计算公式： (3.SEQ3.\*ARABIC10)在结构设计中可以先按灵敏度要求通过式3.10确定结构尺寸，然后利用有限元来校核结构是否满足线弹性，行程等要求。3.2.3驱动部分的结构设计结构设计时必须考虑到随机的干扰，因为任一因素都会对微进给量产生很大的影响，如接触会导致微进给量的非线性，以致行程范围变化;油路在高压油作用下将不稳定的因素带入结构中，使变形的稳定性受到影响；结构中其它部分的变形（如螺纹变形）会使位移特性和行程范围发生变化等。考虑到这些因素，在结构设计时始终将可靠性放在首位，减少其它干扰的存在。公式3.7表明在油压分辨率不能提高的情况下，分辨率和行程是互相制约的，如果要达到较大的行程就必须增大装置灵敏度的值，这样就限制了装置分辨率的提高；反之减小装置灵敏度的值，就会使行程缩小。考虑到进给装置最后会在传统CNC车削机床上使用，较高的分辨率可能会受制于现有的精密机床精度水平，如导轨的直线度，主轴的回转精度，机床振动等条件，所以设计要求为在适当的分辨率情况下尽可能提高装置的行程。这里将装置的灵敏度定为0.8μm/MPa，最大工作压力为20MPa。如果需要灵敏度满足0.6μm/Mpa，最大工作油压为20MPa的液压微进给装置，根据研究中所使用的机床刀架结构，将液压微进给装置端面薄壁的半径a取为8mm，凸台半径取为4mm。根据式（3.10）可得缸体端面薄壁厚度应满足要求: mm，为使微进给装置能在精密加工机床上可靠的工作，微进给装置的结构和相应的尺寸如下图：图3.SEQ图_3.\*ARABIC4微进给缸体尺寸图设计的过程中必须要注意薄壁的尺寸对整个结构的影响。采用小的薄壁直径可以缩小结构的尺寸，有利于安装、加工等后续步骤的实施，但过小的尺寸使得突出的刀柄部分体积很小，这样将使刀片的安装变的复杂，不能提供足够高连接强度，而且保证端面位移足够大的同时要减小薄壁的厚度，增加了加工的难度，同时较大的a/h比会使薄壁工作的最大应变增大，一定程度下会超出材料的弹性变形范围，导致塑性变形；设计大的薄壁直径在可以使刀片安装变容易的同时还可以提高薄壁的厚度（在有同样位移行程要求的情况下），但不能满足上述采用小薄壁而能实现的优点。3.3小结本章中所进行的工作如下：1、通过弹性力学的薄板理论，给出了端面液压微进给装置的力学模型。在此基础上建立了设计方法，通过变形要求对装置的结构进行了初步设计。2、根据设计公式和要求计算获得微进给装置的薄壁的尺寸，根据实际的使用安装等要求设计了微进给装置的尺寸。

第四章特性的有限元模拟摘要：通过理论分析与计算，可以初步确定进给机构薄壁的基本尺寸，由于理论计算是将实际的结构简化获得的结果，所以有必要利用有限元分析软件对完整的结构进行模拟，对结果进行预测。此外，利用有限元软件还可以获得微进给装置的刚度等特性。4.1有限元分析方法简介[32][33]有限单元法是一个比较新颖并且十分有效的数值方法。它可以保留问题的复杂性，利用数值计算方法求得问题的近似数值解。随着电子计算机的飞速发展和广泛使用，已逐步趋向于采用这种方法来解复杂的工程实际问题。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。有限元分析技术目前已成为最重要的工程分析技术之一，广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。“有限单元法”这一名称是1960年美国的Clough首先使用的，虽然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。40多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。论文中所用到的有限元软件为ANSYS，ANSYS软件除了具有较好的用户图形界面，功能强大的处理器等优点之外，它还可以与许多先进的图形处理软件如Pro/E、UG、CAD等共享数据，并为各种工业领域的用户提供了分析各种问题的能力，利用ANSYS的数据接口，可以精确地将在图形处理软件系统下生成的图形几何数据传入到ANSYS系统中。而后准确地在该模型上划分网络并求解。同样ANSYS数据接口程序还可以镶嵌在Pro/E、CAD环境中，用户可以直接在Pro/E、CAD环境界面下在其模型上在线调用ANSYS进行分析工作，并能保持Pro/E、CAD数据和分析数据间的相关性。一个典型ANSYS分析过程可以分为以下3个步骤：1、定义单元类型第一步是创建有限元模型2、定义材料属性3、创建或者读入几何模型1、施加载荷第二步是施加载荷进行求解2、边界条件3、进行求解运算1、结果分析第三步是查看分析结果2、结果的检验1、创建有限元模型（1）定义单元类型ANSYS程序的单元库中有超过一百多种的不同单元类型，每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名，如SOLID95，PLANE77等等。（2）定义材料属性大多数单元类型在程序分析时都要指定材料特性,ANSYS程序可以选择的材料特性有:线性或非线性；各项同性、正交异性或非弹性；不随温度而变化或随着温度变化。（3）创建或者读入几何模型一旦选定了材料特性,在分析中下一步就可以建立所需的几何模型,并进行网格划分生成物理模型。有两种可以创建有限元模型的方法:实体建模和直接生成。2、施加载荷进行求解（1）定义分析类型和分析选项可以根据载荷条件和想要计算的响应选择分析类型.在ANSYS程序中,可以进行下列的分析类型选择:静态、瞬态、调谐、模态、谱分析、扰度和子结构分析等。（2）加载在ANSYS程序中，载荷共分为六大类：DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型（实体模型）上，包括关键点、线和面；也可以施加到物理模型（有限元模型）上，包括节点和单元。（3）指定载荷步选项载荷步选项的主要功能是对载荷步进行修改和控制.例如对子步数、载荷步的时间和输出进行控制等。（4）求解初始化该项的主要功能是,ANSYS程序数据库中获得模型和载荷信息,并进行计算求解,将结果数据写入到结果文件(Jobname.RST、Jobname.RTH、Jobname.RMG、Jobname.RFL)和数据库中。所不同是，数据库文件中每一次只是驻留一组结果，而结果文件将储存所有的结果数据。3、查看分析结果一旦程序计算完成，可以通过ANSYS程序后处理功能器查看结果。在ANSYS程序中一共有两个后处理器：POST1和POST26。

POST1为通用后处理器，用于查看整个模型或选定的部分模型在某一时间步的计算结果。POST26为时间历程后处理器，用于查看模型的特定点在所有时间步内的计算结果。4.2位移特性的有限元分析实际的微量进给装置薄壁的四周与油缸体相连接，在油压的作用下会有一定的弹性变形，同时由于薄壁上连有刀杆，这些都会使中心轴向的挠度产生变化，这是与理论推导的情况有区别的。因此，我们可以利用有限元对其实际变形情况进行模拟，为装置的结构设计提供参考依据。对于材料的弹性变形利用用静态分析方法，材料弹性模量为，泊松比为0.3，密度。为了提高精度，分析中选择solid187单元对结构进行划分，网格进行了细化。划分网格后的模型如图4.1所示。（a） （b）图4.1结构的有限元网格划分图4.220MPa压力下结构的变形图4.320MPa压力下结构的vonmises应力分布对于整个机构来说，油压是内力，所以结构内部设计为空腔。上下对称结构使得有限元分析可以只计算对称结构得另一部分，减少计算量，节省空间提高计算速度。根据实际受力情况，结构的约束施加在一边的悬臂上，约束类型为约束全部的自由度。空腔的压力为20MPa时，整个结构的变形如图4.2所示，通过选取刀柄的中心节点，以中心节点作为端面位移的参考，可以发现刀柄端面的变形为16.545μm，其结果要大于理论计算的值，相差15.4%。由于实际结构的差异和薄壁加工工艺的影响，变形相对与纯理论情况下有一定的差异，但是变形产生的位移是线性的，装置的进给的分辨率通过实验可以标定。4.3刚度的有限元分析4.3.1径向刚度图4.4车削刀具受力模型除了对端面周向变形进行了仿真，我们对其它的情况如切削力存在下刀柄部分的变形和结构的径向变形也进行了模拟，检验装置在最接近实际情况下的位移。在这之前先估算一下切削力的大小。液压式微量进给装置主要用于车削加工中，所以计算的切削力包括Fc（切向力），Ff（进给力），Fp（切深抗力），如图4.4所示： （4.1）利用指数公式来估算切削力：，式中V的单位为m/s。确定指数公式中各个参数[28]：加工材料选择，结构钢，加工型式为外圆纵车。这里估算，没有涉及到具体情况，所以，所以取。代入数据计算切削力：从以上计算中可以得到，当背吃刀量ap=0.01mm，即当液压式微量进给驱动器的输出微量进给为10μm时，驱动器所受的径向力（切削力）为8.0191N。由于装置切削时的进给量一般都会在微小进给的范围内，因此取切削力10N来模拟装置的径向刚度是足够的。图4.SEQ图_3.\*ARABIC5刀杆10N径向力下的变形分布通过仿真发现，如图4.5所示，刀杆在10N的径向切削力下端面上缘的最大变形量为0.566μm。在微量切削力下刀杆径向变形很小，由于径向变形为进给误差不敏感方向，所以刀杆的径向刚度是足够的。刀杆径向刚度=F/=10/0.566×10－6＝1.77×107N/m。4.3.2轴向刚度轴向刚度的大小与薄壁的尺寸参数相关。较小的a/h比可以提高轴向刚度。而大的轴向刚度可以有效抵消进给方向的抗力，能够保证切削深度的一致性，具有很好的稳定性。这里的轴向刚度指的是在没有油液存在的情况下缸体的刚度，如果在加压工作时，高压油的存在会使刚度有一定的提升。刀柄中心点在100N的集中载荷作用下装置的变形如图4.6所示。结果显示由于刀柄上下不对称，故在轴向力的作用下竖直方向有一定的挠曲，这里选择与加载的中心点同一水平方向的端面两端节点作为变形大小的参考点，变形量为0.79μm，轴向刚度可以有下面的公式得到：＝F/＝100/0.79×10－6＝1.27×108N/m图4.SEQ图_3.\*ARABIC6100N集中载荷下轴向变形分布通过与其它微量进给装置的对比，如表4.1，其刚度是最大的。所以装置的轴向刚度也是足够的。表4.SEQ表3－\*ARABIC1常用微量位移驱动器的刚度比较[18][29]微量进给种类最大刚度（N/m）机械传动(3~5)×107压电陶瓷(1~10)×107电磁式[9](1~2)×106本进给装置(1~10)×1084.4模态特性的有限元分析4.4.1结构动力学与模态分析结构动力学是研究结构体系的动力特性，及其在动力载荷作用下动力响应分析原理和方法的一门技术科学[27]。它的根本目的在于为改善工程结构系统在动力环境中的安全和可靠性提供坚定的理论基础。结构动力学的内容之一是研究结构的动力响应。结构动力特性分析是模态分析的主要目标[30]，经过半个多世纪的发展，模态分析己经成为振动工程中的一个重要的分支。早在20世纪四五十年代，在航空工业中就采用共振试验确定系统的固有频率。80年代中期至90年代，模态分析在各个工程领域得到普及和深层次应用，在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及噪声分析等方面的应用研究异常活跃，尤其是基于FEM,EMA和最优控制理论的结构动态修改和动态设计，取得了丰硕的研究成果。我们可以从各种公开发表的论文及资料上发现大量有关模态分析的研究成果。目前，模态分析方法己成为重要工程应用的方法，而且越来越广泛。结构模态分析从方法上可分为理论模态分析和试验模态分析。理论模态分析是根据结构上各点的几何参数，建立系统的有限元数学模型，然后通过分析计算，得到结构的动态参数，最终建立动力学分析模型.该方法虽能从理论上建立结构的动力学分析模型，但也存在较大的局限性:对结构间的连接、边界的约束等都只能够做力学上的简化处理;对阻尼往往不引入或凭经验引入;对有限元网格的划分及自由度的设置又要受计算机容量及运算速度的限制而有较大差异。因此所建模型的动力计算很难保证足够的精度。试验模态分析，可以在物理参数未知的情况下，通过激振试验和模态分析，识别出模态参数，包括模态频率、模态向量、模态质量、模态刚度、模态阻尼(结构系统的模态就由这些模态参数来描述，它们决定着结构系统的动态特性)，从而建立系统的动力学分析模型。试验模态分析法可以非常直观地了解各阶模态的情况，并联系模态坐标和物理坐标对结构进行优化设计，从而为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断、预报以及结构动力学特性的优化设计提供依据。该方法也可以反过来检验结构的有限元模型建立的正确性。试验模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析提供依据，其核心就是模态参数识别问题。模态参数识别的方法很多，可分为时域法、频域法两类。所谓时域法，就是直接利用响应的时间历程，用参数模型来识别模态参数。而频域法，是利用频响函数(或传递函数)数据进行模态参数识别的方法，又称机械阻抗法。本文的试验模态分析中采用频域参数识别方法。在二十世纪六、七十年代发展起来的试验模态分析技术弥补了有限元分析技术的某些不足。试验模态分析与有限元分析的相互结合及相互补充，在结构优化设计和设备故障诊断等许多方面，都取得良好的成效。它们已经在航天、航空、汽车、机床、建筑机械、电气设备等工业部门得到极为广泛的应用。模态分析在结构性能评价中的直接应用是根据模态分析的结果，即频率、振型、阻尼等，对被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态远离工作频率，或工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内;对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工作为佳。这是模态分析的直接应用，己成为工程界的基本方法。模态分析在结构动态设计的应用是以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的研究领域之一。众所周知，传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反复实测为主要手段。尽管依据模态分析结果和响应试验容易判断出结构的性能缺陷，但在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工程师只能依据经验和现有条件进行反复修改和实测，有时甚至将原设计完全推翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。为此，科技工作者不断探索有依据的结构动态修改方法，以期达到优化设计的目的。模态分析还有在故障诊断和状态监测中的应用及声控中的应用等。本文基于模态分析方法的广泛应用，将其应用于微进给机构的动态特性分析中，期望能确定产品的动态性能。4.4.2有限元的模态分析通过ansys，我们可以对微进给机构进行模态分析。模态分析用于确定结构的自振频率（也叫固有频率）和振型。自振频率和振型是结构的重要动力参数，模态分析也是进一步进行结构动力分析的基础。在软件分析中，材料弹性模量为，泊松比为0.3，材料密度为7830kg/m3。分析中选择solid187单元对结构进行划分。选择subspace作为模态提取方法，计算出梁的前6阶特征频率，结果见表4.2，对应的振型如图4.7所示表4.SEQ表3－\*ARABIC2结构的各阶频率阶数一阶二阶三阶四阶五阶六阶频率149.28270.73456.80541.74613.53621.70由分析结果可见，装置一阶固有频率的大小为149.28Hz,振型为以右边的凸缘为中心沿Z轴在X-Y平面摆转；二阶振型为以凸缘为中心沿缸体X轴在Y-Z面的摆动；三阶振型为刀柄部分在X-Z平面内的横向摆动；四阶振型为刀柄和缸体沿X轴在Y-Z面的转动；五阶振型为刀柄在Y-Z面沿X轴的偏摆；六阶振型为刀柄在X-Z面沿Y轴的摆动。可以发现装置的一阶固有频率是远大于一般车床转速下引起的激振频率的。这里的模态是缸体在无油压时的固有频率，当缸体内充满油压后，由于液压油的存在，阻尼的增大可能会使固有频率有所降低，但同时也有利于工作时的稳定，油压存在时候的模态参数参见第5章的实验部分。（a）1阶振型（b）2阶振型（c）3阶振型（d）4阶振型（e）5阶振型（f）6阶振型图4.SEQ图_3.\*ARABIC7结构6阶振型4.5小结本章中所进行的工作如下：1、由于弹性力学中的薄板弯曲理论对薄板模型进行了简化，计算微小弹性变形与实际结果会存在较大的误差，因此利用有限元软件ansys对端面弹性变形进行仿真，根据仿真结果可以预测微进给装置的实际变形量。结果显示，有限元计算与简化理论设计之间存在约为15.4%的误差。由于实际结构的差异和薄壁取值的影响，变形相对与纯理论情况下有一定的差异，但是变形产生的位移是线性的，装置的进给的分辨率通过实验可以标定。2、利用有限元分析得出了装置的6阶固有频率和振型，结果显示装置的一阶固有频率为149Hz，其一阶固有频率是远大于一般车床转速下引起的激振频率，同时一阶振型为进给的垂直方向，综合考虑可以认为一般情况下装置可以稳定的工作。第五章液压微进给装置的实验研究摘要:为了给装置的使用提供参考（如行程、分辨率、线性范围等）；为了避免装置在刚度极小值（即谐振频率）附近工作，以免给系统带来很大的误差，甚至无法工作乃至破坏，本章通过实验确定了装置的静动态特性。为了分析切削力对装置的影响，测定了刀杆的刚度。此外通过一系列的车削实验，对工件的表面形貌进行检测，获得了微进给装置的实际进给性能。5.1实验研究方法及设备5.1.1实验研究方法1.静态特性[35]图5.SEQ图_5.\*ARABIC1电致伸缩微位移器的电压－位移特性曲线静态特性是指输入位移x不随时间变化，即时的特性。其静态特性主要取决于驱动器的特性[35]。由于弹性变形是可逆的，且具有很好的稳定性，因此这里的静态特性指的是机构在油压控制下的输出位移x不随时间变化时的特性。通过对装置施加一定的油压，检验位移的输出值得到进给装置的压力－位移特性，同时可以获得装置的行程、分辨率、和压力－位移的线性度，以此来决定装置的工作范围。如图5.1所示为WTDS－1A电致伸缩微位移器测试的电压－位移特性曲线，曲线，曲线呈抛物线形（只画一半）。从曲线可见，在升压（伸长）和将压（回缩）时两条曲线不重合，存在着迟滞现象。电压100V～200V范围内线性度好，位移回零重复性优于0.01μm，位移分辨率0.01μm，行程>7μm。分析静态特性为装置的使用，例如行程、分辨率、线性范围提供了依据，同时为高精度补偿的修正提供了正确的数据。2模态分析[27][30]图5.SEQ图_5.\*ARABIC2单自由度系统模态分析中的系统分为单自由度系统和多自由度系统，单自由系统是分析模态的基础。图5.2所示的质量－弹簧－阻尼二阶系统，其运动微分方程式为 （5.SEQ5.\*ARABIC1）式中x及f均为时间t的函数。其中k为传动部件的刚度,m为工作台运动质量，c为阻尼系数。输出位移为x。对式两边进行拉普拉斯（laplace）变换，并假设初始值为0，可得 (5.SEQ5.\*ARABIC2)式中：x(s)为x的拉氏变换，而f(s)则为f的拉氏变换。对于自由振动而言，可得 (5.SEQ5.\*ARABIC3)由上式可得s的两个根， (5.SEQ5.\*ARABIC4)式中：＝k/m，系统的无阻尼固有圆频率；为阻尼比。 (5.SEQ5.\*ARABIC5)式5.2中的为系统的动刚度，其具有阻止系统振动的性质，因此又称为系统的机械阻抗， （5.SEQ5.\*ARABIC6）机械阻抗的倒数称为机械导纳，又称传递函数。传递函数反映系统的输入与输出之间的关系，反映系统的固有特性，是系统在频域中的一个重要特征量，也是频域中识别模态参数的依据。传递函数表示为 （5.SEQ5.\*ARABIC7）对5.1式进行傅氏域的变换，阻抗与导纳公式则表示为 （5.SEQ5.\*ARABIC8） （5.SEQ5.\*ARABIC9）被称为频率的响应函数，简称频响函数。结构动力特性分析是模态分析的主要目标，结构的动态特性通常用各阶模态参数来描述。通过对结构的的模态分析可以求得上述动态特性参数，从而评价结构的动态特性是否符合要求。结构的动态特性虽然可用有限元方法计算，但由于实际结构的复杂性，在建立有限元模型时所引进的一系列人为假设往往很难与实际结构相符，因此计算结构与实际情况往往不相吻合。模态分析是建立在实验基础上的，因此所得到的动态特性参数比较准确。1、激振信号的比较和选择在模态试验分析中主要有正弦激励信号、随机激励信号、瞬态激励信号等几种激励信号，每种信号在不同的场合下各具有其优点。没有一种在各方面都占优势的激励信号，使用时应根据具体情况合理选择，选择时可考虑如下几个因素:(1)测试精度:测试误差在正常情况下主要是由泄漏、噪声等引起。从泄漏、信噪比和有效值/峰值比等因素考虑，瞬态随机和正弦激励信号有突出的优点。(2)测试时间:一是整个测试耗用时间，二是测试系统工作时间。宽带随机(纯随机)与脉冲激励在这两方面都占用较少的时间，正弦激励则相反。(3)非线性影响的线性化:随机激励效果最好，脉冲激励则最差。(4)系统的非线性检验:非线性因素检验在复杂结构的模态试验中尤为重要，目前正弦激励是这种检验的主要手段。(5)实现的简易性:不论从设备上还是从实施上看，锤击脉冲激励最方便。(6)模态密集性:如结构在某频段内模态密集以致耦合严重，则应采用步进正弦或瞬态随机，前者可以变步长提高分辨率，后者则靠减少泄漏提高分辨率。综合考虑上面的分析结果，对于液压微进给结构的动态测试而言，锤击法是最简便、最经济、同时精度也能得到保证的激振方法2、被试结构的支撑进行模态试验的结构在实际的工作环境中，总处于一定的约束状态。进行试验时，选择结构的支撑方式首先考虑是否模拟其真实的约束状态。有些情况下，这种模拟状态是很容易达到的，有时则很难精确模拟，或者根本无法模拟，这时应考虑有无替代的支撑方案。从精确角度出发，自由状态的结构状态很容易模拟，但不可能使结构处于真正的自由悬浮状态。经常用一种非常柔软的悬挂系统将被测试结构支撑起来，以模拟自由支撑。这种情况下结构的刚体模态的频率己不为零。非常柔软的含义就是要保证刚体模态最低阶频率应低于结构自身第一阶弹性模态频率的(10-20)%，一般悬挂系统的固有频率应低于2HZ.软悬挂可以通过弹性绳的吊挂来实现，也可通过弹性基础来提供。对弹性悬挂除了上述非常柔软的要求外，还要求可能参与振动的质量尽可能小。模拟真实的结构约束状态，如固支、铰支等也称为地面支撑。地面支撑将结构上所选择的点与地基上的点相连。这种状态能很好地给出结构实际约束状态下的各种振动模型。必须注意的是，应使支撑基础的刚度足够大。实际上由于连接点及基础不可能保持绝对的刚性，因而与理论假设有一定距离，在应用时一般要求基础的传递函数比实验结构在联结点相应的传递函数小很多。采用地面支撑时，必须注意连接部位，不能由于联结体的引入，而引起局部刚度的增强。支撑的选择以实际情况来选择。在本课题中采用固定支撑条件下进行模态试验用以比较分析。5.1.2液压源的选择1、液压泵的选择[34]对于微进给装置来说，输入的油压决定了输出的最大位移，输入油压的稳定程度决定了输出位移的稳定程度，输入油压的分辨率大小也影响了输出位移的分辨率，因此选择合适的油泵和油路对液压微进给装置的性能的发挥有重要的作用。液压泵是用来将输入的机械能的装置。根据液压泵结构形式，可分为齿轮泵、叶片泵、和柱塞泵。每一类型的液压泵又有多种形式。各种液压泵的性能对比如下表5.1所示：表5.SEQ表_5.\*ARABIC1各类液压泵的压力范围类型性能参数齿轮泵叶片泵螺杆泵柱塞泵内啮合外啮合单作用双作用轴向径向渐开线式摆线式斜盘式斜轴式轴配流阀配流压力范围/MPa(低压型)（中压、高压型）2.5≤301.6162.5≤30≤6.36.3≤322.510≤40≤4035≤70高的驱动压力可以提高微进给装置的驱动力，可以消弱切削力对输出位移的影响，增强液压微进给装置位移的稳定性，因此一定程度上增强驱动压力是合适的。当然，较高的压力使装置工作稳定性的同时，也会带来一定的问题，例如由于泄漏等其它因素影响，太大的压力的油压稳定性会有所降低，同时高压下油管的受力变形会对装置产生很大的影响。结合实际的使用经验，故将工作最大压力选择为20MPa,属于中压范围。由于微进给装置缸体工作的最大油压为20MPa，且不需要提供流量，属于静态压力，所以在满足压力要求的条件下需要泵油装置能够提供最小脉动的油压输入。根据上述条件，柱塞泵可以满足要求。2、压力控制回路图5.SEQ图_5.\*ARABIC3稳压回路图5.SEQ图_5.\*ARABIC4限压回路在液压系统中一般都用到了压力控制回路，用以达到调压（稳压）、减压、增压、保压、卸载、平衡、缓冲等目的。压力控制回路可以分为调压回路、增压回路和减压回路、平衡回路、卸载回路等形式。调压回路中的稳压和限压回路的系统图如5.3,5.4所示。由于在液压微进给装置中，油缸只需要提供具有较高分辨率的油压，油泵只要补偿油路泄漏（由于没有活动部件，基本无泄漏）。因此就需要有精度较高的溢流阀，使油压的输出有足够好的分辨率，在实验中发现，使用北京机床所精密机电有限公司的电液驱动与控制实验台，其手动控制溢流阀调节就可以实现0.2MPa的分辨率的进给，而这是压力表的最小分辨率，如果使用分辨率更高的精密压力表的话，油压的进给分辨率会有一定程度的提高。为了能够实现控制的自动化程度，可以考虑利用伺服电机来控制溢流阀，同时也可以提高控制精度。调压回路的简图如图5.5。5.SEQ图_5.\*ARABIC5液压调压回路图5.SEQ图_5.\*ARABIC6电液驱动与控制实验台图3、实验中的油压驱动源图5.SEQ图_5.\*ARABIC7手动液压泵验中用到了两种动力源，一种是北京机床所精密机电有限公司的电液驱动与控制实验台，图5.6所示，其采用的轴向柱塞泵（SCY14-1B）最大可以提供31.5MPa的压力。由于稳定性和可控性好，用于向微进给装置静态特性检测实验提供压力。另一种是手动液压泵，图5.7所示，最高可以提供60MPa的压力，稳定性和可控性稍低一些，可以在切削时提供有效的压力。液压控制台的调压回路如图5.6所示，通过溢流阀对压力进行调节。轴向柱塞泵的最大压力和输出流量可以通过上面的手柄调整，由于液压微进给装置的缸体工作中几乎没有流量，所以控制台在使用时，液压油的输出流量控制在比较小的范围，有很好的油压响应速度。控制台的油压控制比较稳定，工作中随着时间的推移压力表指针无明显变化。工作台调压回路如图5.8所示。另外一种动力源是手动液压泵，其工作原理如图5.10所示，分为四个过程（1）充液：油泵在开始工作时，油液被柱塞压入高低压单向阀，通过高低压单向阀进入油缸，当压力升到1MPa时，则低压阀打开，低压油溢回储油管。图5.SEQ图_5.\*ARABIC8手动柱塞泵的系统图（2）升压：在上述的基础上，高压柱塞继续工作，压力逐渐升高，当压力超过额定压力63MPa时，则高压阀门打开、高压油从高压阀溢回储油管，压力始终保持在63MPa。高压阀就是安全阀。（3）工作:在工作过程中，由于工作缸做功，能量会减小，所以要随时摇动手柄，保持所需的工作压力，直至工作结束。（4）卸载：油泵工作完毕，需要将压力减至为零，打开卸载阀，油液流回储油管。完成卸载工作。工作中手动液压泵的压力随着时间的延长有明显的变化，如表5.2所示从实验结果来看，当手动液压泵打到一定油压时，开始压力表指示油压会逐渐地下降，随着时间延长，手动液压泵油压基本稳定在一个值处，整个过称没有油压的泄漏。分析现象是由于油管在油压增大的情况下会有缓慢的变形，导致整个封闭油路的空间增大，油压就会相应的降低，对比油压控制工作台，由于溢流阀是通过控制溢流量的大小控制压力，因此会稳定很多。所以手动液压泵在使用中要适当的进行补压。表5.SEQ表_5.\*ARABIC2手动泵压力随时间的变化情况初始油压/Mpa468101214161820终了油压/Mpa8.410.312.815.116.917.3等待时间/分20.512.321.510.214.426.4由于液压控制台受场地的限制，在实验中只用于微进给装置的压力－位移特性的标定。手动液压泵用于模态实验中压力的提供和车削实验中的压力供给和控制。5.1.3实验设备组成实验中用到的仪器设备有：电感测微仪、精密压力表、液压控制台、高压液压油管、虎钳等。实验所用的电感测微仪有3μm档，10μm档，30μm档，100μm档，量程分别为6μm,20μm,60μm,200μm。3μm挡与10μm档测量分辨率分别为0.1μm、0.5μm。精密压力表的量程为60MPa，最小刻度为0.2MPa。液压控制台的最大工作油压为31MPa。位移特性实验检测的是输入（油压）与输出（位移）之间的相互关系，通过检测输入压力值和输出位移值来分析装置的特性。实验的模型如图5.9所示。液压控制台的柱塞泵1提供动力,溢流阀4调节压力的大小由精密压力表5获得。进给装置固定于虎钳6上，端面的变形大小由电感测微仪1的电感测头检测，最后通过刻度表显示出来。5.10为实验的实物图。1、柱塞泵2、油管3、电感测微仪4、溢流阀5、压力表6、虎钳7、进给装置图5.SEQ图_5.\*ARABIC9实验模型图5.SEQ图_5.\*ARABIC10实验实物图5.2装置静态特性的分析5.2.1压力位移曲线1、输出线性度在进行输出线性实验时，以2MPa作为初始点，每隔2MPa加一次油压，最大油压为20MPa。电感测微仪的精度为0.5μm。取三次的实验结果作为输入输入线性的说明，实验结果如表5.3-5.5及图5.11-5.13所示。表5.SEQ表_5.\*ARABIC3微进给装置压力－位移对应值1输入油压/Mpa024681012141618变形量/μm011.212.714.4图5.SEQ图_5.\*ARABIC11微进给装置压力－位移曲线1表5.SEQ表_5.\*ARABIC4微进给装置压力－位移对应值2输入油压/Mpa024681012141618变形量/μm01.49.41112.714.2图5.SEQ图_5.\*ARABIC12微进给装置压力－位移曲线2表5.SEQ表_5.\*ARABIC5微进给装置压力－位移对应值3输入油压/Mpa024681012141618变形量/μm01112.614.2图5.SEQ图_5.\*ARABIC13微进给装置压力－位移曲线3由以上实验结果可以看出，液压式微量进给驱动器的输出与输入成线性关系，三次实验所得到的输入输出直线的斜率的最大误差为1％，因此结合前面的有限元分析及本节的实验分析，可以说明液压式微量进给驱动器具有输出与输入是线性关系的特性，在油压可控分辨率为0.2MPa下位移的分辨率为0.16μm。20MPa下装置的行程为16μm。2、滞后滞回表示的是当输入量从小到大及从大到小变化时，输出相应的曲线不重合，有偏差，这种现象称为滞回现象，滞回量大小用△S表示，如图5.14所示，在液压式微量进给驱动器中，要分析一下驱动器是否存在滞回现象及滞回量的大小，因为如果微进给装置有滞回现象，并且滞回量比较的大，这会给实际使用带来不便。图5.SEQ图_5.\*ARABIC14滞回在滞回特性的实验分析中，电感测微仪选择3μm档，精度为0.1μm，由于测量精度的提高，因此在此实验中每隔1Mpa测量1次，起始油压为2MPa，最高油压为9Mpa。通过取3次实验的不同组数据，测量结果如表5.6-5.8及图5.15-5.17所示。表5.SEQ表_5.\*ARABIC6微进给装置加压与减压对应的位移量及差值1输入油压/Mpa01234567加压变形量/μm00.71.524.725.51减压变形量/μm00.781.582.323.123.914.725.51滞回误差/μm00.0200.020.020.0100图5.SEQ图_5.\*ARABIC15微进给装置加减压－位移特性曲线1表5.SEQ表_5.\*ARABIC7微进给装置加压与减压对应的位移量及差值2输入油压/Mpa01234567加压变形量/μm00.451.252.022.813.64.455.28减压变形量/μm00.51.282.052.823.64.425.28滞回误差/μm00.050.030.030.0100.030图5.SEQ图_5.\*ARABIC16微进给装置加减压－位移特性曲线2表5.SEQ表_5.\*ARABIC8微进给装置加压与减压对应的位移量及差值3输入油压/Mpa01234567加压变形量/μm00.721.562.343.143.954.815.61减压变形量/μm00.751.562.363.133.964.815.61滞回误差/μm00.0300.020.010.0100图5.SEQ图_5.\*ARABIC17微进给装置加减压－位移特性曲线3由以上实验结果可以看出，液压式微量进给驱动器的滞回误差是小的，一般情况下不超过0.05μm，而这已经是估读出的数据，因此由驱动器滞回特性的实验分析，可以认为液压式微量进给驱动器是没有滞回产生的，在加压和减压的过程中一定的压力就有相应的变形量对应。5.2.2重复精度1、微进给装置重合度特性微进给装置重合度特性是指在同样的情况下（如温度、环境相同情况下），多次施加相同的输入油压，分析其多次输出位移是否一致。微进给装置重合度特性是非常重要的，因为如果微进给装置重合度差，在实际中就无法对其位移进行控制，无法被应用在超精密车床。2、微进给装置重合度特性的实验分析在微进给装置重合度特性的实验分析中，电感测微仪仍然选择3μm档，精度为0.1μm，在实验中每隔1MPa测量1次，最高油压为9MPa。在进行实验时，为了获得同样的环境情况，对同一点进行连续测量3次测量，测量结果如表5.9及图5.18所示。表5.SEQ表_5.\*ARABIC9微进给装置重复加压时的位移压力（Mpa）\次数12345652.412.402.402.412.392.400374.014.014.004.014.004.0084.834.724.804.794.814.8195.605.605.605.625.605.59图5.SEQ图_5.\*ARABIC18微进给装置的重复性由以上实验结果可以看出，液压式微量进给装置重合度较好，在连续三次测量中，最小与最大值相差不超过0.07μm，大小在测量仪器的最小刻度值以内，变化很小，因此可以证明液压式微量进给装置重合度较好。5.2.3稳定性表5.SEQ表_5.\*ARABIC10装置的位移（μm）随时间的变化时间（min）压力（MPa）024681052.402.402.402.402.402.400074.004.004.004.004.004.0084.784.794.794.794.794.7995.575.585.585.585.585.58图5.SEQ图_5.\*ARABIC19微进给装置的稳定性通过稳定性的测试，可以反应出装置在一段时间内，一定压力下位移输出的变化情况。实验所用的电液驱动与控制实验台能很好的控制压力的波动，所以通过检测装置的位移输出即可反应出其稳定性的大小。实验中选择5～9MPa几个压力状态，每个压力下测5个点，时间间隔为2分钟。电感测微仪选择3μm档，精度为0.1μm。实验结果如表5.10，图5.19所示。可见在一定的时间范围内，液压微进给装置的位移输出变化很小，在电感测微仪的分辨率内，有很高的稳定性。5.3刚度的分析5.3.1实验过程在第四章液压式微量进给装置有限元分析中，已对刚度进行了模拟。装置刚度的实验方法理与有限元分析一样。分析装置轴向刚度时，轴向施加集中力，通过测量仪器测量力加载方向的位移，通过计算就可以获得装置刚度的大小。装置轴向刚度的实验装置原理如图5.20所示。在虎钳装夹下对装置加载一定的重物，通过电感测微仪检测变形量大小。图5.SEQ图_5.\*ARABIC20轴向刚度测量的原理图5.3.2实验结果及数据分析通过实验，得到刀杆在径向集中载荷为4.2Kg力的作用下的变形情况，如表5.11所示：表5.SEQ表_5.\*ARABIC11轴向刚度的检测次数12345均值输出值/μm0.360.380.340.340.340.35由实验所得的平均值，可以得到径向刚度的大小:K=F/=4.2×9.8/0.35×10－6＝1.18×108N/m通过与理论值对比发现刚度偏小，相差7.1％。由于受到电感测微仪的分辨率的限制，集中载荷下的位移输出不能达到很高的精度，同时集中载荷下的位移输出值对刚度的影响很大，所以轴向刚度实验获得的刚度值精度有限。但是通过刚度实验，可以说明刚度计算结果是可靠的。5.4模态分析以及实验结果5.4.1实验过程及实验方法模态试验是测试结构固有动态特性的有效方法，通过有限元仿真知道前6阶的频率都在1000Hz内，因此确定本次试验主要考察装置在1000Hz以内的振动频率。用锤击脉冲激励作为输入激励。激励方式为多点激励,单点拾振;进给装置划分为43个测点。图5.SEQ图_5.\*ARABIC21测试系统框图图5.SEQ图_5.\*ARABIC22模态实验测试系统框图如图5.21所示，结构的脉冲激励由力锤上的力传感器通过敲击产生，分别锤击进给机构上分布的43个测点。由于锤击可能出现因构件反弹而引起的两次撞击，故在锤击时尽量保持了一致性。响应测量采用加速度传感器，测点分布在结构的薄壁面上，按激励次序排序为25号点。装置通过虎钳固定，与机床上的装夹情况相似，虎钳固定在冲击实验台的机座上，具有一定的刚度。安装情况如图5.22所示。5.4.2实验结果及数据分析通过锤击可以测得盘面上不同位置处的激励与响应信号，然后经过傅立叶变换，得到装置的传递函数。将结果导入振动分析软件ME'scopeVES4.0中，对各测点的传函曲线进行模态拟合和质量归一处理提取出各阶模态参数，即可以到整个装置的模态频率、模态振型及模态阻尼。最后得到频谱图如图5.23、5.24所示，分别对比未施加油压和施加10MPa油压两种情况，可见固有频率主要在151Hz和250Hz这两处。油压存在对微进给缸体的固有频率的影响不大，证明在这里液压油所产生的阻尼不是很大。通过与有限元仿真对比，实验所得固有频率大小与仿真结果的1阶和2阶频率很接近。图5.SEQ图_5.\*ARABIC23单缸体谐相应函数图5.SEQ图_5.\*ARABIC2410MPa时谐响应函数在151Hz和250Hz时结构的振型如图5.25，5.26所示。图5.SEQ图_5.\*ARABIC25固有频率为151HZ时缸体的振型图5.SEQ图_5.\*ARABIC26固有频率为249HZ时缸体的振型可以发现151Hz时的振型不是很明显，其振动是以凸台为中心在平行与X-Z的平面内摆动，分析原因这应该是由于在实际装夹的过程中，结构的刚度与理论的完全刚度相比要小，因此振幅变得不明显。结构在250Hz时的振型是以凸台为基点，平行于X-Y面的摆动，振幅比较明显。图中局部亮度高的部分为变形较大的局部是由于该处测点的传递函数有较大的变化所致。由于装置的结构较小，导致测点的位置较密，所以在敲击的时候会有差异。这些不会影响整个装置振型的变化。实验的结果表明微进给装置的模态与有限元仿真相比，是比较接近的。因此该装置的固有频率在机床转动引起的激振频率，具有好的稳定性。5.5切削实验5.5.1实验目的及实验方法(a)(b)图5.SEQ图_5.\*ARABIC27车削实验台的搭建切削实验的目的是检验微进给装置的实际位移特性，检验微进给装置能否提供合适的微量位移，从而提高现有的CNC进给精度。实验时将微进给装置安装于SPINNERSB－CNC上，其X轴的进给精度为2μm，Z轴进给精度为3μm，主轴最大转速为8000转/分钟,车削采用SANDIVIK的型号为TCMW090204FP的聚晶金刚石刀片，刀片的前角为00,后角为70,修光刃半径为0.4mm。工件材料为LY12。径向进给通过不同次的加压产生，加压时机床X轴运动方向锁死，Z轴提供轴向进给。压力逐次减少直到0.2MPa，最后通过检测工件的阶梯高度来反映微进给装置的实际进给性能，工件的要车削的形状如图5.28所示。实验工作的原理图、车削实验台的搭建及工件加工方法如图分别由图5.27(a)(b)、5.28所示。图5.SEQ图_5.\*ARABIC28工件的车削方式5.5.2实验过程由于装夹条件的改变，在进行车削前先标定一下微进给装置的位移特性，直接将微进给装置装夹于转塔上时，位移特性曲线如图5.29所示。图5.SEQ图_5.\*ARABIC29自由状态下微进给装置的位移特性通过实验发现理论的位移特性和安装于机床时的位移特性有一定的差异，表现在灵敏度（斜率）的大小随油管状态不同而有很大变化。通过位移传感器的检测，分析原因有以下几点：1、由于油管在高压弯曲情况下会有向直线形状恢复的趋势，加上微进给装置尾部有很长一段油管是处于自由的悬空的状态，因此在两者的共同作用下工作时会对装置施加一定的干扰力，使整个结构发生变形；2、装置是通过机床自带的刀架连接于机床转塔，连接好以后有一定长度的悬伸量，这样整体刚度就被消弱，同时接触面的增加也会使状态发生变化，因此在油管干扰的作用下产生很大变形。由于装置的进给量在亚微米以下，因此会产生的很大的位移误差。分析上述的因素，可采取的解决方法如下：1、改变油路的形式，这样可以减少油管的干扰力；2、增加机床的刚度，消弱干扰力的影响。由于机床的结构无法改变，因此方法2不可行。方法1可以有很多种解决方式，如改变微进给结构的形式、减小油管的内径的大小，改变油管的布局等。由于改变油管的布局对现有的设备变动最少，而且证明可以实现，因此最后选择此方法。通过检测发现刚度大小按导轨上的工作台、转塔、刀柄、微进给装置的顺序依次降低，因此可以使油管在高压下的干扰力传递到刚度大的部位，同时将油管与微进给装置扎紧，来改变油管的自由悬伸的状态。通过改动后的装置的位移特性曲线如图5.30所示。可以发现位移特性恢复，油管的干扰大大减小，与标定时的分辨率相差不到1%，可以认为油管的干扰被消除。图5.SEQ图_5.\*ARABIC30油管固定后微进给装置的位移特性车削时切深依次为2μm、1μm、0.5μm、0.16μm。主轴的转速为3000r/min、进给速度f＝0.005mm/min。5.5.3实验结果及分析通过VeecoWYKO形貌仪检测工件的阶梯面，可以获得进给的实际效果。切削高度分别为1.92μm、0.96μm、0.48μm、0.16μm的工件的轴向剖面如图5.31所示。由结果可以发现利用液压微进给装置实现刀具的微位移是可控的，利用液压微进给装置可以获得所需要的进给量，但是由于车削实验所用的CNC机床精度有限，如主轴的回转精度，Z轴方向导轨的直线度等影响，所加工的工件表面粗糙度稍大，在最小进给量为0.16μm的阶梯已不明显，并且所获得的高度要大于设定值，进给不稳定。两阶梯面的凹槽是由于车刀在此处停顿了一段时间用于下一段车削编程而形成的。（a）(b)(c)(d)图5.SEQ图_5.\*ARABIC31利用液压微进给装置加工的阶梯截面轴形貌:（a）1.92μm;(b)0.96μm;(c)0.51μm;(d)0.16μm此外通过比较使用和不使用液压微进给装置及不同工作压力段时的车削情况，工件表面质量如图5.32所示。结果显示利用液压微进给装置在开环下进行精密车削可以降低工件的表面粗糙度。相对于原有的车削系统，液压微进给装置中存在阻尼使车削时刀具的振动幅度要降低，最终工件的平均粗糙度Ra约为原来的1/2，轮廓的最大高度Rt较原来也减小很多。同时结果显示液压微进给装置在不同的工作压力段切削时，对工件的表面质量影响不大。图5.SEQ图_5.\*ARABIC32几种切削方式的表面粗糙度利用车床的滚珠丝杠在X轴方向进给1μm的极限值，通过检测工件形貌，实际加工获得的阶梯高度为0.8μm左右，如图5.33，进给量为1μm时，机床导轨已不能补偿位移的误差。因此利用液压微进给装置提高了SPINNERSB－CNC精密机床的X轴方向的进给精度，同时也提高了工件的表面质量。通过切削试验表明液压微进给装置开环控制时结构简单，位移控制稳定，对于提高现有的精密机床的加工精度是可行的。由于机床的Z轴方向采用滚珠丝杠和滑动导轨的运动方式、主轴的回转精度保持在原有的精度水平，因此整体的加工效果有限。图5.SEQ图_5.\*ARABIC33机床极限进给工件的截面形貌通过车削实验发现装置可以实现最小1.6μm的切削，具有很好的可控性能，大大提高了精密车削机床的进给精度，但是由于传统的CNC的精度有限，如主轴回转精度、丝杠传动的运动精度等在亚微米下会产生很大的误差，所以微进给装置可以实现的进给精度有限，但通过静态的实验可以发现液压微进给装置可以达到0.16μm的进给分辨率，如果有更高精度的压力表和控制方法，精度可以达到更高。5.6本章小节本章所做的工作和结论如下：1、分析静态特性可以为装置的使用提供依据，同时为高精度补偿的修正提供了正确的数据。通过静态实验，证明微进给装置在2MPa-20MPa的工作范围内能够获得0.8μm/MPa的位移输出灵敏度，在最小0.2MPa输入压力下可以获得0.16μm的进给精度，在0.02MPa的输入压力下能达到0.016μm的进给精度，同时位移输出具有很好的线性，重复性和稳定性。2、模态试验是测试结构固有动态特性的有效方法，模态实验的结果表明装置的一阶工作频率要大于150HZ，相对于机床主轴最大8000转/分钟的转速不会引起共振的情况出现，因而该微进给装置具有好的动态稳定性。3、液压微进给装置端面的刀杆在切削加工时会受到切削力，它们的刚度大小会对切削变形以致切削效果产生直接影响。通过实验测得进给装置的轴向刚度为1.18×108N/m，因此刚度是足够大的，在进给量小时需要补偿的量很小，在这里可以忽略，因此对于开环位移控制实验是十分有利的。4、将微进给装置安装于SPINNERSB－CNC上，主轴的转速为3000r/min、进给速度f＝0.005mm/min时，利用微进给装置驱动PCD车刀，可以切削出高度差依次为2μm、1μm、0.5μm、0.16μm的阶梯轴。实验结果表明，利用液压微进给装置在开环下进行精密车削可以降低工件的表面粗糙度。相对于原有的车削系统，液压微进给装置中存在阻尼使车削时刀具的振动幅度要降低，最终工件的平均粗糙度Ra约为原来的1/2。同时结果显示液压微进给装置在不同的工作压力段时，对车削工件表面的质量影响不大。

第六章结论与展望6.1研究的主要结论本文在对目前使用液压微量进给装置进行概述和分析基础上，提出了一种新型微量进给装置—液压式微量进给装置，根据机械结构设计准则，对装置的结构进行了设计，并且借助于力学知识，获得进给装置关键尺寸确定理论公式，利用有限元分析方法和实验方法，对进给装置的特性进行了分析。论文主要取得了以下成果：（1）本文系统分析了微量进给进给装置的现状和发展趋势，比较目前常用微量进给装置的性能，指出了现在使用微量进给装置的不足和缺点，提出一种能弥补现行微量进给装置缺点的新型微量进给装置—液压式薄壁微量进给装置。（2）根据液压式微量进给装置使用场合和工作环境，考虑进给装置应用和推广使用，提出了液压式微量进给装置结构设计准则，依据设计准则，设计出实体装置。（3）借助于弹性力学知识，得到了液压式微量进给装置关键尺寸确定理论公式，在对理论公式进行分析和研究基础上，提出了液压式薄壁微量进给装置功能尺寸确步骤，依据尺寸确定步骤，对进给装置关键尺寸进行确定。（4）借助于有限元软件ANSYS,对液压式薄壁微量进给装置进行有限元分析。通过有限元分析，验证液压式微量进给装置设计是否达到要求，并分析进给装置的输出与输入特性及进给装置刚度。（5）在前面所做工作的基础上，研制并制造出液压薄壁式微量进给装置，借助于实验方法对其特性进行分析，通过实验分析验证该装置具有输出与输入是线性关系、高刚度、双向大驱动力的优点，同时还分析了进给装置其它方向的特性如滞回特性、重合度特性，通过分析发现该装置滞回现象不明显，在环境条件相同情况下，装置的重合度较好。（6）对微进给装置进行模态实验，将实验结果与有限元进行了对比，得出了装置的6阶固有频率和相应的振型。对结构的优化设计和加工参数的选择提供实验依据。（7）研制的液压式薄壁微量进给装置应用在超精密加工机床上，以此分析进给装置使用性能。通过利用WYKO表面形貌仪对已加工零件表面形貌测量，证明其有良好使用性能。6.2尚待深入研究的问题及发展展望液压薄壁式微量进给装置是一种新型的微量进给装置，它具有输出与输入保持线性关系特性，高刚度及能承受拉压载荷方面优异性能，它能够很好地应用于超精密车床之中，对零件进行精密与超精密加工，实现刀具误差在线补偿及微薄切削，液压式薄壁微量进给装置为精密与超精密机床提供一种新型刀具微量进给装置，促进了精密与超精密加工技术的发展。本文在完成过程中，由于时间等种种原因，还有很多方面尚需完善，今后需要解决的主要问题有：（1）微量进给装置中大行程和高精度这一对矛盾仍然存在。在进给装置开发和研制中，也尝试着大行程和高精度结合液压薄壁式微量进给装置研制，研制中主要出现问题是粗精进给兼容性问题，此外高压油管及高压管接头对精进给输出影响问题。因此在今后致力于粗精结合液压式薄壁微量进给装置研制时，要着重首先解决好这两个问题。（2）液压式薄壁微量进给装置安装在精密机床上，对零件进行精密加工，在一定情况下可以获得较好的位移控制精度，但通过手动只能实现一定量的稳定进给，要实现复杂工件形状的加工则需要实现自动控制。同时由于加工条件的复杂性，如切削力的变化，刀片的磨损等因素会使工件尺寸产生误差，则要求装置能实现闭环的控制来补偿误差，因此，必须完善装置的控制系统。(3)由于液压式薄壁微量进给装置中工作时阻尼会消弱振动的影响，那么对于微进给装置来说，采用何种形式会获得合适的阻尼和刚度配合，使得切削时对振动消弱达到最佳化，获得更好的使用性能，这些问题还需进一步研究。

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