【正文】 17 在本課題的研究中，重點(diǎn)研究了在超精密加工中環(huán)境振動對于超精密加工的影響以及超精密加工中環(huán)境振動的防治，但由 于現(xiàn)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的局限性以及振動的不確定性，在防治環(huán)境振動的研究中尚存在一些暫時不可避免和克服的困難。近年來 ,國外對混合控制的研究正逐步發(fā)展到非線性結(jié)構(gòu)體系上 ,理論研究也取得了一些進(jìn)展。從系統(tǒng)自身特性來看 ,主動變阻尼控制裝置則對系統(tǒng)阻尼進(jìn)行切換。 在借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)的同時 ,也總結(jié)出一些亟待解決的問題 ,如控制能量需求較大 ,控制中會受到致動器本身的能量和控制范圍的限制 。其中 ,致動器和傳感器是實(shí)現(xiàn)主動控制的關(guān)鍵部件。通常將其置于被控結(jié)構(gòu)位移最大處 ,通過調(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)整體受到外界振動激勵時產(chǎn)生與主體結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力 ,達(dá)到抑制振動的目的。 另一方面 ,從需要隔振的設(shè)備角度來看 ,往往米用動剛度指標(biāo)來衡量設(shè)備的抗振能力 ,即設(shè)備產(chǎn)生單位振幅所需要的動態(tài)力。規(guī)范 [13]規(guī)定 :對于一般的數(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 ,而對重型和精密機(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。對沖擊振動或高于 30Hz 的振動 ,隔振溝能起到明顯效果 ,但對于較低頻率的振動 ,即要求隔振溝的深度達(dá)到 10~20m,從經(jīng)濟(jì)型和安全性看來往往較難實(shí)現(xiàn)。而對有效防振距離的確定要綜合場地的地質(zhì)條件、振源的振動特性、超精密設(shè)備的允許振動值和設(shè)備本身的隔 振措施等進(jìn)行分析 ,較為復(fù)雜。并且考慮到其安裝、更換方便 ,因而在超精密加工設(shè)備的隔振設(shè)計中應(yīng)用較廣泛。橡膠隔振器的承壓能力也比較弱，在使用過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)。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，減少振源振動的輸入。 跟國際上的超精密加工中環(huán)境振動防治的發(fā)達(dá)國家相比，我國國內(nèi)的防治環(huán)境振動的理論和經(jīng)驗(yàn)還是有相當(dāng)多的欠缺的 ,和日本與歐美幾個在超精密加工領(lǐng)域領(lǐng)先的國家有著 10 較大的差距 ,國內(nèi)相當(dāng)多的環(huán)境振動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) 。日本以及歐美發(fā)達(dá)國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于地面振動的研究和模型 [6]；使用多元回歸法研究鐵路產(chǎn)生的振動的各種因素；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；壓電堆棧式作動器在超精密加工中振動控制的主動系統(tǒng)中能取得有效的效果。如果環(huán)境振動超過其能允許的范圍數(shù)值時會直接影響到超精密加工設(shè)備儀器的正常使用，還有可能直接導(dǎo)致設(shè)備的無法使用。這產(chǎn)生的振動有一定的隨機(jī)性 ,大體在 ~ Hz,振幅為 ~10nm。在這些之中，空氣壓縮機(jī)在振動時的頻率較低、振動蘊(yùn)含能量較大 ,在傳播過程中能量的衰減比較緩慢 。 振動環(huán)境的指標(biāo)的控制主要包含內(nèi)部振動的消除和外部振動的消除，內(nèi)部振 動的消除有提高設(shè)備回轉(zhuǎn)零件的動平衡精度；減少設(shè)備傳動系統(tǒng)的振動；減少液壓系統(tǒng)的干擾；提高系統(tǒng)的抗振性能。室外振動通常包括交通運(yùn)輸產(chǎn)生的振動、工廠生產(chǎn)產(chǎn)生的振動、建筑施工產(chǎn)生的振動和輔助設(shè)備產(chǎn)生的振動。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)。要完成這個超精密加工，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。還有超精密加工技術(shù)比較領(lǐng)先的有長春光機(jī)研制的數(shù)控非球面加工中心和國防科技大學(xué)于本世紀(jì)初研制的集銑磨成型、研磨拋光、接觸式檢測于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床 AOCMT。現(xiàn)如今，日本在辦公器材、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。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。這一個時間段，美國首先開始研究了以單點(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]。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，使用的未來遠(yuǎn)景極為廣 [1]。 I 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，是各個國家綜合國力的象征，推動著國家高新制造產(chǎn)業(yè)的不斷前進(jìn)。 跟著現(xiàn)代加工制造技術(shù)和高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品對產(chǎn)品的精度以及表面完整性的要求愈來愈高 ,超精密加工制造技術(shù)的重要性逐漸體現(xiàn)。歐美一些發(fā)達(dá)國家陸續(xù)成功研制成功了用于超精密加工的超精密金剛石車床，用于一些常見軟金屬的超精密加工，加工的形狀也只限于簡單的軸對稱圖形零件。隨著超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，超精密加工設(shè)備成為工業(yè)生產(chǎn)中比較習(xí)見的生產(chǎn)設(shè)備。 我國于上個世紀(jì)六十年代中期開始研究鏡面外圓磨床，加工圓度小于 ，表面粗糙度能低于 。國內(nèi)有很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)對磁流變拋光進(jìn)行了探索研究，國防科技大學(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 KDMRF1000。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、 振動環(huán)境、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程中加工的精度和質(zhì)量。 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，就是要求在加工過程中溫度的變化越小越好，即控制恒溫。自然界的振動通常包括風(fēng)等。外部振動的消除主要是隔振：遠(yuǎn)離振動源；隔絕空氣彈簧；隔振地基、安防隔振元件等。那些振動能量不大、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。 振動環(huán)境在實(shí)際生產(chǎn)生活中無處不在，在日常生產(chǎn)生活中，機(jī)械振動時指物體在平衡位置附近做往復(fù)的重復(fù)運(yùn)動，并且具有雙重性。相對于不同的機(jī)器設(shè)備，對于振動的允許范圍指標(biāo)就不徑相同，在精度要求比較高的加工儀器加工材料時，振動會使加工材料與刀具之間產(chǎn)生顫振。 在超精密加工的振動控制上，歐美以及日本一直處于世界研究的前列，但是各自研究振動的方向又各有特點(diǎn)，促使世界研究超精密加工的振動研究有序良好得往各個方面發(fā)展，建立了現(xiàn)如今世界在這些領(lǐng)域有序競爭的良好現(xiàn)象。而且在我國還沒有制定超精密加工中一些對于精度要求極高的設(shè)備在使用中的專門 的環(huán)境振動允許值的標(biāo)準(zhǔn)。 (1)隔振器 當(dāng)前國際社會上超精密加工制造產(chǎn)業(yè)中最常見的隔振器的類型主要是鋼彈簧、橡膠、空氣彈簧隔振器。 11 空氣彈簧 [10]相較于其他兩種隔振器在適用的范圍以及隔振的效果來看有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 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 ,以減小振動傳遞率。 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)備周圍設(shè)置隔振屏障能適當(dāng)減小振動波的振幅。 3)采用隔振元件 對于與地面之間設(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、安裝拆卸及長期使用中的調(diào)整和更換方便等因素綜合考慮 , 13 采用合適的隔振器類型和尺寸 ,應(yīng)保證隔振器的總體剛度和阻尼滿足機(jī)床系統(tǒng)的隔振要求。規(guī)范明確規(guī)定了不同機(jī)床種類所應(yīng)滿足的基礎(chǔ)混凝土 厚度 ,見表 。通過改善結(jié)構(gòu)斷面的尺寸、形狀 ,以及零部件間的聯(lián)接剛度等以優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu) ,提高其抗振能力。動力吸振的實(shí)質(zhì)即利用子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的 “鞭梢效應(yīng) ”來吸收主體結(jié)構(gòu)的振動能量而實(shí)現(xiàn)減