【正文】 位移直線驅(qū)動(dòng) 器的研究 [9]等。 跟國際上的超精密加工中環(huán)境振動(dòng)防治的發(fā)達(dá)國家相比，我國國內(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)先的國家有著 10 較大的差距 ,國內(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) 。由于在超精密加工制造中影響最大的環(huán)境振動(dòng)，國家應(yīng)該盡快加大力度和研發(fā)力量完善我國制造業(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)。其控制方法主要包括隔振、消振和動(dòng)力吸振技術(shù)。而相對(duì)于隔振的對(duì)象來說，現(xiàn)在的隔振措施分為主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振。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(dòng)的輸入。 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，使用壽命較長和隔振器本身比較耐高溫，但是由于剛度較小，固有頻率 ~，阻尼僅僅只有 ，在控 制設(shè)備共振振幅的表現(xiàn)較差。 橡膠隔振器產(chǎn)品種類繁多，樣式多樣，變形可逆性較好。橡膠隔振器剛度較大 ,阻尼系數(shù) ~,主要和金屬彈簧相搭配用于主動(dòng)隔振中，能較好隔離高頻率的振動(dòng)。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)。從最初應(yīng)用于車輛的空氣彈黃懸架 ,到各類機(jī)車的座椅減振、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。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]。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)。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(jì)中應(yīng)用較廣泛。 (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。 目前 ,大部分研究模型都簡化為單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) ,即把機(jī)床簡化為一個(gè)質(zhì)量塊 ,和地基間通過彈黃支承相連。因此 ,有效的隔振方法包括 : 1)遠(yuǎn)離振源 對(duì)于超精密加工機(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)。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。 隔振屏障包括空溝、粉煤灰等連續(xù)屏障和孔列、混凝土樁等非連續(xù)屏障 ,隔振效果與其深度、長度、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)D 。 工程中通常采用隔振溝前、后的振幅比值 X1/X2來衡量隔振效果。當(dāng)取隔振溝寬度為振動(dòng)波長的 1/20時(shí) ,溝的深度越接近振動(dòng)波長 A,振幅降低越多。對(duì)沖擊振動(dòng)或高于 30Hz 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 10~20m,從經(jīng)濟(jì)型和安全性看來往往較難實(shí)現(xiàn)。 一般而言 ,支承式隔振裝置構(gòu)造簡單 ,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 。 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)定性的情況下 ,應(yīng)使機(jī)床和固定基礎(chǔ)穩(wěn)固連接。 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 。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。其中 ,L和 H分別為機(jī)床外形的長度和高度 (m)。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。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 14 的離心慣性力。 另一方面 ,從需要隔振的設(shè)備角度來看 ,往往米用動(dòng)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(dòng)態(tài)力。 在系統(tǒng)的振動(dòng)過程中 ,消振主要通過阻尼實(shí)現(xiàn) ,即附加子系統(tǒng)來消耗振動(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 。前者利用拉壓變形 ,后者則利用剪切變形來消耗振動(dòng)能量。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。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(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。 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)。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。 振動(dòng)主動(dòng)控制是近二十年才開始研究的重要課題 ,是在振動(dòng)控制過程中 ,通過傳感器檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動(dòng) ,經(jīng)過計(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 15 需的作用以抵消振動(dòng)干擾。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。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、超精密加工和測(cè)量中。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。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。 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 ?？紤]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。 半主動(dòng)控制系統(tǒng)多利用 開 關(guān)控制 ,即 “01”控制方式來改變控制器的工作狀態(tài) ,以平衡結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。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)盡量避開共振頻率 ,而減小振動(dòng)。從系統(tǒng)自身特性來看 ,主動(dòng)變阻尼控制裝置則對(duì)系統(tǒng)阻尼進(jìn)行切換。 混合控制是結(jié)合主動(dòng)、被動(dòng)控制方法 ,將二者同時(shí)施加于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制形式。前者是以某一種控制為主 ,其他部件通過主要部件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制 。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。近年來 ,國外對(duì)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。 超精密加工技 術(shù)在當(dāng)今國際社會(huì)中扮演著重要的角色，各國都把它看成綜合國力相比較的一項(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，是國家新世紀(jì)制造業(yè)前進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。本文總體研究了影響超精密加工的各類環(huán)境條件特別是環(huán)境振動(dòng)，并對(duì)這些環(huán)境條件特別是環(huán)境振動(dòng)研究了防治的措施。 （ 2） 超精密加工制造過程中各類不利的環(huán)境條件是影響超精密加工的主要因素，其中環(huán) 境振動(dòng)是各類環(huán)境條件中解決最困難的一類。 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(dòng)對(duì)于超精密加工的影響以及超精密加工中環(huán)境振動(dòng)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(dòng)的不確定性，在防治環(huán)境振動(dòng)的研究中尚存在一些暫時(shí)不可避免和克服的困難。 (3)在振動(dòng)條件的防治過程中，應(yīng)聯(lián)系實(shí)際工程來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確完整地獲得監(jiān)測(cè)過 程中的數(shù)據(jù)以便更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)的擇選與分析，從主動(dòng)控制的角度切入來進(jìn)行更加實(shí) 際有效的研究，使超精密加工的環(huán)境振動(dòng)得到更加有效準(zhǔn)