超精密机床的主动隔振系统研究

　　0 引 言

　　在超精密加工中,要达到的加工精度在微米、亚微米级以上,因此对加工环境的要求极为严格,其中对于振动的要求便是非常重要的一项。对于超精密机床的设计与制造,必须高度重视振动的影响,将外在与内在的各种干扰尽可能消除或隔离掉,使机床振动幅度极低,否则很难得到高质量的加工表面[1]。

　　由于被动控制装置结构简单,易于实现,因而一般机床的振动隔离多采用之。但是对于超精密机床,被动控制显得有些力不从心。一者被动控制很难隔离低频振动;二者阻尼降低隔振效率,但又对降低共振振幅起极大作用,被动控制无法解决此矛盾[2]。因此研究超精密机床的主动隔振就显得极为必要。本文以哈尔滨工业大学自行研制的HCM_I型超精密车床为背景,研究了超精密机床的主动隔振。

　　1 力学模型的建立

　　图1为HCM_I型超精密车床的结构简图。整个机床通过空气弹簧4置于混凝土地基3上,空气静压轴承主轴8在z向溜板9上,刀架7在x向溜板6上。机床受到的外在振动干扰主要来自地基;受到的内在振动干扰主要有:1)电机引起的振动;2)主轴质量偏心引起的主轴振动,3)主轴圆度和轴承孔圆度误差引起的振动;4)横纵溜板运动引起的振动;5)切削力变化引起的振动等。作者在主轴的振动测试实验中,发现主轴的振动主要由电机和主轴的质量偏心引起,因此可忽略第3)项的影响;又由于加工时横纵溜板的运动速度极低,切削力变化很小,因此第4)、5)项的影响也可忽略掉。

　　为了简化分析,可以把电机与主轴质量偏心的影响合起来看成是外扰力p对机床的影响。建立机床的隔振系统力学模型如图2所示。m为机床质量,k为空气弹簧刚度,c为空气弹簧阻尼,f为作动器作动力。

　　2 作动器的选择

　　作动器又称执行器,是实施主动振动控制的关键部件,是主动控制系统的重要环节。其作用是按照确定的控制规律对受控对象施加控制力。

　　表1是目前应用于主动振动控制领域的作动器一览表。7、8、9属传统型作动器,体积、重量大,多用于地面及固定系统的主动振动控制;1)6是基于机敏材料的智能型作动器。

　　磁致伸缩材料在外加磁场的作用下,其尺寸、体积等会发生改变。譬如Terfenol_D,其应变是镍合金的50倍,是压电陶瓷的10倍,其弹性模量为2.5×3.510¹⁰N/m²,具有较好的抗冲击性,能提供较大的控制力,并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度和对电场变化的响应能力。磁致伸缩材料作动器的主要应用在高精度微幅隔振和自适应结构中。