jic35導(dǎo)讀：本文分析了有源和無源兩種隔振方式理論，建立了超精密機(jī)床垂直方向有源隔振系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)證明引入有源控制后,隔振臺對環(huán)境干擾主振動的隔離有所增強(qiáng)，隔振臺低頻振動情況得到一定程度的改善,有效隔振范圍為3～5hz;工件加工表面質(zhì)量有所提高。
在超精密加工過程中，環(huán)境振動對加工精度和表面質(zhì)量有較大的影響。環(huán)境振動的干擾，不僅會引起機(jī)床本體的振動，而且更重要的是會引起切削刀具與被加工零件間的位置變化，后者將直接反映到被加工零件的加工表面質(zhì)量上。因此必須設(shè)置性能優(yōu)異的隔振裝置。隔振分為無源隔振和有源隔振。
無源隔振，這種隔振方式不需要系統(tǒng)以外的能源裝置支持隔振裝置工作。傳統(tǒng)的隔振一般都是采用具有一定剛度k和阻尼x的隔振元件的無源隔振。
有源隔振，這種隔振方式需要系統(tǒng)以外的能源裝置支持隔振裝置工作。其原理是通過傳感器將所要消除的振動信號地檢測出來，然后經(jīng)過反饋系統(tǒng)將所測信號進(jìn)行一定處理，輸出反饋量k1并去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使所產(chǎn)生的激振力f抵消振動干擾，達(dá)到消除振動的目的。本文在哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的以空氣彈簧作為隔振元件的超精密機(jī)床上進(jìn)行有源隔振實(shí)驗(yàn)研究。
2隔振理論分析
無源隔振
無源隔振系統(tǒng)模型如圖1a所示，由牛頓第二定律有mx+x（x'-y'）+k（x-y）=0（1）式中，x、x'、x為隔振臺振動位移、速度、加速度：y、y'分別為環(huán)境振動位移、速度。由式（1）可以得到無源隔振系統(tǒng)的傳遞系數(shù)t無為t無=x（w）={1+（2ew/wn）2}?y（w）（1-w2/wn2）2+（2ew/wn）2（2）式中，wn為固有頻率，wn=（k/m）?：e為阻尼比，e=x/（2mwn）。由式（2）討論：
當(dāng)<<wn時(shí)，t無≈1：
當(dāng)w=wn時(shí)，t無={[1+（2e）2]?/（2e）}>1：
當(dāng)w>>wn時(shí)，t無=（2ewn/w）<1。
有源隔振
有源隔振系統(tǒng)如圖1b所示，取反饋控制力f=-k1x，則由牛頓第二定律有f=mx+x（x'-y'）+k（x-y）（3）仿照式（2）推導(dǎo)過程，得有源隔振系統(tǒng)傳遞系數(shù)t有t有=x（w）={1+（2e'w/w'n）2}?y（w）（1-w2/w'n2）2+（2e'w/w'n）2（4）式中，w'n為有源隔振諧振頻率，w'n=[k/（k1+m）]?<wn：e'=[e/（1+k1/m）<e。圖2有源隔振系統(tǒng)t有與w的關(guān)系曲線由式（4）討論：
當(dāng)w<<w'n時(shí)，t有≈1：
當(dāng)w=w'n時(shí)，t有={[1+（2'e）2]?/（2e'）}>t無={[1+（2e）2]?/（2e）}
當(dāng)1>>w'n時(shí)，t有=（2e'w'n/w）<1。由以上討論，繪出t有與w的關(guān)系示意曲線，并與t無對比。
有源控制的特點(diǎn)是使諧振頻率減小，但由于有源隔振器（作動器）的頻響特性的影響，諧振峰處的幅值要大于無源控制在固有頻率處的峰值，也就是說引入有源控制將使低頻振動得到一定的改善。根據(jù)該原理建立了超精密機(jī)床垂直方向有源隔振系統(tǒng)，如圖3所示。
該系統(tǒng)的控制思路為：臺面振動信號由傳感器拾取，經(jīng)放大器、濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)軟件處理由數(shù)2模轉(zhuǎn)換輸出負(fù)反饋信號經(jīng)功率放大器放大后使激振器振動。當(dāng)臺面向上振動時(shí)，激振器向下拉臺面：當(dāng)臺面向下振動時(shí)，激振器向上推臺面，由此達(dá)到抵消臺面振動的目的。圖3有源隔振系統(tǒng)3有源隔振實(shí)驗(yàn)研究
有源隔振臺特性研究
將控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)調(diào)至*狀態(tài)，運(yùn)行程序，使激振力作用于床體。為驗(yàn)證系統(tǒng)效果，利用頻譜分析儀得出引入控制系統(tǒng)前后頻域特性曲線和傳遞系統(tǒng)變化曲線。
環(huán)境干擾振動主頻率近似為15hz和3.5hz，且無源隔振臺本身對20hz以上高頻振動已進(jìn)行了有效隔離，為此系統(tǒng)只考慮小于20hz振動情況。有源隔振后，環(huán)境干擾主振動頻率15hz和3.5hz附近振動明顯下降，尤其3～5hz頻率范圍效果較為明顯。
引入有源控制后頻率高于10hz和低于0.6hz部分傳遞系數(shù)基本上沒有變化：諧振峰頻率減小，由原來的4.25hz移動到1.75hz，峰值增大，這些都符合有源隔振理論。無源隔振在頻率大于5hz后峰值小于0db（20lgt），即t無<1，開始有隔振效果：而從圖5b可見，頻率在大于3hz后峰值小于0db，即有源隔振使頻率大于3hz就開始有隔振效果，而且3～5hz隔振效果改善明顯，這與頻域特性相符合。但同時(shí)從頻段5～10hz振動比原來有所增大，經(jīng)反復(fù)測試控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，此范圍振動增加*是由于激振器頻響作用的結(jié)果。（a）無源隔振頻域特性曲線（b）有源隔振頻域特性曲線圖4引入控制系統(tǒng)前后隔振臺頻域特性曲線比較（a）無源隔振傳遞系數(shù)曲線（b）有源隔振傳遞系數(shù)曲線圖5引入控制系統(tǒng)前后隔振臺傳遞系數(shù)變化曲線比較
有源隔振對加工表面質(zhì)量的影響
為探討隔振臺在引入有源控制后對加工表面質(zhì)量的影響，特以鋁為工件材料進(jìn)行切削，其實(shí)驗(yàn)條件如下：主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)給量為2μm/r，背吃刀量為3μm。經(jīng)測試，在引入有源控制后，工件表面粗糙度值（ra）有所降低，由18.97nm降至15.64nm，說明該隔振系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性。4結(jié)論本文通過對兩種隔振理論分析，建立了超精密機(jī)床垂直方向有源隔振系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：
引入有源控制后，臺面對環(huán)境干擾主振動隔離能力有所增強(qiáng)。
引入有源控制后，諧振頻率減小，峰值增大，符合有源隔振理論：無源隔振在頻率大于5hz有隔振效果被降至大于3hz就有隔振效果，低頻隔振情況得到一定程度的改善，尤其3～5hz效果較為明顯。
采用有源隔振對工件加工表面質(zhì)量有一定提高。