环境微振动下超精密加工设备的响应研究

环境微振动下超精密加工设备的响应研究

石春景、王梦航、孟凡宁

（杭州电子科技大学  浙江 杭州 310018）

摘要：随着超精密加工技术的不断发展，环境微振动对加工精度的影响日益凸显，本文旨在深入探讨环境微振动下超精密加工设备的响应机制，为提高加工精度和设备稳定性提供理论依据。

关键词：环境微振动；超精密加工设备；响应机制

超精密加工技术在现代制造业中占据着举足轻重的地位，其加工精度和表面质量直接决定了产品的性能和寿命，然而，随着加工精度的不断提高，环境微振动对加工过程的影响也越来越显著。微振动不仅会导致加工误差的增大，还可能引起设备的振动和噪声，严重影响加工质量和设备稳定性，因此，深入研究环境微振动下超精密加工设备的响应机制，对于提高加工精度和设备稳定性具有重要意义。

一、环境微振动的特性分析

（一）环境微振动的来源与分类

环境微振动主要来源于自然界和人为活动，自然界中的微振动包括地震波、风力作用等引起的地面振动，以及海洋波浪等引起的水下振动，人为活动引起的微振动则包括交通运输、建筑施工、工业生产等过程中产生的振动，这些振动源具有不同的频率和振幅特征，对超精密加工设备的影响程度也各不相同。根据振动源的不同，环境微振动可分为确定性振动和随机性振动两大类。确定性振动主要由周期性或近似周期性的振动源引起，如电力设备的运转、交通运输工具的通过等，这类振动的频率和振幅相对稳定，可通过精确测量和预测进行有效控制。随机性振动则主要由非周期性或不规则振动源引起，如地震、风力等自然因素以及建筑施工等人为因素，这类振动的频率和振幅变化范围较大，难以进行精确预测和控制。

（二）环境微振动的测量与评估

为了深入理解和量化环境微振动对超精密加工设备的影响，有效的测量与评估工作至关重要，环境微振动的测量不仅涉及振动信号的捕捉，更包括信号的处理与分析，以揭示其背后的物理特性。在测量方法上，加速度计法因其高灵敏度和宽频响范围而被广泛应用，通过加速度计，可以精确地捕捉到微小的振动变化，并将其转换为电信号进行后续处理，位移计法则更侧重于测量振动引起的位置变化，特别适用于低频振动的检测。而速度计法则是通过测量振动速度来反映振动的强度，它在中频振动测量中表现出色。评估环境微振动时，振动烈度和振动加速度级是两个核心指标，振动烈度综合了振动的频率和振幅信息，能够全面反映振动的强度，而振动加速度级则更侧重于描述振动对设备结构的影响，特别是在高频振动下，它能够更准确地预测设备的响应，除了上述直接测量和评估方法，还可以结合设备加工精度的要求，构建更为精细的微振动控制标准，例如，针对特定的超精密加工设备，可以设定其允许的最大振动烈度和加速度级，以确保加工过程的稳定性和精度。

二、超精密加工设备的响应机制

（一）超精密加工设备的基本构成与工作原理

超精密加工设备，作为现代制造业的瑰宝，其构成和工作原理体现了高度的技术集成和精密性，这类设备主要由床身、主轴系统、进给系统、控制系统等核心部件构成，每一部分都承载着关键的功能和性能要求，床身作为整个设备的基石，其设计制造要求异常严格，床身不仅需要承受设备各部件的重量，还要保证在加工过程中不发生变形或振动，因此，床身通常采用高强度、高刚性的材料制成，如优质铸铁或钢材，以确保其具备足够的刚度和稳定性，同时，床身的结构设计也经过精心优化，以最大限度地减少自身重量，提高抗振性能。此外，主轴系统则是超精密加工设备的动力核心，它负责驱动刀具进行高速旋转运动，以实现对工件的精确切削，主轴系统的性能直接影响到加工精度和表面质量，因此，主轴系统通常采用高精度的轴承和传动机构，以确保刀具的稳定性和旋转精度，同时，主轴系统还配备了先进的冷却和润滑系统，以延长刀具的使用寿命和提高切削效率。进给系统则是控制工件和刀具之间相对运动的关键部件，它负责按照预定的加工轨迹，精确地调整工件和刀具的位置和速度，进给系统的精度和稳定性对于保证加工精度至关重要，为了实现高精度的进给控制，进给系统通常采用精密的丝杠、导轨和伺服驱动机构，以确保工件和刀具之间的相对运动能够精确、平稳地进行，最后，控制系统作为整个设备的“大脑”，负责对加工过程进行全方位的控制和监测，它接收来自操作人员的指令，并根据这些指令调整主轴系统、进给系统等各部件的工作状态，控制系统还实时监测设备的运行状态和加工数据，以便及时发现并处理潜在的问题，通过先进的控制算法和精确的传感器技术控制系统能够确保整个加工过程的高效、稳定和精确。

（二）环境微振动对加工设备的影响路径

环境微振动主要通过地基传递和设备自身结构传递两种路径对超精密加工设备产生影响，地基传递是指微振动通过设备所在的地基结构传递到设备床身上，引起设备的整体振动，这种传递方式受到地基刚度、阻尼特性等因素的影响，可能导致设备在不同频率下的共振现象，设备自身结构传递则是指微振动通过设备各部件之间的连接和传动关系传递到关键加工部位，如主轴、刀具等，引起局部振动和变形，这种传递方式受到设备结构刚度、阻尼以及各部件之间配合精度等因素的影响。

（三）加工设备对环境微振动的响应特性

超精密加工设备对环境微振动的响应是一个复杂且关键的问题，其特性直接关系到加工精度和设备的长期使用性能，这种响应可以从静态和动态两个层面进行深入分析：首先，静态响应方面，当设备受到环境微振动中恒定或缓慢变化成分的作用时，其主要表现为设备的结构变形和位移，这些变形和位移虽微小，但在超精密加工领域，其影响却不容忽视，设备的结构刚度和阻尼特性是决定静态响应的关键因素，若设备结构刚度不足，即便微小的振动也可能引发较大的变形；而阻尼特性则影响着振动能量的耗散速度，阻尼不足可能导致振动在设备内部持续传递，进而造成加工误差的累积。其次，动态响应方面，设备在面对环境微振动中快速变化的成分时，会表现出更为复杂的振动和噪声特性，这些振动和噪声不仅与设备自身的结构特性相关，还受到加工过程中切削力、切削速度等工艺参数的显著影响，例如，切削力的变化可能激发设备的固有频率，导致共振现象的发生；而切削速度的改变则可能影响设备与振动源的相互作用方式，进而改变设备的动态响应特性，动态响应过大时不仅会导致加工表面的粗糙度增加，还可能加剧刀具的磨损，甚至影响设备的整体稳定性和使用寿命。为了降低环境微振动对加工设备的影响，需要从设备的设计和使用两方面入手。设计方面，应提高设备的结构刚度和阻尼特性，以增强其对静态和动态振动的抵抗能力，使用方面，则应优化工艺参数，减少切削过程中不必要的振动激发，同时采取有效的隔振和减振措施，以最大限度地降低环境微振动对加工精度和设备性能的不利影响。

结束语：

总之，通过对环境微振动的来源与分类、测量与评估方法的探讨，以及对超精密加工设备基本构成与工作原理、环境微振动对加工设备影响路径以及加工设备对环境微振动响应特性的阐述，揭示了微振动对超精密加工精度和设备稳定性的影响机制，相关研究成果可为超精密加工设备的优化设计、使用和维护提供理论依据和实践指导，有助于提高加工精度和设备稳定性，推动超精密加工技术的进一步发展。

参考文献：

[1]夏泓泉,范进,何嫣然,等. 环境微振动下超精密加工设备基础隔振分析 [J]. 机械制造与自动化, 2019, 48 (04): 37-38+45. DOI:10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2019.04.009.

[2]何嫣然. 环境微振动下超精密加工设备的响应研究[D]. 南京理工大学, 2013.

作者简介：

石春景，女，汉族，1990年6月，黑龙江齐齐哈尔人，凝聚态物理博士，特聘副教授，研究方向：功能纳米材料、超精密加工。

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