液壓微進(jìn)給機(jī)構(gòu)

`江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置應(yīng)用基礎(chǔ)研究ApplicationStudyonThinSheetHydraulicMicro-feedActuator專業(yè)機(jī)械制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師王樹(shù)林研究生陳興華2009年4月-（3.5）發(fā)現(xiàn)變形的最大處是端面中心位置。由于變形的大小與油壓的大小成正比，呈一次線性關(guān)系，因此輸入與輸出的關(guān)系也是一次線性關(guān)系，故只要控制油壓大小在一定范圍內(nèi)的變化，就可以確定端面相應(yīng)的變形大小。從原理上來(lái)講，這種裝置具有好的線性度。根據(jù)所控制油壓的分辨率可確定該微進(jìn)給裝置的分辨率。兩者之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系如下： (3.SEQ3.\*ARABIC7)其中為微進(jìn)給裝置的分辨率，為油壓的分辨率，為微進(jìn)給裝置的位移范圍，為油壓的可調(diào)范圍。通過(guò)式3.7可以確定微進(jìn)給裝置的行程范圍、分辨率、油壓大小和分辨率之間的關(guān)系。如工作最大油壓為20MPa，油液可調(diào)節(jié)壓力分辨力為0.2MPa，端面變形范圍為10μm，則分辨率可以達(dá)到0.1μm；端面變形為1μm，分辨率則可達(dá)到0.01μm。如果油液可調(diào)節(jié)壓力的分辨率可以更小的話，微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的分辨率可以在相同的變形行程范圍下達(dá)到更高。油壓分辨率的大小與控制系統(tǒng)的性能有關(guān)。目前市面上20MPa以上量程的高精密壓表的最高分辨率約為0.02MPa。在本課題的實(shí)驗(yàn)中精密壓力表的最小刻度為0.2MPa，具有很好的可控性，在后面章節(jié)中油壓的分辨率即為此值。3.2.2設(shè)計(jì)方法為了設(shè)計(jì)出具有合適行程和分辨率的進(jìn)給裝置，我們利用式3.5對(duì)缸體尺寸進(jìn)行計(jì)算。（1）線彈性要求鋼在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變?yōu)? （3.SEQ3.\*ARABIC8）考慮到其它一些不確定因素，這里進(jìn)給裝置的最大應(yīng)變=0.0015。（2）靈敏度要求除了線彈性之外，裝置的位移也要滿足靈敏度的要求。靈敏度可以用公式 K= (3.SEQ3.\*ARABIC9)在給定薄壁半徑a的情況下可以得到壁厚h的計(jì)算公式： (3.SEQ3.\*ARABIC10)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以先按靈敏度要求通過(guò)式3.10確定結(jié)構(gòu)尺寸，然后利用有限元來(lái)校核結(jié)構(gòu)是否滿足線彈性，行程等要求。3.2.3驅(qū)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到隨機(jī)的干擾，因?yàn)槿我灰蛩囟紩?huì)對(duì)微進(jìn)給量產(chǎn)生很大的影響，如接觸會(huì)導(dǎo)致微進(jìn)給量的非線性，以致行程范圍變化;油路在高壓油作用下將不穩(wěn)定的因素帶入結(jié)構(gòu)中，使變形的穩(wěn)定性受到影響；結(jié)構(gòu)中其它部分的變形（如螺紋變形）會(huì)使位移特性和行程范圍發(fā)生變化等?？紤]到這些因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)始終將可靠性放在首位，減少其它干擾的存在。公式3.7表明在油壓分辨率不能提高的情況下，分辨率和行程是互相制約的，如果要達(dá)到較大的行程就必須增大裝置靈敏度的值，這樣就限制了裝置分辨率的提高；反之減小裝置靈敏度的值，就會(huì)使行程縮小?？紤]到進(jìn)給裝置最后會(huì)在傳統(tǒng)CNC車削機(jī)床上使用，較高的分辨率可能會(huì)受制于現(xiàn)有的精密機(jī)床精度水平，如導(dǎo)軌的直線度，主軸的回轉(zhuǎn)精度，機(jī)床振動(dòng)等條件，所以設(shè)計(jì)要求為在適當(dāng)?shù)姆直媛是闆r下盡可能提高裝置的行程。這里將裝置的靈敏度定為0.8μm/MPa，最大工作壓力為20MPa。如果需要靈敏度滿足0.6μm/Mpa，最大工作油壓為20MPa的液壓微進(jìn)給裝置，根據(jù)研究中所使用的機(jī)床刀架結(jié)構(gòu)，將液壓微進(jìn)給裝置端面薄壁的半徑a取為8mm，凸臺(tái)半徑取為4mm。根據(jù)式（3.10）可得缸體端面薄壁厚度應(yīng)滿足要求: mm，為使微進(jìn)給裝置能在精密加工機(jī)床上可靠的工作，微進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的尺寸如下圖：圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC4微進(jìn)給缸體尺寸圖設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須要注意薄壁的尺寸對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響。采用小的薄壁直徑可以縮小結(jié)構(gòu)的尺寸，有利于安裝、加工等后續(xù)步驟的實(shí)施，但過(guò)小的尺寸使得突出的刀柄部分體積很小，這樣將使刀片的安裝變的復(fù)雜，不能提供足夠高連接強(qiáng)度，而且保證端面位移足夠大的同時(shí)要減小薄壁的厚度，增加了加工的難度，同時(shí)較大的a/h比會(huì)使薄壁工作的最大應(yīng)變?cè)龃?，一定程度下?huì)超出材料的彈性變形范圍，導(dǎo)致塑性變形；設(shè)計(jì)大的薄壁直徑在可以使刀片安裝變?nèi)菀椎耐瑫r(shí)還可以提高薄壁的厚度（在有同樣位移行程要求的情況下），但不能滿足上述采用小薄壁而能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。3.3小結(jié)本章中所進(jìn)行的工作如下：1、通過(guò)彈性力學(xué)的薄板理論，給出了端面液壓微進(jìn)給裝置的力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上建立了設(shè)計(jì)方法，通過(guò)變形要求對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。2、根據(jù)設(shè)計(jì)公式和要求計(jì)算獲得微進(jìn)給裝置的薄壁的尺寸，根據(jù)實(shí)際的使用安裝等要求設(shè)計(jì)了微進(jìn)給裝置的尺寸。

第四章特性的有限元模擬摘要：通過(guò)理論分析與計(jì)算，可以初步確定進(jìn)給機(jī)構(gòu)薄壁的基本尺寸，由于理論計(jì)算是將實(shí)際的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化獲得的結(jié)果，所以有必要利用有限元分析軟件對(duì)完整的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，利用有限元軟件還可以獲得微進(jìn)給裝置的剛度等特性。4.1有限元分析方法簡(jiǎn)介[32][33]有限單元法是一個(gè)比較新穎并且十分有效的數(shù)值方法。它可以保留問(wèn)題的復(fù)雜性，利用數(shù)值計(jì)算方法求得問(wèn)題的近似數(shù)值解。隨著電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛使用，已逐步趨向于采用這種方法來(lái)解復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題。有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。有限元分析技術(shù)目前已成為最重要的工程分析技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域?！坝邢迒卧ā边@一名稱是1960年美國(guó)的Clough首先使用的，雖然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)，它并未受到人們的重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到深入應(yīng)用，現(xiàn)已遍及宇航工業(yè)、核工業(yè)、機(jī)電、化工、建筑、海洋等工業(yè)，是機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段。40多年來(lái)，有限單元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題，分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。論文中所用到的有限元軟件為ANSYS，ANSYS軟件除了具有較好的用戶圖形界面，功能強(qiáng)大的處理器等優(yōu)點(diǎn)之外，它還可以與許多先進(jìn)的圖形處理軟件如Pro/E、UG、CAD等共享數(shù)據(jù)，并為各種工業(yè)領(lǐng)域的用戶提供了分析各種問(wèn)題的能力，利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口，可以精確地將在圖形處理軟件系統(tǒng)下生成的圖形幾何數(shù)據(jù)傳入到ANSYS系統(tǒng)中。而后準(zhǔn)確地在該模型上劃分網(wǎng)絡(luò)并求解。同樣ANSYS數(shù)據(jù)接口程序還可以鑲嵌在Pro/E、CAD環(huán)境中，用戶可以直接在Pro/E、CAD環(huán)境界面下在其模型上在線調(diào)用ANSYS進(jìn)行分析工作，并能保持Pro/E、CAD數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。一個(gè)典型ANSYS分析過(guò)程可以分為以下3個(gè)步驟：1、定義單元類型第一步是創(chuàng)建有限元模型2、定義材料屬性3、創(chuàng)建或者讀入幾何模型1、施加載荷第二步是施加載荷進(jìn)行求解2、邊界條件3、進(jìn)行求解運(yùn)算1、結(jié)果分析第三步是查看分析結(jié)果2、結(jié)果的檢驗(yàn)1、創(chuàng)建有限元模型（1）定義單元類型ANSYS程序的單元庫(kù)中有超過(guò)一百多種的不同單元類型，每一種單元類型都有自己特定的編號(hào)和單元類型名，如SOLID95，PLANE77等等。（2）定義材料屬性大多數(shù)單元類型在程序分析時(shí)都要指定材料特性,ANSYS程序可以選擇的材料特性有:線性或非線性；各項(xiàng)同性、正交異性或非彈性；不隨溫度而變化或隨著溫度變化。（3）創(chuàng)建或者讀入幾何模型一旦選定了材料特性,在分析中下一步就可以建立所需的幾何模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成物理模型。有兩種可以創(chuàng)建有限元模型的方法:實(shí)體建模和直接生成。2、施加載荷進(jìn)行求解（1）定義分析類型和分析選項(xiàng)可以根據(jù)載荷條件和想要計(jì)算的響應(yīng)選擇分析類型.在ANSYS程序中,可以進(jìn)行下列的分析類型選擇:靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧、模態(tài)、譜分析、擾度和子結(jié)構(gòu)分析等。（2）加載在ANSYS程序中，載荷共分為六大類：DOF約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場(chǎng)載荷。這些載荷絕大多數(shù)可以施加到幾何模型（實(shí)體模型）上，包括關(guān)鍵點(diǎn)、線和面；也可以施加到物理模型（有限元模型）上，包括節(jié)點(diǎn)和單元。（3）指定載荷步選項(xiàng)載荷步選項(xiàng)的主要功能是對(duì)載荷步進(jìn)行修改和控制.例如對(duì)子步數(shù)、載荷步的時(shí)間和輸出進(jìn)行控制等。（4）求解初始化該項(xiàng)的主要功能是,ANSYS程序數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得模型和載荷信息,并進(jìn)行計(jì)算求解,將結(jié)果數(shù)據(jù)寫(xiě)入到結(jié)果文件(Jobname.RST、Jobname.RTH、Jobname.RMG、Jobname.RFL)和數(shù)據(jù)庫(kù)中。所不同是，數(shù)據(jù)庫(kù)文件中每一次只是駐留一組結(jié)果，而結(jié)果文件將儲(chǔ)存所有的結(jié)果數(shù)據(jù)。3、查看分析結(jié)果一旦程序計(jì)算完成，可以通過(guò)ANSYS程序后處理功能器查看結(jié)果。在ANSYS程序中一共有兩個(gè)后處理器：POST1和POST26。

POST1為通用后處理器，用于查看整個(gè)模型或選定的部分模型在某一時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果。POST26為時(shí)間歷程后處理器，用于查看模型的特定點(diǎn)在所有時(shí)間步內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。4.2位移特性的有限元分析實(shí)際的微量進(jìn)給裝置薄壁的四周與油缸體相連接，在油壓的作用下會(huì)有一定的彈性變形，同時(shí)由于薄壁上連有刀桿，這些都會(huì)使中心軸向的撓度產(chǎn)生變化，這是與理論推導(dǎo)的情況有區(qū)別的。因此，我們可以利用有限元對(duì)其實(shí)際變形情況進(jìn)行模擬，為裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。對(duì)于材料的彈性變形利用用靜態(tài)分析方法，材料彈性模量為，泊松比為0.3，密度。為了提高精度，分析中選擇solid187單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。劃分網(wǎng)格后的模型如圖4.1所示。（a） （b）圖4.1結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分圖4.220MPa壓力下結(jié)構(gòu)的變形圖4.320MPa壓力下結(jié)構(gòu)的vonmises應(yīng)力分布對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，油壓是內(nèi)力，所以結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)為空腔。上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得有限元分析可以只計(jì)算對(duì)稱結(jié)構(gòu)得另一部分，減少計(jì)算量，節(jié)省空間提高計(jì)算速度。根據(jù)實(shí)際受力情況，結(jié)構(gòu)的約束施加在一邊的懸臂上，約束類型為約束全部的自由度。空腔的壓力為20MPa時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形如圖4.2所示，通過(guò)選取刀柄的中心節(jié)點(diǎn)，以中心節(jié)點(diǎn)作為端面位移的參考，可以發(fā)現(xiàn)刀柄端面的變形為16.545μm，其結(jié)果要大于理論計(jì)算的值，相差15.4%。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異和薄壁加工工藝的影響，變形相對(duì)與純理論情況下有一定的差異，但是變形產(chǎn)生的位移是線性的，裝置的進(jìn)給的分辨率通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以標(biāo)定。4.3剛度的有限元分析4.3.1徑向剛度圖4.4車削刀具受力模型除了對(duì)端面周向變形進(jìn)行了仿真，我們對(duì)其它的情況如切削力存在下刀柄部分的變形和結(jié)構(gòu)的徑向變形也進(jìn)行了模擬，檢驗(yàn)裝置在最接近實(shí)際情況下的位移。在這之前先估算一下切削力的大小。液壓式微量進(jìn)給裝置主要用于車削加工中，所以計(jì)算的切削力包括Fc（切向力），F(xiàn)f（進(jìn)給力），F(xiàn)p（切深抗力），如圖4.4所示： （4.1）利用指數(shù)公式來(lái)估算切削力：，式中V的單位為m/s。確定指數(shù)公式中各個(gè)參數(shù)[28]：加工材料選擇，結(jié)構(gòu)鋼，加工型式為外圓縱車。這里估算，沒(méi)有涉及到具體情況，所以，所以取。代入數(shù)據(jù)計(jì)算切削力：從以上計(jì)算中可以得到，當(dāng)背吃刀量ap=0.01mm，即當(dāng)液壓式微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器的輸出微量進(jìn)給為10μm時(shí)，驅(qū)動(dòng)器所受的徑向力（切削力）為8.0191N。由于裝置切削時(shí)的進(jìn)給量一般都會(huì)在微小進(jìn)給的范圍內(nèi)，因此取切削力10N來(lái)模擬裝置的徑向剛度是足夠的。圖4.SEQ圖_3.\*ARABIC5刀桿10N徑向力下的變形分布通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，如圖4.5所示，刀桿在10N的徑向切削力下端面上緣的最大變形量為0.566μm。在微量切削力下刀桿徑向變形很小，由于徑向變形為進(jìn)給誤差不敏感方向，所以刀桿的徑向剛度是足夠的。刀桿徑向剛度=F/=10/0.566×10－6＝1.77×107N/m。4.3.2軸向剛度軸向剛度的大小與薄壁的尺寸參數(shù)相關(guān)。較小的a/h比可以提高軸向剛度。而大的軸向剛度可以有效抵消進(jìn)給方向的抗力，能夠保證切削深度的一致性，具有很好的穩(wěn)定性。這里的軸向剛度指的是在沒(méi)有油液存在的情況下缸體的剛度，如果在加壓工作時(shí)，高壓油的存在會(huì)使剛度有一定的提升。刀柄中心點(diǎn)在100N的集中載荷作用下裝置的變形如圖4.6所示。結(jié)果顯示由于刀柄上下不對(duì)稱，故在軸向力的作用下豎直方向有一定的撓曲，這里選擇與加載的中心點(diǎn)同一水平方向的端面兩端節(jié)點(diǎn)作為變形大小的參考點(diǎn)，變形量為0.79μm，軸向剛度可以有下面的公式得到：＝F/＝100/0.79×10－6＝1.27×108N/m圖4.SEQ圖_3.\*ARABIC6100N集中載荷下軸向變形分布通過(guò)與其它微量進(jìn)給裝置的對(duì)比，如表4.1，其剛度是最大的。所以裝置的軸向剛度也是足夠的。表4.SEQ表3－\*ARABIC1常用微量位移驅(qū)動(dòng)器的剛度比較[18][29]微量進(jìn)給種類最大剛度（N/m）機(jī)械傳動(dòng)(3~5)×107壓電陶瓷(1~10)×107電磁式[9](1~2)×106本進(jìn)給裝置(1~10)×1084.4模態(tài)特性的有限元分析4.4.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與模態(tài)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，及其在動(dòng)力載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)分析原理和方法的一門(mén)技術(shù)科學(xué)[27]。它的根本目的在于為改善工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在動(dòng)力環(huán)境中的安全和可靠性提供堅(jiān)定的理論基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容之一是研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析是模態(tài)分析的主要目標(biāo)[30]，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，模態(tài)分析己經(jīng)成為振動(dòng)工程中的一個(gè)重要的分支。早在20世紀(jì)四五十年代，在航空工業(yè)中就采用共振試驗(yàn)確定系統(tǒng)的固有頻率。80年代中期至90年代，模態(tài)分析在各個(gè)工程領(lǐng)域得到普及和深層次應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及噪聲分析等方面的應(yīng)用研究異?；钴S，尤其是基于FEM,EMA和最優(yōu)控制理論的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，取得了豐碩的研究成果。我們可以從各種公開(kāi)發(fā)表的論文及資料上發(fā)現(xiàn)大量有關(guān)模態(tài)分析的研究成果。目前，模態(tài)分析方法己成為重要工程應(yīng)用的方法，而且越來(lái)越廣泛。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析從方法上可分為理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。理論模態(tài)分析是根據(jù)結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的幾何參數(shù)，建立系統(tǒng)的有限元數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)分析計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，最終建立動(dòng)力學(xué)分析模型.該方法雖能從理論上建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析模型，但也存在較大的局限性:對(duì)結(jié)構(gòu)間的連接、邊界的約束等都只能夠做力學(xué)上的簡(jiǎn)化處理;對(duì)阻尼往往不引入或憑經(jīng)驗(yàn)引入;對(duì)有限元網(wǎng)格的劃分及自由度的設(shè)置又要受計(jì)算機(jī)容量及運(yùn)算速度的限制而有較大差異。因此所建模型的動(dòng)力計(jì)算很難保證足夠的精度。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，可以在物理參數(shù)未知的情況下，通過(guò)激振試驗(yàn)和模態(tài)分析，識(shí)別出模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)頻率、模態(tài)向量、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼(結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)就由這些模態(tài)參數(shù)來(lái)描述，它們決定著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性)，從而建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法可以非常直觀地了解各階模態(tài)的情況，并聯(lián)系模態(tài)坐標(biāo)和物理坐標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，振動(dòng)故障診斷、預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。該方法也可以反過(guò)來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的有限元模型建立的正確性。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析提供依據(jù)，其核心就是模態(tài)參數(shù)識(shí)別問(wèn)題。模態(tài)參數(shù)識(shí)別的方法很多，可分為時(shí)域法、頻域法兩類。所謂時(shí)域法，就是直接利用響應(yīng)的時(shí)間歷程，用參數(shù)模型來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)。而頻域法，是利用頻響函數(shù)(或傳遞函數(shù))數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別的方法，又稱機(jī)械阻抗法。本文的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中采用頻域參數(shù)識(shí)別方法。在二十世紀(jì)六、七十年代發(fā)展起來(lái)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)彌補(bǔ)了有限元分析技術(shù)的某些不足。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與有限元分析的相互結(jié)合及相互補(bǔ)充，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)備故障診斷等許多方面，都取得良好的成效。它們已經(jīng)在航天、航空、汽車、機(jī)床、建筑機(jī)械、電氣設(shè)備等工業(yè)部門(mén)得到極為廣泛的應(yīng)用。模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)中的直接應(yīng)用是根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，即頻率、振型、阻尼等，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接的動(dòng)態(tài)性能評(píng)估。對(duì)一般結(jié)構(gòu)，要求各階模態(tài)遠(yuǎn)離工作頻率，或工作頻率不落在某階模態(tài)的半功率帶寬內(nèi);對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)貢獻(xiàn)較大的振型，應(yīng)使其不影響結(jié)構(gòu)正常工作為佳。這是模態(tài)分析的直接應(yīng)用，己成為工程界的基本方法。模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的應(yīng)用是以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，是近年來(lái)振動(dòng)工程界開(kāi)展的最廣泛的研究領(lǐng)域之一。眾所周知，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在考慮動(dòng)態(tài)因素的結(jié)構(gòu)修改時(shí)，是以經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)實(shí)測(cè)為主要手段。盡管依據(jù)模態(tài)分析結(jié)果和響應(yīng)試驗(yàn)容易判斷出結(jié)構(gòu)的性能缺陷，但在結(jié)構(gòu)修改問(wèn)題上卻往往茫然無(wú)所知，設(shè)計(jì)工程師只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有條件進(jìn)行反復(fù)修改和實(shí)測(cè)，有時(shí)甚至將原設(shè)計(jì)完全推翻重新設(shè)計(jì)。這大大減緩了設(shè)計(jì)速度，設(shè)計(jì)質(zhì)量也難以達(dá)到最優(yōu)。為此，科技工作者不斷探索有依據(jù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改方法，以期達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。模態(tài)分析還有在故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及聲控中的應(yīng)用等。本文基于模態(tài)分析方法的廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用于微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析中，期望能確定產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能。4.4.2有限元的模態(tài)分析通過(guò)ansys，我們可以對(duì)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的自振頻率（也叫固有頻率）和振型。自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿?shù)，模態(tài)分析也是進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。在軟件分析中，材料彈性模量為，泊松比為0.3，材料密度為7830kg/m3。分析中選擇solid187單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。選擇subspace作為模態(tài)提取方法，計(jì)算出梁的前6階特征頻率，結(jié)果見(jiàn)表4.2，對(duì)應(yīng)的振型如圖4.7所示表4.SEQ表3－\*ARABIC2結(jié)構(gòu)的各階頻率階數(shù)一階二階三階四階五階六階頻率149.28270.73456.80541.74613.53621.70由分析結(jié)果可見(jiàn)，裝置一階固有頻率的大小為149.28Hz,振型為以右邊的凸緣為中心沿Z軸在X-Y平面擺轉(zhuǎn)；二階振型為以凸緣為中心沿缸體X軸在Y-Z面的擺動(dòng)；三階振型為刀柄部分在X-Z平面內(nèi)的橫向擺動(dòng)；四階振型為刀柄和缸體沿X軸在Y-Z面的轉(zhuǎn)動(dòng)；五階振型為刀柄在Y-Z面沿X軸的偏擺；六階振型為刀柄在X-Z面沿Y軸的擺動(dòng)?？梢园l(fā)現(xiàn)裝置的一階固有頻率是遠(yuǎn)大于一般車床轉(zhuǎn)速下引起的激振頻率的。這里的模態(tài)是缸體在無(wú)油壓時(shí)的固有頻率，當(dāng)缸體內(nèi)充滿油壓后，由于液壓油的存在，阻尼的增大可能會(huì)使固有頻率有所降低，但同時(shí)也有利于工作時(shí)的穩(wěn)定，油壓存在時(shí)候的模態(tài)參數(shù)參見(jiàn)第5章的實(shí)驗(yàn)部分。（a）1階振型（b）2階振型（c）3階振型（d）4階振型（e）5階振型（f）6階振型圖4.SEQ圖_3.\*ARABIC7結(jié)構(gòu)6階振型4.5小結(jié)本章中所進(jìn)行的工作如下：1、由于彈性力學(xué)中的薄板彎曲理論對(duì)薄板模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，計(jì)算微小彈性變形與實(shí)際結(jié)果會(huì)存在較大的誤差，因此利用有限元軟件ansys對(duì)端面彈性變形進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果可以預(yù)測(cè)微進(jìn)給裝置的實(shí)際變形量。結(jié)果顯示，有限元計(jì)算與簡(jiǎn)化理論設(shè)計(jì)之間存在約為15.4%的誤差。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異和薄壁取值的影響，變形相對(duì)與純理論情況下有一定的差異，但是變形產(chǎn)生的位移是線性的，裝置的進(jìn)給的分辨率通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以標(biāo)定。2、利用有限元分析得出了裝置的6階固有頻率和振型，結(jié)果顯示裝置的一階固有頻率為149Hz，其一階固有頻率是遠(yuǎn)大于一般車床轉(zhuǎn)速下引起的激振頻率，同時(shí)一階振型為進(jìn)給的垂直方向，綜合考慮可以認(rèn)為一般情況下裝置可以穩(wěn)定的工作。第五章液壓微進(jìn)給裝置的實(shí)驗(yàn)研究摘要:為了給裝置的使用提供參考（如行程、分辨率、線性范圍等）；為了避免裝置在剛度極小值（即諧振頻率）附近工作，以免給系統(tǒng)帶來(lái)很大的誤差，甚至無(wú)法工作乃至破壞，本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了裝置的靜動(dòng)態(tài)特性。為了分析切削力對(duì)裝置的影響，測(cè)定了刀桿的剛度。此外通過(guò)一系列的車削實(shí)驗(yàn)，對(duì)工件的表面形貌進(jìn)行檢測(cè)，獲得了微進(jìn)給裝置的實(shí)際進(jìn)給性能。5.1實(shí)驗(yàn)研究方法及設(shè)備5.1.1實(shí)驗(yàn)研究方法1.靜態(tài)特性[35]圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC1電致伸縮微位移器的電壓－位移特性曲線靜態(tài)特性是指輸入位移x不隨時(shí)間變化，即時(shí)的特性。其靜態(tài)特性主要取決于驅(qū)動(dòng)器的特性[35]。由于彈性變形是可逆的，且具有很好的穩(wěn)定性，因此這里的靜態(tài)特性指的是機(jī)構(gòu)在油壓控制下的輸出位移x不隨時(shí)間變化時(shí)的特性。通過(guò)對(duì)裝置施加一定的油壓，檢驗(yàn)位移的輸出值得到進(jìn)給裝置的壓力－位移特性，同時(shí)可以獲得裝置的行程、分辨率、和壓力－位移的線性度，以此來(lái)決定裝置的工作范圍。如圖5.1所示為WTDS－1A電致伸縮微位移器測(cè)試的電壓－位移特性曲線，曲線，曲線呈拋物線形（只畫(huà)一半）。從曲線可見(jiàn)，在升壓（伸長(zhǎng)）和將壓（回縮）時(shí)兩條曲線不重合，存在著遲滯現(xiàn)象。電壓100V～200V范圍內(nèi)線性度好，位移回零重復(fù)性優(yōu)于0.01μm，位移分辨率0.01μm，行程>7μm。分析靜態(tài)特性為裝置的使用，例如行程、分辨率、線性范圍提供了依據(jù)，同時(shí)為高精度補(bǔ)償?shù)男拚峁┝苏_的數(shù)據(jù)。2模態(tài)分析[27][30]圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC2單自由度系統(tǒng)模態(tài)分析中的系統(tǒng)分為單自由度系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)，單自由系統(tǒng)是分析模態(tài)的基礎(chǔ)。圖5.2所示的質(zhì)量－彈簧－阻尼二階系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程式為 （5.SEQ5.\*ARABIC1）式中x及f均為時(shí)間t的函數(shù)。其中k為傳動(dòng)部件的剛度,m為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)。輸出位移為x。對(duì)式兩邊進(jìn)行拉普拉斯（laplace）變換，并假設(shè)初始值為0，可得 (5.SEQ5.\*ARABIC2)式中：x(s)為x的拉氏變換，而f(s)則為f的拉氏變換。對(duì)于自由振動(dòng)而言，可得 (5.SEQ5.\*ARABIC3)由上式可得s的兩個(gè)根， (5.SEQ5.\*ARABIC4)式中：＝k/m，系統(tǒng)的無(wú)阻尼固有圓頻率；為阻尼比。 (5.SEQ5.\*ARABIC5)式5.2中的為系統(tǒng)的動(dòng)剛度，其具有阻止系統(tǒng)振動(dòng)的性質(zhì)，因此又稱為系統(tǒng)的機(jī)械阻抗， （5.SEQ5.\*ARABIC6）機(jī)械阻抗的倒數(shù)稱為機(jī)械導(dǎo)納，又稱傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)反映系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系，反映系統(tǒng)的固有特性，是系統(tǒng)在頻域中的一個(gè)重要特征量，也是頻域中識(shí)別模態(tài)參數(shù)的依據(jù)。傳遞函數(shù)表示為 （5.SEQ5.\*ARABIC7）對(duì)5.1式進(jìn)行傅氏域的變換，阻抗與導(dǎo)納公式則表示為 （5.SEQ5.\*ARABIC8） （5.SEQ5.\*ARABIC9）被稱為頻率的響應(yīng)函數(shù)，簡(jiǎn)稱頻響函數(shù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析是模態(tài)分析的主要目標(biāo)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性通常用各階模態(tài)參數(shù)來(lái)描述。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的的模態(tài)分析可以求得上述動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，從而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是否符合要求。結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性雖然可用有限元方法計(jì)算，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立有限元模型時(shí)所引進(jìn)的一系列人為假設(shè)往往很難與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符，因此計(jì)算結(jié)構(gòu)與實(shí)際情況往往不相吻合。模態(tài)分析是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此所得到的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)比較準(zhǔn)確。1、激振信號(hào)的比較和選擇在模態(tài)試驗(yàn)分析中主要有正弦激勵(lì)信號(hào)、隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)、瞬態(tài)激勵(lì)信號(hào)等幾種激勵(lì)信號(hào)，每種信號(hào)在不同的場(chǎng)合下各具有其優(yōu)點(diǎn)。沒(méi)有一種在各方面都占優(yōu)勢(shì)的激勵(lì)信號(hào)，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇，選擇時(shí)可考慮如下幾個(gè)因素:(1)測(cè)試精度:測(cè)試誤差在正常情況下主要是由泄漏、噪聲等引起。從泄漏、信噪比和有效值/峰值比等因素考慮，瞬態(tài)隨機(jī)和正弦激勵(lì)信號(hào)有突出的優(yōu)點(diǎn)。(2)測(cè)試時(shí)間:一是整個(gè)測(cè)試耗用時(shí)間，二是測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)間。寬帶隨機(jī)(純隨機(jī))與脈沖激勵(lì)在這兩方面都占用較少的時(shí)間，正弦激勵(lì)則相反。(3)非線性影響的線性化:隨機(jī)激勵(lì)效果最好，脈沖激勵(lì)則最差。(4)系統(tǒng)的非線性檢驗(yàn):非線性因素檢驗(yàn)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)中尤為重要，目前正弦激勵(lì)是這種檢驗(yàn)的主要手段。(5)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性:不論從設(shè)備上還是從實(shí)施上看，錘擊脈沖激勵(lì)最方便。(6)模態(tài)密集性:如結(jié)構(gòu)在某頻段內(nèi)模態(tài)密集以致耦合嚴(yán)重，則應(yīng)采用步進(jìn)正弦或瞬態(tài)隨機(jī)，前者可以變步長(zhǎng)提高分辨率，后者則靠減少泄漏提高分辨率。綜合考慮上面的分析結(jié)果，對(duì)于液壓微進(jìn)給結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)試而言，錘擊法是最簡(jiǎn)便、最經(jīng)濟(jì)、同時(shí)精度也能得到保證的激振方法2、被試結(jié)構(gòu)的支撐進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)在實(shí)際的工作環(huán)境中，總處于一定的約束狀態(tài)。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，選擇結(jié)構(gòu)的支撐方式首先考慮是否模擬其真實(shí)的約束狀態(tài)。有些情況下，這種模擬狀態(tài)是很容易達(dá)到的，有時(shí)則很難精確模擬，或者根本無(wú)法模擬，這時(shí)應(yīng)考慮有無(wú)替代的支撐方案。從精確角度出發(fā)，自由狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)很容易模擬，但不可能使結(jié)構(gòu)處于真正的自由懸浮狀態(tài)。經(jīng)常用一種非常柔軟的懸掛系統(tǒng)將被測(cè)試結(jié)構(gòu)支撐起來(lái)，以模擬自由支撐。這種情況下結(jié)構(gòu)的剛體模態(tài)的頻率己不為零。非常柔軟的含義就是要保證剛體模態(tài)最低階頻率應(yīng)低于結(jié)構(gòu)自身第一階彈性模態(tài)頻率的(10-20)%，一般懸掛系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)低于2HZ.軟懸掛可以通過(guò)彈性繩的吊掛來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)彈性基礎(chǔ)來(lái)提供。對(duì)彈性懸掛除了上述非常柔軟的要求外，還要求可能參與振動(dòng)的質(zhì)量盡可能小。模擬真實(shí)的結(jié)構(gòu)約束狀態(tài)，如固支、鉸支等也稱為地面支撐。地面支撐將結(jié)構(gòu)上所選擇的點(diǎn)與地基上的點(diǎn)相連。這種狀態(tài)能很好地給出結(jié)構(gòu)實(shí)際約束狀態(tài)下的各種振動(dòng)模型。必須注意的是，應(yīng)使支撐基礎(chǔ)的剛度足夠大。實(shí)際上由于連接點(diǎn)及基礎(chǔ)不可能保持絕對(duì)的剛性，因而與理論假設(shè)有一定距離，在應(yīng)用時(shí)一般要求基礎(chǔ)的傳遞函數(shù)比實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)在聯(lián)結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的傳遞函數(shù)小很多。采用地面支撐時(shí)，必須注意連接部位，不能由于聯(lián)結(jié)體的引入，而引起局部剛度的增強(qiáng)。支撐的選擇以實(shí)際情況來(lái)選擇。在本課題中采用固定支撐條件下進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)用以比較分析。5.1.2液壓源的選擇1、液壓泵的選擇[34]對(duì)于微進(jìn)給裝置來(lái)說(shuō)，輸入的油壓決定了輸出的最大位移，輸入油壓的穩(wěn)定程度決定了輸出位移的穩(wěn)定程度，輸入油壓的分辨率大小也影響了輸出位移的分辨率，因此選擇合適的油泵和油路對(duì)液壓微進(jìn)給裝置的性能的發(fā)揮有重要的作用。液壓泵是用來(lái)將輸入的機(jī)械能的裝置。根據(jù)液壓泵結(jié)構(gòu)形式，可分為齒輪泵、葉片泵、和柱塞泵。每一類型的液壓泵又有多種形式。各種液壓泵的性能對(duì)比如下表5.1所示：表5.SEQ表_5.\*ARABIC1各類液壓泵的壓力范圍類型性能參數(shù)齒輪泵葉片泵螺桿泵柱塞泵內(nèi)嚙合外嚙合單作用雙作用軸向徑向漸開(kāi)線式擺線式斜盤(pán)式斜軸式軸配流閥配流壓力范圍/MPa(低壓型)（中壓、高壓型）2.5≤301.6162.5≤30≤6.36.3≤322.510≤40≤4035≤70高的驅(qū)動(dòng)壓力可以提高微進(jìn)給裝置的驅(qū)動(dòng)力，可以消弱切削力對(duì)輸出位移的影響，增強(qiáng)液壓微進(jìn)給裝置位移的穩(wěn)定性，因此一定程度上增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)壓力是合適的。當(dāng)然，較高的壓力使裝置工作穩(wěn)定性的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一定的問(wèn)題，例如由于泄漏等其它因素影響，太大的壓力的油壓穩(wěn)定性會(huì)有所降低，同時(shí)高壓下油管的受力變形會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生很大的影響。結(jié)合實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)，故將工作最大壓力選擇為20MPa,屬于中壓范圍。由于微進(jìn)給裝置缸體工作的最大油壓為20MPa，且不需要提供流量，屬于靜態(tài)壓力，所以在滿足壓力要求的條件下需要泵油裝置能夠提供最小脈動(dòng)的油壓輸入。根據(jù)上述條件，柱塞泵可以滿足要求。2、壓力控制回路圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC3穩(wěn)壓回路圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC4限壓回路在液壓系統(tǒng)中一般都用到了壓力控制回路，用以達(dá)到調(diào)壓（穩(wěn)壓）、減壓、增壓、保壓、卸載、平衡、緩沖等目的。壓力控制回路可以分為調(diào)壓回路、增壓回路和減壓回路、平衡回路、卸載回路等形式。調(diào)壓回路中的穩(wěn)壓和限壓回路的系統(tǒng)圖如5.3,5.4所示。由于在液壓微進(jìn)給裝置中，油缸只需要提供具有較高分辨率的油壓，油泵只要補(bǔ)償油路泄漏（由于沒(méi)有活動(dòng)部件，基本無(wú)泄漏）。因此就需要有精度較高的溢流閥，使油壓的輸出有足夠好的分辨率，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司的電液驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其手動(dòng)控制溢流閥調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)0.2MPa的分辨率的進(jìn)給，而這是壓力表的最小分辨率，如果使用分辨率更高的精密壓力表的話，油壓的進(jìn)給分辨率會(huì)有一定程度的提高。為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制的自動(dòng)化程度，可以考慮利用伺服電機(jī)來(lái)控制溢流閥，同時(shí)也可以提高控制精度。調(diào)壓回路的簡(jiǎn)圖如圖5.5。5.SEQ圖_5.\*ARABIC5液壓調(diào)壓回路圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC6電液驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖3、實(shí)驗(yàn)中的油壓驅(qū)動(dòng)源圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC7手動(dòng)液壓泵驗(yàn)中用到了兩種動(dòng)力源，一種是北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司的電液驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，圖5.6所示，其采用的軸向柱塞泵（SCY14-1B）最大可以提供31.5MPa的壓力。由于穩(wěn)定性和可控性好，用于向微進(jìn)給裝置靜態(tài)特性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)提供壓力。另一種是手動(dòng)液壓泵，圖5.7所示，最高可以提供60MPa的壓力，穩(wěn)定性和可控性稍低一些，可以在切削時(shí)提供有效的壓力。液壓控制臺(tái)的調(diào)壓回路如圖5.6所示，通過(guò)溢流閥對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。軸向柱塞泵的最大壓力和輸出流量可以通過(guò)上面的手柄調(diào)整，由于液壓微進(jìn)給裝置的缸體工作中幾乎沒(méi)有流量，所以控制臺(tái)在使用時(shí)，液壓油的輸出流量控制在比較小的范圍，有很好的油壓響應(yīng)速度?？刂婆_(tái)的油壓控制比較穩(wěn)定，工作中隨著時(shí)間的推移壓力表指針無(wú)明顯變化。工作臺(tái)調(diào)壓回路如圖5.8所示。另外一種動(dòng)力源是手動(dòng)液壓泵，其工作原理如圖5.10所示，分為四個(gè)過(guò)程（1）充液：油泵在開(kāi)始工作時(shí)，油液被柱塞壓入高低壓?jiǎn)蜗蜷y，通過(guò)高低壓?jiǎn)蜗蜷y進(jìn)入油缸，當(dāng)壓力升到1MPa時(shí)，則低壓閥打開(kāi)，低壓油溢回儲(chǔ)油管。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC8手動(dòng)柱塞泵的系統(tǒng)圖（2）升壓：在上述的基礎(chǔ)上，高壓柱塞繼續(xù)工作，壓力逐漸升高，當(dāng)壓力超過(guò)額定壓力63MPa時(shí)，則高壓閥門(mén)打開(kāi)、高壓油從高壓閥溢回儲(chǔ)油管，壓力始終保持在63MPa。高壓閥就是安全閥。（3）工作:在工作過(guò)程中，由于工作缸做功，能量會(huì)減小，所以要隨時(shí)搖動(dòng)手柄，保持所需的工作壓力，直至工作結(jié)束。（4）卸載：油泵工作完畢，需要將壓力減至為零，打開(kāi)卸載閥，油液流回儲(chǔ)油管。完成卸載工作。工作中手動(dòng)液壓泵的壓力隨著時(shí)間的延長(zhǎng)有明顯的變化，如表5.2所示從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)手動(dòng)液壓泵打到一定油壓時(shí)，開(kāi)始?jí)毫Ρ碇甘居蛪簳?huì)逐漸地下降，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，手動(dòng)液壓泵油壓基本穩(wěn)定在一個(gè)值處，整個(gè)過(guò)稱沒(méi)有油壓的泄漏。分析現(xiàn)象是由于油管在油壓增大的情況下會(huì)有緩慢的變形，導(dǎo)致整個(gè)封閉油路的空間增大，油壓就會(huì)相應(yīng)的降低，對(duì)比油壓控制工作臺(tái)，由于溢流閥是通過(guò)控制溢流量的大小控制壓力，因此會(huì)穩(wěn)定很多。所以手動(dòng)液壓泵在使用中要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行補(bǔ)壓。表5.SEQ表_5.\*ARABIC2手動(dòng)泵壓力隨時(shí)間的變化情況初始油壓/Mpa468101214161820終了油壓/Mpa8.410.312.815.116.917.3等待時(shí)間/分20.512.321.510.214.426.4由于液壓控制臺(tái)受場(chǎng)地的限制，在實(shí)驗(yàn)中只用于微進(jìn)給裝置的壓力－位移特性的標(biāo)定。手動(dòng)液壓泵用于模態(tài)實(shí)驗(yàn)中壓力的提供和車削實(shí)驗(yàn)中的壓力供給和控制。5.1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成實(shí)驗(yàn)中用到的儀器設(shè)備有：電感測(cè)微儀、精密壓力表、液壓控制臺(tái)、高壓液壓油管、虎鉗等。實(shí)驗(yàn)所用的電感測(cè)微儀有3μm檔，10μm檔，30μm檔，100μm檔，量程分別為6μm,20μm,60μm,200μm。3μm擋與10μm檔測(cè)量分辨率分別為0.1μm、0.5μm。精密壓力表的量程為60MPa，最小刻度為0.2MPa。液壓控制臺(tái)的最大工作油壓為31MPa。位移特性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的是輸入（油壓）與輸出（位移）之間的相互關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)輸入壓力值和輸出位移值來(lái)分析裝置的特性。實(shí)驗(yàn)的模型如圖5.9所示。液壓控制臺(tái)的柱塞泵1提供動(dòng)力,溢流閥4調(diào)節(jié)壓力的大小由精密壓力表5獲得。進(jìn)給裝置固定于虎鉗6上，端面的變形大小由電感測(cè)微儀1的電感測(cè)頭檢測(cè)，最后通過(guò)刻度表顯示出來(lái)。5.10為實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖。1、柱塞泵2、油管3、電感測(cè)微儀4、溢流閥5、壓力表6、虎鉗7、進(jìn)給裝置圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC9實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D5.SEQ圖_5.\*ARABIC10實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖5.2裝置靜態(tài)特性的分析5.2.1壓力位移曲線1、輸出線性度在進(jìn)行輸出線性實(shí)驗(yàn)時(shí)，以2MPa作為初始點(diǎn)，每隔2MPa加一次油壓，最大油壓為20MPa。電感測(cè)微儀的精度為0.5μm。取三次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為輸入輸入線性的說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5.3-5.5及圖5.11-5.13所示。表5.SEQ表_5.\*ARABIC3微進(jìn)給裝置壓力－位移對(duì)應(yīng)值1輸入油壓/Mpa024681012141618變形量/μm011.212.714.4圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC11微進(jìn)給裝置壓力－位移曲線1表5.SEQ表_5.\*ARABIC4微進(jìn)給裝置壓力－位移對(duì)應(yīng)值2輸入油壓/Mpa024681012141618變形量/μm01.49.41112.714.2圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC12微進(jìn)給裝置壓力－位移曲線2表5.SEQ表_5.\*ARABIC5微進(jìn)給裝置壓力－位移對(duì)應(yīng)值3輸入油壓/Mpa024681012141618變形量/μm01112.614.2圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC13微進(jìn)給裝置壓力－位移曲線3由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，液壓式微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器的輸出與輸入成線性關(guān)系，三次實(shí)驗(yàn)所得到的輸入輸出直線的斜率的最大誤差為1％，因此結(jié)合前面的有限元分析及本節(jié)的實(shí)驗(yàn)分析，可以說(shuō)明液壓式微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器具有輸出與輸入是線性關(guān)系的特性，在油壓可控分辨率為0.2MPa下位移的分辨率為0.16μm。20MPa下裝置的行程為16μm。2、滯后滯回表示的是當(dāng)輸入量從小到大及從大到小變化時(shí)，輸出相應(yīng)的曲線不重合，有偏差，這種現(xiàn)象稱為滯回現(xiàn)象，滯回量大小用△S表示，如圖5.14所示，在液壓式微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器中，要分析一下驅(qū)動(dòng)器是否存在滯回現(xiàn)象及滯回量的大小，因?yàn)槿绻⑦M(jìn)給裝置有滯回現(xiàn)象，并且滯回量比較的大，這會(huì)給實(shí)際使用帶來(lái)不便。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC14滯回在滯回特性的實(shí)驗(yàn)分析中，電感測(cè)微儀選擇3μm檔，精度為0.1μm，由于測(cè)量精度的提高，因此在此實(shí)驗(yàn)中每隔1Mpa測(cè)量1次，起始油壓為2MPa，最高油壓為9Mpa。通過(guò)取3次實(shí)驗(yàn)的不同組數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如表5.6-5.8及圖5.15-5.17所示。表5.SEQ表_5.\*ARABIC6微進(jìn)給裝置加壓與減壓對(duì)應(yīng)的位移量及差值1輸入油壓/Mpa01234567加壓變形量/μm00.71.524.725.51減壓變形量/μm00.781.582.323.123.914.725.51滯回誤差/μm00.0200.020.020.0100圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC15微進(jìn)給裝置加減壓－位移特性曲線1表5.SEQ表_5.\*ARABIC7微進(jìn)給裝置加壓與減壓對(duì)應(yīng)的位移量及差值2輸入油壓/Mpa01234567加壓變形量/μm00.451.252.022.813.64.455.28減壓變形量/μm00.51.282.052.823.64.425.28滯回誤差/μm00.050.030.030.0100.030圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC16微進(jìn)給裝置加減壓－位移特性曲線2表5.SEQ表_5.\*ARABIC8微進(jìn)給裝置加壓與減壓對(duì)應(yīng)的位移量及差值3輸入油壓/Mpa01234567加壓變形量/μm00.721.562.343.143.954.815.61減壓變形量/μm00.751.562.363.133.964.815.61滯回誤差/μm00.0300.020.010.0100圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC17微進(jìn)給裝置加減壓－位移特性曲線3由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，液壓式微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器的滯回誤差是小的，一般情況下不超過(guò)0.05μm，而這已經(jīng)是估讀出的數(shù)據(jù)，因此由驅(qū)動(dòng)器滯回特性的實(shí)驗(yàn)分析，可以認(rèn)為液壓式微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器是沒(méi)有滯回產(chǎn)生的，在加壓和減壓的過(guò)程中一定的壓力就有相應(yīng)的變形量對(duì)應(yīng)。5.2.2重復(fù)精度1、微進(jìn)給裝置重合度特性微進(jìn)給裝置重合度特性是指在同樣的情況下（如溫度、環(huán)境相同情況下），多次施加相同的輸入油壓，分析其多次輸出位移是否一致。微進(jìn)給裝置重合度特性是非常重要的，因?yàn)槿绻⑦M(jìn)給裝置重合度差，在實(shí)際中就無(wú)法對(duì)其位移進(jìn)行控制，無(wú)法被應(yīng)用在超精密車床。2、微進(jìn)給裝置重合度特性的實(shí)驗(yàn)分析在微進(jìn)給裝置重合度特性的實(shí)驗(yàn)分析中，電感測(cè)微儀仍然選擇3μm檔，精度為0.1μm，在實(shí)驗(yàn)中每隔1MPa測(cè)量1次，最高油壓為9MPa。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了獲得同樣的環(huán)境情況，對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量3次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表5.9及圖5.18所示。表5.SEQ表_5.\*ARABIC9微進(jìn)給裝置重復(fù)加壓時(shí)的位移壓力（Mpa）\次數(shù)12345652.412.402.402.412.392.400374.014.014.004.014.004.0084.834.724.804.794.814.8195.605.605.605.625.605.59圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC18微進(jìn)給裝置的重復(fù)性由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，液壓式微量進(jìn)給裝置重合度較好，在連續(xù)三次測(cè)量中，最小與最大值相差不超過(guò)0.07μm，大小在測(cè)量?jī)x器的最小刻度值以內(nèi)，變化很小，因此可以證明液壓式微量進(jìn)給裝置重合度較好。5.2.3穩(wěn)定性表5.SEQ表_5.\*ARABIC10裝置的位移（μm）隨時(shí)間的變化時(shí)間（min）壓力（MPa）024681052.402.402.402.402.402.400074.004.004.004.004.004.0084.784.794.794.794.794.7995.575.585.585.585.585.58圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC19微進(jìn)給裝置的穩(wěn)定性通過(guò)穩(wěn)定性的測(cè)試，可以反應(yīng)出裝置在一段時(shí)間內(nèi)，一定壓力下位移輸出的變化情況。實(shí)驗(yàn)所用的電液驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)能很好的控制壓力的波動(dòng)，所以通過(guò)檢測(cè)裝置的位移輸出即可反應(yīng)出其穩(wěn)定性的大小。實(shí)驗(yàn)中選擇5～9MPa幾個(gè)壓力狀態(tài)，每個(gè)壓力下測(cè)5個(gè)點(diǎn)，時(shí)間間隔為2分鐘。電感測(cè)微儀選擇3μm檔，精度為0.1μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5.10，圖5.19所示?？梢?jiàn)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，液壓微進(jìn)給裝置的位移輸出變化很小，在電感測(cè)微儀的分辨率內(nèi)，有很高的穩(wěn)定性。5.3剛度的分析5.3.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程在第四章液壓式微量進(jìn)給裝置有限元分析中，已對(duì)剛度進(jìn)行了模擬。裝置剛度的實(shí)驗(yàn)方法理與有限元分析一樣。分析裝置軸向剛度時(shí)，軸向施加集中力，通過(guò)測(cè)量?jī)x器測(cè)量力加載方向的位移，通過(guò)計(jì)算就可以獲得裝置剛度的大小。裝置軸向剛度的實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖5.20所示。在虎鉗裝夾下對(duì)裝置加載一定的重物，通過(guò)電感測(cè)微儀檢測(cè)變形量大小。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC20軸向剛度測(cè)量的原理圖5.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到刀桿在徑向集中載荷為4.2Kg力的作用下的變形情況，如表5.11所示：表5.SEQ表_5.\*ARABIC11軸向剛度的檢測(cè)次數(shù)12345均值輸出值/μm0.360.380.340.340.340.35由實(shí)驗(yàn)所得的平均值，可以得到徑向剛度的大小:K=F/=4.2×9.8/0.35×10－6＝1.18×108N/m通過(guò)與理論值對(duì)比發(fā)現(xiàn)剛度偏小，相差7.1％。由于受到電感測(cè)微儀的分辨率的限制，集中載荷下的位移輸出不能達(dá)到很高的精度，同時(shí)集中載荷下的位移輸出值對(duì)剛度的影響很大，所以軸向剛度實(shí)驗(yàn)獲得的剛度值精度有限。但是通過(guò)剛度實(shí)驗(yàn)，可以說(shuō)明剛度計(jì)算結(jié)果是可靠的。5.4模態(tài)分析以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.4.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)方法模態(tài)試驗(yàn)是測(cè)試結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)特性的有效方法，通過(guò)有限元仿真知道前6階的頻率都在1000Hz內(nèi)，因此確定本次試驗(yàn)主要考察裝置在1000Hz以內(nèi)的振動(dòng)頻率。用錘擊脈沖激勵(lì)作為輸入激勵(lì)。激勵(lì)方式為多點(diǎn)激勵(lì),單點(diǎn)拾振;進(jìn)給裝置劃分為43個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC21測(cè)試系統(tǒng)框圖圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC22模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5.21所示，結(jié)構(gòu)的脈沖激勵(lì)由力錘上的力傳感器通過(guò)敲擊產(chǎn)生，分別錘擊進(jìn)給機(jī)構(gòu)上分布的43個(gè)測(cè)點(diǎn)。由于錘擊可能出現(xiàn)因構(gòu)件反彈而引起的兩次撞擊，故在錘擊時(shí)盡量保持了一致性。響應(yīng)測(cè)量采用加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)分布在結(jié)構(gòu)的薄壁面上，按激勵(lì)次序排序?yàn)?5號(hào)點(diǎn)。裝置通過(guò)虎鉗固定，與機(jī)床上的裝夾情況相似，虎鉗固定在沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)座上，具有一定的剛度。安裝情況如圖5.22所示。5.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析通過(guò)錘擊可以測(cè)得盤(pán)面上不同位置處的激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)傅立葉變換，得到裝置的傳遞函數(shù)。將結(jié)果導(dǎo)入振動(dòng)分析軟件ME'scopeVES4.0中，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的傳函曲線進(jìn)行模態(tài)擬合和質(zhì)量歸一處理提取出各階模態(tài)參數(shù)，即可以到整個(gè)裝置的模態(tài)頻率、模態(tài)振型及模態(tài)阻尼。最后得到頻譜圖如圖5.23、5.24所示，分別對(duì)比未施加油壓和施加10MPa油壓兩種情況，可見(jiàn)固有頻率主要在151Hz和250Hz這兩處。油壓存在對(duì)微進(jìn)給缸體的固有頻率的影響不大，證明在這里液壓油所產(chǎn)生的阻尼不是很大。通過(guò)與有限元仿真對(duì)比，實(shí)驗(yàn)所得固有頻率大小與仿真結(jié)果的1階和2階頻率很接近。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC23單缸體諧相應(yīng)函數(shù)圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC2410MPa時(shí)諧響應(yīng)函數(shù)在151Hz和250Hz時(shí)結(jié)構(gòu)的振型如圖5.25，5.26所示。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC25固有頻率為151HZ時(shí)缸體的振型圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC26固有頻率為249HZ時(shí)缸體的振型可以發(fā)現(xiàn)151Hz時(shí)的振型不是很明顯，其振動(dòng)是以凸臺(tái)為中心在平行與X-Z的平面內(nèi)擺動(dòng)，分析原因這應(yīng)該是由于在實(shí)際裝夾的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的剛度與理論的完全剛度相比要小，因此振幅變得不明顯。結(jié)構(gòu)在250Hz時(shí)的振型是以凸臺(tái)為基點(diǎn)，平行于X-Y面的擺動(dòng)，振幅比較明顯。圖中局部亮度高的部分為變形較大的局部是由于該處測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)有較大的變化所致。由于裝置的結(jié)構(gòu)較小，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)的位置較密，所以在敲擊的時(shí)候會(huì)有差異。這些不會(huì)影響整個(gè)裝置振型的變化。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明微進(jìn)給裝置的模態(tài)與有限元仿真相比，是比較接近的。因此該裝置的固有頻率在機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)引起的激振頻率，具有好的穩(wěn)定性。5.5切削實(shí)驗(yàn)5.5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)方法(a)(b)圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC27車削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建切削實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)微進(jìn)給裝置的實(shí)際位移特性，檢驗(yàn)微進(jìn)給裝置能否提供合適的微量位移，從而提高現(xiàn)有的CNC進(jìn)給精度。實(shí)驗(yàn)時(shí)將微進(jìn)給裝置安裝于SPINNERSB－CNC上，其X軸的進(jìn)給精度為2μm，Z軸進(jìn)給精度為3μm，主軸最大轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)/分鐘,車削采用SANDIVIK的型號(hào)為T(mén)CMW090204FP的聚晶金剛石刀片，刀片的前角為00,后角為70,修光刃半徑為0.4mm。工件材料為L(zhǎng)Y12。徑向進(jìn)給通過(guò)不同次的加壓產(chǎn)生，加壓時(shí)機(jī)床X軸運(yùn)動(dòng)方向鎖死，Z軸提供軸向進(jìn)給。壓力逐次減少直到0.2MPa，最后通過(guò)檢測(cè)工件的階梯高度來(lái)反映微進(jìn)給裝置的實(shí)際進(jìn)給性能，工件的要車削的形狀如圖5.28所示。實(shí)驗(yàn)工作的原理圖、車削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建及工件加工方法如圖分別由圖5.27(a)(b)、5.28所示。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC28工件的車削方式5.5.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程由于裝夾條件的改變，在進(jìn)行車削前先標(biāo)定一下微進(jìn)給裝置的位移特性，直接將微進(jìn)給裝置裝夾于轉(zhuǎn)塔上時(shí)，位移特性曲線如圖5.29所示。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC29自由狀態(tài)下微進(jìn)給裝置的位移特性通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)理論的位移特性和安裝于機(jī)床時(shí)的位移特性有一定的差異，表現(xiàn)在靈敏度（斜率）的大小隨油管狀態(tài)不同而有很大變化。通過(guò)位移傳感器的檢測(cè)，分析原因有以下幾點(diǎn)：1、由于油管在高壓彎曲情況下會(huì)有向直線形狀恢復(fù)的趨勢(shì)，加上微進(jìn)給裝置尾部有很長(zhǎng)一段油管是處于自由的懸空的狀態(tài)，因此在兩者的共同作用下工作時(shí)會(huì)對(duì)裝置施加一定的干擾力，使整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形；2、裝置是通過(guò)機(jī)床自帶的刀架連接于機(jī)床轉(zhuǎn)塔，連接好以后有一定長(zhǎng)度的懸伸量，這樣整體剛度就被消弱，同時(shí)接觸面的增加也會(huì)使?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，因此在油管干擾的作用下產(chǎn)生很大變形。由于裝置的進(jìn)給量在亞微米以下，因此會(huì)產(chǎn)生的很大的位移誤差。分析上述的因素，可采取的解決方法如下：1、改變油路的形式，這樣可以減少油管的干擾力；2、增加機(jī)床的剛度，消弱干擾力的影響。由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)無(wú)法改變，因此方法2不可行。方法1可以有很多種解決方式，如改變微進(jìn)給結(jié)構(gòu)的形式、減小油管的內(nèi)徑的大小，改變油管的布局等。由于改變油管的布局對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備變動(dòng)最少，而且證明可以實(shí)現(xiàn)，因此最后選擇此方法。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)剛度大小按導(dǎo)軌上的工作臺(tái)、轉(zhuǎn)塔、刀柄、微進(jìn)給裝置的順序依次降低，因此可以使油管在高壓下的干擾力傳遞到剛度大的部位，同時(shí)將油管與微進(jìn)給裝置扎緊，來(lái)改變油管的自由懸伸的狀態(tài)。通過(guò)改動(dòng)后的裝置的位移特性曲線如圖5.30所示?？梢园l(fā)現(xiàn)位移特性恢復(fù)，油管的干擾大大減小，與標(biāo)定時(shí)的分辨率相差不到1%，可以認(rèn)為油管的干擾被消除。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC30油管固定后微進(jìn)給裝置的位移特性車削時(shí)切深依次為2μm、1μm、0.5μm、0.16μm。主軸的轉(zhuǎn)速為3000r/min、進(jìn)給速度f(wàn)＝0.005mm/min。5.5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析通過(guò)VeecoWYKO形貌儀檢測(cè)工件的階梯面，可以獲得進(jìn)給的實(shí)際效果。切削高度分別為1.92μm、0.96μm、0.48μm、0.16μm的工件的軸向剖面如圖5.31所示。由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)利用液壓微進(jìn)給裝置實(shí)現(xiàn)刀具的微位移是可控的，利用液壓微進(jìn)給裝置可以獲得所需要的進(jìn)給量，但是由于車削實(shí)驗(yàn)所用的CNC機(jī)床精度有限，如主軸的回轉(zhuǎn)精度，Z軸方向?qū)к壍闹本€度等影響，所加工的工件表面粗糙度稍大，在最小進(jìn)給量為0.16μm的階梯已不明顯，并且所獲得的高度要大于設(shè)定值，進(jìn)給不穩(wěn)定。兩階梯面的凹槽是由于車刀在此處停頓了一段時(shí)間用于下一段車削編程而形成的。（a）(b)(c)(d)圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC31利用液壓微進(jìn)給裝置加工的階梯截面軸形貌:（a）1.92μm;(b)0.96μm;(c)0.51μm;(d)0.16μm此外通過(guò)比較使用和不使用液壓微進(jìn)給裝置及不同工作壓力段時(shí)的車削情況，工件表面質(zhì)量如圖5.32所示。結(jié)果顯示利用液壓微進(jìn)給裝置在開(kāi)環(huán)下進(jìn)行精密車削可以降低工件的表面粗糙度。相對(duì)于原有的車削系統(tǒng)，液壓微進(jìn)給裝置中存在阻尼使車削時(shí)刀具的振動(dòng)幅度要降低，最終工件的平均粗糙度Ra約為原來(lái)的1/2，輪廓的最大高度Rt較原來(lái)也減小很多。同時(shí)結(jié)果顯示液壓微進(jìn)給裝置在不同的工作壓力段切削時(shí)，對(duì)工件的表面質(zhì)量影響不大。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC32幾種切削方式的表面粗糙度利用車床的滾珠絲杠在X軸方向進(jìn)給1μm的極限值，通過(guò)檢測(cè)工件形貌，實(shí)際加工獲得的階梯高度為0.8μm左右，如圖5.33，進(jìn)給量為1μm時(shí)，機(jī)床導(dǎo)軌已不能補(bǔ)償位移的誤差。因此利用液壓微進(jìn)給裝置提高了SPINNERSB－CNC精密機(jī)床的X軸方向的進(jìn)給精度，同時(shí)也提高了工件的表面質(zhì)量。通過(guò)切削試驗(yàn)表明液壓微進(jìn)給裝置開(kāi)環(huán)控制時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位移控制穩(wěn)定，對(duì)于提高現(xiàn)有的精密機(jī)床的加工精度是可行的。由于機(jī)床的Z軸方向采用滾珠絲杠和滑動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方式、主軸的回轉(zhuǎn)精度保持在原有的精度水平，因此整體的加工效果有限。圖5.SEQ圖_5.\*ARABIC33機(jī)床極限進(jìn)給工件的截面形貌通過(guò)車削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)最小1.6μm的切削，具有很好的可控性能，大大提高了精密車削機(jī)床的進(jìn)給精度，但是由于傳統(tǒng)的CNC的精度有限，如主軸回轉(zhuǎn)精度、絲杠傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度等在亞微米下會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，所以微進(jìn)給裝置可以實(shí)現(xiàn)的進(jìn)給精度有限，但通過(guò)靜態(tài)的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)液壓微進(jìn)給裝置可以達(dá)到0.16μm的進(jìn)給分辨率，如果有更高精度的壓力表和控制方法，精度可以達(dá)到更高。5.6本章小節(jié)本章所做的工作和結(jié)論如下：1、分析靜態(tài)特性可以為裝置的使用提供依據(jù)，同時(shí)為高精度補(bǔ)償?shù)男拚峁┝苏_的數(shù)據(jù)。通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，證明微進(jìn)給裝置在2MPa-20MPa的工作范圍內(nèi)能夠獲得0.8μm/MPa的位移輸出靈敏度，在最小0.2MPa輸入壓力下可以獲得0.16μm的進(jìn)給精度，在0.02MPa的輸入壓力下能達(dá)到0.016μm的進(jìn)給精度，同時(shí)位移輸出具有很好的線性，重復(fù)性和穩(wěn)定性。2、模態(tài)試驗(yàn)是測(cè)試結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)特性的有效方法，模態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明裝置的一階工作頻率要大于150HZ，相對(duì)于機(jī)床主軸最大8000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速不會(huì)引起共振的情況出現(xiàn)，因而該微進(jìn)給裝置具有好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。3、液壓微進(jìn)給裝置端面的刀桿在切削加工時(shí)會(huì)受到切削力，它們的剛度大小會(huì)對(duì)切削變形以致切削效果產(chǎn)生直接影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得進(jìn)給裝置的軸向剛度為1.18×108N/m，因此剛度是足夠大的，在進(jìn)給量小時(shí)需要補(bǔ)償?shù)牧亢苄?，在這里可以忽略，因此對(duì)于開(kāi)環(huán)位移控制實(shí)驗(yàn)是十分有利的。4、將微進(jìn)給裝置安裝于SPINNERSB－CNC上，主軸的轉(zhuǎn)速為3000r/min、進(jìn)給速度f(wàn)＝0.005mm/min時(shí)，利用微進(jìn)給裝置驅(qū)動(dòng)PCD車刀，可以切削出高度差依次為2μm、1μm、0.5μm、0.16μm的階梯軸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用液壓微進(jìn)給裝置在開(kāi)環(huán)下進(jìn)行精密車削可以降低工件的表面粗糙度。相對(duì)于原有的車削系統(tǒng)，液壓微進(jìn)給裝置中存在阻尼使車削時(shí)刀具的振動(dòng)幅度要降低，最終工件的平均粗糙度Ra約為原來(lái)的1/2。同時(shí)結(jié)果顯示液壓微進(jìn)給裝置在不同的工作壓力段時(shí)，對(duì)車削工件表面的質(zhì)量影響不大。

第六章結(jié)論與展望6.1研究的主要結(jié)論本文在對(duì)目前使用液壓微量進(jìn)給裝置進(jìn)行概述和分析基礎(chǔ)上，提出了一種新型微量進(jìn)給裝置—液壓式微量進(jìn)給裝置，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且借助于力學(xué)知識(shí)，獲得進(jìn)給裝置關(guān)鍵尺寸確定理論公式，利用有限元分析方法和實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)進(jìn)給裝置的特性進(jìn)行了分析。論文主要取得了以下成果：（1）本文系統(tǒng)分析了微量進(jìn)給進(jìn)給裝置的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，比較目前常用微量進(jìn)給裝置的性能，指出了現(xiàn)在使用微量進(jìn)給裝置的不足和缺點(diǎn)，提出一種能彌補(bǔ)現(xiàn)行微量進(jìn)給裝置缺點(diǎn)的新型微量進(jìn)給裝置—液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置。（2）根據(jù)液壓式微量進(jìn)給裝置使用場(chǎng)合和工作環(huán)境，考慮進(jìn)給裝置應(yīng)用和推廣使用，提出了液壓式微量進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出實(shí)體裝置。（3）借助于彈性力學(xué)知識(shí)，得到了液壓式微量進(jìn)給裝置關(guān)鍵尺寸確定理論公式，在對(duì)理論公式進(jìn)行分析和研究基礎(chǔ)上，提出了液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置功能尺寸確步驟，依據(jù)尺寸確定步驟，對(duì)進(jìn)給裝置關(guān)鍵尺寸進(jìn)行確定。（4）借助于有限元軟件ANSYS,對(duì)液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置進(jìn)行有限元分析。通過(guò)有限元分析，驗(yàn)證液壓式微量進(jìn)給裝置設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，并分析進(jìn)給裝置的輸出與輸入特性及進(jìn)給裝置剛度。（5）在前面所做工作的基礎(chǔ)上，研制并制造出液壓薄壁式微量進(jìn)給裝置，借助于實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其特性進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證該裝置具有輸出與輸入是線性關(guān)系、高剛度、雙向大驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還分析了進(jìn)給裝置其它方向的特性如滯回特性、重合度特性，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)該裝置滯回現(xiàn)象不明顯，在環(huán)境條件相同情況下，裝置的重合度較好。（6）對(duì)微進(jìn)給裝置進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元進(jìn)行了對(duì)比，得出了裝置的6階固有頻率和相應(yīng)的振型。對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工參數(shù)的選擇提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。（7）研制的液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置應(yīng)用在超精密加工機(jī)床上，以此分析進(jìn)給裝置使用性能。通過(guò)利用WYKO表面形貌儀對(duì)已加工零件表面形貌測(cè)量，證明其有良好使用性能。6.2尚待深入研究的問(wèn)題及發(fā)展展望液壓薄壁式微量進(jìn)給裝置是一種新型的微量進(jìn)給裝置，它具有輸出與輸入保持線性關(guān)系特性，高剛度及能承受拉壓載荷方面優(yōu)異性能，它能夠很好地應(yīng)用于超精密車床之中，對(duì)零件進(jìn)行精密與超精密加工，實(shí)現(xiàn)刀具誤差在線補(bǔ)償及微薄切削，液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置為精密與超精密機(jī)床提供一種新型刀具微量進(jìn)給裝置，促進(jìn)了精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展。本文在完成過(guò)程中，由于時(shí)間等種種原因，還有很多方面尚需完善，今后需要解決的主要問(wèn)題有：（1）微量進(jìn)給裝置中大行程和高精度這一對(duì)矛盾仍然存在。在進(jìn)給裝置開(kāi)發(fā)和研制中，也嘗試著大行程和高精度結(jié)合液壓薄壁式微量進(jìn)給裝置研制，研制中主要出現(xiàn)問(wèn)題是粗精進(jìn)給兼容性問(wèn)題，此外高壓油管及高壓管接頭對(duì)精進(jìn)給輸出影響問(wèn)題。因此在今后致力于粗精結(jié)合液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置研制時(shí)，要著重首先解決好這兩個(gè)問(wèn)題。（2）液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置安裝在精密機(jī)床上，對(duì)零件進(jìn)行精密加工，在一定情況下可以獲得較好的位移控制精度，但通過(guò)手動(dòng)只能實(shí)現(xiàn)一定量的穩(wěn)定進(jìn)給，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件形狀的加工則需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同時(shí)由于加工條件的復(fù)雜性，如切削力的變化，刀片的磨損等因素會(huì)使工件尺寸產(chǎn)生誤差，則要求裝置能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制來(lái)補(bǔ)償誤差，因此，必須完善裝置的控制系統(tǒng)。(3)由于液壓式薄壁微量進(jìn)給裝置中工作時(shí)阻尼會(huì)消弱振動(dòng)的影響，那么對(duì)于微進(jìn)給裝置來(lái)說(shuō)，采用何種形式會(huì)獲得合適的阻尼和剛度配合，使得切削時(shí)對(duì)振動(dòng)消弱達(dá)到最佳化，獲得更好的使用性能，這些問(wèn)題還需進(jìn)一步研究。

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