超精密加工、 光學儀器、 MEMS 技術和超聲電機是當前國內外微納米技術研究領域的熱點， 但對於振幅為微納米級、 頻率為若干赫茲的振動的測試計量一直是制約這些技術進一步提高精度和效率的瓶頸。
基本介紹
- 中文名：低頻微幅振動
- 外文名：Low frequencyvibration slightly
低頻微幅振動原因,低頻微幅振動的測量,低頻微幅振動測試方法及主要解決措施,低頻微幅振動的關鍵問題,
球面銑磨機是用來銑磨加工各種光學球面的冷加工設備，而光學設備的主要精度除了主軸的旋轉精度，即工件主軸和金剛石磨輪主軸的定位止口的端面跳動精度和徑向跳動精度一般控制在0.005 mm以內, 高精度主軸端面跳動精度和徑向跳動精度則應控制在0.002 mm以內；導軌的直線度和主軸軸線對導軌的平行度，金剛石磨輪軸線和工件軸軸向的等高差一般控制在0.005 mm以內，但高精度的銑磨機的金剛石磨輪軸線和工件軸軸向的等高差必須控制在0.002 mm以內，所有這一切運動精度、位置精度只要掌握了一些高精度主軸組成零件的加工技術和高級鉗工的刮研技術均可以做到，但是工具機的低頻振動的原因非常多，低頻振動會影響工具機的高精度，使工具機產生嚴重的缺陷，特別是加工高精度零件時，即使工具機產生微小的振動也會是該工具機在加工高精度零件時，難以加工出高精度的光學零件；導致失去高端客戶群的嚴重後果。
低頻微幅振動原因
1 主軸偏心引起的原因
因主軸轉速不超過50 r/min （即≤50 r/min），一般來將只要經過主軸靜平衡後，主軸的偏心所能引起的低頻振動影響就不會存在，但對於磨輪主軸，必須經過嚴格的靜平衡和動平衡，經單獨測試，因磨輪軸在11 400 r/min和7 800 r/min高轉速下運轉，此時將千分表的錶針緊靠在工件軸的定位止口的圓柱面上，並沒有產生錶針產生任何跳動，同樣的方法檢測工件軸的端面時也沒有跳動，因此，可以判斷磨輪軸的高速運轉並沒有引起工件主軸的共振。
因主軸轉速不超過50 r/min （即≤50 r/min），一般來將只要經過主軸靜平衡後，主軸的偏心所能引起的低頻振動影響就不會存在，但對於磨輪主軸，必須經過嚴格的靜平衡和動平衡，經單獨測試，因磨輪軸在11 400 r/min和7 800 r/min高轉速下運轉，此時將千分表的錶針緊靠在工件軸的定位止口的圓柱面上，並沒有產生錶針產生任何跳動，同樣的方法檢測工件軸的端面時也沒有跳動，因此，可以判斷磨輪軸的高速運轉並沒有引起工件主軸的共振。
2 電機運轉產生的原因
電機自身由於製造誤差而存在的轉子偏心引起的微幅振動，這種振動如果和主軸的固有頻率之間存在著匹配關係，將導致工件主軸的低頻振動。 利用上述同樣的檢測方法，用千分表檢測，可以看出表的指針有極其微小的偏擺；也就是說擺幅不大於千分表最小可視讀數的一半，即0.000 5 mm，為了更好的分析由此引起的誤差疊加，我們借來了較昂貴的萬分表，進行了測試，結果顯示振幅大約在0.000 2～0.000 3 mm之間。
3 主軸剛度與外振源的共振耦合
此共振耦合的檢測方法，因受到檢測手段的限制，採用了模擬逼近的實驗檢測法。
4 導向槽的直線度及與主軸的平行度
零件製造符合圖紙要求。但與其相配的導向銷開始為了裝配方便期間，二者之間的間隙大約取0.05～0.12 mm，經過下述測試方法檢測時，但它們對主軸的微幅振動的影響並不是主要原因。 只能引起大約0.000 1 mm的附加微振振幅，當配合最佳間隙在0.016～0.022 mm之間，用萬分表幾乎檢測不到所引起附加微振振幅，但是，這種配合間隙不但大大的增加了製造成本，且使裝配效率降低裝配難度增加了，從綜合效益上去考慮，採用擴大相配件製造公差製造，採用分組法選配安裝；使這一問題帶到解決。
5 箱體零件的形狀位置精度、及與主軸尺寸公差的配合
間隙的影響經過檢驗零件的尺寸精度符合要求，但形位公差超差戰很大比例；而且不同的裝配方法對獲得最終精度有一定的影響，逐步檢測發現：工件軸的軸承預緊的預緊力和配合間隙對主軸的低頻微振動有較大相關性，從下述振動測試內容及方法上可以得到證實並最佳化。
6蝸桿減速器的輸出軸軸線與其安裝定位基準的垂直度
誤差引起的附加諧振力的影響這是通過多個原因排除後，發現的最為關鍵的重要因素，也是反覆測試並確證的低頻微振的另一主要原因。開始採用的檢測方法並沒有發現，然而正是這一原因才是導致銑磨機主軸低頻微振動最根本原因。所以，一般情況下，不要先下結論去確定主要原因，而應是將一切可能的影響因素全部羅列出來，並經過多次測試、 對比、 篩選後再判定主要原因的影響因素；而且更要關注檢測方法自身存在的缺陷，設法改進檢測方法。
3 主軸剛度與外振源的共振耦合
此共振耦合的檢測方法，因受到檢測手段的限制，採用了模擬逼近的實驗檢測法。
4 導向槽的直線度及與主軸的平行度
零件製造符合圖紙要求。但與其相配的導向銷開始為了裝配方便期間，二者之間的間隙大約取0.05～0.12 mm，經過下述測試方法檢測時，但它們對主軸的微幅振動的影響並不是主要原因。 只能引起大約0.000 1 mm的附加微振振幅，當配合最佳間隙在0.016～0.022 mm之間，用萬分表幾乎檢測不到所引起附加微振振幅，但是，這種配合間隙不但大大的增加了製造成本，且使裝配效率降低裝配難度增加了，從綜合效益上去考慮，採用擴大相配件製造公差製造，採用分組法選配安裝；使這一問題帶到解決。
5 箱體零件的形狀位置精度、及與主軸尺寸公差的配合
間隙的影響經過檢驗零件的尺寸精度符合要求，但形位公差超差戰很大比例；而且不同的裝配方法對獲得最終精度有一定的影響，逐步檢測發現：工件軸的軸承預緊的預緊力和配合間隙對主軸的低頻微振動有較大相關性，從下述振動測試內容及方法上可以得到證實並最佳化。
6蝸桿減速器的輸出軸軸線與其安裝定位基準的垂直度
誤差引起的附加諧振力的影響這是通過多個原因排除後，發現的最為關鍵的重要因素，也是反覆測試並確證的低頻微振的另一主要原因。開始採用的檢測方法並沒有發現，然而正是這一原因才是導致銑磨機主軸低頻微振動最根本原因。所以，一般情況下，不要先下結論去確定主要原因，而應是將一切可能的影響因素全部羅列出來，並經過多次測試、 對比、 篩選後再判定主要原因的影響因素；而且更要關注檢測方法自身存在的缺陷，設法改進檢測方法。
低頻微幅振動的測量
振動一般使用測量加速度 a 的感測器進行檢測，而且在正弦振動中，a = 2πfv (1)，v = 2πfD (2)式中:D 為二分之一的振動位移量;v 為振動速度;f 為振動頻率。
可見，加速度與振幅的比例關係是頻率的二次方。這就是嚴普強提到，在低頻段微米和亞微米位移難以測量的理論依據。而且，國內振動測量領域仍然以電測法為主， 使用如壓電式感測器等方式把振動信號轉換為電信號進行測量。但是， 電測法由於機理所限無法檢測微米級以下的信號。同時， 利用LabVIEW 平台測振的設計當中， 並沒有針對光測法這種高精度測量方法進行相應的算法開發。這一現狀導致目前在微幅低頻測量的精度一般在 3% ～ 5% 左右， 而無法套用於微機電加工等對精度要求高的領域。光測法是一種非接觸式測量， 由於其靈敏度極高， 可以對微小振動進行高精度測量。
可見，加速度與振幅的比例關係是頻率的二次方。這就是嚴普強提到，在低頻段微米和亞微米位移難以測量的理論依據。而且，國內振動測量領域仍然以電測法為主， 使用如壓電式感測器等方式把振動信號轉換為電信號進行測量。但是， 電測法由於機理所限無法檢測微米級以下的信號。同時， 利用LabVIEW 平台測振的設計當中， 並沒有針對光測法這種高精度測量方法進行相應的算法開發。這一現狀導致目前在微幅低頻測量的精度一般在 3% ～ 5% 左右， 而無法套用於微機電加工等對精度要求高的領域。光測法是一種非接觸式測量， 由於其靈敏度極高， 可以對微小振動進行高精度測量。
雷射聚焦式測頭及像散法
像散法是光測法的一種主要手段， 測頭照射被測物體表面，通過檢測光學像散量達到測量物體微振動的目的。在測量的過程中，當載物平台保持恆定， 振動裝置發生振動時， 由於振動台表面與雷射測頭的原焦點之間的距離發生變化， 雷射聚焦式測頭重新聚焦到新焦點，輸出相應的波形信號。首先要求被測振動物體表面在雷射束的焦平面附近， 即通過機械升降台大範圍上下移動振動平台，使得振源表面形成聚焦光斑。此時測頭通過數據採集卡輸入到上位機內的數在 0左右。相對於電測法， 由於光測法是在隔振平台上的絕對式測量，其穩定性更好，可靠性更高。
像散法是光測法的一種主要手段， 測頭照射被測物體表面，通過檢測光學像散量達到測量物體微振動的目的。在測量的過程中，當載物平台保持恆定， 振動裝置發生振動時， 由於振動台表面與雷射測頭的原焦點之間的距離發生變化， 雷射聚焦式測頭重新聚焦到新焦點，輸出相應的波形信號。首先要求被測振動物體表面在雷射束的焦平面附近， 即通過機械升降台大範圍上下移動振動平台，使得振源表面形成聚焦光斑。此時測頭通過數據採集卡輸入到上位機內的數在 0左右。相對於電測法， 由於光測法是在隔振平台上的絕對式測量，其穩定性更好，可靠性更高。
低頻微幅振動測試方法及主要解決措施
1 檢測試驗設計的原理和方法
為了逐步尋找影響銑磨機低頻微振動的主要原因，特制定並實施如下的檢測步驟：即單一影響因素對主軸低頻微振動影響檢測實驗；當然這種方法的基本原理來自微分學的基本概念，即首先查看每個單一影響因素對工具機主軸的實際影響值；對比各值的大小；其次採用兩個因素組合時，查找因素相關性對主軸的低頻微振動的影響；並與單一因素作用時的疊加效果進行對比，這樣可以區別獨立因素和關聯因素並能找出主軸的低頻微振動主要影響因素，多元函式的偏微分和函式的全微分是符合疊加原理的。 實際上，國外的超精加工工具機及加工均採用了類似的設計和控制原理；因此，超精密加工對環境因素的要求越來越高；唯一的區別是測量原理從視覺測量到放大後的顯微測量、 到干涉法測量、 再到單頻雷射干涉測量、 雙頻雷射干涉測量；當接近或達到分子的納米技術；是否綜合以上各種技術才能突破分子級別的準確測量藩籬；國外這方面的研究已取得顯著成果並投入使用，這是人類在檢測技術領域的另一重大技術突破。
2 電機運轉的影響和共振耦合影響檢測
為了檢測電動機在不同情況下對工件主軸的低頻微振動的影響，設計的檢測方法：首先，將電動機安裝在銑磨機的不同部位，工件主軸安裝在工具機上正確的工作處，靜態情況下，手輕輕轉動工件主軸，用千分表測量的工件主軸端、 徑跳動均小於0.001 mm，之後，啟動帶變頻器的電動機可以在不同頻率下再次檢測工件主軸的端、 徑跳動情況，可檢測出電機工作的不同頻率段對工件主軸的低頻微振動的影響，然後採用隔振手段將電機和工具機床身隔離開，直至電機自身的振動不引起銑磨機工件軸的附加低頻振動為止。 同樣，將磨輪主軸安裝在工具機的正確位置，因磨輪主軸工作轉速只有兩個基本固定的轉速，檢測比較容易，實驗時，為保證在電網電壓發生變化時，不會產生振動現象；採用變頻技術，即利用變頻器來控制電動機的轉速在（ 2 880±510 ） r/min，從而 控 制 磨 輪主軸轉速在（ 11 400±2 000） r/min和（ 7 800±1380） r/min範圍內波動的情況下，檢測對工具機工件主軸的低頻微振的影響，試驗驗證了磨輪電機的振動對銑磨機工件軸的低頻振動沒有影響。
3 導向槽的直線度及與主軸的平行度誤差引起附加的低頻微幅振動的檢測
為了逐步尋找影響銑磨機低頻微振動的主要原因，特制定並實施如下的檢測步驟：即單一影響因素對主軸低頻微振動影響檢測實驗；當然這種方法的基本原理來自微分學的基本概念，即首先查看每個單一影響因素對工具機主軸的實際影響值；對比各值的大小；其次採用兩個因素組合時，查找因素相關性對主軸的低頻微振動的影響；並與單一因素作用時的疊加效果進行對比，這樣可以區別獨立因素和關聯因素並能找出主軸的低頻微振動主要影響因素，多元函式的偏微分和函式的全微分是符合疊加原理的。 實際上，國外的超精加工工具機及加工均採用了類似的設計和控制原理；因此，超精密加工對環境因素的要求越來越高；唯一的區別是測量原理從視覺測量到放大後的顯微測量、 到干涉法測量、 再到單頻雷射干涉測量、 雙頻雷射干涉測量；當接近或達到分子的納米技術；是否綜合以上各種技術才能突破分子級別的準確測量藩籬；國外這方面的研究已取得顯著成果並投入使用，這是人類在檢測技術領域的另一重大技術突破。
2 電機運轉的影響和共振耦合影響檢測
為了檢測電動機在不同情況下對工件主軸的低頻微振動的影響，設計的檢測方法：首先，將電動機安裝在銑磨機的不同部位，工件主軸安裝在工具機上正確的工作處，靜態情況下，手輕輕轉動工件主軸，用千分表測量的工件主軸端、 徑跳動均小於0.001 mm，之後，啟動帶變頻器的電動機可以在不同頻率下再次檢測工件主軸的端、 徑跳動情況，可檢測出電機工作的不同頻率段對工件主軸的低頻微振動的影響，然後採用隔振手段將電機和工具機床身隔離開，直至電機自身的振動不引起銑磨機工件軸的附加低頻振動為止。 同樣，將磨輪主軸安裝在工具機的正確位置，因磨輪主軸工作轉速只有兩個基本固定的轉速，檢測比較容易，實驗時，為保證在電網電壓發生變化時，不會產生振動現象；採用變頻技術，即利用變頻器來控制電動機的轉速在（ 2 880±510 ） r/min，從而 控 制 磨 輪主軸轉速在（ 11 400±2 000） r/min和（ 7 800±1380） r/min範圍內波動的情況下，檢測對工具機工件主軸的低頻微振的影響，試驗驗證了磨輪電機的振動對銑磨機工件軸的低頻振動沒有影響。
3 導向槽的直線度及與主軸的平行度誤差引起附加的低頻微幅振動的檢測
在工件主軸端安裝一檢測心軸，在檢測心軸表面通過磁力表架固定一檢測萬分表，並將表頭壓在檢測心軸的外圓表面，一方面轉動工件主軸，另一方面撥動工件主軸的進給手柄，檢測工件主軸在全進給行程範圍內，觀察萬分表的徑向跳動範圍 （注意應除去心軸和主軸自身的跳動量）；結果發現零件滿足圖紙規定的尺寸和位置公差要求時，萬分表檢測的引起主軸附加的微振振幅時錶針幾乎不動。這說明此項影響因素對工件主軸的低頻微振非常小。
4 箱體製造的形位誤差、主軸軸承間隙和預緊力、蝸桿減速器的製造綜合誤差等對工件主軸的低頻微幅振動的檢測對外購的蝸桿減速器首先進行檢測，發現蝸桿減速器的軸線對其安裝的定位止口端面的垂直度不大於0.005 mm，對其定位止口外圓同軸度不大於0.01 mm，當將這樣的減速器和工件主軸連線在一起時，通過轉動蝸桿減速器輸入軸來檢測工件主軸的附屬檔案徑向跳動，結果發現引起跳動在0.01～0.047 mm，且越遠離主軸定位端跳動檢測的跳動越大；反之，跳動越小。由於蝸桿減速器的輸出端和工件主軸之間是通過內、 外花鍵連線的，通過分析得知，如果二者之間同軸度誤差太大，在蝸桿輸出軸轉動時，會引起周期性的偏擺，當這種周期性的偏擺激振力通過內花鍵作用在主軸上時，變引起周期性激振力，而這種激振力隨著主軸的剛性增大、 預緊力增大而減小，反之，主軸的微幅振動增大。通過適當的調整預緊力，併合理的裝配來減小和消除內、 外花鍵同軸度誤差，最終大大減小甚至消除主軸的低頻微幅振動；使工具機的加工精度滿足精加工的使用要求。工件軸對其軸承箱的定位止口和端面對主軸的徑跳、端跳誤差的影響也可採用類似的方法檢測；裝配時可以採用二者之間的互補來減小配合件間的平行誤差。
4 箱體製造的形位誤差、主軸軸承間隙和預緊力、蝸桿減速器的製造綜合誤差等對工件主軸的低頻微幅振動的檢測對外購的蝸桿減速器首先進行檢測，發現蝸桿減速器的軸線對其安裝的定位止口端面的垂直度不大於0.005 mm，對其定位止口外圓同軸度不大於0.01 mm，當將這樣的減速器和工件主軸連線在一起時，通過轉動蝸桿減速器輸入軸來檢測工件主軸的附屬檔案徑向跳動，結果發現引起跳動在0.01～0.047 mm，且越遠離主軸定位端跳動檢測的跳動越大；反之，跳動越小。由於蝸桿減速器的輸出端和工件主軸之間是通過內、 外花鍵連線的，通過分析得知，如果二者之間同軸度誤差太大，在蝸桿輸出軸轉動時，會引起周期性的偏擺，當這種周期性的偏擺激振力通過內花鍵作用在主軸上時，變引起周期性激振力，而這種激振力隨著主軸的剛性增大、 預緊力增大而減小，反之，主軸的微幅振動增大。通過適當的調整預緊力，併合理的裝配來減小和消除內、 外花鍵同軸度誤差，最終大大減小甚至消除主軸的低頻微幅振動；使工具機的加工精度滿足精加工的使用要求。工件軸對其軸承箱的定位止口和端面對主軸的徑跳、端跳誤差的影響也可採用類似的方法檢測；裝配時可以採用二者之間的互補來減小配合件間的平行誤差。
5 裝配誤差的抵消措施
但發現減速器有較大的製造跳動誤差時， 一般製造的減速器精度不高，在0.02 mm以內，控制在0.005 mm以內減速器所占比例很少，對於端、 徑跳動在0.005～0.02 mm之間的減速器，我們可以利用所測誤差數值，配製工件軸向，只要誤差的方向剛好能起到抵消作用時，在不增加任何費用的情況小，可以取得令人滿意的精度效果和經濟效益。
但發現減速器有較大的製造跳動誤差時， 一般製造的減速器精度不高，在0.02 mm以內，控制在0.005 mm以內減速器所占比例很少，對於端、 徑跳動在0.005～0.02 mm之間的減速器，我們可以利用所測誤差數值，配製工件軸向，只要誤差的方向剛好能起到抵消作用時，在不增加任何費用的情況小，可以取得令人滿意的精度效果和經濟效益。
低頻微幅振動的關鍵問題
（ 1）如何在不提高原動機製造精度的前提下，降低原動機對工具機加工精度的影響，並隔離原動機對工件主軸低幅微振的影響，提高工具機的加工精度。
（ 2）利用單一影響因素對主軸低頻微幅振動的影響檢測，可找出影響主軸低頻微幅振動關鍵因素的原因，通過減小或消除影響低頻微幅振動主要因素，減少或消除銑磨機的低頻微幅振動。
（ 3）中間傳動鏈的製造精度會影響動力的傳遞，該動力在要求的裝配誤差範圍內不會產生激振力，但超出某一值時，激振力將明顯增加工件主軸的低頻振動，合理的調整裝配位置或配製某一零件，可以抵消這些製造誤差，減小或消除互配零件的同軸度和垂直度誤差而引起的干涉。
（ 4）在激振干涉力較小的情況下，採用合理的預緊力和零間隙可以抵消微弱激振力帶來的工件主軸的低頻振動。
（ 2）利用單一影響因素對主軸低頻微幅振動的影響檢測，可找出影響主軸低頻微幅振動關鍵因素的原因，通過減小或消除影響低頻微幅振動主要因素，減少或消除銑磨機的低頻微幅振動。
（ 3）中間傳動鏈的製造精度會影響動力的傳遞，該動力在要求的裝配誤差範圍內不會產生激振力，但超出某一值時，激振力將明顯增加工件主軸的低頻振動，合理的調整裝配位置或配製某一零件，可以抵消這些製造誤差，減小或消除互配零件的同軸度和垂直度誤差而引起的干涉。
（ 4）在激振干涉力較小的情況下，採用合理的預緊力和零間隙可以抵消微弱激振力帶來的工件主軸的低頻振動。
