本期文章出自雷尼紹-技術(shù)白皮書

　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼器幫助FORTiS?光柵實現(xiàn)領(lǐng)先級抗振性

　　1907年，美國機(jī)械工程師Frederick Winslow Taylor將機(jī)械加工過程中的振動形容為“機(jī)械師面臨的所有問題中最費(fèi)解、最棘手的問題”。從雷尼紹自身以及通過與全球客戶群的密切合作，在近五十年來所積累的豐富機(jī)械加工經(jīng)驗來看，我們贊同他的觀點。盡管機(jī)械加工行業(yè)在一個多世紀(jì)以來取得了技術(shù)進(jìn)步，并且目前已經(jīng)開發(fā)出現(xiàn)代化、高品質(zhì)、高速數(shù)控機(jī)床，但振動現(xiàn)象確實還會發(fā)生?？赡芤鹫駝拥牡湫蛻?yīng)用場合包括重型粗切削、間歇性切削、薄壁部件加工，以及特別堅硬和特殊材料的加工。選擇合適的刀具以及優(yōu)化進(jìn)給率和速度是有助于減少和抑制振動的必要措施。為確保機(jī)床運(yùn)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)理想性能，從而提高生產(chǎn)效率，如何平衡循環(huán)時間與加工精度和質(zhì)量是一個永恒課題。

　　雷尼紹工業(yè)測量應(yīng)用部門總監(jiān)，Paul Maxed

　　挑戰(zhàn)

　　機(jī)床在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生明顯的振動，而強(qiáng)烈的振動會對安裝在機(jī)床上的封閉式光柵產(chǎn)生不利影響，從而導(dǎo)致測量不精確。軸位置測量精度可直接影響制程在各個方面的質(zhì)量，比如特征加工精度和表面光潔度等。優(yōu)化位置測量精度，減少振動的影響，可顯著提高生產(chǎn)質(zhì)量。機(jī)床振動的主要原因有：

　　1. 在某些情況下，切削過程中會產(chǎn)生刀具震顫。例如，當(dāng)銑削硬質(zhì)材料時，由于切削力度過大會發(fā)生工件或刀具偏移。

　　2. 加工材料的不均勻性和切削刀具上出現(xiàn)積屑瘤。由于加工難度突然增加而產(chǎn)生沖擊力，進(jìn)而引起振動。

　　3. 在銑削中常見的間歇性切削會產(chǎn)生沖擊力，進(jìn)而引起振動。

　　4. 由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡，傳動機(jī)構(gòu)的阻尼變化(如軸承磨損)或工件裝夾不牢而引起的干擾。

　　5. 機(jī)床磨損或維護(hù)不善，切削刀具不合適，以及主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率不當(dāng)。

　　解決方案

　　雷尼紹憑借自身在機(jī)床領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，與眾多大型機(jī)床制造商和最終用戶建立了成功的合作關(guān)系。FORTiS?封閉式光柵旨在解決關(guān)于機(jī)床振動的已知問題，以及機(jī)床振動對位置測量精度的影響。FORTiS光柵的三個設(shè)計特點互為支撐，可提高光柵抗機(jī)械振動的穩(wěn)固性，進(jìn)一步防止高振幅擾動進(jìn)入位置控制環(huán)：

　　1. 如圖2a所示，傳統(tǒng)的封閉式光柵采用彈簧輪式滑架，可在讀數(shù)頭本體沿柵尺移動時為其提供支撐。在任意給定的驅(qū)動頻率下，支撐讀數(shù)頭的機(jī)床導(dǎo)軌的振動幅度和相位 (Vg) 與固定在機(jī)床安裝面上的光柵柵尺和殼體的振動幅度和相位 (Vm) 不同;如圖1所示，這種振幅和相位響應(yīng)差異必須由輪式滑架中的柔性彈片和聯(lián)軸器吸收。如圖2b所示，F(xiàn)ORTiS光柵采用非接觸式設(shè)計，將讀數(shù)頭本體與柵尺殼體有效分離。

　　2. 傳統(tǒng)封閉式光柵使用相對較重的玻璃柵尺，懸掛在柵尺殼體一側(cè)。為了避免由于懸掛式柵尺的振動而在柵尺殼體內(nèi)部產(chǎn)生非預(yù)期振蕩，F(xiàn)ORTiS光柵使用輕型鋼制柵尺，而且柵尺的全長均固定在柵尺殼體內(nèi)部。

　　3. FORTiS光柵的第三個阻尼設(shè)計特點是采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼技術(shù)。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 (TMD) 是一種機(jī)械裝置，安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的特定位置，可顯著抑制共振。FORTiS光柵使用兩個調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來抵消垂直軸和水平軸上的振動。

　　圖2a：傳統(tǒng)封閉式光柵的剖面圖，顯示了柵尺殼體內(nèi)部的讀數(shù)頭本體和用于支撐的輪式滑架。請注意，這種讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)完全暴露于進(jìn)入柵尺殼體內(nèi)部的污染物

　　圖2b：FORTiS-S封閉式光柵的剖面圖，顯示了柵尺殼體內(nèi)部的非接觸式密封型讀數(shù)頭本體

　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼技術(shù)簡介

　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼器廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，針對具有明確共振頻率的物體，必須減緩其機(jī)械振動。最著名的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器應(yīng)用實例也許是建造超高層摩天大樓。例如，著名的臺北101大樓使用大型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，以減少大樓因強(qiáng)風(fēng)或地震而產(chǎn)生的振動，如圖3所示。其他應(yīng)用實例包括，在輸電線路、飛機(jī)機(jī)翼、汽車曲軸、橋梁和FORTiS光柵上安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。

　　圖3：中國臺北101大樓上的TMD系統(tǒng)

　　在FORTiS光柵中，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器沿垂直(Z軸)和水平(Y軸)方向安裝在讀數(shù)頭上。如圖4所示，F(xiàn)ORTiS光柵中調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的基本設(shè)計是：安裝在阻尼器質(zhì)量塊兩端柱栓上的兩個O形圈，阻尼器柱栓安裝在挖通的套筒內(nèi)，以控制O形圈的壓縮。得益于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的巨大研發(fā)進(jìn)步，在離安裝點最遠(yuǎn)的讀數(shù)頭(光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)軌)一端，F(xiàn)ORTiS光柵的峰值加速度降低了5.3倍。

　　圖4：專為FORTiS光柵設(shè)計的TMD的縱斷面，兩端均可見O形圈

　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的工作原理

　　本節(jié)介紹了用于一個自由度 (DoF) 系統(tǒng)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的基本工作原理。機(jī)械工程師和土木工程師經(jīng)常會遇到這樣的問題，當(dāng)系統(tǒng)因回應(yīng)輸入激勵而產(chǎn)生高振幅振蕩時，會發(fā)生共振。如圖5所示，共振系統(tǒng)可以理解為一個受驅(qū)動的簡諧振蕩器，例如剛性為 的彈簧上的質(zhì)量塊 ( )。在這種情況下，應(yīng)采用熟悉的簡諧運(yùn)動方程式，其中為靜態(tài)平衡下的線性位移。

　　方程式1表明，彈簧上的質(zhì)量塊具有正弦響應(yīng)的固有頻率，如方程式2所示:

　　如圖6所示，如果某個系統(tǒng)輸入(力或位移)的頻率接近方程式2中的共振頻率，那么將產(chǎn)生可能造成破壞性后果的巨大共振響應(yīng)。

　　圖6：彈簧上質(zhì)量塊的共振響應(yīng)

　　在許多情況下常用的一種策略是，增加機(jī)械阻尼裝置，并使系統(tǒng)的固有頻率偏離激勵頻率。但是，這種方法有時并不可行。例如，鋼筋結(jié)構(gòu)的摩天大樓會以其固有頻率晃動，而附近沒有任何東西可作為加固或阻尼的錨固點。在這種情況下，常用方法根本不可行，而可能的解決方法就是使用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。FORTiS光柵讀數(shù)頭的重量由充當(dāng)彈簧的滑片支撐，該滑片較薄，有利于增強(qiáng)密封嚴(yán)密性。除非在讀數(shù)頭內(nèi)部使用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器加以控制，否則外部的加工振動可能會引起不利的共振。實際設(shè)計調(diào)諧質(zhì)量阻尼器時需要精心研發(fā);但是，它的基本概念源自于無阻尼質(zhì)量塊 — 彈簧系統(tǒng)，及其在固有頻率下的共振問題。

　　假設(shè)相對較小的次質(zhì)量塊 ( ) 通過彈簧與主(原始)質(zhì)量塊 ( ) 耦合，使次質(zhì)量塊具有相同的固有頻率。如圖7所示，整個系統(tǒng)現(xiàn)在可視為具有“兩個自由度”，導(dǎo)致原始共振峰一分為二。在第一個(較低)固有頻率下，兩個質(zhì)量塊同向且同相運(yùn)動;而在第二個固有頻率下，它們沿相反方向運(yùn)動。

　　此外，當(dāng)以原始固有頻率驅(qū)動時，主質(zhì)量塊的振幅為零，而次質(zhì)量塊產(chǎn)生有限振幅的振蕩。這時，主質(zhì)量塊的共振被抑制，但會產(chǎn)生兩個新的、不同頻率的無限共振，如圖8所示。

　　圖8：具有2個自由度的無阻尼質(zhì)量塊 — 彈簧系統(tǒng)的共振響應(yīng)

　　如果不加以控制，這些共振可能會導(dǎo)致破壞性后果。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的主要優(yōu)點在于，通過支撐次質(zhì)量塊的彈簧上安裝的阻尼器，即可對這些共振進(jìn)行局部控制，如圖9所示。總而言之，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器具有三個可調(diào)整的基本設(shè)計參數(shù)：次質(zhì)量塊與主質(zhì)量塊的比值 ( / )、次質(zhì)量塊與主質(zhì)量塊的固有頻率比值(調(diào)諧頻率)，以及阻尼器的阻尼系數(shù)。

　　圖10：假設(shè)質(zhì)量比為10%，將次質(zhì)量塊的理想調(diào)諧頻率調(diào)整為原始共振頻率的91%，并精心選擇阻尼器，那么結(jié)果如圖所示。與圖6和圖8所示的無限響應(yīng)相反，這時的主質(zhì)量塊響應(yīng)始終低于靜態(tài)條件下的4.6倍。輸入頻率與主質(zhì)量塊固有頻率的比值次質(zhì)量塊具有實際限制，當(dāng)次質(zhì)量塊僅為主質(zhì)量塊的10%時，可能會產(chǎn)生較好的結(jié)果。結(jié)果表明，理想調(diào)諧頻率低于主質(zhì)量塊共振頻率，具體低多少僅取決于質(zhì)量比。最后，選擇次阻尼系數(shù)以盡可能降低兩個峰值響應(yīng)，同時控制在其他所有頻率下的振幅響應(yīng)。

　　我們在設(shè)計調(diào)諧質(zhì)量阻尼器時面臨的第一大挑戰(zhàn)就是，預(yù)測各種候選O形圈材料在動態(tài)條件下的特性。我需要使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬測試，以選擇合適的橡膠硬度來分散頻率響應(yīng)，使系統(tǒng)不易受到各部件尺寸變化的影響。第二大挑戰(zhàn)是，定義所選材料的特性，以便進(jìn)行有限元分析。最后，我們需要優(yōu)化和調(diào)整系統(tǒng)，并通過測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。最終的設(shè)計在讀數(shù)頭的共振頻率范圍內(nèi)可產(chǎn)生最佳模態(tài)振型;調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的剩余諧波響應(yīng)，在不同振動水平下對整個系統(tǒng)也可產(chǎn)生有利影響。

　　FORTiS高級機(jī)械設(shè)計工程師，Krys Jurczyks

　　振動測試：正弦振動測試

　　我們對FORTiS光柵進(jìn)行了測試，以測量絕對位置讀數(shù)相對于起始值的偏差。當(dāng)暴露于頻率范圍為50 Hz至2,000 Hz的正弦掃頻振動中時，分別在1 g、3 g、5 g、10 g、15 g、20 g和25 g的振動幅值下進(jìn)行測試。在本白皮書中未介紹的其他測試中，在30 g至75 g的振動幅值范圍內(nèi)也分別進(jìn)行了測試。此外，在強(qiáng)烈的隨機(jī)振動下也進(jìn)行了額外測試。

　　對直接安裝在基體上的FORTiS-S光柵和FORTiS-N?光柵，以及固定在安裝板上的FORTiS-N光柵進(jìn)行了上述測試。FORTiS-N光柵采用與FORTiS-S光柵相同的技術(shù)，但截面尺寸細(xì)窄，適合空間狹小應(yīng)用。

　　為了對比，我們對具有同等尺寸、形狀和功能的傳統(tǒng)封閉式光柵也進(jìn)行了測試。

　　FORTiS-N光柵與傳統(tǒng)光柵對比(使用安裝板)

　　下方圖表顯示了FORTiS-N光柵與傳統(tǒng)封閉式光柵的位置偏差。在這兩項測試中，光柵均安裝在安裝板上。正弦振動測試曲線的振動幅值為，在Z軸方向上(朝著柵尺)施加15 g。

　　FORTiS-N光柵與傳統(tǒng)光柵對比(直接安裝)

　　第二組圖表顯示了FORTiS-N光柵與傳統(tǒng)光柵的位置偏差，但這兩款光柵均直接安裝在基體(測試夾具)上。在這項測試中，在Z軸方向上施加10 g的振動幅值。

　　第三組圖表顯示了FORTiS-S光柵與傳統(tǒng)光柵的位置偏差。這些標(biāo)準(zhǔn)尺寸的光柵均直接安裝在基體(測試夾具)上。在這項測試中，在Z軸方向上施加25 g的振動幅值。

　　在50 - 2,000 Hz的頻率范圍內(nèi)，在Z軸方向上施加25 g振幅時，F(xiàn)ORTiS-S光柵(直接安裝)的位置偏差

　　結(jié)論

　　本白皮書中的測試結(jié)果證明，在50 Hz至2,000 Hz的全頻譜范圍內(nèi)，以各種振幅進(jìn)行測試時，F(xiàn)ORTiS光柵都具有良好的位置穩(wěn)定性和可靠的運(yùn)行性能。同時還證明，F(xiàn)ORTiS光柵在高振動環(huán)境中具有較長的使用壽命。經(jīng)過與無調(diào)諧質(zhì)量阻尼技術(shù)的傳統(tǒng)封閉式光柵對比，結(jié)果表明FORTiS光柵具有優(yōu)異的抗振性。因此，F(xiàn)ORTiS光柵具有優(yōu)異的位置穩(wěn)定性，在機(jī)床應(yīng)用中有助于改進(jìn)制程控制。