摘要：本文討論了鏜刀頭微量位移的實(shí)現(xiàn)及其信號(hào)傳輸方式，提出了一種光電控制電致伸縮微位移鏜刀頭執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)補(bǔ)償精度滿足要求。
關(guān)鍵詞：加工誤差；光電控制；鏜刀頭

1概述

高精度的補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工誤差補(bǔ)償控制的關(guān)鍵之一。鏜孔加工尺寸誤差微機(jī)補(bǔ)償控制系統(tǒng)包括三部分［1］：(1)加工誤差的在線測(cè)量系統(tǒng)；(2)加工誤差信號(hào)處理和建模預(yù)報(bào)控制系統(tǒng)；(3)高精度的補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作原理是：對(duì)其加工誤差進(jìn)行自動(dòng)在線測(cè)量，測(cè)量得到的信號(hào)經(jīng)采樣和誤差處理后，提取尺寸誤差特征量，依據(jù)對(duì)尺寸誤差的在線建模和預(yù)報(bào)，微機(jī)自動(dòng)發(fā)出補(bǔ)償控制信號(hào)，經(jīng)一定方式傳送給補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)加工誤差的在線微機(jī)補(bǔ)償控制。

補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)的性能直接影響到補(bǔ)償效果。對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)的要求主要是四個(gè)方面：精確、靈敏、穩(wěn)定、可靠。而對(duì)鏜刀頭執(zhí)行系統(tǒng)的性能要求具體是重復(fù)精度、線性度和線性工作區(qū)的范圍。

2光電控制微位移鏜刀頭

(1)微量位移的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)微量位移的方法有很多。機(jī)械式結(jié)構(gòu)及機(jī)械與液壓結(jié)合的結(jié)構(gòu)都可實(shí)現(xiàn)微量位移。但是，彈性變形、慣性以及摩擦阻力等因素的存在會(huì)引起間隙、爬行、發(fā)熱等缺點(diǎn)。這樣對(duì)微米級(jí)甚至更小量級(jí)的補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)的性能有較大制約。

電致伸縮陶瓷微位移器以陶瓷為材料。微位移器的原理是依據(jù)電介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)。該效應(yīng)可用下式表示［2］：

S=dE+ME2 （1）

式中：d——壓電系數(shù)；M——電致伸縮系數(shù)。

電致伸縮陶瓷微位移器的優(yōu)越性在于具有施壓性，位移量大，無滯后，無剩余應(yīng)變以及重復(fù)性能好。

選擇型號(hào)為WTDS-1B微位移器作為鏜刀頭的微位移器件，實(shí)驗(yàn)證明，該微位移器各種性能指標(biāo)滿足要求。其主要指標(biāo)和實(shí)測(cè)指標(biāo)見表1。
表1電致伸縮位移器性能指標(biāo)

由于微位移器的最大位移量只能達(dá)到32μm，位移量不能滿足補(bǔ)償范圍的要求，因此在鏜刀頭設(shè)計(jì)的加了放大機(jī)構(gòu)。采用杠桿原理將微位移器的位移放大，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1微量位移放大原理
由幾何關(guān)系可知，當(dāng)θ很小時(shí)：

由此得到鏜刀位移與微位移量之間的關(guān)系為：

(2)補(bǔ)償控制信號(hào)的傳輸方式

加工時(shí)，鏜桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)使得補(bǔ)償控制信號(hào)的直接輸入變得不可能。必須經(jīng)過間接方式將補(bǔ)償信號(hào)傳送給鏜刀頭。

信號(hào)的傳輸方式主要有以下幾種方式：

①利用電刷將補(bǔ)償控制信號(hào)間接傳送。這種方法簡(jiǎn)單，但其接觸電阻的變化引起輸入電壓信號(hào)的變化，因而信號(hào)傳送的精度較低。

②采用光電轉(zhuǎn)換方式間接傳送。將補(bǔ)償控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成紅外光發(fā)射出去，鏜刀頭上安裝的光敏管接收其紅外光信號(hào)。盡管紅外發(fā)光二級(jí)管及紅外光敏三極管本身對(duì)光波有選擇，但其它波長(zhǎng)的光對(duì)信號(hào)的發(fā)、送仍有影響。當(dāng)然有抗干擾的辦法，如在光敏三極管前放置濾光片。

③采用高敏調(diào)制波發(fā)射和接收。這種電路比光電發(fā)射接收電路復(fù)雜，但抗干擾能力要強(qiáng)。

該鏜刀頭執(zhí)行系統(tǒng)采用光電發(fā)射、接收方式。電路的幾個(gè)組成部分見圖2。

圖2光電式信號(hào)傳遞電路原理框圖
經(jīng)過試驗(yàn)，輸入電壓變化范圍是0～0.2V，輸出電壓變化范圍達(dá)到0～400V，滿足了電致伸縮微位移器的輸入電壓要求。

(3)光電控制微位移鏜刀頭

光電控制微位移鏜刀頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1.刀桿2.刀頭3.緊定螺釘4.信號(hào)接收電路集成板5.錐柄法蘭6.電致伸縮微位移器7.端蓋8.位置調(diào)節(jié)螺釘9.鋼球
圖3電致伸縮微位移鏜刀頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
光電控制微位移鏜刀頭的微位移通過電致伸縮陶瓷微位移器加位移放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，控制信號(hào)采用光電發(fā)射接收的方式。該鏜刀頭的工作原理是：通過信號(hào)接受電路收到的補(bǔ)償控制信號(hào)經(jīng)放大后送到電致伸縮微位移器上，經(jīng)過微位移器產(chǎn)生的微量位移經(jīng)過位移放大機(jī)構(gòu)，最后實(shí)現(xiàn)刀桿的微量位移和補(bǔ)償加工。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：中間環(huán)節(jié)少，反應(yīng)靈敏，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)補(bǔ)償。

3鏜刀頭的試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

為了驗(yàn)證光電控制微位移鏜刀頭的工作性能，對(duì)它的線性度及線性工作范圍進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中所記錄的數(shù)據(jù)為接收電路中第一級(jí)放大三極管的輸出電壓與鏜刀頭尖的微量位移。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2鏜刀頭的電壓位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

計(jì)算結(jié)果為：

線性度：

線性工作區(qū)：9～42μm；
最大補(bǔ)償量：33μm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，鏜刀頭每補(bǔ)償1μm的誤差為0.045mm。滿足鏜孔加工微機(jī)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償精度要求。

參考文獻(xiàn)
［1］向文江．應(yīng)用微機(jī)的鏜孔加工控制系統(tǒng)．計(jì)算機(jī)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用(CIMS)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，1992，10.上海
［2］賴文學(xué)．電致伸縮陶瓷致動(dòng)器及其應(yīng)用．壓電與聲光，1987(5)(end)