摘要：本文讨论了镗刀头微量位移的实现及其信号传输方式，提出了一种光电控制电致伸缩微位移镗刀头执行系统，实验结果表明该系统补偿精度满足要求。
关键词：加工误差；光电控制；镗刀头
1概述
高精度的补偿执行系统是实现机床加工误差补偿控制的关键之一。镗孔加工尺寸误差微机补偿控制系统包括三部分［1］：(1)加工误差的在线测量系统；(2)加工误差信号处理和建模预报控制系统；(3)高精度的补偿执行系统。该系统工作原理是：对其加工误差进行自动在线测量，测量得到的信号经采样和误差处理后，提取尺寸误差特征量，依据对尺寸误差的在线建模和预报，微机自动发出补偿控制信号，经一定方式传送给补偿执行系统，从而实现加工误差的在线微机补偿控制。
补偿执行系统的性能直接影响到补偿效果。对执行系统的要求主要是四个方面：精确、灵敏、稳定、可靠。而对镗刀头执行系统的性能要求具体是重复精度、线性度和线性工作区的范围。
2光电控制微位移镗刀头
(1)微量位移的实现
实现微量位移的方法有很多。机械式结构及机械与液压结合的结构都可实现微量位移。但是，弹性变形、惯性以及摩擦阻力等因素的存在会引起间隙、爬行、发热等缺点。这样对微米级甚至更小量级的补偿执行系统的性能有较大制约。
电致伸缩陶瓷微位移器以陶瓷为材料。微位移器的原理是依据电介质在外电场的作用下的压电效应和电致伸缩效应。该效应可用下式表示［2］：
S=dE+ME2 （1）
式中：d——压电系数；M——电致伸缩系数。
电致伸缩陶瓷微位移器的优越性在于具有施压性，位移量大，无滞后，无剩余应变以及重复性能好。
选择型号为WTDS-1B微位移器作为镗刀头的微位移器件，实验证明，该微位移器各种性能指标满足要求。其主要指标和实测指标见表1。
表1电致伸缩位移器性能指标
由于微位移器的最大位移量只能达到32μm，位移量不能满足补偿范围的要求，因此在镗刀头设计的加了放大机构。采用杠杆原理将微位移器的位移放大，其结构原理如图1所示。
图1微量位移放大原理
由几何关系可知，当θ很小时：
由此得到镗刀位移与微位移量之间的关系为：
(2)补偿控制信号的传输方式
加工时，镗杆旋转运动的特点使得补偿控制信号的直接输入变得不可能。必须经过间接方式将补偿信号传送给镗刀头。
信号的传输方式主要有以下几种方式：
①利用电刷将补偿控制信号间接传送。这种方法简单，但其接触电阻的变化引起输入电压信号的变化，因而信号传送的精度较低。
②采用光电转换方式间接传送。将补偿控制信号转换成红外光发射出去，镗刀头上安装的光敏管接收其红外光信号。尽管红外发光二级管及红外光敏三极管本身对光波有选择，但其它波长的光对信号的发、送仍有影响。当然有抗干扰的办法，如在光敏三极管前放置滤光片。
③采用高敏调制波发射和接收。这种电路比光电发射接收电路复杂，但抗干扰能力要强。
该镗刀头执行系统采用光电发射、接收方式。电路的几个组成部分见图2。
图2光电式信号传递电路原理框图
经过试验，输入电压变化范围是0～0.2V，输出电压变化范围达到0～400V，满足了电致伸缩微位移器的输入电压要求。
(3)光电控制微位移镗刀头
光电控制微位移镗刀头的结构简图如图3所示。
1.刀杆2.刀头3.紧定螺钉4.信号接收电路集成板5.锥柄法兰6.电致伸缩微位移器7.端盖8.位置调节螺钉9.钢球
图3电致伸缩微位移镗刀头结构简图
光电控制微位移镗刀头的微位移通过电致伸缩陶瓷微位移器加位移放大机构实现，控制信号采用光电发射接收的方式。该镗刀头的工作原理是：通过信号接受电路收到的补偿控制信号经放大后送到电致伸缩微位移器上，经过微位移器产生的微量位移经过位移放大机构，最后实现刀杆的微量位移和补偿加工。该结构的特点是：中间环节少，反应灵敏，能够实现连续补偿。
3镗刀头的试验结果与结论
为了验证光电控制微位移镗刀头的工作性能，对它的线性度及线性工作范围进行了试验。试验中所记录的数据为接收电路中第一级放大三极管的输出电压与镗刀头尖的微量位移。试验数据如表2所示。
表2镗刀头的电压位移实验数据
计算结果为：
线性度：
线性工作区：9～42μm；
最大补偿量：33μm。
试验结果表明，镗刀头每补偿1μm的误差为0.045mm。满足镗孔加工微机控制系统的补偿精度要求。
