超精密加工中的微位移技术

　  目前对机械加工的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度以及特殊型面加工精度的要求都达到了相当高的水平,开发超精密加工技术已成为现代工业发展的首要任务之一,特别是计算机技术和测试技术在机械加工中得到广泛应用,使超精密加工已经进入一个崭新的阶段.进一步提高零件的加工精度有两条途径可循:一是进一步提高机床主轴、导轨、丝杆、微量进给机构等基本零件的精度,通过这些高精度零部件所组成的高精度加工设备来获得高精度的加工零件;二是通过对加工零件的实测误差进行综合补偿,来提高其加工精度.无论哪种途径,其主要目的是在切削过程中切除更微薄的金属层.机械加工技术发展的潜力是有一定限制的,有时虽能实现,但费用昂贵,在有些情况下甚至是不可能的.因此,应用微位移技术实现对加工零件的实测误差的综合补偿,对超精密切削加工具有重要的作用.

     1　微位移系统的组成[1]

     微位移系统的组成如图1所示,包括微位移机构、检测装置和控制系统三部分.

    微位移机构是指行程小(一般小于毫米级)、灵敏度和精度高(亚微米、纳微米级)的机构.压电陶瓷(PZT)材料是由钛酸铅和锆酸铅组成的多晶固溶体锆钛酸铅,在微位移机构中应用最广泛.

　   检测装置通常是指用传感器按一定规律将微位移机构的位移输出转换成电量输出.

    控制系统对机构的微位移性能影响甚大,特别是机构的动态使用性能,可以说完全取决于控制系统的动态性能,另外微位移器材质和机理上的缺陷也可以通过控制系统来补偿和修正.因此,控制系统的开发研究对微位移技术的应用和推广是非常重要的.

     2　微位移机构

    压电陶瓷可制成管状、片状的压电器件,并组成微位移机构.根据压电器件结构形式的不同,压电式微位移机构,可细分为圆管式、叠片式、尺蠖式及蚯蚓式等几种.

    2.1　圆管式压电陶瓷微位移机构

    在外形为圆管状的压电陶瓷内壁镀银形成电极,通电后在电压作用下管端伸缩,实现精密微位移运动.这种压电器件用在微位移机构中,具有结构简单、工作行程小的特点.

    图2为刀具补偿机构的结构图.圆管状压电陶瓷8的材料为PZT-5,尺寸为24 mm×27 mm×48mm,内外壁为电极.当通以正向直流电压后,它向左伸长,推动滑柱7、方形楔块6和圆柱楔块2位移.楔块2的斜面克服压板弹簧5的压力,将用于固定镗刀4的刀套3顶起,使镗刀4作一次微量位移.接着通入反向直流电压,压电陶瓷管向右收缩,楔块6的右端出现空隙使之下落消除间隙.如此对压电陶瓷管8通以正反向交替变化的直流脉冲电压,就可以使镗刀连续位移实现径向补偿,刀尖总位移量可达到0·1 mm.