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第一章 绪论 1.1选题背景与意义 汽车发动机活塞工作中承受交变的机械载荷和热载荷，是发动机的核心部件，是发动机中工作性质最为恶劣的零部件之一。汽车发动机的工作可靠性能、动力、环保、经济性能的技术要求日益苛刻，为提高发动机的有效功率，减小排放、噪声以及燃油消耗，增强活塞的综合性能是有效途径之一，例如异型销孔技术、异型外圆复合型面技术、轻质高强度新材料应用等。 中凸变椭圆活塞是异型外圆复合型面技术应用的结果，这类型活塞能够提高内燃机的热力性能，然而这类活塞复杂型面的加工和加工精度的保证是一个关键问题。普通车床无法实现这种异形截面活塞的加工。中凸变椭圆活塞其粗糙度小于0.8，轮廓度小于0.001mm，加工精度极高，型面形状复杂，生产效率、加工精度以及供应量是制约高性能活塞发展的关键因素。针对活塞型面的加工工艺，国内外学者和专家开展了深入的研究，提出了多种中凸变椭圆活塞的加工方法，只能满足一定范围内的需求，难以解决加工精度高、品种多、批量大以及供货周期短的问题，普通的加工工艺方法仍旧存在柔性差、精度低的缺点。 中凸变椭圆活塞加工技术成为阻碍我国内燃机综合性能提升的关键因素，开展数控车床在中凸变椭圆活塞加工中的研究，对提升汽车发动机综合性能，提高我国汽车、航空发动机在国际上地位具有重要的实际意义。 近年来，国外异型活塞加工发展已趋成熟，活塞车削加工数控系统广泛应用，然而，系统价格昂贵，国外的技术封锁又难以实现我国活塞加工技术质的突破，因此国内多个企事业单位相继推出了中凸变椭圆活塞的数控车削系统，虽然异型活塞加工基本实现国产化，但数控机床的技术指标与国外先进技术差距甚远，许多实际问题以及理论研究有待进一步深入。 以汽车发动机中凸变椭圆活塞为对象，结合中凸变椭圆活塞特点，提出了普通车床加工中凸变椭圆活塞的设想，对普通车床结构数控化改造与车削创成技术进行了深入的研究，为提高异型面加工精度，对高频响、微位移、大行程伺服刀架系统进行深入分析与设计。结合数控技术实现了优于“靠模”法加工异型轮廓的先进方法，此方法编程简单、加工可靠性高，对中凸变椭圆活塞加工常规化意义重大。 1.2中凸变椭圆活塞加工研究现状及发展 1.2.1中凸变椭圆活塞加工现状 活塞作为汽车发动机典型的重要零部件，对发动机的性能有决定性影响，具有独特的切削加工工艺。因其切削加工工艺的特殊性，难以在通用的机床上加工实现活塞高精度的要求。综合中凸变椭圆活塞廓形形成机理的专用工装和通用机床加工技术形成活塞制造的机加工生产线是目前活塞加工的通用做法，配备专用设备成为影响活塞加工精度和功能以及关键特性指标的重要因素[2]。 中凸变椭圆活塞的加工有仿形加工立体靠模法与无靠模法的数控高频直线刀架加工两种方式。仿形加工要求靠模制作精度高，普通椭圆磨床难以实现此种精度的加工，一般采用专门的数控高精度活塞靠模磨床来完成，但仿形加工投资设备少，相对加工成本低，活塞大批量生产主要采用此种方式。 近年来，国际上针对异型活塞加工兴起了基于数控高频直线刀架加工的非圆加工技术，其特点为无需靠模、设备柔性化强以及加工功能强，能够适合多中异型活塞加工，但此类技术投资成本高，设备造价大并且直线刀架和控制系统使用寿命极为有限。 中凸变椭圆活塞专机研制自20世纪80年代我国已经大量投入，随着活塞产品技术以及汽车发动机技术要求的日益提高，为适应我国活塞制造业以及先进发动机技术研发的发展，在活塞先进装备和制造技术方面已经加大了开发力度： 中凸变椭圆活塞BHC系列数控车床的研制与应用。山东滨州渤海活塞股份有限公司为发展发动机高性能活塞的生产，适应我国汽车工业日益发展的要求，加大活塞加工技改力度，先后引进意大利FAMAR公司生产的数控全自动生产线以及德国的轿车活塞全自动生产线，同时从美国、瑞士以及日本等国引进多种活塞检测及加工的关键设备，配置国内设备，企业高性能活塞交付能力以及规模化生产能力大大提高[3]。以此公司为代表的国内活塞企业，在高性能活塞先进制造技术的研发以及产品技术拥有自主知识产权方面，形成了涵盖装备、先进制造技术、试验评价、过程开发以及产品开发成熟的先进研发体系。相继出现了国产BH系列活塞专用数控机床，包括多工序组合数控加工专用机床、BHT系列活塞圆柱孔及异型销孔精密数控镗床、BHC系列活塞中凸变椭圆数控车床等。发动机高性能活塞加工技术的成熟，持续提高了国民经济的快速增长和社会购买力，促进了我国汽车工业快速发展。 综上所述，随着自动控制技术和计算机技术的迅速发展，国内早期对中凸变椭圆活塞裙部的加工一般采用磨削、立体靠模的车削加工等方法，由于这些加工方法存在效率低下、精度不够等缺点，目前已经逐步再使用，取而代之的是采用数控高频刀架的无靠模加工方法。 中凸变椭圆活塞的仿形加工法和机械运动合成法逐步由先进的专用数控车削法替代。总的来说异型活塞车削加工技术发展可分为这三个阶段： (1) 机械运动合成法 机械运动合成法采用机构的运动合成生成活塞异型外圆的车削运动轨迹。按照机构运动不同的合成特点，包含有周转轮系法、偏心法以及套车法等。专用机床是实现异形外圆的车削加工的关键设备，机械运动合成法的特点为: 产品加工效率高、精度高，大批量生产适合此方法。一种类型的异型活塞零件只能在一种机床上加工实现，不能满足多品种的小批量要求，柔性较差。 (2)靠模仿形法 靠模仿形法工件和车刀的相对运动轨迹利用靠模进行控制，这种方式同样可以形成预期的表面形状。按照靠模的形状分类，靠模仿形法又分为立体靠模仿形法和平面靠模仿形法。目前一般采用数控磨削实现立体靠模仿形法达到活塞加工的目的，但这并非准确意义上的数控加工。与机械运动合成法相比，靠模仿形法相比机械运动合成法的特点为：能够通过更换靠模，加工多种不同类型的活塞，加工适应范围较广。由于仿形机构复杂，装配后误差大刚性不稳定，加工精度不高;对于生产新型活塞，必须重新制造靠模，投产周期长，靠模精度的控制对于活塞精度的影响较大，其本身制造困难。 (3)活塞数控加工 数控加工是采用PLC编程将活塞的廓形通过数学描述以数据的形式事先输入至工控机，在加工过程中，由刀具高速的往复进给直接由主控机控制微进给机构实现，达到加工出活塞的异型外廓。相对于硬靠模仿形加工而已数控加工称为“软靠模”加工。数控车削法加工活塞异形外圆明显优于靠模仿形法以及机械运动合成法，主要有以下特点：数控主轴转速高，一般可达到2000-4000r/min，在能够获得高品质的活塞加工表面的情况下，生产效率也大大提高;能够对多种活塞零件的异型外圆进行加工，活塞加工种类范围大，适合活塞自动化生产的小批量生产。加工精度较高，零件质量能够通过控制输入参数以及程序设定，对于多类型的活塞只需要更改输入的活塞廓形参数，但造价高是此类活塞加工的最大问题。 1.2.2中凸变椭圆活塞加工发展趋势 (1)无靠模数控化加工是活塞异型外圆加工发展趋势 活塞外圆的生产从磨削加工法、到仿形加工立体靠模法，直至目前广泛开发和应用的数控无靠模加工技术，在采用立体靠模仿形加工时其主轴转速800r/min，到采用数控无靠模加工时其主轴转速提高到了2000 r/min，提高了活塞加工的生产效率。由于靠模精度的控制不易，本身制造困难，在采用数控无靠模加工技术时摆脱了仿形失真问题，大大提高了加工精度。数控无靠模加工技术的应用大大推进了异型外圆活塞加工发展，并广泛应用于现代轿车设计制造中。 (2)活塞异型销孔微增量加工技术 由于活塞销孔的表面精度要求较高，解决活塞销与销孔的有效匹配性是最佳的。异型销孔的疲劳强度比圆柱形销孔提高30%以上，应用异型销孔可减少10%—30%的应力集中，提高活塞寿命。21世纪以来新开发的用于加工异型销孔的径向微增量进刀加工技术，有力地拉动了异型销孔微增量加工技术的发展。目前解决活塞异形销孔精密加工的重点在于研制高频响、高分辨率的微量进给机构与加工技术。 (3)机加工由液压单机自动向数控柔性生产线发展 立体靠模仿形加工是我国目前普遍采用的活塞外圆加工方法，依靠高精度仿形靠模，液压系统与气动系统进给加工出外圆形状。21世纪初，北京清华大学与山东滨州渤海活塞股份有限公司合作，研究开发了外圆、销孔加工等数控自动化机床，机床整体系统由原母体NC机床、主控CPU、步进电机、靠模系统、杠杆系统、光电编码器等部分组成，再由机床组成数控柔性生产线。主控CPU对反馈及时处理，以步进电机作为主要驱动源，通过靠模结构响应、杠杆结构实现刀具的高频往复进给。依照活塞外圆型面编制加工程序，刀具高速的往复进给直接由主控机控制微进给机构实现活塞的软靠模加工。 1.3本文主要研究内容 本文以普通车床为基础，围绕中凸变椭圆活塞加工对普通车床进行数控化改造研究，确定了普通车床数控化改造在中凸变椭圆活塞加工中实现高效化、精密化所需解决的一些关键技术问题，从以下几个方面开展了研究： (1)对中凸变椭圆活塞廓形形成机理进行分析，并通过数学方法对廓形进行表达，在此基础上，分析了中凸变椭圆活塞车削加工基本原理，提出了普通车床数控化改造实现中凸变椭圆活塞加工的方案。 (2)针对现有的普通车床CA4160，对其机械结构部分进行数控化改造，在主轴系统不更换的前提下，将主轴旋转运动与进给运动进行分离，通过光电编码器实现主轴旋转的角度位置的控制，完成了纵向、横向长行程进给系统以及高频响大行程微位移进给系统设计，并对进给系统的位置控制进行了研究。 (3)对现有普通车床系统增设了数控部分，数控系统中采用了内装型、独立型PLC在数控系统中完成顺序控制，对车床数控系统I/O模块以及通信系统进行了设计。 (4)通过上位机上的操作系统，运用VB软件实现了改造后的车床加工中凸变椭圆活塞的调试与试验，经试验表明，普通车床数控化改造在中凸活塞加工是可行、合理的。 第二章 中凸变椭圆活塞廓形及车削加工原理 2.1 中凸变椭圆活塞廓形形成 在汽车发动机工作过程中，活塞依靠其裙部与汽缸套接触、导向实现往复运动，为保证发动机正常、可靠的运行，活塞裙部与汽缸套四周的接触间隙应尽量小并且尽量保持均。传统的的发动机活塞裙部为正圆形，发动机内部高温、高压的环境，活塞受缸套的挤压作用，对于长时间运行的发动机活塞，正圆形活塞裙部难以保持其原有的形状，活塞裙部横截面多为椭圆形或类椭圆，这种裙部变形的影响因素主要有以下几个方面[4]： (1)活塞裙部与缸套壁的挤压作用产生变形。活塞裙部与汽缸套的相对运动，汽缸套在活塞裙部产生挤压力，使得活塞裙部沿销座轴线方向伸长，沿垂直于销座轴线方向变短，形成一椭圆形状，如图2-1(a)所示。 (2)汽缸内燃料燃烧，在活塞顶部产生推动活塞运动的压力。导致活塞裙部垂直于销座轴线的横截面产生弯曲变形，而裙部横截面形成类椭圆形，如图2-1(b)所示。 (3)活塞多为金属材料，受热产生不均匀膨胀。金属材料受热后内部原子间距增大，体积扩张，因活塞结构非完全对称性，其膨胀后金属呈现不均匀分布，销座轴线方向裙部结构强度小，金属变形后堆积较厚，垂直于销座轴线方向活塞裙部结构强度大，金属堆积少，因此活塞在温度升高后，垂直于销座轴线方向上比沿销座轴线方向变形量小得多，因此裙部横截面呈现出椭圆形，如图2-1(c)、(d)所示。 活塞工作过程中主要在以上三种情况下变形为椭圆，椭圆截面的短轴垂直销座轴线，长轴沿销座轴线方向。 (a)挤压变形 (b)弯曲变形 (c)销座热膨胀 (d)裙部变形 因前述出现的活塞裙部变形，活塞裙部沿垂直销座轴向方向间隙最大，沿销座轴向方向间隙最小，从而汽缸与裙部之间的间隙分布极为不均匀。如果冷态下椭圆短轴部位与汽缸套接触，那么活塞往复运动过程中，因长轴部位尺寸增大与汽缸过盈而将活塞卡死;反之，如果冷态下椭圆长轴和汽缸套接触，那么工作过程中短轴裙部变形使两者间隙增大，间隙处漏气量加大，加剧活塞的敲击。将活塞裙部设计为反椭圆，也就是冷态下活塞裙部为椭圆形状，此椭圆短轴沿销座轴线方向而长轴垂直于销座轴线方向，而在工作过程中，长轴方向变形较大，椭圆变为正方形与缸套紧密贴合，可以解决上述裙部变形所引起的问题[5]。 活塞在汽缸内工作，其顶部受高温高压的作用，温度沿活塞高度方向呈高至低的梯度变化，导致活塞工作过程中沿高度方向间隙不均匀，因此活塞设计为直径呈小-大-小的非正圆柱体形状，即中凸形状，如图2-2所示，此类型活塞能够保持其在任意状态下都可以获得较好的润滑。 中凸变椭圆活塞的裙部型面是一种被广泛应用和推广的结构形式，是一种公认的优良的裙部型面。中凸变椭圆活塞的廓形特点为：如图2-2所示，为山东滨州渤海活塞股份有限公司某中凸变椭圆活塞裙部示意图，与活塞轴线垂直的横向截面形状与椭圆类似，并且截面位置的不同椭圆度也不同(垂直于活塞轴线的任何椭圆截面，截面的长轴直径为截面的最大直径，并且短轴直径为该截面的最小直径，短轴直径和长轴直径的差值被称作为椭圆截面的椭圆度);沿活塞轴线的纵向截面，活塞纵向截面的外廓线为一条中凸曲线，此型线即是椭圆横向截面长轴直径沿活塞轴线方向的变化规律。 2.2 中凸变椭圆活塞廓形数学表达 中凸变椭圆活塞裙部为中凸形，与活塞轴线垂直的横截面类椭圆或椭圆形，椭圆度在轴线方向不断变化;沿活塞轴线方向的纵向截面为中凸形状，外廓为中凸型线，无法用标准的数学方程进行表达，实际工程中多采用选取中凸型线上的离散点来进行描述。 如中凸变椭圆活塞基本形状，国内外的相关学者与专家结合活塞在实际工作过程中的变形特点，综合流体润滑机理，采用数学模型表达了中凸变椭圆曲面，此方程表达式为[6]： 式2-9为式2-1当 为单椭圆特征下的情况，因此上述推导过程正确、可信。从式2-9可以得出，刀尖顶点运动的最大位移与横截面的椭圆度成正比，刀尖顶点的运动频率是主轴旋转频率的两倍;刀尖顶点的运动加速度和速度分别为式2-9的2次导数与1次导数，在推导过程中不难发现，中凸变椭圆活塞的加工过程中，必须保证刀尖顶点的加速度和中凸变椭圆活塞任一横截面的椭圆度与主轴旋转频率的平方成正比，运动速度和中凸变椭圆活塞任一横截面的椭圆度与主轴旋转频率的成正比。可见此为中凸变椭圆活塞加工过程中最难保证的技术问题，换句话说，根据椭圆横截面的椭圆度要求刀具在保证与工件的回转运动相配合的同时，必须在其径向做频率极高的往复运动。 综上所述，由于中凸变活塞的截面椭圆的椭圆度很小，对进给机构运动变化影响不大，但要在提高主轴旋转频率的工作条件下完成椭圆面的加工是对进给机构的严峻考验。 2.3.2 中凸变椭圆活塞普通车床改造方案 本文基于普通车床用于中凸变椭圆活塞加工数控化改造系统的设计，提出了一种普通车床加工非圆截面活塞的方法，给出了普通车床适用于此类型活塞加工的数控化改造的方案，如图所示为普通车床数控化改造方案框图2-5。 本系统以计算机CPU为核心。纵向长行程进给系统、横向长行程进给系统以及横向微位移进给系统组成的三个坐标系统通过接口单元与计算机系统相连，其中还包括有由刀具限位系统、主轴角位置编码系统、操作键盘系统等。 为适应中凸变椭圆型面的切削加工，进给系统分为刀具相对零件运动有X轴运动和Z轴运动，主轴运动系统为长行程进给系统，此系统由大功率伺服电机驱动并运用开环控制实现，能够进行退刀、进刀。通过主轴与X轴联动，在加工零件横截面形成非圆截面，通过X轴与Z轴的联动实现活塞零件裙部中凸的效果，主轴运动的长行程进给系统加工一般回转体表面以及椭圆截面加工的纵向进给。 X轴进给运动通过微进给机构实现，此微进给系统运用高频响大行程微位移机构，采用能够实现高速小位移非圆截面车削进给运动的直流伺服电动机实现，该系统加工精度高，伺服机构频响性能好，对于椭圆加工过程中的高频振动实现容易。 中凸变椭圆活塞车削加工主要通过上述三种进给系统实现，然而椭圆截面加工的关键在于X轴进给运动，根据前述的中凸变椭圆活塞加工原理可知，如果要保证椭圆截面的廓形精度高，主轴的进给运动与X轴的进给运动必须具有严格的随动关系，对于刀具必须在主轴的不同位置能够达到所要求的进给量。换句话说，主轴的旋转角度必须与刀具X轴的进给运动进行同步控制。依据中凸变椭圆活塞加工的原理分析以及廓形数学表达，本文通过在普通车床数控化改造的基础上完成了改造车床的总体结构方案，总体结构设计如图2.6所示。 此为一种由普通车床改造的用于中凸变椭圆活塞加工的数控车床，提出一种床身为倒“T”形状的车床布局结构，前侧为左右双刀架、工件主轴卧式后置，准确说能够适用圆形截面加工以及中凸变椭圆活塞的加工。即中凸变椭圆活塞车削系统采取双驱动结构，对于高速小位移的中凸变椭圆截面采用直流伺服电机驱动进行进给运动，对于活塞直径变化的调整通过珠丝杆螺母机构和伺服电机来实现，能够进行粗、精加工。 为保证活塞加工时不同转速的要求，通过闭环调速控制，运用主轴伺服电机驱动机床主轴6的高速旋转。为实现机床轴向进给，滚珠丝杆与联轴器相连，采用普通交流伺服电机对机床Z轴进给进行驱动。通过运用交流伺服电机以及直流伺服电机共同实现机床X轴的进给，实现对活塞的切削是通过直流伺服电机的次级直接驱动刀架，为能够满足活塞加工过程中高速响应的特性，选用的直流伺服电机空载加速度为5g，如图2.7中所示。 此外，数控系统能够通过主轴伺服电机上的光电编码器采集主轴的旋转角度，中凸变椭圆活塞精确加工是通过数控系统中的软靠模完成与X轴进给运动相结合的。也就是说，通常的硬靠模实现中凸变椭圆廓形型线加工被X轴直流伺服电机的位移形成的“软靠模”和主轴的伺服电机接收到的角度信息所取代，此方法的运行原理如图2.8所示。 2.4小结 分析了中凸变椭圆活塞廓形形成机理，并通过数学方法对廓形进行表达，阐述了中凸变椭圆活塞车削加工基本原理，提出了普通车床数控化改造实现中凸变椭圆活塞加工的方案。 第三章 中凸变椭圆活塞车削加工的普通车床 机械部分设计 3.1 主传动系统 3.1.1 变速主传动系统 现代切削加工已发展至高精度、高效以及高速加工，高转速、大调速范围给机床主传动系统也提出相应的要求;机床可靠性好、动态稳定性强、噪声小以及结构简单，并能够在切削加工自动实现加工速度的变换。普通车床通过设计改造实现高度自动化成为机电一体化数控车床，其主传动系统应该具备以下几个方面的要求[9]。 (1)工作性能要求 主传动系统中全部零部件必须具有一定的热变形稳定性、强度、抗振性以及刚度。 (2)传递动力要求 传动效率高，能够实现一定转矩和功率在传动机构与主电动机之间。 (3)使用性能要求 首先达到机床的运动特性目标，例如主轴有一定的转速级数和调速范围。传动系统改造应合理、符合实际，在操作性能方面安全可靠、反应迅速、操纵灵活方便等。 另外，主传动系统改造后系统应仍旧保持结构简单有利于维修和调整;加工工艺性能好，方便活塞的装夹以及加工，系统使用寿命长，安全性能好。 数控机床主传动系统包括有无级变速传动和分级变速传动。无级变速传动能够在其规定的变速范围内实现转速的连续改变，能够方便的得到有利于工件加工的最佳速度，变速能够在工作总实现，有利于自动变速。无级变速传动是现代数控车床主传动系统所采用的主要传动方式。分级变速传动是在一定的变速范围内离散地、均匀地布置着有限级数的转速，一般变速级数15-40级。普通机床多采用分级变速传动方式，本文是在普通车床基础上进行数控化改造，因此主传动系统为分级变速传动系统[10] [11]。 主传动系统运用直、交流主轴调速电动机是数控车床与普通机床的最大区别，能够大大简化主轴箱结构，扩大电动机调速范围，能够实现无级调速。一般情况下，数控车床主传动系统采用的传动方式有以下几种： (1)直接驱动 采用内装式主轴电动机直接驱动，或者主轴与主轴电动机采用联轴器直接相连，如图3-1(a)所示。直接驱动对主轴刚度提高有一定作用，主要在于能够对主轴箱结构进行简化。直接驱动使得电机的输出特性直接决定了主轴输出扭矩以及转速的变化。正因为电机性能直接影响着主轴的转矩和功率特性，因而限制了此种传动形式的广泛应用。 (a)直接驱动 (b)定比传动 (c)分挡变速传动 (2)采用定比传动 主轴电动机通过定传动比的齿轮结构或者带传动结构传递给主轴。如图3-1(b)所示。通过齿轮传动或带传动结构，传动系统振动以及噪声均较小，在中、小型数控车床中应用较多，然而应用范围相比直接驱动更广，虽实现了电动机的变速，但主轴转矩、功率以及变速范围仍旧与电动机特性直接相关。 直接驱动以及定比传动方式会出现主轴需求的恒功率变速范围远大于调速电机的恒功率范围，即对于中、大型机床主轴与主轴电机功率特性不匹配，因此多应用于小型或者高速数控机床。 (3)采用分挡变速传动 为了解决机床主轴功率特性与主轴电动机功率特性匹配的问题，通过齿轮福的分挡变速传动机构来实现，如图3-1(c)所示。主轴转矩、功率需求能够通过配合变速机构以及电动机的无级变速实现。电动机调速范围可以达到1:100-1:1000，一般情况下变速齿轮机构不超过两级所。对于各种工艺需求以及多类型的刀具材料通过运用分档变速传动得到实现，同时能够实现多种切削运动的转矩输出，在扩大恒功率调速方面以及低速时扭矩输出的问题上优势明显。 采用何种变速传动方式，必须按照所需功率-转矩-转速曲线覆盖范围进行确定，同时需确定加工能力范围。 3.1.2 交流主轴驱动 数控机床核心部件之一为主轴驱动单元，主轴驱动性能直接决定机床整体水平，其作用是至关重要的。在工件加工过程中，为了保证加工的高稳定性，提高加工效率，主轴驱动必须确保切削速度最优化、切削过程稳定，在切削半径相应变化的情况下进行实时调速[12] [13]。特别地，在加工中凸变椭圆活塞这种切削内外半径差值较大的工件时，根据前述的加工原理可知，主轴的旋转速度变化可达十几倍。可以判断，主轴驱动不同于进给驱动，其在动态刚度、加工速度精度均有特别要求，并且必须在恒功率运行范围方面要求大，转矩连续输出能力强。 大多数进给交流伺服电动机运用永磁式同步电动机，然而主轴交流电动机多数情况下采用笼型异步电动机，与进给驱动系统不同的是，数控机床主轴驱动系统不需要太高的调速范围以及过高的动态性能。同时在装有矢量变换控制的主轴驱动装置的主轴驱动系统，采用笼型式异步电动机结构可靠性能好、价格便宜、使用简单，基本上能够满足数控机床主轴的性能、结构特点要求 笼型异步电动机从总体结构分析主要由三相绕组的定子与带笼条的转子组成。即使部分数控机床的主袖电动机也有直接采用通用的异步电动机，然而一般情况下，笼型异步电动机是专门为交流主轴电动机设计的，在应用过程中各有特点。例如为减小电动机的体积，提高电动机的输出功率，不使用机壳，而直接运用定子铁心在空气中直接冷却的办法，并且在定子铁心上有以利通风轴向孔等等。因此，在电动机外形上不是圆形而是呈多边形。如图3-2所示为普通异步电动机与交流主轴电动机结构比较示意图。普通异步电动机与一般笼型异步电动机相同，在转子结构处大多数情况为带斜槽的铸铝结构形式。检测用脉冲编码器或脉冲发生器一般安装在在这类电动机轴的尾部。 1-交流主轴电动机;2普通异步电动机;3-冷却通风口 如图3-3所示为交流主轴电动机的功率-速度曲线，可以看出交流主轴电动机的工作特性曲线类似于直流电动机特性曲线。基本转速上方为恒功率区，而基本转速以下则为恒转矩区。部分电动机类似于图中所表示的一样，如果电动机转速大于某一恒定值后，电动机的功率-速度曲线斜率会变大，并且不会保持恒功率。一般情况交流主轴电动机的恒功率调速范围在1:3-1:4之间。同样与异步电动机类似，其也有限定的过载能力，通常为额定值的1.3-1.6倍，时间为十几分钟到几小时不等。 3.1.3 主轴旋转与进给轴控制 (1)主轴旋转与轴向进给的同步控制 在螺纹加工中。为保证切削螺纹的螺距，必须有固定的起刀点与退刀点。螺纹螺距多数为常数，但为有规律的递增或递减的变螺距螺纹的使用也越来越多。在加工螺纹过程中，应该保持坐标轴的进给量与主轴转数一致，其具体理解是当主轴转动一圈，脉冲量也要按要求相应增加。 通常，采用光电脉冲编码器作为主轴的脉冲发生器，并将其装在主轴上，与主轴一起旋转，检测主轴的转角、相位、零位等信号。常用的主轴脉冲发生器，每转的脉冲数为1024，与坐标轴进给位置编码器一样，输出相位差为90”的两相信号。这项相信号经4倍频后，每转变成4096个脉冲送给CNC装置。编码器的结构和工作原理可参见第3章。 编码器在主轴开始旋转时会发出脉冲。在接受脉冲后数控装置会对坐标轴进给进行控制，计算节距后，发给坐标轴位置为系统服务，使主轴转数与进给量比率能符合要求。左螺纹或右螺纹可以通过改变主轴的旋转方向被加工出来，通过脉冲编码器发出信号的顺序可以判别主轴的方向。脉冲编码器还输出一个零位脉冲信号，对应主轴旋转的每一转，可以用于主轴绝对位置的定位。例如在多次循环切削同一螺纹时，该零位信号可以作为刀具的切人点，以确保螺纹螺距小出现乱扣现象。也就是说，在每次螺纹切削进给前，刀具必须经过零位脉冲定位后才能切削，以确保刀具在工件圆周上按同一点切入。 另外，在加工螺纹时还应注意主轴转速的恒定性，以免因土轴转速的变化而引起跟踪误差的变化，影响螺纹的正常加工。 (2)主轴旋转与径向进给的同步控制 数控车床在端面切削时，为了保证加工端面的平整光洁，就必须使该表面的表面粗糙度小于或等于某值，由加工工艺知识可知.要使表面粗糙度为某值，需保证工件与切削刃接触点处的切削速度为一恒定值，即恒线速度加工。由于在车削端面时，刀具要不断地做径向进给运动、从而使刀具的切削直径逐渐减小。由切削速度与主轴转速的关系 可知。 若保持切削速度 恒定不变，当切削直径 逐渐减小时，主轴转速必须逐渐增大。但也不能超过极限值。因此，数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整。 应当注意，计算出的主轴转速不能超过其允许的极限转速。将计算出的主轴转速送至主轴伺服系统，以保证主轴旋转与刀具径向进给之间的协调关系。 3.2 进给伺服系统位置检测元件与位置控制 位置检测元件是闭环和半闭环伺服控制系统的重要部件之一，它的作用是检测出机床执行机构的具体位置，并把这个检测信号反馈给计算机与指令的具体位置进行对比，然后给伺服系统发出与之相吻合的控制指令，带动执行机构向指令给出的理想位置趋近[14] [15]。因此，位置检测元件的性能很大程度上决定了机床的定位精度和加工精度。数控机床对位置检测元件的基本要求主要有：高可靠性和高抗干扰性;满足精度和速度要求;零点灵敏度高;使用维护方便，适合机床运行环境;成本低等。 不同的工作环境和不同的检测要求.可以采用不同的检测元件和检测方式。表3-1列出了数控机床中的各种位置检测元件。下面介绍常用位置检测元件的组成和工作原理。 光电编码器又可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器两种。增量式编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度准确测量出来，具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用较多。绝对式编码器可将被测转角转换成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是—种直接编码式的测量元件。 3.3 纵向、横向长行程进给系统 本伺服系统的负载大小、精度要求不高，纵向、横向的进给采用开环控制。由于开环系统的稳定性较好，因此精度较高，通过合理的参数设计，系统具有良好的动态响应性能。 步进电动机是开环进给伺服系统的主要执行元件，其性能直接影响数控机床的性能。因此，在设计步进电动机进给系统时详细地对考虑了步进电动机的特性，合理对步进电动机进行选型。 (1)确定步进电动机的类型 一般来说反应式步进电动机步距角较小，价格较低，运行频率高，但是功耗却比较大;永磁式步进电动机功耗较小，但步距角较大，运行速度较偏高。各种步近电动机的产品样本中都给出通电方式及步距角等主要技术参数以供选用。 数控车床上大多使用反应式步进电动机(如150BF 、130BF 、110BF等)，与永磁反应式步进电动机相比，其价格较低，但在需要大转矩驱动时则选择永磁反应式步进电动机。表3-2和表3-3分别给出了一些常用反应式和混合式步进电动机的型号和简单的性能指标。 (2)确定脉冲当量 脉冲当量应报据机床的加工对精度的要求来确定。一般普通的数控机床，都是0.01mm或者0.005rnm，如果数值偏大，就不符合要求;如果数值偏小，或机械系统较难实现，会降低其经济性。 (3)确定减速齿轮速比 减速齿轮的速比可由所选步进电动机的步距角、丝杆的螺距以及所要求的脉冲当量来计算，采用减速齿轮可以较容易地配置所要求的脉冲当量，减小工作台以及丝杠折算在电动机轴上的惯量，同时增大步进电功机的驱动能力。但采用减速齿轮会带来额外的传动误差.降低机床的快速移动速度，并且其自身又引入附加的转动惯量。 (1)微位移进给单元结构 微位移进给单元结构图如图3.5所示，直线电机的初级13经过螺栓安装于工作台本体上，直接实现工作台进给运动。电机次级7采用螺栓固定于床身的过渡板4上。通过尺寸保证电机的次级和初级的耦合关系保持不变，次级采用拼接式结构，在过渡板上，两边安装高速滚动的导轨12与3，以及直线电机的次级。滑块在导轨上采用螺栓与工作台相连。工作台的重量以及冲击载荷均由滚动导轨副支撑，减小了进给运动过程中的摩擦阻力，同时对工作台的运动起到导向的作用。导轨的长度一般按照德国标准进行选取。辅助导轨8与5用与支撑导轨防护罩2，放在直线电机的两边。10是光栅的定尺，安装于过渡板左边。9是光栅的动尺(即测头)，被固定于工作台上。如果工作台移动，可将其位置信号反馈到机床的制系统。按德国标准，光栅的工作长度应大于工作台行程。 件6、14 都是冷却板，由铝板制成，为减少直线电机发热对机床工作精度造成的影响，内部通过循环冷却水，对直线电机的初级与次级同时进行冷却。导管防护拖链1作用是保护直线电机供电电缆及冷却水管。螺钉在机床身上安装过渡板。过渡板可将复杂的床身变得更简单，保证进给单元制造的顺利进行。 1.工作台;2.导轨防护罩;3、12-高速滚动导轨;4-床身的过渡板;5、8-辅助导轨;7-次级;9-光栅的动尺;10-光栅的定尺;11-导管防护拖链;13-初级;6、14-冷却板 (2)控制方案的确定 闭环或半闭环控制方案的选择主要取决机床精度要求。闭环控制力案可以解决系统精度过高的要求。它将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，控制系统精度较高是因为他可以补偿此误差。但由于在设计闭环伺服系时难度较大，成本较高，系统结构相当复杂，最重要的是难以使机械系统的动态性能得到提高，因此难以保证系统的稳定。目前大多数数控车床中的伺服系统都采用半闭环控制。 (3)伺服电动机的选择 在闭环或半闭环控制的数控车床进给伺服系统中，主要将直流伺服电动机或交流伺服电动机作为执行元件。因为直流伺服电动机具有优良的静、动态特性，且容易控制，因此在20世纪90年代前，始终是闭环(以下如不特别说明，则所称闭环也包括半闭环)系统中执行元件的主流[21] [22]。近年来交流伺服技术的发展使得交流伺服电动机可获得与直流伺服电动机相似的优良性能，且交流伺服电动机维修较方便，不存在电刷磨损问题，由于价格逐年降低，被广泛应用，因而目前已形成了与直流伺服电动机共同竞争市场的局面。在设计闭环伺服系统过程中，应考虑到设计者对技术的掌握程度以及市场供应、价格等这些因素.选择合适的执行元件。表3-4给出了FANUC-BESK直流伺服电动机的性能参数。 3.5小结 针对现有的普通车床CA4160械结构部分进行数控化改造，在主轴系统不更换的前提下，将主轴旋转运动与进给运动进行分离，通过光电编码器实现主轴旋转的角度位置的控制，完成了纵向、横向长行程进给系统以及高频响大行程微位移进给系统设计，并对进给系统的位置控制进行了研究。 第四章 中凸变椭圆活塞车削加工的普通车床 控制系统设计 4.1车床数控系统 车床数控系统是对数控车床全部要求和功能控制的核心部分。车床数控系统同样是由硬件部分和软件部分组成。大致包括PLC部分、伺服驱动系统、数控装置以及I/O装置[26]。如图4-1所示。 数控系统的核心部分为CNC装置，全部的数控功能的均通过内部的硬件和软件的控制实现，其通过I/O接口与数控系统的其它组成部分部分连接，类似于一台由微型PC构成的控制器[27]。其能够对输入的数控加工程序进行解释、判别，并进行程序功能所需的逻辑运算和数据分析，实现对PLC、主轴驱动以及进给驱动的控制。一般情况下，数控装置向PLC输出的离散型数字量，向伺服驱动系统输出为模拟量。 I/O装置包含I/O设备以及I/O接口和。I/O接口为机床与PC机提供一条信息输送的通道和桥梁，数控系统中实现自动控制的所有控制信息以及数据作为控制依据均通过I/O设备输入至CNC的存储单元中。控制信息包括控制参数、补偿数据以及加工程序。根据摄入的设备不同，输入方式多种多样分别有通信输入、键盘输入或者纸带输入等。但数控系统运行过程中的数据以及状态信息通常应用各种指示灯与显示器进行描述。 数控系统的主要控制对象为伺服驱动系统，必须达到控制速度快、精度高的要求，一般有主轴调速与位置进给系统两种。具体来说，车床数控系统通常控制模拟主铀驱动系统和纵向(Z向)以及横向(X向)两轴进给[28]。各个轴的运动通常通过伺服驱动系统控制实现，数控装置中通过软件位置调节器或者硬件位置控制模块实现进给轴的位置控制，实际位置的反馈信号传送至数控装置，比较查补计算出的命令位置，对轴位置控制进行定量，再次输送至伺服驱动系统[29]。 传统的机床电器逻辑控制装置已逐步被现代化的PLC装置所取代，主要通过采用独立式以及内装式PLC实现数控机床的多种逻辑控制[30]。PLC不仅实现了对机床机电机构的监控与逻辑处理，通过控制指令实现了机床状态以及相关应当信号的指示。 中凸变椭圆活塞普通车床数控化改造的数控车床，工件的加工主要是通过将两组加工运动复合来实现的，一是杠杆系统与刀具间的相对运动，二是刀具的高频反复直线运动，第一种是控制刀具的运动幅度，第二种是控制对刀具的运动频率。两组运动结合起来，可使系统在加工时活塞裙部椭圆截面的短轴长度不变，长轴长度的变化由椭圆度曲线决定，通过此方法对变椭圆进行加工。 中凸型线的曲线是由离散点组成的，离散点的作用是确定活塞轴的径向位置变化，也称为拟合曲线。NC规定中计算机自动编程型线，生成凸型线的NC程序来完成活塞裙部中凸型线的加工。在NC加工途中，应使其与加工变椭圆截面的相对应，使活塞裙部中凸变椭圆的加工得以完成。 4.2 数控机床电器控制线路设计 活塞数控车床数控系统电气线路如图 4.2所示。各传动系统的伺服电机的驱动器接受来自数控系统的速度指令，经功率放大处理后驱动各伺服电机的工作。主轴编码器将主轴的角度信息直接反馈给数控系统。 C轴用的是伺服电机来驱动，其位置通过编码器反馈到PMAC卡中，再由 PMAC卡发出指令给直线电机，保持进给运动与轴旋转之间的联系。如果C轴电机有任何动静，PMAC卡会立马接收信息，对直线电机发出补偿指令。同样的道理，当直线电机有任何动静，PMAC也会补偿主轴转动。但经过测试，这种控制结构的同步对卡的要求较高，PMAC卡能够达到此要求，如图4.3所示为x，C伺服控制原理图[36]。 4.3 车床数控系统I/O模块及其通信设计 4.3.1 I/O模块电路设计 数控系统运行中，需要接收机床的按钮信号、开关信号以及各种限位开关信号，其操作面板的指示灯上也需要将某些工作状态显示出来，并将控制机床的各类信号送到强电柜控制执行机构，这些工作都要通过I/O接口来完成。因此I/O接口可以说是CNC装置与机床、操作面板之间进行信号交换的转换接口。是CNC系统与外界交换信息的必由之路，在CNC系统中占有重要的位置。不同的输入/输出设备与CNC系统进行连接，采用I/O接口电路或接口芯片。后者一般有专用与通用之分。前者专门用于特殊的输入/输出设备的接口，后者是和用在多种设备的接口。 I/O接口电路作用与要求较多，例如进行电隔离来防止强电对系统的破坏;进行电平转换，进行信号的电平转换与功率放大，因为TTL脉冲或电平信号通常是CNC系统的信号，而机床所提供的与需要的信号却不一定是TTL信号，且有的负载较大，因此需要进。数控系统的I/O接口电路常用的器件有继电器与光电耦合器 [34]。 4-4表示开关量信号输入接口电路，一般用于输入传感器，例如限位开关、按钮及机械原点等，如果开关量有过度过程，为转换电路还需将电平整形增加。图4-5为开关量信号输出接口电路，可用于驱动24V小型继电器。以下电路要结合信号特点，选择相应的光电耦合器与三极管，且要耐压、迅速、有负载能力。 4.3.2 车床数控系统显示功能设计 CNC系统显示功能直接决定系统入机界面的友好程度，应该尽量让操作者了解系统的当前状态，并指导近一步的操作等。目的常用的显示器有数码管LED、液晶显示器LCD、阴极射线管CRT和薄膜晶体管TFT。一般LED、LCD可由8255、8155、8273、8279等进行控制，面CRT、TFT通常要由专门的接口板，如6845等进行控制。 目前数控系统中普遍采用了LCD、CRT显示，主要显示内容有：当前功能状态区、当前执行程序区、动态坐标显示区、动态轨迹显示区、I/O口状态区、有关参数调整区、错误信息提示区、操作信息区、动态键提尔区。对数控系统中显示的要求是能实时动态地反映加工控制过程中各种信息，对显示区进行合理的规划与切换。 4.3.3 车床数控系统通信设计 现代CNC装置都装有标准串行通信接口来与编程器及微型计算机连接，实现点对点通信、零件程序以及参数的传送。由于工厂自动化(FA)与现代集成制造系统(CIMS)发展迅速，CNC装置作为一种分布式数控系统(DNC)到柔性制造系统(FMS)的基础组成部分，应该具有与DNC计算机或上级主计算机直接通信功能或网络通信功能。 利用PC机配置的RS-232异步通信适配器，可以很方便的完成PC机与AT89C51单片机的点对点数据通信。而对于单片机与PC机的串行通信，只需要三根线就可以了：RXD(接收)、TXD(发送)、GND(信号地，收发双方地线接在一起)，这种接法俗称“零Modem”接法。系统中采用AT89C51单片机作为下位机，PC机为上位机，二者通过RS485总线接收或上传数据。由于PC机不具有RS485总线接口，但可以通过一个RS232/RS485转换电路完成PC机到RS485总线接口的电平转换。 设计以PC机作为主控机，多个单片机作为从机构成的485总线现场监测系统。单片机组成的各个节点负责采集数控机床的温度信息，主控机以轮询的方式向各个节点获得温度的信息，并根据信息内容进行相关操作。 整个系统的设计可以分为3个部分：1、数据采集电路。其中数据采集电路负责对数控机床状态数据的采集，设计采集的是机床的温度。2、单片机系统。 单片机系统是设计的关键，它的设计直接影响整个系统的设计，包括硬件和软件的设计。该部分是一个具有485接口的单片机系统，它位于各个终端(数控机床)设备处响应主控机发送来的查询命令，并将被监测设备的状态信息回送给主控机(这里主要是温度信息)。它的单片机的I/O口与被监测的终端设备相连，以获取所需要的状态信息。3、主控制部分。该部分是一个带有232/485转接口的PC机，负责对整个系统的控制[38]。 上位机转换接口是负责PC机端与RS-485总线的转换。由于PC机串行口是RS-232接口，这里使用RS-485总线进行串行通信，但是RS-232与RS-485的电平不匹配，因此设计需要设计一个电平转换电路，实现上位机(PC机)RS-232到RS-485的信号转换。这里采用光电耦合器件实现信号转换，芯片选取MAX481。设计要完成系统的软件和硬件设计。 以上系统通过SCON控制寄存器来让下位机主机AT89C52单片机控制串口，SCON各位的定义如图4.7所示。 SM0，SM1表示串口工作方式选择位，SM2表示多机通信控制位，REN表示允许串行通信选择位，下位机保持接收状态，其系统将串口设置为工作方式2或者3，SM2=1，REN=1。TB8表示2、3中接收数据第9位，TI表示发送中断，RI表示接收中断。系统将利用多机通信控制位SM2来协调单片机与PC的多机通信。正如以上所说的，各下位机通过初始化程序使SM2=1.，上位机将通过广播向所有下位机发送地址帧的方式(第9位被置1)来实现通信，所有下位机在接到地址帧后，会自动将 “1”送到各自的SCON中的接收数据第9位，使RB8=1，表示下位机收到了地址信息，由于SM2=1，激发中断标志位RI=1，因此下位机与上位机的地址形成鲜明对比。如果地址不符，则保持SM2=1，不会响应对上位机发出的数据帧，下位机继续等待呼叫。如果本机地址与接收的地址吻合，使SM2=0,同时上位机建立与该下位机的通信信道，相应的下位机进入通信状态，并与主机点相对应，这是不管是什么情况，下位机都能响应上位机的指令，使RI=1来。系统通过控制RB8与SM2来管理上位机与下位机的通信。 上位机的信息可以被传到指定的下位机上，下位机发送的信息只有上位机能收到，各下位机相互之间不能直接通信。为让主控PC机与多单片机进行通信，首先要将每一个下位机的地址用一个字节来定义，并对其进行编码。用16进制表示，例如：10号机地址为0A ，1号机为01。约定上位机为00。上位机监控程序运行开始时以时间间隔t对下位机进行轮询，并依次向下位机发送查询指令，以检查下位机的状态。 (1)通信波特率为9600bit/s,晶振为11.0592MHZ。采用11位帧结构如图4.8所示。 (2)本系统的帧主要有4种，这由类型字节决定。它们是主机询问从机是否在位的“ACTIVE”指令。主机发送读设备请求的“GETDATA”指令。从机应答在位的“READY”指令，和从机发送设备状态信息的“SENDDATA”指令。“SENDDATA”帧实际上是真正的数据帧，该帧中的数据字节存放的是设备的状态信息，其他3种是单纯的指令帧。数据字节为0，这种指令帧的长度最短为6个字节，所以通信过程中帧长小于6个字节的帧都认为是错误的。数据帧结构如图4.9所示。 (3)建立上位机和下位机的通信途径，上位机根据其原则以及下位机的状态信息，向下位机发送指令。 (4)当主机发出呼叫帧后，如果没有在规定的时间收到从机的应答帧，主机会认为帧丢失并重新发送呼叫帧;如果发送3次仍没有收到应答帧，则系统认为该次通信失败，与其它下位机进行通信。本系统采用检验和进行差错控制。 4.4小结 对现有普通车床系统增设了数控部分，数控系统中采用了内装型、独立型PLC在数控系统中完成顺序控制，对车床数控系统I/O模块以及通信系统进行了设计。 第五章 普通车床改造在中凸变椭圆活塞加工 中的应用 5.1 某普通车床改造概述 CA4160车床作用是加工对中小型盘类、轴类以及螺纹零件。其数控改造后数控系统控制的对象主要有：主轴变速，主轴正反转控制;刀架的横向与纵向近给运动控制，刀具的选择控制、自动换刀控制;冷却泵、润滑泵的启停控制;脉冲编码器的加装等。 (1)改选纵向进给机构。将原车床的进给箱拆除，并将原机床进结箱的安装孔与销孔安装齿轮箱体利用起来。还是将滚珠丝杠安装于原位，为减小改造现场，两端采用原同定方式，纵向进给整体刚性略优于以前是因为滚珠丝杠的摩擦系数相比与原丝杆来说较小。 (2)改选横向进给机构。将原于动机构保留用来调整操作，步进电动机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。 一级齿轮减速的方式被横纵向进给饥构所采用，并采用双片齿轮错齿法来将间隙消除，由于弹簧的弹力难以适应负载的变化情况，因此双片齿轮间是自动消除间隙，没有加弹簧。若负载较大，弹簧弹力变小，难以起到自动消除间隙的作用;负载小，弹簧弹力会变大，增加齿轮的磨损。因此采用此办法将间隙消除。 (3)刀架的改造。拆除小拖板与原刀架，用数孔刀架代替。 (4)用弹性元件来连接光电编码器与车床主轴，具体采用波纹管联袖器进行连接。 (5)I/O连接与数控系统简介 主要技术指标： 1)图形跟踪LED显示; 2)以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统; 3)最小输出增量：X袖0.002mm，Z轴0.005mm; 4)具有直线、圆弧、螺纹插补和间隙、刀具补偿功能; 5)程序输入方式，键盘、RS-232C 数抨系统实现步进电动机控制接口、I/O接口与编码器接口、数控刀架接口以及开关量输入输出接口的连接。 9芯D型插座，所选编码器每转脉冲加l 200P或2400P。 X轴、Z轴与主轴控制接口。15芯D型插座的作用是控制X轴、Z轴主轴的转速的一项运动。 开关星输入输出接口。37芯D型插座，开关量输入输出类型： 1)冷却油控制口; 2)辅助I/O接口; 3)刀架控制信号; 4)主轴控制信号; 5)主轴换挡控制口; 6)回零信号输入口; 7)超程信号输入口。 5.2 中凸变椭圆活塞的数控加工分析 本文研究对象为中凸变椭圆活塞的车削加工问题，根据前述的分析可知，中凸变椭圆活塞与轴线的横截面垂直，则为椭圆或者类椭圆形，且在轴线方向上椭圆度会出现规律的变化，椭圆度的加工精度通常是±0.0045mm;中凸变椭圆活塞沿轴线方向的截面的轮廓线则为中间凸起的曲线，一般通过高次函数的进行拟合来表达，如第二章所描述，其廓形精度达0.004~0.008mm;为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，通常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型(异型销孔)，销孔尺寸精度达IT4级，轮廓精度为±0.003mm。 如某内燃机活塞裙面在某一椭圆横截面加工时，活塞某横截面长轴直径为2a=100.4mm，横截面短轴截面直径为2b=100mm，主轴转速频率为15Hz，转速为900 r /min。由图5-1，图5-3 可以看出，刀具运动参数的变化周期都是0.33 s，是主轴旋转周期T =1/f = 1 /15 = 0.66 s 的二分之一，即说刀具运动变化的频率为主轴旋转频率的两倍。刀尖的位置在径向上在区间[50,50.2]，频率为30Hz的谐波周期性的在椭圆长短轴半径上高速振动，如图5-1所示;由于在中凸变椭圆活塞的任何一个截面上椭圆度都不大，在同频率下刀具的速度变化时，刀尖位移增量也不大，仅为椭圆度的二分之一，可以近似为一条直线，如图5-2所示;反而刀具运动过程中加速度的变化，即使和前两者频率相同，其变化大小最为突出，刀具运动速度曲线与刀具运动的加速度曲线相比，其为一波动并不大的曲线，在数值上，从得出的数据可以发现，刀具最大运动速度仅为最大加速度的1/190，如图5-3所示[39]。 可得，中凸变椭圆活塞加工的长轴直径为2a =100.4 mm，其短轴直径为2b =100mm，主轴转速n = 900 r /min，也就是说这种椭圆截面是在主轴频率为15Hz的情况下进行加工实现的，主轴最高加速度必须达到0.4g，即3800mm/s2=3.8 m/s2，为了使主轴的速度增加，使活塞质量得到提高，即主轴加速度的大小与主轴旋转频率的平方成正比，提高主轴旋转频率，主轴加速度大小增加两倍，在此将主轴旋转频率增大至之前的3倍，则主轴加速度要提高到原来的5倍，如图5.4所示。通常普通车床的实际进给加速度只有0.1~0.3 g，因此本文对进给系统进行改造是十分有必要的。直流伺服电机驱动高速进给系统能使加速度的要求得到满足，本文所采用的是直接驱动法，删除了中间的机械传动环节，改进后系统加工中凸变椭圆活塞成为可能。 5.3 中凸变椭圆活塞数控加工试验 中凸变椭圆活塞车削需要注意以下三个关键问题： (1)活塞的车削过程要求每次进刀必须在主轴同一相位，否则活塞的加工形状难以得到保证。 (2)要求将主轴的转动与X轴的进给运动进行匹配，也就是说X轴进给机构会随主轴的变化而变化。 (3)主轴的旋转与中凸轮廓曲线车削要保持一致。针对以上问题有两个解决办法，第一种是通过TURBO PMAC的时基控制功能来解决;第二种是通过TURBO PMAC联动控制来解决。 时基控制指的是TURBO PMAC卡具有的一种功能，与外部事件同步控制，通过将信号的频率输入以控制程序的速率。此次试验X轴(受控于TURBO PMAC)直流伺服电机的运动需要以主轴(不受控于TURBO PMAC)的转动为基础。因此，应将TURBO PMAC的轨迹定义为主位置函数而非时间。 时基控制实现方法为，首先定义主轴位置，传感器得到“实时输入频率(RTIF)”其单位是步/毫秒。根据RTIF来计算主轴在每毫秒旋转的度数。例如主轴伺服电机编码器每转产生1024个脉冲，数控系统采用4倍频，主轴每毫秒转过了32*360/(1024*4)度。通过RTIF建立了主轴转过的度数余X轴运动轨迹的关系。时基控制可以使动轴与主轴维持良好的关系，但时基控制不能提供方法使主轴坐标系上的特殊点同步。因此，时基触发功可以帮助解决此问题，通过在触发前冻结时基，然后以位置为参考来启动时基。如此一来可以确保每次进刀与主轴在同一位置。 综上所述，可以将验基于时基控制方法分为五个步骤：1)信号解码设置;2)插补和时基设置;3)编写运动程序;4)准备触发器;5)开始触发。基于时基控制的具体程序如下： 基于以上的准备工作，选用加工材料为LY12硬铝合金进行试验车削。图5.6得到的切削结果为椭圆度为0.2mm，主轴转速为600r/min,。图5.7得到的切削结果为主轴转速为1500r/min，椭圆度为0.2mm。 经过检测以及修改参数车削后，对工件椭圆度的测量为0.16mm，椭圆截面相位保持了一致，图5.6工件车削的精度符合要求。图5.7工件表面有明显的刮痕现象，由图可看出切削的椭圆截面沿轴线成螺旋变化，这说明X轴的正弦周期运动相比于主轴运动来说稍有落后后。其原因是在采用TURBO PMAC的时基控制时，对其实时输入频率(RTIF)范围进行了限定，主轴转速为600r/min时刚好达到RTIF的额定值，若转速增加，只能牺牲插补点的个数来满足主轴转速的提高，这样车削的精度便难以得到保证。通过测量椭圆度偏差大于10个丝，加工零件已经成为废品。 5.4小结 通过上位机上的操作系统，运用VB编程软件实现了改造后的车床加工中凸变椭圆活塞的调试与试验，经试验表明，普通车床数控化改造加工中凸变椭圆活塞的研究是可行、合理的。 结 论 中凸变椭圆活塞是当前发动机中应用最为广泛的活塞。基于这类活塞型面复杂和加工精度难以保证，普通车床无法实现这种异形截面活塞的加工，围绕中凸变椭圆活塞加工对普通车床进行数控化改造研究，本文进行了以下几个方面的技术研究： (1)分析了中凸变椭圆活塞廓形形成机理，并通过数学方法对廓形进行表达，阐述了中凸变椭圆活塞车削加工基本原理，提出了普通车床数控化改造实现中凸变椭圆活塞加工的方案。 (2)针对现有的普通车床CA4160机械结构部分进行数控化改造，在主轴系统不更换的前提下，将主轴旋转运动与进给运动进行分离，通过光电编码器实现主轴旋转的角度位置的控制，完成了纵向、横向长行程进给系统以及高频响大行程微位移进给系统设计，并对进给系统的位置控制进行了研究。yinghuiyun.com/fanwen/jixielei/ (3)对现有普通车床系统增设了数控部分，数控系统中采用了内装型、独立型PLC在数控系统中完成顺序控制，对车床数控系统I/O模块以及通信系统进行了设计。 (4)通过上位机上的操作系统，运用VB编程软件实现了改造后的车床加工中凸变椭圆活塞的调试与试验，经试验表明，普通车床数控化改造加工中凸变椭圆活塞的研究是可行、合理的。 由于本人知识有限，对于本课题的研制还处于实验室阶段，离中凸变活塞数控车床还有距离，因此还需要进一步加强与完善： 1.使机床整体结构优化，增加系统刚度，使其能稳定工作并使进给单元的快速响应能力得到提高。 2. 深入研究高频响直线进给单元，增加导轨刚度，使其对于较大的热变形与切削力能承受。 3.进一步完善中凸变活塞数控系统软件方的编程界面，让其便于操作，活塞加工结束后，系统可以自动进行数据处理并最后输出检测结果。 % G$ P3 B/ z8 v" M: h9 y) ]
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发表于 2017-10-20 16:22:09
