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第一章 緒論 1.1選題背景與意義 汽車發動機活塞工作中承受交變的機械載荷和熱載荷，是發動機的核心部件，是發動機中工作性質最為惡劣的零部件之一。汽車發動機的工作可靠性能、動力、環保、經濟性能的技術要求日益苛刻，為提高發動機的有效功率，減小排放、噪聲以及燃油消耗，增強活塞的綜合性能是有效途徑之一，例如異型銷孔技術、異型外圓復合型面技術、輕質高強度新材料應用等。 中凸變橢圓活塞是異型外圓復合型面技術應用的結果，這類型活塞能夠提高內燃機的熱力性能，然而這類活塞復雜型面的加工和加工精度的保證是一個關鍵問題。普通車床無法實現這種異形截面活塞的加工。中凸變橢圓活塞其粗糙度小于0.8，輪廓度小于0.001mm，加工精度極高，型面形狀復雜，生產效率、加工精度以及供應量是制約高性能活塞發展的關鍵因素。針對活塞型面的加工工藝，國內外學者和專家開展了深入的研究，提出了多種中凸變橢圓活塞的加工方法，只能滿足一定范圍內的需求，難以解決加工精度高、品種多、批量大以及供貨周期短的問題，普通的加工工藝方法仍舊存在柔性差、精度低的缺點。 中凸變橢圓活塞加工技術成為阻礙我國內燃機綜合性能提升的關鍵因素，開展數控車床在中凸變橢圓活塞加工中的研究，對提升汽車發動機綜合性能，提高我國汽車、航空發動機在國際上地位具有重要的實際意義。 近年來，國外異型活塞加工發展已趨成熟，活塞車削加工數控系統廣泛應用，然而，系統價格昂貴，國外的技術封鎖又難以實現我國活塞加工技術質的突破，因此國內多個企事業單位相繼推出了中凸變橢圓活塞的數控車削系統，雖然異型活塞加工基本實現國產化，但數控機床的技術指標與國外先進技術差距甚遠，許多實際問題以及理論研究有待進一步深入。 以汽車發動機中凸變橢圓活塞為對象，結合中凸變橢圓活塞特點，提出了普通車床加工中凸變橢圓活塞的設想，對普通車床結構數控化改造與車削創成技術進行了深入的研究，為提高異型面加工精度，對高頻響、微位移、大行程伺服刀架系統進行深入分析與設計。結合數控技術實現了優于“靠模”法加工異型輪廓的先進方法，此方法編程簡單、加工可靠性高，對中凸變橢圓活塞加工常規化意義重大。 1.2中凸變橢圓活塞加工研究現狀及發展 1.2.1中凸變橢圓活塞加工現狀 活塞作為汽車發動機典型的重要零部件，對發動機的性能有決定性影響，具有獨特的切削加工工藝。因其切削加工工藝的特殊性，難以在通用的機床上加工實現活塞高精度的要求。綜合中凸變橢圓活塞廓形形成機理的專用工裝和通用機床加工技術形成活塞制造的機加工生產線是目前活塞加工的通用做法，配備專用設備成為影響活塞加工精度和功能以及關鍵特性指標的重要因素[2]。 中凸變橢圓活塞的加工有仿形加工立體靠模法與無靠模法的數控高頻直線刀架加工兩種方式。仿形加工要求靠模制作精度高，普通橢圓磨床難以實現此種精度的加工，一般采用專門的數控高精度活塞靠模磨床來完成，但仿形加工投資設備少，相對加工成本低，活塞大批量生產主要采用此種方式。 近年來，國際上針對異型活塞加工興起了基于數控高頻直線刀架加工的非圓加工技術，其特點為無需靠模、設備柔性化強以及加工功能強，能夠適合多中異型活塞加工，但此類技術投資成本高，設備造價大并且直線刀架和控制系統使用壽命極為有限。 中凸變橢圓活塞專機研制自20世紀80年代我國已經大量投入，隨著活塞產品技術以及汽車發動機技術要求的日益提高，為適應我國活塞制造業以及先進發動機技術研發的發展，在活塞先進裝備和制造技術方面已經加大了開發力度： 中凸變橢圓活塞BHC系列數控車床的研制與應用。山東濱州渤海活塞股份有限公司為發展發動機高性能活塞的生產，適應我國汽車工業日益發展的要求，加大活塞加工技改力度，先后引進意大利FAMAR公司生產的數控全自動生產線以及德國的轎車活塞全自動生產線，同時從美國、瑞士以及日本等國引進多種活塞檢測及加工的關鍵設備，配置國內設備，企業高性能活塞交付能力以及規模化生產能力大大提高[3]。以此公司為代表的國內活塞企業，在高性能活塞先進制造技術的研發以及產品技術擁有自主知識產權方面，形成了涵蓋裝備、先進制造技術、試驗評價、過程開發以及產品開發成熟的先進研發體系。相繼出現了國產BH系列活塞專用數控機床，包括多工序組合數控加工專用機床、BHT系列活塞圓柱孔及異型銷孔精密數控鏜床、BHC系列活塞中凸變橢圓數控車床等。發動機高性能活塞加工技術的成熟，持續提高了國民經濟的快速增長和社會購買力，促進了我國汽車工業快速發展。 綜上所述，隨著自動控制技術和計算機技術的迅速發展，國內早期對中凸變橢圓活塞裙部的加工一般采用磨削、立體靠模的車削加工等方法，由于這些加工方法存在效率低下、精度不夠等缺點，目前已經逐步再使用，取而代之的是采用數控高頻刀架的無靠模加工方法。 中凸變橢圓活塞的仿形加工法和機械運動合成法逐步由先進的專用數控車削法替代。總的來說異型活塞車削加工技術發展可分為這三個階段： (1) 機械運動合成法 機械運動合成法采用機構的運動合成生成活塞異型外圓的車削運動軌跡。按照機構運動不同的合成特點，包含有周轉輪系法、偏心法以及套車法等。專用機床是實現異形外圓的車削加工的關鍵設備，機械運動合成法的特點為: 產品加工效率高、精度高，大批量生產適合此方法。一種類型的異型活塞零件只能在一種機床上加工實現，不能滿足多品種的小批量要求，柔性較差。 (2)靠模仿形法 靠模仿形法工件和車刀的相對運動軌跡利用靠模進行控制，這種方式同樣可以形成預期的表面形狀。按照靠模的形狀分類，靠模仿形法又分為立體靠模仿形法和平面靠模仿形法。目前一般采用數控磨削實現立體靠模仿形法達到活塞加工的目的，但這并非準確意義上的數控加工。與機械運動合成法相比，靠模仿形法相比機械運動合成法的特點為：能夠通過更換靠模，加工多種不同類型的活塞，加工適應范圍較廣。由于仿形機構復雜，裝配后誤差大剛性不穩定，加工精度不高;對于生產新型活塞，必須重新制造靠模，投產周期長，靠模精度的控制對于活塞精度的影響較大，其本身制造困難。 (3)活塞數控加工 數控加工是采用PLC編程將活塞的廓形通過數學描述以數據的形式事先輸入至工控機，在加工過程中，由刀具高速的往復進給直接由主控機控制微進給機構實現，達到加工出活塞的異型外廓。相對于硬靠模仿形加工而已數控加工稱為“軟靠模”加工。數控車削法加工活塞異形外圓明顯優于靠模仿形法以及機械運動合成法，主要有以下特點：數控主軸轉速高，一般可達到2000-4000r/min，在能夠獲得高品質的活塞加工表面的情況下，生產效率也大大提高;能夠對多種活塞零件的異型外圓進行加工，活塞加工種類范圍大，適合活塞自動化生產的小批量生產。加工精度較高，零件質量能夠通過控制輸入參數以及程序設定，對于多類型的活塞只需要更改輸入的活塞廓形參數，但造價高是此類活塞加工的最大問題。 1.2.2中凸變橢圓活塞加工發展趨勢 (1)無靠模數控化加工是活塞異型外圓加工發展趨勢 活塞外圓的生產從磨削加工法、到仿形加工立體靠模法，直至目前廣泛開發和應用的數控無靠模加工技術，在采用立體靠模仿形加工時其主軸轉速800r/min，到采用數控無靠模加工時其主軸轉速提高到了2000 r/min，提高了活塞加工的生產效率。由于靠模精度的控制不易，本身制造困難，在采用數控無靠模加工技術時擺脫了仿形失真問題，大大提高了加工精度。數控無靠模加工技術的應用大大推進了異型外圓活塞加工發展，并廣泛應用于現代轎車設計制造中。 (2)活塞異型銷孔微增量加工技術 由于活塞銷孔的表面精度要求較高，解決活塞銷與銷孔的有效匹配性是最佳的。異型銷孔的疲勞強度比圓柱形銷孔提高30%以上，應用異型銷孔可減少10%—30%的應力集中，提高活塞壽命。21世紀以來新開發的用于加工異型銷孔的徑向微增量進刀加工技術，有力地拉動了異型銷孔微增量加工技術的發展。目前解決活塞異形銷孔精密加工的重點在于研制高頻響、高分辨率的微量進給機構與加工技術。 (3)機加工由液壓單機自動向數控柔性生產線發展 立體靠模仿形加工是我國目前普遍采用的活塞外圓加工方法，依靠高精度仿形靠模，液壓系統與氣動系統進給加工出外圓形狀。21世紀初，北京清華大學與山東濱州渤海活塞股份有限公司合作，研究開發了外圓、銷孔加工等數控自動化機床，機床整體系統由原母體NC機床、主控CPU、步進電機、靠模系統、杠桿系統、光電編碼器等部分組成，再由機床組成數控柔性生產線。主控CPU對反饋及時處理，以步進電機作為主要驅動源，通過靠模結構響應、杠桿結構實現刀具的高頻往復進給。依照活塞外圓型面編制加工程序，刀具高速的往復進給直接由主控機控制微進給機構實現活塞的軟靠模加工。 1.3本文主要研究內容 本文以普通車床為基礎，圍繞中凸變橢圓活塞加工對普通車床進行數控化改造研究，確定了普通車床數控化改造在中凸變橢圓活塞加工中實現高效化、精密化所需解決的一些關鍵技術問題，從以下幾個方面開展了研究： (1)對中凸變橢圓活塞廓形形成機理進行分析，并通過數學方法對廓形進行表達，在此基礎上，分析了中凸變橢圓活塞車削加工基本原理，提出了普通車床數控化改造實現中凸變橢圓活塞加工的方案。 (2)針對現有的普通車床CA4160，對其機械結構部分進行數控化改造，在主軸系統不更換的前提下，將主軸旋轉運動與進給運動進行分離，通過光電編碼器實現主軸旋轉的角度位置的控制，完成了縱向、橫向長行程進給系統以及高頻響大行程微位移進給系統設計，并對進給系統的位置控制進行了研究。 (3)對現有普通車床系統增設了數控部分，數控系統中采用了內裝型、獨立型PLC在數控系統中完成順序控制，對車床數控系統I/O模塊以及通信系統進行了設計。 (4)通過上位機上的操作系統，運用VB軟件實現了改造后的車床加工中凸變橢圓活塞的調試與試驗，經試驗表明，普通車床數控化改造在中凸活塞加工是可行、合理的。 第二章 中凸變橢圓活塞廓形及車削加工原理 2.1 中凸變橢圓活塞廓形形成 在汽車發動機工作過程中，活塞依靠其裙部與汽缸套接觸、導向實現往復運動，為保證發動機正常、可靠的運行，活塞裙部與汽缸套四周的接觸間隙應盡量小并且盡量保持均。傳統的的發動機活塞裙部為正圓形，發動機內部高溫、高壓的環境，活塞受缸套的擠壓作用，對于長時間運行的發動機活塞，正圓形活塞裙部難以保持其原有的形狀，活塞裙部橫截面多為橢圓形或類橢圓，這種裙部變形的影響因素主要有以下幾個方面[4]： (1)活塞裙部與缸套壁的擠壓作用產生變形。活塞裙部與汽缸套的相對運動，汽缸套在活塞裙部產生擠壓力，使得活塞裙部沿銷座軸線方向伸長，沿垂直于銷座軸線方向變短，形成一橢圓形狀，如圖2-1(a)所示。 (2)汽缸內燃料燃燒，在活塞頂部產生推動活塞運動的壓力。導致活塞裙部垂直于銷座軸線的橫截面產生彎曲變形，而裙部橫截面形成類橢圓形，如圖2-1(b)所示。 (3)活塞多為金屬材料，受熱產生不均勻膨脹。金屬材料受熱后內部原子間距增大，體積擴張，因活塞結構非完全對稱性，其膨脹后金屬呈現不均勻分布，銷座軸線方向裙部結構強度小，金屬變形后堆積較厚，垂直于銷座軸線方向活塞裙部結構強度大，金屬堆積少，因此活塞在溫度升高后，垂直于銷座軸線方向上比沿銷座軸線方向變形量小得多，因此裙部橫截面呈現出橢圓形，如圖2-1(c)、(d)所示。 活塞工作過程中主要在以上三種情況下變形為橢圓，橢圓截面的短軸垂直銷座軸線，長軸沿銷座軸線方向。 (a)擠壓變形 (b)彎曲變形 (c)銷座熱膨脹 (d)裙部變形 因前述出現的活塞裙部變形，活塞裙部沿垂直銷座軸向方向間隙最大，沿銷座軸向方向間隙最小，從而汽缸與裙部之間的間隙分布極為不均勻。如果冷態下橢圓短軸部位與汽缸套接觸，那么活塞往復運動過程中，因長軸部位尺寸增大與汽缸過盈而將活塞卡死;反之，如果冷態下橢圓長軸和汽缸套接觸，那么工作過程中短軸裙部變形使兩者間隙增大，間隙處漏氣量加大，加劇活塞的敲擊。將活塞裙部設計為反橢圓，也就是冷態下活塞裙部為橢圓形狀，此橢圓短軸沿銷座軸線方向而長軸垂直于銷座軸線方向，而在工作過程中，長軸方向變形較大，橢圓變為正方形與缸套緊密貼合，可以解決上述裙部變形所引起的問題[5]。 活塞在汽缸內工作，其頂部受高溫高壓的作用，溫度沿活塞高度方向呈高至低的梯度變化，導致活塞工作過程中沿高度方向間隙不均勻，因此活塞設計為直徑呈小-大-小的非正圓柱體形狀，即中凸形狀，如圖2-2所示，此類型活塞能夠保持其在任意狀態下都可以獲得較好的潤滑。 中凸變橢圓活塞的裙部型面是一種被廣泛應用和推廣的結構形式，是一種公認的優良的裙部型面。中凸變橢圓活塞的廓形特點為：如圖2-2所示，為山東濱州渤海活塞股份有限公司某中凸變橢圓活塞裙部示意圖，與活塞軸線垂直的橫向截面形狀與橢圓類似，并且截面位置的不同橢圓度也不同(垂直于活塞軸線的任何橢圓截面，截面的長軸直徑為截面的最大直徑，并且短軸直徑為該截面的最小直徑，短軸直徑和長軸直徑的差值被稱作為橢圓截面的橢圓度);沿活塞軸線的縱向截面，活塞縱向截面的外廓線為一條中凸曲線，此型線即是橢圓橫向截面長軸直徑沿活塞軸線方向的變化規律。 2.2 中凸變橢圓活塞廓形數學表達 中凸變橢圓活塞裙部為中凸形，與活塞軸線垂直的橫截面類橢圓或橢圓形，橢圓度在軸線方向不斷變化;沿活塞軸線方向的縱向截面為中凸形狀，外廓為中凸型線，無法用標準的數學方程進行表達，實際工程中多采用選取中凸型線上的離散點來進行描述。 如中凸變橢圓活塞基本形狀，國內外的相關學者與專家結合活塞在實際工作過程中的變形特點，綜合流體潤滑機理，采用數學模型表達了中凸變橢圓曲面，此方程表達式為[6]： 式2-9為式2-1當 為單橢圓特征下的情況，因此上述推導過程正確、可信。從式2-9可以得出，刀尖頂點運動的最大位移與橫截面的橢圓度成正比，刀尖頂點的運動頻率是主軸旋轉頻率的兩倍;刀尖頂點的運動加速度和速度分別為式2-9的2次導數與1次導數，在推導過程中不難發現，中凸變橢圓活塞的加工過程中，必須保證刀尖頂點的加速度和中凸變橢圓活塞任一橫截面的橢圓度與主軸旋轉頻率的平方成正比，運動速度和中凸變橢圓活塞任一橫截面的橢圓度與主軸旋轉頻率的成正比。可見此為中凸變橢圓活塞加工過程中最難保證的技術問題，換句話說，根據橢圓橫截面的橢圓度要求刀具在保證與工件的回轉運動相配合的同時，必須在其徑向做頻率極高的往復運動。 綜上所述，由于中凸變活塞的截面橢圓的橢圓度很小，對進給機構運動變化影響不大，但要在提高主軸旋轉頻率的工作條件下完成橢圓面的加工是對進給機構的嚴峻考驗。 2.3.2 中凸變橢圓活塞普通車床改造方案 本文基于普通車床用于中凸變橢圓活塞加工數控化改造系統的設計，提出了一種普通車床加工非圓截面活塞的方法，給出了普通車床適用于此類型活塞加工的數控化改造的方案，如圖所示為普通車床數控化改造方案框圖2-5。 本系統以計算機CPU為核心。縱向長行程進給系統、橫向長行程進給系統以及橫向微位移進給系統組成的三個坐標系統通過接口單元與計算機系統相連，其中還包括有由刀具限位系統、主軸角位置編碼系統、操作鍵盤系統等。 為適應中凸變橢圓型面的切削加工，進給系統分為刀具相對零件運動有X軸運動和Z軸運動，主軸運動系統為長行程進給系統，此系統由大功率伺服電機驅動并運用開環控制實現，能夠進行退刀、進刀。通過主軸與X軸聯動，在加工零件橫截面形成非圓截面，通過X軸與Z軸的聯動實現活塞零件裙部中凸的效果，主軸運動的長行程進給系統加工一般回轉體表面以及橢圓截面加工的縱向進給。 X軸進給運動通過微進給機構實現，此微進給系統運用高頻響大行程微位移機構，采用能夠實現高速小位移非圓截面車削進給運動的直流伺服電動機實現，該系統加工精度高，伺服機構頻響性能好，對于橢圓加工過程中的高頻振動實現容易。 中凸變橢圓活塞車削加工主要通過上述三種進給系統實現，然而橢圓截面加工的關鍵在于X軸進給運動，根據前述的中凸變橢圓活塞加工原理可知，如果要保證橢圓截面的廓形精度高，主軸的進給運動與X軸的進給運動必須具有嚴格的隨動關系，對于刀具必須在主軸的不同位置能夠達到所要求的進給量。換句話說，主軸的旋轉角度必須與刀具X軸的進給運動進行同步控制。依據中凸變橢圓活塞加工的原理分析以及廓形數學表達，本文通過在普通車床數控化改造的基礎上完成了改造車床的總體結構方案，總體結構設計如圖2.6所示。 此為一種由普通車床改造的用于中凸變橢圓活塞加工的數控車床，提出一種床身為倒“T”形狀的車床布局結構，前側為左右雙刀架、工件主軸臥式后置，準確說能夠適用圓形截面加工以及中凸變橢圓活塞的加工。即中凸變橢圓活塞車削系統采取雙驅動結構，對于高速小位移的中凸變橢圓截面采用直流伺服電機驅動進行進給運動，對于活塞直徑變化的調整通過珠絲桿螺母機構和伺服電機來實現，能夠進行粗、精加工。 為保證活塞加工時不同轉速的要求，通過閉環調速控制，運用主軸伺服電機驅動機床主軸6的高速旋轉。為實現機床軸向進給，滾珠絲桿與聯軸器相連，采用普通交流伺服電機對機床Z軸進給進行驅動。通過運用交流伺服電機以及直流伺服電機共同實現機床X軸的進給，實現對活塞的切削是通過直流伺服電機的次級直接驅動刀架，為能夠滿足活塞加工過程中高速響應的特性，選用的直流伺服電機空載加速度為5g，如圖2.7中所示。 此外，數控系統能夠通過主軸伺服電機上的光電編碼器采集主軸的旋轉角度，中凸變橢圓活塞精確加工是通過數控系統中的軟靠模完成與X軸進給運動相結合的。也就是說，通常的硬靠模實現中凸變橢圓廓形型線加工被X軸直流伺服電機的位移形成的“軟靠模”和主軸的伺服電機接收到的角度信息所取代，此方法的運行原理如圖2.8所示。 2.4小結 分析了中凸變橢圓活塞廓形形成機理，并通過數學方法對廓形進行表達，闡述了中凸變橢圓活塞車削加工基本原理，提出了普通車床數控化改造實現中凸變橢圓活塞加工的方案。 第三章 中凸變橢圓活塞車削加工的普通車床 機械部分設計 3.1 主傳動系統 3.1.1 變速主傳動系統 現代切削加工已發展至高精度、高效以及高速加工，高轉速、大調速范圍給機床主傳動系統也提出相應的要求;機床可靠性好、動態穩定性強、噪聲小以及結構簡單，并能夠在切削加工自動實現加工速度的變換。普通車床通過設計改造實現高度自動化成為機電一體化數控車床，其主傳動系統應該具備以下幾個方面的要求[9]。 (1)工作性能要求 主傳動系統中全部零部件必須具有一定的熱變形穩定性、強度、抗振性以及剛度。 (2)傳遞動力要求 傳動效率高，能夠實現一定轉矩和功率在傳動機構與主電動機之間。 (3)使用性能要求 首先達到機床的運動特性目標，例如主軸有一定的轉速級數和調速范圍。傳動系統改造應合理、符合實際，在操作性能方面安全可靠、反應迅速、操縱靈活方便等。 另外，主傳動系統改造后系統應仍舊保持結構簡單有利于維修和調整;加工工藝性能好，方便活塞的裝夾以及加工，系統使用壽命長，安全性能好。 數控機床主傳動系統包括有無級變速傳動和分級變速傳動。無級變速傳動能夠在其規定的變速范圍內實現轉速的連續改變，能夠方便的得到有利于工件加工的最佳速度，變速能夠在工作總實現，有利于自動變速。無級變速傳動是現代數控車床主傳動系統所采用的主要傳動方式。分級變速傳動是在一定的變速范圍內離散地、均勻地布置著有限級數的轉速，一般變速級數15-40級。普通機床多采用分級變速傳動方式，本文是在普通車床基礎上進行數控化改造，因此主傳動系統為分級變速傳動系統[10] [11]。 主傳動系統運用直、交流主軸調速電動機是數控車床與普通機床的最大區別，能夠大大簡化主軸箱結構，擴大電動機調速范圍，能夠實現無級調速。一般情況下，數控車床主傳動系統采用的傳動方式有以下幾種： (1)直接驅動 采用內裝式主軸電動機直接驅動，或者主軸與主軸電動機采用聯軸器直接相連，如圖3-1(a)所示。直接驅動對主軸剛度提高有一定作用，主要在于能夠對主軸箱結構進行簡化。直接驅動使得電機的輸出特性直接決定了主軸輸出扭矩以及轉速的變化。正因為電機性能直接影響著主軸的轉矩和功率特性，因而限制了此種傳動形式的廣泛應用。 (a)直接驅動 (b)定比傳動 (c)分擋變速傳動 (2)采用定比傳動 主軸電動機通過定傳動比的齒輪結構或者帶傳動結構傳遞給主軸。如圖3-1(b)所示。通過齒輪傳動或帶傳動結構，傳動系統振動以及噪聲均較小，在中、小型數控車床中應用較多，然而應用范圍相比直接驅動更廣，雖實現了電動機的變速，但主軸轉矩、功率以及變速范圍仍舊與電動機特性直接相關。 直接驅動以及定比傳動方式會出現主軸需求的恒功率變速范圍遠大于調速電機的恒功率范圍，即對于中、大型機床主軸與主軸電機功率特性不匹配，因此多應用于小型或者高速數控機床。 (3)采用分擋變速傳動 為了解決機床主軸功率特性與主軸電動機功率特性匹配的問題，通過齒輪福的分擋變速傳動機構來實現，如圖3-1(c)所示。主軸轉矩、功率需求能夠通過配合變速機構以及電動機的無級變速實現。電動機調速范圍可以達到1:100-1:1000，一般情況下變速齒輪機構不超過兩級所。對于各種工藝需求以及多類型的刀具材料通過運用分檔變速傳動得到實現，同時能夠實現多種切削運動的轉矩輸出，在擴大恒功率調速方面以及低速時扭矩輸出的問題上優勢明顯。 采用何種變速傳動方式，必須按照所需功率-轉矩-轉速曲線覆蓋范圍進行確定，同時需確定加工能力范圍。 3.1.2 交流主軸驅動 數控機床核心部件之一為主軸驅動單元，主軸驅動性能直接決定機床整體水平，其作用是至關重要的。在工件加工過程中，為了保證加工的高穩定性，提高加工效率，主軸驅動必須確保切削速度最優化、切削過程穩定，在切削半徑相應變化的情況下進行實時調速[12] [13]。特別地，在加工中凸變橢圓活塞這種切削內外半徑差值較大的工件時，根據前述的加工原理可知，主軸的旋轉速度變化可達十幾倍。可以判斷，主軸驅動不同于進給驅動，其在動態剛度、加工速度精度均有特別要求，并且必須在恒功率運行范圍方面要求大，轉矩連續輸出能力強。 大多數進給交流伺服電動機運用永磁式同步電動機，然而主軸交流電動機多數情況下采用籠型異步電動機，與進給驅動系統不同的是，數控機床主軸驅動系統不需要太高的調速范圍以及過高的動態性能。同時在裝有矢量變換控制的主軸驅動裝置的主軸驅動系統，采用籠型式異步電動機結構可靠性能好、價格便宜、使用簡單，基本上能夠滿足數控機床主軸的性能、結構特點要求 籠型異步電動機從總體結構分析主要由三相繞組的定子與帶籠條的轉子組成。即使部分數控機床的主袖電動機也有直接采用通用的異步電動機，然而一般情況下，籠型異步電動機是專門為交流主軸電動機設計的，在應用過程中各有特點。例如為減小電動機的體積，提高電動機的輸出功率，不使用機殼，而直接運用定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法，并且在定子鐵心上有以利通風軸向孔等等。因此，在電動機外形上不是圓形而是呈多邊形。如圖3-2所示為普通異步電動機與交流主軸電動機結構比較示意圖。普通異步電動機與一般籠型異步電動機相同，在轉子結構處大多數情況為帶斜槽的鑄鋁結構形式。檢測用脈沖編碼器或脈沖發生器一般安裝在在這類電動機軸的尾部。 1-交流主軸電動機;2普通異步電動機;3-冷卻通風口 如圖3-3所示為交流主軸電動機的功率-速度曲線，可以看出交流主軸電動機的工作特性曲線類似于直流電動機特性曲線。基本轉速上方為恒功率區，而基本轉速以下則為恒轉矩區。部分電動機類似于圖中所表示的一樣，如果電動機轉速大于某一恒定值后，電動機的功率-速度曲線斜率會變大，并且不會保持恒功率。一般情況交流主軸電動機的恒功率調速范圍在1:3-1:4之間。同樣與異步電動機類似，其也有限定的過載能力，通常為額定值的1.3-1.6倍，時間為十幾分鐘到幾小時不等。 3.1.3 主軸旋轉與進給軸控制 (1)主軸旋轉與軸向進給的同步控制 在螺紋加工中。為保證切削螺紋的螺距，必須有固定的起刀點與退刀點。螺紋螺距多數為常數，但為有規律的遞增或遞減的變螺距螺紋的使用也越來越多。在加工螺紋過程中，應該保持坐標軸的進給量與主軸轉數一致，其具體理解是當主軸轉動一圈，脈沖量也要按要求相應增加。 通常，采用光電脈沖編碼器作為主軸的脈沖發生器，并將其裝在主軸上，與主軸一起旋轉，檢測主軸的轉角、相位、零位等信號。常用的主軸脈沖發生器，每轉的脈沖數為1024，與坐標軸進給位置編碼器一樣，輸出相位差為90”的兩相信號。這項相信號經4倍頻后，每轉變成4096個脈沖送給CNC裝置。編碼器的結構和工作原理可參見第3章。 編碼器在主軸開始旋轉時會發出脈沖。在接受脈沖后數控裝置會對坐標軸進給進行控制，計算節距后，發給坐標軸位置為系統服務，使主軸轉數與進給量比率能符合要求。左螺紋或右螺紋可以通過改變主軸的旋轉方向被加工出來，通過脈沖編碼器發出信號的順序可以判別主軸的方向。脈沖編碼器還輸出一個零位脈沖信號，對應主軸旋轉的每一轉，可以用于主軸絕對位置的定位。例如在多次循環切削同一螺紋時，該零位信號可以作為刀具的切人點，以確保螺紋螺距小出現亂扣現象。也就是說，在每次螺紋切削進給前，刀具必須經過零位脈沖定位后才能切削，以確保刀具在工件圓周上按同一點切入。 另外，在加工螺紋時還應注意主軸轉速的恒定性，以免因土軸轉速的變化而引起跟蹤誤差的變化，影響螺紋的正常加工。 (2)主軸旋轉與徑向進給的同步控制 數控車床在端面切削時，為了保證加工端面的平整光潔，就必須使該表面的表面粗糙度小于或等于某值，由加工工藝知識可知.要使表面粗糙度為某值，需保證工件與切削刃接觸點處的切削速度為一恒定值，即恒線速度加工。由于在車削端面時，刀具要不斷地做徑向進給運動、從而使刀具的切削直徑逐漸減小。由切削速度與主軸轉速的關系 可知。 若保持切削速度 恒定不變，當切削直徑 逐漸減小時，主軸轉速必須逐漸增大。但也不能超過極限值。因此，數控裝置必須設計相應的控制軟件來完成主軸轉速的調整。 應當注意，計算出的主軸轉速不能超過其允許的極限轉速。將計算出的主軸轉速送至主軸伺服系統，以保證主軸旋轉與刀具徑向進給之間的協調關系。 3.2 進給伺服系統位置檢測元件與位置控制 位置檢測元件是閉環和半閉環伺服控制系統的重要部件之一，它的作用是檢測出機床執行機構的具體位置，并把這個檢測信號反饋給計算機與指令的具體位置進行對比，然后給伺服系統發出與之相吻合的控制指令，帶動執行機構向指令給出的理想位置趨近[14] [15]。因此，位置檢測元件的性能很大程度上決定了機床的定位精度和加工精度。數控機床對位置檢測元件的基本要求主要有：高可靠性和高抗干擾性;滿足精度和速度要求;零點靈敏度高;使用維護方便，適合機床運行環境;成本低等。 不同的工作環境和不同的檢測要求.可以采用不同的檢測元件和檢測方式。表3-1列出了數控機床中的各種位置檢測元件。下面介紹常用位置檢測元件的組成和工作原理。 光電編碼器又可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器兩種。增量式編碼器能夠把回轉件的旋轉方向、旋轉角度和旋轉角速度準確測量出來，具有結構簡單、價格低、精度易于保證等優點，所以目前采用較多。絕對式編碼器可將被測轉角轉換成相應的代碼來指示絕對位置而沒有累計誤差，是—種直接編碼式的測量元件。 3.3 縱向、橫向長行程進給系統 本伺服系統的負載大小、精度要求不高，縱向、橫向的進給采用開環控制。由于開環系統的穩定性較好，因此精度較高，通過合理的參數設計，系統具有良好的動態響應性能。 步進電動機是開環進給伺服系統的主要執行元件，其性能直接影響數控機床的性能。因此，在設計步進電動機進給系統時詳細地對考慮了步進電動機的特性，合理對步進電動機進行選型。 (1)確定步進電動機的類型 一般來說反應式步進電動機步距角較小，價格較低，運行頻率高，但是功耗卻比較大;永磁式步進電動機功耗較小，但步距角較大，運行速度較偏高。各種步近電動機的產品樣本中都給出通電方式及步距角等主要技術參數以供選用。 數控車床上大多使用反應式步進電動機(如150BF 、130BF 、110BF等)，與永磁反應式步進電動機相比，其價格較低，但在需要大轉矩驅動時則選擇永磁反應式步進電動機。表3-2和表3-3分別給出了一些常用反應式和混合式步進電動機的型號和簡單的性能指標。 (2)確定脈沖當量 脈沖當量應報據機床的加工對精度的要求來確定。一般普通的數控機床，都是0.01mm或者0.005rnm，如果數值偏大，就不符合要求;如果數值偏小，或機械系統較難實現，會降低其經濟性。 (3)確定減速齒輪速比 減速齒輪的速比可由所選步進電動機的步距角、絲桿的螺距以及所要求的脈沖當量來計算，采用減速齒輪可以較容易地配置所要求的脈沖當量，減小工作臺以及絲杠折算在電動機軸上的慣量，同時增大步進電功機的驅動能力。但采用減速齒輪會帶來額外的傳動誤差.降低機床的快速移動速度，并且其自身又引入附加的轉動慣量。 (1)微位移進給單元結構 微位移進給單元結構圖如圖3.5所示，直線電機的初級13經過螺栓安裝于工作臺本體上，直接實現工作臺進給運動。電機次級7采用螺栓固定于床身的過渡板4上。通過尺寸保證電機的次級和初級的耦合關系保持不變，次級采用拼接式結構，在過渡板上，兩邊安裝高速滾動的導軌12與3，以及直線電機的次級。滑塊在導軌上采用螺栓與工作臺相連。工作臺的重量以及沖擊載荷均由滾動導軌副支撐，減小了進給運動過程中的摩擦阻力，同時對工作臺的運動起到導向的作用。導軌的長度一般按照德國標準進行選取。輔助導軌8與5用與支撐導軌防護罩2，放在直線電機的兩邊。10是光柵的定尺，安裝于過渡板左邊。9是光柵的動尺(即測頭)，被固定于工作臺上。如果工作臺移動，可將其位置信號反饋到機床的制系統。按德國標準，光柵的工作長度應大于工作臺行程。 件6、14 都是冷卻板，由鋁板制成，為減少直線電機發熱對機床工作精度造成的影響，內部通過循環冷卻水，對直線電機的初級與次級同時進行冷卻。導管防護拖鏈1作用是保護直線電機供電電纜及冷卻水管。螺釘在機床身上安裝過渡板。過渡板可將復雜的床身變得更簡單，保證進給單元制造的順利進行。 1.工作臺;2.導軌防護罩;3、12-高速滾動導軌;4-床身的過渡板;5、8-輔助導軌;7-次級;9-光柵的動尺;10-光柵的定尺;11-導管防護拖鏈;13-初級;6、14-冷卻板 (2)控制方案的確定 閉環或半閉環控制方案的選擇主要取決機床精度要求。閉環控制力案可以解決系統精度過高的要求。它將全部機械傳動及執行機構都封閉在反饋控制環內，控制系統精度較高是因為他可以補償此誤差。但由于在設計閉環伺服系時難度較大，成本較高，系統結構相當復雜，最重要的是難以使機械系統的動態性能得到提高，因此難以保證系統的穩定。目前大多數數控車床中的伺服系統都采用半閉環控制。 (3)伺服電動機的選擇 在閉環或半閉環控制的數控車床進給伺服系統中，主要將直流伺服電動機或交流伺服電動機作為執行元件。因為直流伺服電動機具有優良的靜、動態特性，且容易控制，因此在20世紀90年代前，始終是閉環(以下如不特別說明，則所稱閉環也包括半閉環)系統中執行元件的主流[21] [22]。近年來交流伺服技術的發展使得交流伺服電動機可獲得與直流伺服電動機相似的優良性能，且交流伺服電動機維修較方便，不存在電刷磨損問題，由于價格逐年降低，被廣泛應用，因而目前已形成了與直流伺服電動機共同競爭市場的局面。在設計閉環伺服系統過程中，應考慮到設計者對技術的掌握程度以及市場供應、價格等這些因素.選擇合適的執行元件。表3-4給出了FANUC-BESK直流伺服電動機的性能參數。 3.5小結 針對現有的普通車床CA4160械結構部分進行數控化改造，在主軸系統不更換的前提下，將主軸旋轉運動與進給運動進行分離，通過光電編碼器實現主軸旋轉的角度位置的控制，完成了縱向、橫向長行程進給系統以及高頻響大行程微位移進給系統設計，并對進給系統的位置控制進行了研究。 第四章 中凸變橢圓活塞車削加工的普通車床 控制系統設計 4.1車床數控系統 車床數控系統是對數控車床全部要求和功能控制的核心部分。車床數控系統同樣是由硬件部分和軟件部分組成。大致包括PLC部分、伺服驅動系統、數控裝置以及I/O裝置[26]。如圖4-1所示。 數控系統的核心部分為CNC裝置，全部的數控功能的均通過內部的硬件和軟件的控制實現，其通過I/O接口與數控系統的其它組成部分部分連接，類似于一臺由微型PC構成的控制器[27]。其能夠對輸入的數控加工程序進行解釋、判別，并進行程序功能所需的邏輯運算和數據分析，實現對PLC、主軸驅動以及進給驅動的控制。一般情況下，數控裝置向PLC輸出的離散型數字量，向伺服驅動系統輸出為模擬量。 I/O裝置包含I/O設備以及I/O接口和。I/O接口為機床與PC機提供一條信息輸送的通道和橋梁，數控系統中實現自動控制的所有控制信息以及數據作為控制依據均通過I/O設備輸入至CNC的存儲單元中。控制信息包括控制參數、補償數據以及加工程序。根據攝入的設備不同，輸入方式多種多樣分別有通信輸入、鍵盤輸入或者紙帶輸入等。但數控系統運行過程中的數據以及狀態信息通常應用各種指示燈與顯示器進行描述。 數控系統的主要控制對象為伺服驅動系統，必須達到控制速度快、精度高的要求，一般有主軸調速與位置進給系統兩種。具體來說，車床數控系統通常控制模擬主鈾驅動系統和縱向(Z向)以及橫向(X向)兩軸進給[28]。各個軸的運動通常通過伺服驅動系統控制實現，數控裝置中通過軟件位置調節器或者硬件位置控制模塊實現進給軸的位置控制，實際位置的反饋信號傳送至數控裝置，比較查補計算出的命令位置，對軸位置控制進行定量，再次輸送至伺服驅動系統[29]。 傳統的機床電器邏輯控制裝置已逐步被現代化的PLC裝置所取代，主要通過采用獨立式以及內裝式PLC實現數控機床的多種邏輯控制[30]。PLC不僅實現了對機床機電機構的監控與邏輯處理，通過控制指令實現了機床狀態以及相關應當信號的指示。 中凸變橢圓活塞普通車床數控化改造的數控車床，工件的加工主要是通過將兩組加工運動復合來實現的，一是杠桿系統與刀具間的相對運動，二是刀具的高頻反復直線運動，第一種是控制刀具的運動幅度，第二種是控制對刀具的運動頻率。兩組運動結合起來，可使系統在加工時活塞裙部橢圓截面的短軸長度不變，長軸長度的變化由橢圓度曲線決定，通過此方法對變橢圓進行加工。 中凸型線的曲線是由離散點組成的，離散點的作用是確定活塞軸的徑向位置變化，也稱為擬合曲線。NC規定中計算機自動編程型線，生成凸型線的NC程序來完成活塞裙部中凸型線的加工。在NC加工途中，應使其與加工變橢圓截面的相對應，使活塞裙部中凸變橢圓的加工得以完成。 4.2 數控機床電器控制線路設計 活塞數控車床數控系統電氣線路如圖 4.2所示。各傳動系統的伺服電機的驅動器接受來自數控系統的速度指令，經功率放大處理后驅動各伺服電機的工作。主軸編碼器將主軸的角度信息直接反饋給數控系統。 C軸用的是伺服電機來驅動，其位置通過編碼器反饋到PMAC卡中，再由 PMAC卡發出指令給直線電機，保持進給運動與軸旋轉之間的聯系。如果C軸電機有任何動靜，PMAC卡會立馬接收信息，對直線電機發出補償指令。同樣的道理，當直線電機有任何動靜，PMAC也會補償主軸轉動。但經過測試，這種控制結構的同步對卡的要求較高，PMAC卡能夠達到此要求，如圖4.3所示為x，C伺服控制原理圖[36]。 4.3 車床數控系統I/O模塊及其通信設計 4.3.1 I/O模塊電路設計 數控系統運行中，需要接收機床的按鈕信號、開關信號以及各種限位開關信號，其操作面板的指示燈上也需要將某些工作狀態顯示出來，并將控制機床的各類信號送到強電柜控制執行機構，這些工作都要通過I/O接口來完成。因此I/O接口可以說是CNC裝置與機床、操作面板之間進行信號交換的轉換接口。是CNC系統與外界交換信息的必由之路，在CNC系統中占有重要的位置。不同的輸入/輸出設備與CNC系統進行連接，采用I/O接口電路或接口芯片。后者一般有專用與通用之分。前者專門用于特殊的輸入/輸出設備的接口，后者是和用在多種設備的接口。 I/O接口電路作用與要求較多，例如進行電隔離來防止強電對系統的破壞;進行電平轉換，進行信號的電平轉換與功率放大，因為TTL脈沖或電平信號通常是CNC系統的信號，而機床所提供的與需要的信號卻不一定是TTL信號，且有的負載較大，因此需要進。數控系統的I/O接口電路常用的器件有繼電器與光電耦合器 [34]。 4-4表示開關量信號輸入接口電路，一般用于輸入傳感器，例如限位開關、按鈕及機械原點等，如果開關量有過度過程，為轉換電路還需將電平整形增加。圖4-5為開關量信號輸出接口電路，可用于驅動24V小型繼電器。以下電路要結合信號特點，選擇相應的光電耦合器與三極管，且要耐壓、迅速、有負載能力。 4.3.2 車床數控系統顯示功能設計 CNC系統顯示功能直接決定系統入機界面的友好程度，應該盡量讓操作者了解系統的當前狀態，并指導近一步的操作等。目的常用的顯示器有數碼管LED、液晶顯示器LCD、陰極射線管CRT和薄膜晶體管TFT。一般LED、LCD可由8255、8155、8273、8279等進行控制，面CRT、TFT通常要由專門的接口板，如6845等進行控制。 目前數控系統中普遍采用了LCD、CRT顯示，主要顯示內容有：當前功能狀態區、當前執行程序區、動態坐標顯示區、動態軌跡顯示區、I/O口狀態區、有關參數調整區、錯誤信息提示區、操作信息區、動態鍵提爾區。對數控系統中顯示的要求是能實時動態地反映加工控制過程中各種信息，對顯示區進行合理的規劃與切換。 4.3.3 車床數控系統通信設計 現代CNC裝置都裝有標準串行通信接口來與編程器及微型計算機連接，實現點對點通信、零件程序以及參數的傳送。由于工廠自動化(FA)與現代集成制造系統(CIMS)發展迅速，CNC裝置作為一種分布式數控系統(DNC)到柔性制造系統(FMS)的基礎組成部分，應該具有與DNC計算機或上級主計算機直接通信功能或網絡通信功能。 利用PC機配置的RS-232異步通信適配器，可以很方便的完成PC機與AT89C51單片機的點對點數據通信。而對于單片機與PC機的串行通信，只需要三根線就可以了：RXD(接收)、TXD(發送)、GND(信號地，收發雙方地線接在一起)，這種接法俗稱“零Modem”接法。系統中采用AT89C51單片機作為下位機，PC機為上位機，二者通過RS485總線接收或上傳數據。由于PC機不具有RS485總線接口，但可以通過一個RS232/RS485轉換電路完成PC機到RS485總線接口的電平轉換。 設計以PC機作為主控機，多個單片機作為從機構成的485總線現場監測系統。單片機組成的各個節點負責采集數控機床的溫度信息，主控機以輪詢的方式向各個節點獲得溫度的信息，并根據信息內容進行相關操作。 整個系統的設計可以分為3個部分：1、數據采集電路。其中數據采集電路負責對數控機床狀態數據的采集，設計采集的是機床的溫度。2、單片機系統。 單片機系統是設計的關鍵，它的設計直接影響整個系統的設計，包括硬件和軟件的設計。該部分是一個具有485接口的單片機系統，它位于各個終端(數控機床)設備處響應主控機發送來的查詢命令，并將被監測設備的狀態信息回送給主控機(這里主要是溫度信息)。它的單片機的I/O口與被監測的終端設備相連，以獲取所需要的狀態信息。3、主控制部分。該部分是一個帶有232/485轉接口的PC機，負責對整個系統的控制[38]。 上位機轉換接口是負責PC機端與RS-485總線的轉換。由于PC機串行口是RS-232接口，這里使用RS-485總線進行串行通信，但是RS-232與RS-485的電平不匹配，因此設計需要設計一個電平轉換電路，實現上位機(PC機)RS-232到RS-485的信號轉換。這里采用光電耦合器件實現信號轉換，芯片選取MAX481。設計要完成系統的軟件和硬件設計。 以上系統通過SCON控制寄存器來讓下位機主機AT89C52單片機控制串口，SCON各位的定義如圖4.7所示。 SM0，SM1表示串口工作方式選擇位，SM2表示多機通信控制位，REN表示允許串行通信選擇位，下位機保持接收狀態，其系統將串口設置為工作方式2或者3，SM2=1，REN=1。TB8表示2、3中接收數據第9位，TI表示發送中斷，RI表示接收中斷。系統將利用多機通信控制位SM2來協調單片機與PC的多機通信。正如以上所說的，各下位機通過初始化程序使SM2=1.，上位機將通過廣播向所有下位機發送地址幀的方式(第9位被置1)來實現通信，所有下位機在接到地址幀后，會自動將 “1”送到各自的SCON中的接收數據第9位，使RB8=1，表示下位機收到了地址信息，由于SM2=1，激發中斷標志位RI=1，因此下位機與上位機的地址形成鮮明對比。如果地址不符，則保持SM2=1，不會響應對上位機發出的數據幀，下位機繼續等待呼叫。如果本機地址與接收的地址吻合，使SM2=0,同時上位機建立與該下位機的通信信道，相應的下位機進入通信狀態，并與主機點相對應，這是不管是什么情況，下位機都能響應上位機的指令，使RI=1來。系統通過控制RB8與SM2來管理上位機與下位機的通信。 上位機的信息可以被傳到指定的下位機上，下位機發送的信息只有上位機能收到，各下位機相互之間不能直接通信。為讓主控PC機與多單片機進行通信，首先要將每一個下位機的地址用一個字節來定義，并對其進行編碼。用16進制表示，例如：10號機地址為0A ，1號機為01。約定上位機為00。上位機監控程序運行開始時以時間間隔t對下位機進行輪詢，并依次向下位機發送查詢指令，以檢查下位機的狀態。 (1)通信波特率為9600bit/s,晶振為11.0592MHZ。采用11位幀結構如圖4.8所示。 (2)本系統的幀主要有4種，這由類型字節決定。它們是主機詢問從機是否在位的“ACTIVE”指令。主機發送讀設備請求的“GETDATA”指令。從機應答在位的“READY”指令，和從機發送設備狀態信息的“SENDDATA”指令。“SENDDATA”幀實際上是真正的數據幀，該幀中的數據字節存放的是設備的狀態信息，其他3種是單純的指令幀。數據字節為0，這種指令幀的長度最短為6個字節，所以通信過程中幀長小于6個字節的幀都認為是錯誤的。數據幀結構如圖4.9所示。 (3)建立上位機和下位機的通信途徑，上位機根據其原則以及下位機的狀態信息，向下位機發送指令。 (4)當主機發出呼叫幀后，如果沒有在規定的時間收到從機的應答幀，主機會認為幀丟失并重新發送呼叫幀;如果發送3次仍沒有收到應答幀，則系統認為該次通信失敗，與其它下位機進行通信。本系統采用檢驗和進行差錯控制。 4.4小結 對現有普通車床系統增設了數控部分，數控系統中采用了內裝型、獨立型PLC在數控系統中完成順序控制，對車床數控系統I/O模塊以及通信系統進行了設計。 第五章 普通車床改造在中凸變橢圓活塞加工 中的應用 5.1 某普通車床改造概述 CA4160車床作用是加工對中小型盤類、軸類以及螺紋零件。其數控改造后數控系統控制的對象主要有：主軸變速，主軸正反轉控制;刀架的橫向與縱向近給運動控制，刀具的選擇控制、自動換刀控制;冷卻泵、潤滑泵的啟停控制;脈沖編碼器的加裝等。 (1)改選縱向進給機構。將原車床的進給箱拆除，并將原機床進結箱的安裝孔與銷孔安裝齒輪箱體利用起來。還是將滾珠絲杠安裝于原位，為減小改造現場，兩端采用原同定方式，縱向進給整體剛性略優于以前是因為滾珠絲杠的摩擦系數相比與原絲桿來說較小。 (2)改選橫向進給機構。將原于動機構保留用來調整操作，步進電動機、齒輪箱體安裝在中拖板的后側。 一級齒輪減速的方式被橫縱向進給饑構所采用，并采用雙片齒輪錯齒法來將間隙消除，由于彈簧的彈力難以適應負載的變化情況，因此雙片齒輪間是自動消除間隙，沒有加彈簧。若負載較大，彈簧彈力變小，難以起到自動消除間隙的作用;負載小，彈簧彈力會變大，增加齒輪的磨損。因此采用此辦法將間隙消除。 (3)刀架的改造。拆除小拖板與原刀架，用數孔刀架代替。 (4)用彈性元件來連接光電編碼器與車床主軸，具體采用波紋管聯袖器進行連接。 (5)I/O連接與數控系統簡介 主要技術指標： 1)圖形跟蹤LED顯示; 2)以單片機為核心的兩坐標聯動經濟型數控系統; 3)最小輸出增量：X袖0.002mm，Z軸0.005mm; 4)具有直線、圓弧、螺紋插補和間隙、刀具補償功能; 5)程序輸入方式，鍵盤、RS-232C 數抨系統實現步進電動機控制接口、I/O接口與編碼器接口、數控刀架接口以及開關量輸入輸出接口的連接。 9芯D型插座，所選編碼器每轉脈沖加l 200P或2400P。 X軸、Z軸與主軸控制接口。15芯D型插座的作用是控制X軸、Z軸主軸的轉速的一項運動。 開關星輸入輸出接口。37芯D型插座，開關量輸入輸出類型： 1)冷卻油控制口; 2)輔助I/O接口; 3)刀架控制信號; 4)主軸控制信號; 5)主軸換擋控制口; 6)回零信號輸入口; 7)超程信號輸入口。 5.2 中凸變橢圓活塞的數控加工分析 本文研究對象為中凸變橢圓活塞的車削加工問題，根據前述的分析可知，中凸變橢圓活塞與軸線的橫截面垂直，則為橢圓或者類橢圓形，且在軸線方向上橢圓度會出現規律的變化，橢圓度的加工精度通常是±0.0045mm;中凸變橢圓活塞沿軸線方向的截面的輪廓線則為中間凸起的曲線，一般通過高次函數的進行擬合來表達，如第二章所描述，其廓形精度達0.004~0.008mm;為提高活塞的承載能力，以提高發動機的升功率，通常將高負荷活塞的銷孔設計成微內錐型或正應力曲面型(異型銷孔)，銷孔尺寸精度達IT4級，輪廓精度為±0.003mm。 如某內燃機活塞裙面在某一橢圓橫截面加工時，活塞某橫截面長軸直徑為2a=100.4mm，橫截面短軸截面直徑為2b=100mm，主軸轉速頻率為15Hz，轉速為900 r /min。由圖5-1，圖5-3 可以看出，刀具運動參數的變化周期都是0.33 s，是主軸旋轉周期T =1/f = 1 /15 = 0.66 s 的二分之一，即說刀具運動變化的頻率為主軸旋轉頻率的兩倍。刀尖的位置在徑向上在區間[50,50.2]，頻率為30Hz的諧波周期性的在橢圓長短軸半徑上高速振動，如圖5-1所示;由于在中凸變橢圓活塞的任何一個截面上橢圓度都不大，在同頻率下刀具的速度變化時，刀尖位移增量也不大，僅為橢圓度的二分之一，可以近似為一條直線，如圖5-2所示;反而刀具運動過程中加速度的變化，即使和前兩者頻率相同，其變化大小最為突出，刀具運動速度曲線與刀具運動的加速度曲線相比，其為一波動并不大的曲線，在數值上，從得出的數據可以發現，刀具最大運動速度僅為最大加速度的1/190，如圖5-3所示[39]。 可得，中凸變橢圓活塞加工的長軸直徑為2a =100.4 mm，其短軸直徑為2b =100mm，主軸轉速n = 900 r /min，也就是說這種橢圓截面是在主軸頻率為15Hz的情況下進行加工實現的，主軸最高加速度必須達到0.4g，即3800mm/s2=3.8 m/s2，為了使主軸的速度增加，使活塞質量得到提高，即主軸加速度的大小與主軸旋轉頻率的平方成正比，提高主軸旋轉頻率，主軸加速度大小增加兩倍，在此將主軸旋轉頻率增大至之前的3倍，則主軸加速度要提高到原來的5倍，如圖5.4所示。通常普通車床的實際進給加速度只有0.1~0.3 g，因此本文對進給系統進行改造是十分有必要的。直流伺服電機驅動高速進給系統能使加速度的要求得到滿足，本文所采用的是直接驅動法，刪除了中間的機械傳動環節，改進后系統加工中凸變橢圓活塞成為可能。 5.3 中凸變橢圓活塞數控加工試驗 中凸變橢圓活塞車削需要注意以下三個關鍵問題： (1)活塞的車削過程要求每次進刀必須在主軸同一相位，否則活塞的加工形狀難以得到保證。 (2)要求將主軸的轉動與X軸的進給運動進行匹配，也就是說X軸進給機構會隨主軸的變化而變化。 (3)主軸的旋轉與中凸輪廓曲線車削要保持一致。針對以上問題有兩個解決辦法，第一種是通過TURBO PMAC的時基控制功能來解決;第二種是通過TURBO PMAC聯動控制來解決。 時基控制指的是TURBO PMAC卡具有的一種功能，與外部事件同步控制，通過將信號的頻率輸入以控制程序的速率。此次試驗X軸(受控于TURBO PMAC)直流伺服電機的運動需要以主軸(不受控于TURBO PMAC)的轉動為基礎。因此，應將TURBO PMAC的軌跡定義為主位置函數而非時間。 時基控制實現方法為，首先定義主軸位置，傳感器得到“實時輸入頻率(RTIF)”其單位是步/毫秒。根據RTIF來計算主軸在每毫秒旋轉的度數。例如主軸伺服電機編碼器每轉產生1024個脈沖，數控系統采用4倍頻，主軸每毫秒轉過了32*360/(1024*4)度。通過RTIF建立了主軸轉過的度數余X軸運動軌跡的關系。時基控制可以使動軸與主軸維持良好的關系，但時基控制不能提供方法使主軸坐標系上的特殊點同步。因此，時基觸發功可以幫助解決此問題，通過在觸發前凍結時基，然后以位置為參考來啟動時基。如此一來可以確保每次進刀與主軸在同一位置。 綜上所述，可以將驗基于時基控制方法分為五個步驟：1)信號解碼設置;2)插補和時基設置;3)編寫運動程序;4)準備觸發器;5)開始觸發。基于時基控制的具體程序如下： 基于以上的準備工作，選用加工材料為LY12硬鋁合金進行試驗車削。圖5.6得到的切削結果為橢圓度為0.2mm，主軸轉速為600r/min,。圖5.7得到的切削結果為主軸轉速為1500r/min，橢圓度為0.2mm。 經過檢測以及修改參數車削后，對工件橢圓度的測量為0.16mm，橢圓截面相位保持了一致，圖5.6工件車削的精度符合要求。圖5.7工件表面有明顯的刮痕現象，由圖可看出切削的橢圓截面沿軸線成螺旋變化，這說明X軸的正弦周期運動相比于主軸運動來說稍有落后后。其原因是在采用TURBO PMAC的時基控制時，對其實時輸入頻率(RTIF)范圍進行了限定，主軸轉速為600r/min時剛好達到RTIF的額定值，若轉速增加，只能犧牲插補點的個數來滿足主軸轉速的提高，這樣車削的精度便難以得到保證。通過測量橢圓度偏差大于10個絲，加工零件已經成為廢品。 5.4小結 通過上位機上的操作系統，運用VB編程軟件實現了改造后的車床加工中凸變橢圓活塞的調試與試驗，經試驗表明，普通車床數控化改造加工中凸變橢圓活塞的研究是可行、合理的。 結 論 中凸變橢圓活塞是當前發動機中應用最為廣泛的活塞。基于這類活塞型面復雜和加工精度難以保證，普通車床無法實現這種異形截面活塞的加工，圍繞中凸變橢圓活塞加工對普通車床進行數控化改造研究，本文進行了以下幾個方面的技術研究： (1)分析了中凸變橢圓活塞廓形形成機理，并通過數學方法對廓形進行表達，闡述了中凸變橢圓活塞車削加工基本原理，提出了普通車床數控化改造實現中凸變橢圓活塞加工的方案。 (2)針對現有的普通車床CA4160機械結構部分進行數控化改造，在主軸系統不更換的前提下，將主軸旋轉運動與進給運動進行分離，通過光電編碼器實現主軸旋轉的角度位置的控制，完成了縱向、橫向長行程進給系統以及高頻響大行程微位移進給系統設計，并對進給系統的位置控制進行了研究。yinghuiyun.com/fanwen/jixielei/ (3)對現有普通車床系統增設了數控部分，數控系統中采用了內裝型、獨立型PLC在數控系統中完成順序控制，對車床數控系統I/O模塊以及通信系統進行了設計。 (4)通過上位機上的操作系統，運用VB編程軟件實現了改造后的車床加工中凸變橢圓活塞的調試與試驗，經試驗表明，普通車床數控化改造加工中凸變橢圓活塞的研究是可行、合理的。 由于本人知識有限，對于本課題的研制還處于實驗室階段，離中凸變活塞數控車床還有距離，因此還需要進一步加強與完善： 1.使機床整體結構優化，增加系統剛度，使其能穩定工作并使進給單元的快速響應能力得到提高。 2. 深入研究高頻響直線進給單元，增加導軌剛度，使其對于較大的熱變形與切削力能承受。 3.進一步完善中凸變活塞數控系統軟件方的編程界面，讓其便于操作，活塞加工結束后，系統可以自動進行數據處理并最后輸出檢測結果。
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發表于 2017-10-20 16:22:09
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