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第一章 緒論 1.1選題背景與意義 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞工作中承受交變的機(jī)械載荷和熱載荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作性質(zhì)最為惡劣的零部件之一。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性能、動(dòng)力、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性能的技術(shù)要求日益苛刻，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，減小排放、噪聲以及燃油消耗，增強(qiáng)活塞的綜合性能是有效途徑之一，例如異型銷孔技術(shù)、異型外圓復(fù)合型面技術(shù)、輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料應(yīng)用等。 中凸變橢圓活塞是異型外圓復(fù)合型面技術(shù)應(yīng)用的結(jié)果，這類型活塞能夠提高內(nèi)燃機(jī)的熱力性能，然而這類活塞復(fù)雜型面的加工和加工精度的保證是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。普通車床無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(fù)雜，生產(chǎn)效率、加工精度以及供應(yīng)量是制約高性能活塞發(fā)展的關(guān)鍵因素。針對(duì)活塞型面的加工工藝，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家開(kāi)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(nèi)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(wèn)題，普通的加工工藝方法仍舊存在柔性差、精度低的缺點(diǎn)。 中凸變橢圓活塞加工技術(shù)成為阻礙我國(guó)內(nèi)燃機(jī)綜合性能提升的關(guān)鍵因素，開(kāi)展數(shù)控車床在中凸變橢圓活塞加工中的研究，對(duì)提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，提高我國(guó)汽車、航空發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)際上地位具有重要的實(shí)際意義。 近年來(lái)，國(guó)外異型活塞加工發(fā)展已趨成熟，活塞車削加工數(shù)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，然而，系統(tǒng)價(jià)格昂貴，國(guó)外的技術(shù)封鎖又難以實(shí)現(xiàn)我國(guó)活塞加工技術(shù)質(zhì)的突破，因此國(guó)內(nèi)多個(gè)企事業(yè)單位相繼推出了中凸變橢圓活塞的數(shù)控車削系統(tǒng)，雖然異型活塞加工基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但數(shù)控機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)差距甚遠(yuǎn)，許多實(shí)際問(wèn)題以及理論研究有待進(jìn)一步深入。 以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中凸變橢圓活塞為對(duì)象，結(jié)合中凸變橢圓活塞特點(diǎn)，提出了普通車床加工中凸變橢圓活塞的設(shè)想，對(duì)普通車床結(jié)構(gòu)數(shù)控化改造與車削創(chuàng)成技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，為提高異型面加工精度，對(duì)高頻響、微位移、大行程伺服刀架系統(tǒng)進(jìn)行深入分析與設(shè)計(jì)。結(jié)合數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于“靠模”法加工異型輪廓的先進(jìn)方法，此方法編程簡(jiǎn)單、加工可靠性高，對(duì)中凸變橢圓活塞加工常規(guī)化意義重大。 1.2中凸變橢圓活塞加工研究現(xiàn)狀及發(fā)展 1.2.1中凸變橢圓活塞加工現(xiàn)狀 活塞作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型的重要零部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有決定性影響，具有獨(dú)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(jī)床上加工實(shí)現(xiàn)活塞高精度的要求。綜合中凸變橢圓活塞廓形形成機(jī)理的專用工裝和通用機(jī)床加工技術(shù)形成活塞制造的機(jī)加工生產(chǎn)線是目前活塞加工的通用做法，配備專用設(shè)備成為影響活塞加工精度和功能以及關(guān)鍵特性指標(biāo)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(wú)靠模法的數(shù)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(shí)現(xiàn)此種精度的加工，一般采用專門的數(shù)控高精度活塞靠模磨床來(lái)完成，但仿形加工投資設(shè)備少，相對(duì)加工成本低，活塞大批量生產(chǎn)主要采用此種方式。 近年來(lái)，國(guó)際上針對(duì)異型活塞加工興起了基于數(shù)控高頻直線刀架加工的非圓加工技術(shù)，其特點(diǎn)為無(wú)需靠模、設(shè)備柔性化強(qiáng)以及加工功能強(qiáng)，能夠適合多中異型活塞加工，但此類技術(shù)投資成本高，設(shè)備造價(jià)大并且直線刀架和控制系統(tǒng)使用壽命極為有限。 中凸變橢圓活塞專機(jī)研制自20世紀(jì)80年代我國(guó)已經(jīng)大量投入，隨著活塞產(chǎn)品技術(shù)以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求的日益提高，為適應(yīng)我國(guó)活塞制造業(yè)以及先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)的發(fā)展，在活塞先進(jìn)裝備和制造技術(shù)方面已經(jīng)加大了開(kāi)發(fā)力度： 中凸變橢圓活塞BHC系列數(shù)控車床的研制與應(yīng)用。山東濱州渤海活塞股份有限公司為發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)高性能活塞的生產(chǎn)，適應(yīng)我國(guó)汽車工業(yè)日益發(fā)展的要求，加大活塞加工技改力度，先后引進(jìn)意大利FAMAR公司生產(chǎn)的數(shù)控全自動(dòng)生產(chǎn)線以及德國(guó)的轎車活塞全自動(dòng)生產(chǎn)線，同時(shí)從美國(guó)、瑞士以及日本等國(guó)引進(jìn)多種活塞檢測(cè)及加工的關(guān)鍵設(shè)備，配置國(guó)內(nèi)設(shè)備，企業(yè)高性能活塞交付能力以及規(guī)模化生產(chǎn)能力大大提高[3]。以此公司為代表的國(guó)內(nèi)活塞企業(yè)，在高性能活塞先進(jìn)制造技術(shù)的研發(fā)以及產(chǎn)品技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，形成了涵蓋裝備、先進(jìn)制造技術(shù)、試驗(yàn)評(píng)價(jià)、過(guò)程開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成熟的先進(jìn)研發(fā)體系。相繼出現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)BH系列活塞專用數(shù)控機(jī)床，包括多工序組合數(shù)控加工專用機(jī)床、BHT系列活塞圓柱孔及異型銷孔精密數(shù)控鏜床、BHC系列活塞中凸變橢圓數(shù)控車床等。發(fā)動(dòng)機(jī)高性能活塞加工技術(shù)的成熟，持續(xù)提高了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和社會(huì)購(gòu)買力，促進(jìn)了我國(guó)汽車工業(yè)快速發(fā)展。 綜上所述，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)早期對(duì)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(diǎn)，目前已經(jīng)逐步再使用，取而代之的是采用數(shù)控高頻刀架的無(wú)靠模加工方法。 中凸變橢圓活塞的仿形加工法和機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法逐步由先進(jìn)的專用數(shù)控車削法替代。總的來(lái)說(shuō)異型活塞車削加工技術(shù)發(fā)展可分為這三個(gè)階段： (1) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法 機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法采用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)合成生成活塞異型外圓的車削運(yùn)動(dòng)軌跡。按照機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不同的合成特點(diǎn)，包含有周轉(zhuǎn)輪系法、偏心法以及套車法等。專用機(jī)床是實(shí)現(xiàn)異形外圓的車削加工的關(guān)鍵設(shè)備，機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法的特點(diǎn)為: 產(chǎn)品加工效率高、精度高，大批量生產(chǎn)適合此方法。一種類型的異型活塞零件只能在一種機(jī)床上加工實(shí)現(xiàn)，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(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡利用靠模進(jìn)行控制，這種方式同樣可以形成預(yù)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(shù)控磨削實(shí)現(xiàn)立體靠模仿形法達(dá)到活塞加工的目的，但這并非準(zhǔn)確意義上的數(shù)控加工。與機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法相比，靠模仿形法相比機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法的特點(diǎn)為：能夠通過(guò)更換靠模，加工多種不同類型的活塞，加工適應(yīng)范圍較廣。由于仿形機(jī)構(gòu)復(fù)雜，裝配后誤差大剛性不穩(wěn)定，加工精度不高;對(duì)于生產(chǎn)新型活塞，必須重新制造靠模，投產(chǎn)周期長(zhǎng)，靠模精度的控制對(duì)于活塞精度的影響較大，其本身制造困難。 (3)活塞數(shù)控加工 數(shù)控加工是采用PLC編程將活塞的廓形通過(guò)數(shù)學(xué)描述以數(shù)據(jù)的形式事先輸入至工控機(jī)，在加工過(guò)程中，由刀具高速的往復(fù)進(jìn)給直接由主控機(jī)控制微進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到加工出活塞的異型外廓。相對(duì)于硬靠模仿形加工而已數(shù)控加工稱為“軟靠模”加工。數(shù)控車削法加工活塞異形外圓明顯優(yōu)于靠模仿形法以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法，主要有以下特點(diǎn)：數(shù)控主軸轉(zhuǎn)速高，一般可達(dá)到2000-4000r/min，在能夠獲得高品質(zhì)的活塞加工表面的情況下，生產(chǎn)效率也大大提高;能夠?qū)Χ喾N活塞零件的異型外圓進(jìn)行加工，活塞加工種類范圍大，適合活塞自動(dòng)化生產(chǎn)的小批量生產(chǎn)。加工精度較高，零件質(zhì)量能夠通過(guò)控制輸入?yún)?shù)以及程序設(shè)定，對(duì)于多類型的活塞只需要更改輸入的活塞廓形參數(shù)，但造價(jià)高是此類活塞加工的最大問(wèn)題。 1.2.2中凸變橢圓活塞加工發(fā)展趨勢(shì) (1)無(wú)靠模數(shù)控化加工是活塞異型外圓加工發(fā)展趨勢(shì) 活塞外圓的生產(chǎn)從磨削加工法、到仿形加工立體靠模法，直至目前廣泛開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的數(shù)控?zé)o靠模加工技術(shù)，在采用立體靠模仿形加工時(shí)其主軸轉(zhuǎn)速800r/min，到采用數(shù)控?zé)o靠模加工時(shí)其主軸轉(zhuǎn)速提高到了2000 r/min，提高了活塞加工的生產(chǎn)效率。由于靠模精度的控制不易，本身制造困難，在采用數(shù)控?zé)o靠模加工技術(shù)時(shí)擺脫了仿形失真問(wèn)題，大大提高了加工精度。數(shù)控?zé)o靠模加工技術(shù)的應(yīng)用大大推進(jìn)了異型外圓活塞加工發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代轎車設(shè)計(jì)制造中。 (2)活塞異型銷孔微增量加工技術(shù) 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(qiáng)度比圓柱形銷孔提高30%以上，應(yīng)用異型銷孔可減少10%—30%的應(yīng)力集中，提高活塞壽命。21世紀(jì)以來(lái)新開(kāi)發(fā)的用于加工異型銷孔的徑向微增量進(jìn)刀加工技術(shù)，有力地拉動(dòng)了異型銷孔微增量加工技術(shù)的發(fā)展。目前解決活塞異形銷孔精密加工的重點(diǎn)在于研制高頻響、高分辨率的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)與加工技術(shù)。 (3)機(jī)加工由液壓?jiǎn)螜C(jī)自動(dòng)向數(shù)控柔性生產(chǎn)線發(fā)展 立體靠模仿形加工是我國(guó)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(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)給加工出外圓形狀。21世紀(jì)初，北京清華大學(xué)與山東濱州渤海活塞股份有限公司合作，研究開(kāi)發(fā)了外圓、銷孔加工等數(shù)控自動(dòng)化機(jī)床，機(jī)床整體系統(tǒng)由原母體NC機(jī)床、主控CPU、步進(jìn)電機(jī)、靠模系統(tǒng)、杠桿系統(tǒng)、光電編碼器等部分組成，再由機(jī)床組成數(shù)控柔性生產(chǎn)線。主控CPU對(duì)反饋及時(shí)處理，以步進(jìn)電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)靠模結(jié)構(gòu)響應(yīng)、杠桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的高頻往復(fù)進(jìn)給。依照活塞外圓型面編制加工程序，刀具高速的往復(fù)進(jìn)給直接由主控機(jī)控制微進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)活塞的軟靠模加工。 1.3本文主要研究?jī)?nèi)容 本文以普通車床為基礎(chǔ)，圍繞中凸變橢圓活塞加工對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造研究，確定了普通車床數(shù)控化改造在中凸變橢圓活塞加工中實(shí)現(xiàn)高效化、精密化所需解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，從以下幾個(gè)方面開(kāi)展了研究： (1)對(duì)中凸變橢圓活塞廓形形成機(jī)理進(jìn)行分析，并通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)廓形進(jìn)行表達(dá)，在此基礎(chǔ)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(shù)控化改造實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓活塞加工的方案。 (2)針對(duì)現(xiàn)有的普通車床CA4160，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行數(shù)控化改造，在主軸系統(tǒng)不更換的前提下，將主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分離，通過(guò)光電編碼器實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)的角度位置的控制，完成了縱向、橫向長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)以及高頻響大行程微位移進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的位置控制進(jìn)行了研究。 (3)對(duì)現(xiàn)有普通車床系統(tǒng)增設(shè)了數(shù)控部分，數(shù)控系統(tǒng)中采用了內(nèi)裝型、獨(dú)立型PLC在數(shù)控系統(tǒng)中完成順序控制，對(duì)車床數(shù)控系統(tǒng)I/O模塊以及通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 (4)通過(guò)上位機(jī)上的操作系統(tǒng)，運(yùn)用VB軟件實(shí)現(xiàn)了改造后的車床加工中凸變橢圓活塞的調(diào)試與試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)表明，普通車床數(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，活塞依靠其裙部與汽缸套接觸、導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常、可靠的運(yùn)行，活塞裙部與汽缸套四周的接觸間隙應(yīng)盡量小并且盡量保持均。傳統(tǒng)的的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部為正圓形，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高溫、高壓的環(huán)境，活塞受缸套的擠壓作用，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)方面[4]： (1)活塞裙部與缸套壁的擠壓作用產(chǎn)生變形。活塞裙部與汽缸套的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，汽缸套在活塞裙部產(chǎn)生擠壓力，使得活塞裙部沿銷座軸線方向伸長(zhǎng)，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(nèi)燃料燃燒，在活塞頂部產(chǎn)生推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的壓力。導(dǎo)致活塞裙部垂直于銷座軸線的橫截面產(chǎn)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(chǎn)生不均勻膨脹。金屬材料受熱后內(nèi)部原子間距增大，體積擴(kuò)張，因活塞結(jié)構(gòu)非完全對(duì)稱性，其膨脹后金屬呈現(xiàn)不均勻分布，銷座軸線方向裙部結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(xiàn)出橢圓形，如圖2-1(c)、(d)所示。 活塞工作過(guò)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(zhǎng)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(xiàn)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(tài)下橢圓短軸部位與汽缸套接觸，那么活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因長(zhǎng)軸部位尺寸增大與汽缸過(guò)盈而將活塞卡死;反之，如果冷態(tài)下橢圓長(zhǎng)軸和汽缸套接觸，那么工作過(guò)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(shè)計(jì)為反橢圓，也就是冷態(tài)下活塞裙部為橢圓形狀，此橢圓短軸沿銷座軸線方向而長(zhǎng)軸垂直于銷座軸線方向，而在工作過(guò)程中，長(zhǎng)軸方向變形較大，橢圓變?yōu)檎叫闻c缸套緊密貼合，可以解決上述裙部變形所引起的問(wèn)題[5]。 活塞在汽缸內(nèi)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(dǎo)致活塞工作過(guò)程中沿高度方向間隙不均勻，因此活塞設(shè)計(jì)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(tài)下都可以獲得較好的潤(rùn)滑。 中凸變橢圓活塞的裙部型面是一種被廣泛應(yīng)用和推廣的結(jié)構(gòu)形式，是一種公認(rèn)的優(yōu)良的裙部型面。中凸變橢圓活塞的廓形特點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)軸直徑沿活塞軸線方向的變化規(guī)律。 2.2 中凸變橢圓活塞廓形數(shù)學(xué)表達(dá) 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(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行表達(dá)，實(shí)際工程中多采用選取中凸型線上的離散點(diǎn)來(lái)進(jìn)行描述。 如中凸變橢圓活塞基本形狀，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者與專家結(jié)合活塞在實(shí)際工作過(guò)程中的變形特點(diǎn)，綜合流體潤(rùn)滑機(jī)理，采用數(shù)學(xué)模型表達(dá)了中凸變橢圓曲面，此方程表達(dá)式為[6]： 式2-9為式2-1當(dāng) 為單橢圓特征下的情況，因此上述推導(dǎo)過(guò)程正確、可信。從式2-9可以得出，刀尖頂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最大位移與橫截面的橢圓度成正比，刀尖頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)頻率是主軸旋轉(zhuǎn)頻率的兩倍;刀尖頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加速度和速度分別為式2-9的2次導(dǎo)數(shù)與1次導(dǎo)數(shù)，在推導(dǎo)過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，中凸變橢圓活塞的加工過(guò)程中，必須保證刀尖頂點(diǎn)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(zhuǎn)頻率的平方成正比，運(yùn)動(dòng)速度和中凸變橢圓活塞任一橫截面的橢圓度與主軸旋轉(zhuǎn)頻率的成正比。可見(jiàn)此為中凸變橢圓活塞加工過(guò)程中最難保證的技術(shù)問(wèn)題，換句話說(shuō)，根據(jù)橢圓橫截面的橢圓度要求刀具在保證與工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相配合的同時(shí)，必須在其徑向做頻率極高的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 綜上所述，由于中凸變活塞的截面橢圓的橢圓度很小，對(duì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化影響不大，但要在提高主軸旋轉(zhuǎn)頻率的工作條件下完成橢圓面的加工是對(duì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。 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(shù)控化改造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shù)控化改造的方案，如圖所示為普通車床數(shù)控化改造方案框圖2-5。 本系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)CPU為核心。縱向長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)、橫向長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)以及橫向微位移進(jìn)給系統(tǒng)組成的三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)接口單元與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，其中還包括有由刀具限位系統(tǒng)、主軸角位置編碼系統(tǒng)、操作鍵盤系統(tǒng)等。 為適應(yīng)中凸變橢圓型面的切削加工，進(jìn)給系統(tǒng)分為刀具相對(duì)零件運(yùn)動(dòng)有X軸運(yùn)動(dòng)和Z軸運(yùn)動(dòng)，主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)，此系統(tǒng)由大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并運(yùn)用開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)行退刀、進(jìn)刀。通過(guò)主軸與X軸聯(lián)動(dòng)，在加工零件橫截面形成非圓截面，通過(guò)X軸與Z軸的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)活塞零件裙部中凸的效果，主軸運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)加工一般回轉(zhuǎn)體表面以及橢圓截面加工的縱向進(jìn)給。 X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通過(guò)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，此微進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)用高頻響大行程微位移機(jī)構(gòu)，采用能夠?qū)崿F(xiàn)高速小位移非圓截面車削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)加工精度高，伺服機(jī)構(gòu)頻響性能好，對(duì)于橢圓加工過(guò)程中的高頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)容易。 中凸變橢圓活塞車削加工主要通過(guò)上述三種進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，然而橢圓截面加工的關(guān)鍵在于X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，根據(jù)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)與X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)必須具有嚴(yán)格的隨動(dòng)關(guān)系，對(duì)于刀具必須在主軸的不同位置能夠達(dá)到所要求的進(jìn)給量。換句話說(shuō)，主軸的旋轉(zhuǎn)角度必須與刀具X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行同步控制。依據(jù)中凸變橢圓活塞加工的原理分析以及廓形數(shù)學(xué)表達(dá)，本文通過(guò)在普通車床數(shù)控化改造的基礎(chǔ)上完成了改造車床的總體結(jié)構(gòu)方案，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)控車床，提出一種床身為倒“T”形狀的車床布局結(jié)構(gòu)，前側(cè)為左右雙刀架、工件主軸臥式后置，準(zhǔn)確說(shuō)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(tǒng)采取雙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于高速小位移的中凸變橢圓截面采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，對(duì)于活塞直徑變化的調(diào)整通過(guò)珠絲桿螺母機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)行粗、精加工。 為保證活塞加工時(shí)不同轉(zhuǎn)速的要求，通過(guò)閉環(huán)調(diào)速控制，運(yùn)用主軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸6的高速旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床軸向進(jìn)給，滾珠絲桿與聯(lián)軸器相連，采用普通交流伺服電機(jī)對(duì)機(jī)床Z軸進(jìn)給進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)運(yùn)用交流伺服電機(jī)以及直流伺服電機(jī)共同實(shí)現(xiàn)機(jī)床X軸的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞的切削是通過(guò)直流伺服電機(jī)的次級(jí)直接驅(qū)動(dòng)刀架，為能夠滿足活塞加工過(guò)程中高速響應(yīng)的特性，選用的直流伺服電機(jī)空載加速度為5g，如圖2.7中所示。 此外，數(shù)控系統(tǒng)能夠通過(guò)主軸伺服電機(jī)上的光電編碼器采集主軸的旋轉(zhuǎn)角度，中凸變橢圓活塞精確加工是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)中的軟靠模完成與X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的。也就是說(shuō)，通常的硬靠模實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓廓形型線加工被X軸直流伺服電機(jī)的位移形成的“軟靠模”和主軸的伺服電機(jī)接收到的角度信息所取代，此方法的運(yùn)行原理如圖2.8所示。 2.4小結(jié) 分析了中凸變橢圓活塞廓形形成機(jī)理，并通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)廓形進(jìn)行表達(dá)，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(shù)控化改造實(shí)現(xiàn)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(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng) 3.1.1 變速主傳動(dòng)系統(tǒng) 現(xiàn)代切削加工已發(fā)展至高精度、高效以及高速加工，高轉(zhuǎn)速、大調(diào)速范圍給機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)也提出相應(yīng)的要求;機(jī)床可靠性好、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng)、噪聲小以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能夠在切削加工自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工速度的變換。普通車床通過(guò)設(shè)計(jì)改造實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化成為機(jī)電一體化數(shù)控車床，其主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個(gè)方面的要求[9]。 (1)工作性能要求 主傳動(dòng)系統(tǒng)中全部零部件必須具有一定的熱變形穩(wěn)定性、強(qiáng)度、抗振性以及剛度。 (2)傳遞動(dòng)力要求 傳動(dòng)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)一定轉(zhuǎn)矩和功率在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與主電動(dòng)機(jī)之間。 (3)使用性能要求 首先達(dá)到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性目標(biāo)，例如主軸有一定的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)和調(diào)速范圍。傳動(dòng)系統(tǒng)改造應(yīng)合理、符合實(shí)際，在操作性能方面安全可靠、反應(yīng)迅速、操縱靈活方便等。 另外，主傳動(dòng)系統(tǒng)改造后系統(tǒng)應(yīng)仍舊保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有利于維修和調(diào)整;加工工藝性能好，方便活塞的裝夾以及加工，系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，安全性能好。 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)包括有無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)和分級(jí)變速傳動(dòng)。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)能夠在其規(guī)定的變速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)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(shí)現(xiàn)，有利于自動(dòng)變速。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)是現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)所采用的主要傳動(dòng)方式。分級(jí)變速傳動(dòng)是在一定的變速范圍內(nèi)離散地、均勻地布置著有限級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)速，一般變速級(jí)數(shù)15-40級(jí)。普通機(jī)床多采用分級(jí)變速傳動(dòng)方式，本文是在普通車床基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造，因此主傳動(dòng)系統(tǒng)為分級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)[10] [11]。 主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用直、交流主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)是數(shù)控車床與普通機(jī)床的最大區(qū)別，能夠大大簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。一般情況下，數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)采用的傳動(dòng)方式有以下幾種： (1)直接驅(qū)動(dòng) 采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，或者主軸與主軸電動(dòng)機(jī)采用聯(lián)軸器直接相連，如圖3-1(a)所示。直接驅(qū)動(dòng)對(duì)主軸剛度提高有一定作用，主要在于能夠?qū)χ鬏S箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。直接驅(qū)動(dòng)使得電機(jī)的輸出特性直接決定了主軸輸出扭矩以及轉(zhuǎn)速的變化。正因?yàn)殡姍C(jī)性能直接影響著主軸的轉(zhuǎn)矩和功率特性，因而限制了此種傳動(dòng)形式的廣泛應(yīng)用。 (a)直接驅(qū)動(dòng) (b)定比傳動(dòng) (c)分擋變速傳動(dòng) (2)采用定比傳動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)定傳動(dòng)比的齒輪結(jié)構(gòu)或者帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞給主軸。如圖3-1(b)所示。通過(guò)齒輪傳動(dòng)或帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)以及噪聲均較小，在中、小型數(shù)控車床中應(yīng)用較多，然而應(yīng)用范圍相比直接驅(qū)動(dòng)更廣，雖實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的變速，但主軸轉(zhuǎn)矩、功率以及變速范圍仍舊與電動(dòng)機(jī)特性直接相關(guān)。 直接驅(qū)動(dòng)以及定比傳動(dòng)方式會(huì)出現(xiàn)主軸需求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于調(diào)速電機(jī)的恒功率范圍，即對(duì)于中、大型機(jī)床主軸與主軸電機(jī)功率特性不匹配，因此多應(yīng)用于小型或者高速數(shù)控機(jī)床。 (3)采用分擋變速傳動(dòng) 為了解決機(jī)床主軸功率特性與主軸電動(dòng)機(jī)功率特性匹配的問(wèn)題，通過(guò)齒輪福的分擋變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3-1(c)所示。主軸轉(zhuǎn)矩、功率需求能夠通過(guò)配合變速機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍可以達(dá)到1:100-1:1000，一般情況下變速齒輪機(jī)構(gòu)不超過(guò)兩級(jí)所。對(duì)于各種工藝需求以及多類型的刀具材料通過(guò)運(yùn)用分檔變速傳動(dòng)得到實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，在擴(kuò)大恒功率調(diào)速方面以及低速時(shí)扭矩輸出的問(wèn)題上優(yōu)勢(shì)明顯。 采用何種變速傳動(dòng)方式，必須按照所需功率-轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線覆蓋范圍進(jìn)行確定，同時(shí)需確定加工能力范圍。 3.1.2 交流主軸驅(qū)動(dòng) 數(shù)控機(jī)床核心部件之一為主軸驅(qū)動(dòng)單元，主軸驅(qū)動(dòng)性能直接決定機(jī)床整體水平，其作用是至關(guān)重要的。在工件加工過(guò)程中，為了保證加工的高穩(wěn)定性，提高加工效率，主軸驅(qū)動(dòng)必須確保切削速度最優(yōu)化、切削過(guò)程穩(wěn)定，在切削半徑相應(yīng)變化的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速[12] [13]。特別地，在加工中凸變橢圓活塞這種切削內(nèi)外半徑差值較大的工件時(shí)，根據(jù)前述的加工原理可知，主軸的旋轉(zhuǎn)速度變化可達(dá)十幾倍。可以判斷，主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，其在動(dòng)態(tài)剛度、加工速度精度均有特別要求，并且必須在恒功率運(yùn)行范圍方面要求大，轉(zhuǎn)矩連續(xù)輸出能力強(qiáng)。 大多數(shù)進(jìn)給交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)用永磁式同步電動(dòng)機(jī)，然而主軸交流電動(dòng)機(jī)多數(shù)情況下采用籠型異步電動(dòng)機(jī)，與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同的是，數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要太高的調(diào)速范圍以及過(guò)高的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)在裝有矢量變換控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用籠型式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性能好、價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單，基本上能夠滿足數(shù)控機(jī)床主軸的性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求 籠型異步電動(dòng)機(jī)從總體結(jié)構(gòu)分析主要由三相繞組的定子與帶籠條的轉(zhuǎn)子組成。即使部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的主袖電動(dòng)機(jī)也有直接采用通用的異步電動(dòng)機(jī)，然而一般情況下，籠型異步電動(dòng)機(jī)是專門為交流主軸電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的，在應(yīng)用過(guò)程中各有特點(diǎn)。例如為減小電動(dòng)機(jī)的體積，提高電動(dòng)機(jī)的輸出功率，不使用機(jī)殼，而直接運(yùn)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(fēng)軸向孔等等。因此，在電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)與交流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較示意圖。普通異步電動(dòng)機(jī)與一般籠型異步電動(dòng)機(jī)相同，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)處大多數(shù)情況為帶斜槽的鑄鋁結(jié)構(gòu)形式。檢測(cè)用脈沖編碼器或脈沖發(fā)生器一般安裝在在這類電動(dòng)機(jī)軸的尾部。 1-交流主軸電動(dòng)機(jī);2普通異步電動(dòng)機(jī);3-冷卻通風(fēng)口 如圖3-3所示為交流主軸電動(dòng)機(jī)的功率-速度曲線，可以看出交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作特性曲線類似于直流電動(dòng)機(jī)特性曲線。基本轉(zhuǎn)速上方為恒功率區(qū)，而基本轉(zhuǎn)速以下則為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。部分電動(dòng)機(jī)類似于圖中所表示的一樣，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于某一恒定值后，電動(dòng)機(jī)的功率-速度曲線斜率會(huì)變大，并且不會(huì)保持恒功率。一般情況交流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍在1:3-1:4之間。同樣與異步電動(dòng)機(jī)類似，其也有限定的過(guò)載能力，通常為額定值的1.3-1.6倍，時(shí)間為十幾分鐘到幾小時(shí)不等。 3.1.3 主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸控制 (1)主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)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(diǎn)與退刀點(diǎn)。螺紋螺距多數(shù)為常數(shù)，但為有規(guī)律的遞增或遞減的變螺距螺紋的使用也越來(lái)越多。在加工螺紋過(guò)程中，應(yīng)該保持坐標(biāo)軸的進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)數(shù)一致，其具體理解是當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，脈沖量也要按要求相應(yīng)增加。 通常，采用光電脈沖編碼器作為主軸的脈沖發(fā)生器，并將其裝在主軸上，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)主軸的轉(zhuǎn)角、相位、零位等信號(hào)。常用的主軸脈沖發(fā)生器，每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為1024，與坐標(biāo)軸進(jìn)給位置編碼器一樣，輸出相位差為90”的兩相信號(hào)。這項(xiàng)相信號(hào)經(jīng)4倍頻后，每轉(zhuǎn)變成4096個(gè)脈沖送給CNC裝置。編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理可參見(jiàn)第3章。 編碼器在主軸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出脈沖。在接受脈沖后數(shù)控裝置會(huì)對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)給進(jìn)行控制，計(jì)算節(jié)距后，發(fā)給坐標(biāo)軸位置為系統(tǒng)服務(wù)，使主軸轉(zhuǎn)數(shù)與進(jìn)給量比率能符合要求。左螺紋或右螺紋可以通過(guò)改變主軸的旋轉(zhuǎn)方向被加工出來(lái)，通過(guò)脈沖編碼器發(fā)出信號(hào)的順序可以判別主軸的方向。脈沖編碼器還輸出一個(gè)零位脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)的每一轉(zhuǎn)，可以用于主軸絕對(duì)位置的定位。例如在多次循環(huán)切削同一螺紋時(shí)，該零位信號(hào)可以作為刀具的切人點(diǎn)，以確保螺紋螺距小出現(xiàn)亂扣現(xiàn)象。也就是說(shuō)，在每次螺紋切削進(jìn)給前，刀具必須經(jīng)過(guò)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(diǎn)切入。 另外，在加工螺紋時(shí)還應(yīng)注意主軸轉(zhuǎn)速的恒定性，以免因土軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制 數(shù)控車床在端面切削時(shí)，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(shí)可知.要使表面粗糙度為某值，需保證工件與切削刃接觸點(diǎn)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(shí)，刀具要不斷地做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、從而使刀具的切削直徑逐漸減小。由切削速度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系 可知。 若保持切削速度 恒定不變，當(dāng)切削直徑 逐漸減小時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速必須逐漸增大。但也不能超過(guò)極限值。因此，數(shù)控裝置必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件來(lái)完成主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 應(yīng)當(dāng)注意，計(jì)算出的主軸轉(zhuǎn)速不能超過(guò)其允許的極限轉(zhuǎn)速。將計(jì)算出的主軸轉(zhuǎn)速送至主軸伺服系統(tǒng)，以保證主軸旋轉(zhuǎn)與刀具徑向進(jìn)給之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。 3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件與位置控制 位置檢測(cè)元件是閉環(huán)和半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的重要部件之一，它的作用是檢測(cè)出機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體位置，并把這個(gè)檢測(cè)信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)與指令的具體位置進(jìn)行對(duì)比，然后給伺服系統(tǒng)發(fā)出與之相吻合的控制指令，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)向指令給出的理想位置趨近[14] [15]。因此，位置檢測(cè)元件的性能很大程度上決定了機(jī)床的定位精度和加工精度。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)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(diǎn)靈敏度高;使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境;成本低等。 不同的工作環(huán)境和不同的檢測(cè)要求.可以采用不同的檢測(cè)元件和檢測(cè)方式。表3-1列出了數(shù)控機(jī)床中的各種位置檢測(cè)元件。下面介紹常用位置檢測(cè)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(duì)式光電編碼器兩種。增量式編碼器能夠把回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用較多。絕對(duì)式編碼器可將被測(cè)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼來(lái)指示絕對(duì)位置而沒(méi)有累計(jì)誤差，是—種直接編碼式的測(cè)量元件。 3.3 縱向、橫向長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng) 本伺服系統(tǒng)的負(fù)載大小、精度要求不高，縱向、橫向的進(jìn)給采用開(kāi)環(huán)控制。由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，因此精度較高，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，其性能直接影響數(shù)控機(jī)床的性能。因此，在設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)詳細(xì)地對(duì)考慮了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性，合理對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型。 (1)確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型 一般來(lái)說(shuō)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角較小，價(jià)格較低，運(yùn)行頻率高，但是功耗卻比較大;永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功耗較小，但步距角較大，運(yùn)行速度較偏高。各種步近電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品樣本中都給出通電方式及步距角等主要技術(shù)參數(shù)以供選用。 數(shù)控車床上大多使用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(如150BF 、130BF 、110BF等)，與永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，其價(jià)格較低，但在需要大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)時(shí)則選擇永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。表3-2和表3-3分別給出了一些常用反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和簡(jiǎn)單的性能指標(biāo)。 (2)確定脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量應(yīng)報(bào)據(jù)機(jī)床的加工對(duì)精度的要求來(lái)確定。一般普通的數(shù)控機(jī)床，都是0.01mm或者0.005rnm，如果數(shù)值偏大，就不符合要求;如果數(shù)值偏小，或機(jī)械系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)，會(huì)降低其經(jīng)濟(jì)性。 (3)確定減速齒輪速比 減速齒輪的速比可由所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角、絲桿的螺距以及所要求的脈沖當(dāng)量來(lái)計(jì)算，采用減速齒輪可以較容易地配置所要求的脈沖當(dāng)量，減小工作臺(tái)以及絲杠折算在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量，同時(shí)增大步進(jìn)電功機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。但采用減速齒輪會(huì)帶來(lái)額外的傳動(dòng)誤差.降低機(jī)床的快速移動(dòng)速度，并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 (1)微位移進(jìn)給單元結(jié)構(gòu) 微位移進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示，直線電機(jī)的初級(jí)13經(jīng)過(guò)螺栓安裝于工作臺(tái)本體上，直接實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。電機(jī)次級(jí)7采用螺栓固定于床身的過(guò)渡板4上。通過(guò)尺寸保證電機(jī)的次級(jí)和初級(jí)的耦合關(guān)系保持不變，次級(jí)采用拼接式結(jié)構(gòu)，在過(guò)渡板上，兩邊安裝高速滾動(dòng)的導(dǎo)軌12與3，以及直線電機(jī)的次級(jí)。滑塊在導(dǎo)軌上采用螺栓與工作臺(tái)相連。工作臺(tái)的重量以及沖擊載荷均由滾動(dòng)導(dǎo)軌副支撐，減小了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力，同時(shí)對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起到導(dǎo)向的作用。導(dǎo)軌的長(zhǎng)度一般按照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取。輔助導(dǎo)軌8與5用與支撐導(dǎo)軌防護(hù)罩2，放在直線電機(jī)的兩邊。10是光柵的定尺，安裝于過(guò)渡板左邊。9是光柵的動(dòng)尺(即測(cè)頭)，被固定于工作臺(tái)上。如果工作臺(tái)移動(dòng)，可將其位置信號(hào)反饋到機(jī)床的制系統(tǒng)。按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，光柵的工作長(zhǎng)度應(yīng)大于工作臺(tái)行程。 件6、14 都是冷卻板，由鋁板制成，為減少直線電機(jī)發(fā)熱對(duì)機(jī)床工作精度造成的影響，內(nèi)部通過(guò)循環(huán)冷卻水，對(duì)直線電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)同時(shí)進(jìn)行冷卻。導(dǎo)管防護(hù)拖鏈1作用是保護(hù)直線電機(jī)供電電纜及冷卻水管。螺釘在機(jī)床身上安裝過(guò)渡板。過(guò)渡板可將復(fù)雜的床身變得更簡(jiǎn)單，保證進(jìn)給單元制造的順利進(jìn)行。 1.工作臺(tái);2.導(dǎo)軌防護(hù)罩;3、12-高速滾動(dòng)導(dǎo)軌;4-床身的過(guò)渡板;5、8-輔助導(dǎo)軌;7-次級(jí);9-光柵的動(dòng)尺;10-光柵的定尺;11-導(dǎo)管防護(hù)拖鏈;13-初級(jí);6、14-冷卻板 (2)控制方案的確定 閉環(huán)或半閉環(huán)控制方案的選擇主要取決機(jī)床精度要求。閉環(huán)控制力案可以解決系統(tǒng)精度過(guò)高的要求。它將全部機(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都封閉在反饋控制環(huán)內(nèi)，控制系統(tǒng)精度較高是因?yàn)樗梢匝a(bǔ)償此誤差。但由于在設(shè)計(jì)閉環(huán)伺服系時(shí)難度較大，成本較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，最重要的是難以使機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到提高，因此難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控車床中的伺服系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制。 (3)伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，主要將直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。因?yàn)橹绷魉欧妱?dòng)機(jī)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性，且容易控制，因此在20世紀(jì)90年代前，始終是閉環(huán)(以下如不特別說(shuō)明，則所稱閉環(huán)也包括半閉環(huán))系統(tǒng)中執(zhí)行元件的主流[21] [22]。近年來(lái)交流伺服技術(shù)的發(fā)展使得交流伺服電動(dòng)機(jī)可獲得與直流伺服電動(dòng)機(jī)相似的優(yōu)良性能，且交流伺服電動(dòng)機(jī)維修較方便，不存在電刷磨損問(wèn)題，由于價(jià)格逐年降低，被廣泛應(yīng)用，因而目前已形成了與直流伺服電動(dòng)機(jī)共同競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的局面。在設(shè)計(jì)閉環(huán)伺服系統(tǒng)過(guò)程中，應(yīng)考慮到設(shè)計(jì)者對(duì)技術(shù)的掌握程度以及市場(chǎng)供應(yīng)、價(jià)格等這些因素.選擇合適的執(zhí)行元件。表3-4給出了FANUC-BESK直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。 3.5小結(jié) 針對(duì)現(xiàn)有的普通車床CA4160械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行數(shù)控化改造，在主軸系統(tǒng)不更換的前提下，將主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分離，通過(guò)光電編碼器實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)的角度位置的控制，完成了縱向、橫向長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)以及高頻響大行程微位移進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的位置控制進(jìn)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(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1車床數(shù)控系統(tǒng) 車床數(shù)控系統(tǒng)是對(duì)數(shù)控車床全部要求和功能控制的核心部分。車床數(shù)控系統(tǒng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控裝置以及I/O裝置[26]。如圖4-1所示。 數(shù)控系統(tǒng)的核心部分為CNC裝置，全部的數(shù)控功能的均通過(guò)內(nèi)部的硬件和軟件的控制實(shí)現(xiàn)，其通過(guò)I/O接口與數(shù)控系統(tǒng)的其它組成部分部分連接，類似于一臺(tái)由微型PC構(gòu)成的控制器[27]。其能夠?qū)斎氲臄?shù)控加工程序進(jìn)行解釋、判別，并進(jìn)行程序功能所需的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC、主軸驅(qū)動(dòng)以及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的控制。一般情況下，數(shù)控裝置向PLC輸出的離散型數(shù)字量，向伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出為模擬量。 I/O裝置包含I/O設(shè)備以及I/O接口和。I/O接口為機(jī)床與PC機(jī)提供一條信息輸送的通道和橋梁，數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的所有控制信息以及數(shù)據(jù)作為控制依據(jù)均通過(guò)I/O設(shè)備輸入至CNC的存儲(chǔ)單元中。控制信息包括控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)以及加工程序。根據(jù)攝入的設(shè)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(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息通常應(yīng)用各種指示燈與顯示器進(jìn)行描述。 數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，必須達(dá)到控制速度快、精度高的要求，一般有主軸調(diào)速與位置進(jìn)給系統(tǒng)兩種。具體來(lái)說(shuō)，車床數(shù)控系統(tǒng)通常控制模擬主鈾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和縱向(Z向)以及橫向(X向)兩軸進(jìn)給[28]。各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)通常通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)，數(shù)控裝置中通過(guò)軟件位置調(diào)節(jié)器或者硬件位置控制模塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的位置控制，實(shí)際位置的反饋信號(hào)傳送至數(shù)控裝置，比較查補(bǔ)計(jì)算出的命令位置，對(duì)軸位置控制進(jìn)行定量，再次輸送至伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[29]。 傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置已逐步被現(xiàn)代化的PLC裝置所取代，主要通過(guò)采用獨(dú)立式以及內(nèi)裝式PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的多種邏輯控制[30]。PLC不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床機(jī)電機(jī)構(gòu)的監(jiān)控與邏輯處理，通過(guò)控制指令實(shí)現(xiàn)了機(jī)床狀態(tài)以及相關(guān)應(yīng)當(dāng)信號(hào)的指示。 中凸變橢圓活塞普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控車床，工件的加工主要是通過(guò)將兩組加工運(yùn)動(dòng)復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一是杠桿系統(tǒng)與刀具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二是刀具的高頻反復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，第一種是控制刀具的運(yùn)動(dòng)幅度，第二種是控制對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)頻率。兩組運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，可使系統(tǒng)在加工時(shí)活塞裙部橢圓截面的短軸長(zhǎng)度不變，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的變化由橢圓度曲線決定，通過(guò)此方法對(duì)變橢圓進(jìn)行加工。 中凸型線的曲線是由離散點(diǎn)組成的，離散點(diǎn)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(guī)定中計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程型線，生成凸型線的NC程序來(lái)完成活塞裙部中凸型線的加工。在NC加工途中，應(yīng)使其與加工變橢圓截面的相對(duì)應(yīng)，使活塞裙部中凸變橢圓的加工得以完成。 4.2 數(shù)控機(jī)床電器控制線路設(shè)計(jì) 活塞數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)電氣線路如圖 4.2所示。各傳動(dòng)系統(tǒng)的伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接受來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)的速度指令，經(jīng)功率放大處理后驅(qū)動(dòng)各伺服電機(jī)的工作。主軸編碼器將主軸的角度信息直接反饋給數(shù)控系統(tǒng)。 C軸用的是伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，其位置通過(guò)編碼器反饋到PMAC卡中，再由 PMAC卡發(fā)出指令給直線電機(jī)，保持進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與軸旋轉(zhuǎn)之間的聯(lián)系。如果C軸電機(jī)有任何動(dòng)靜，PMAC卡會(huì)立馬接收信息，對(duì)直線電機(jī)發(fā)出補(bǔ)償指令。同樣的道理，當(dāng)直線電機(jī)有任何動(dòng)靜，PMAC也會(huì)補(bǔ)償主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。但經(jīng)過(guò)測(cè)試，這種控制結(jié)構(gòu)的同步對(duì)卡的要求較高，PMAC卡能夠達(dá)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(shù)控系統(tǒng)I/O模塊及其通信設(shè)計(jì) 4.3.1 I/O模塊電路設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行中，需要接收機(jī)床的按鈕信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)以及各種限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，其操作面板的指示燈上也需要將某些工作狀態(tài)顯示出來(lái)，并將控制機(jī)床的各類信號(hào)送到強(qiáng)電柜控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些工作都要通過(guò)I/O接口來(lái)完成。因此I/O接口可以說(shuō)是CNC裝置與機(jī)床、操作面板之間進(jìn)行信號(hào)交換的轉(zhuǎn)換接口。是CNC系統(tǒng)與外界交換信息的必由之路，在CNC系統(tǒng)中占有重要的位置。不同的輸入/輸出設(shè)備與CNC系統(tǒng)進(jìn)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(shè)備的接口，后者是和用在多種設(shè)備的接口。 I/O接口電路作用與要求較多，例如進(jìn)行電隔離來(lái)防止強(qiáng)電對(duì)系統(tǒng)的破壞;進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)行信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換與功率放大，因?yàn)門TL脈沖或電平信號(hào)通常是CNC系統(tǒng)的信號(hào)，而機(jī)床所提供的與需要的信號(hào)卻不一定是TTL信號(hào)，且有的負(fù)載較大，因此需要進(jìn)。數(shù)控系統(tǒng)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(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入接口電路，一般用于輸入傳感器，例如限位開(kāi)關(guān)、按鈕及機(jī)械原點(diǎn)等，如果開(kāi)關(guān)量有過(guò)度過(guò)程，為轉(zhuǎn)換電路還需將電平整形增加。圖4-5為開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出接口電路，可用于驅(qū)動(dòng)24V小型繼電器。以下電路要結(jié)合信號(hào)特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的光電耦合器與三極管，且要耐壓、迅速、有負(fù)載能力。 4.3.2 車床數(shù)控系統(tǒng)顯示功能設(shè)計(jì) CNC系統(tǒng)顯示功能直接決定系統(tǒng)入機(jī)界面的友好程度，應(yīng)該盡量讓操作者了解系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，并指導(dǎo)近一步的操作等。目的常用的顯示器有數(shù)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(jìn)行控制，面CRT、TFT通常要由專門的接口板，如6845等進(jìn)行控制。 目前數(shù)控系統(tǒng)中普遍采用了LCD、CRT顯示，主要顯示內(nèi)容有：當(dāng)前功能狀態(tài)區(qū)、當(dāng)前執(zhí)行程序區(qū)、動(dòng)態(tài)坐標(biāo)顯示區(qū)、動(dòng)態(tài)軌跡顯示區(qū)、I/O口狀態(tài)區(qū)、有關(guān)參數(shù)調(diào)整區(qū)、錯(cuò)誤信息提示區(qū)、操作信息區(qū)、動(dòng)態(tài)鍵提爾區(qū)。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中顯示的要求是能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地反映加工控制過(guò)程中各種信息，對(duì)顯示區(qū)進(jìn)行合理的規(guī)劃與切換。 4.3.3 車床數(shù)控系統(tǒng)通信設(shè)計(jì) 現(xiàn)代CNC裝置都裝有標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口來(lái)與編程器及微型計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、零件程序以及參數(shù)的傳送。由于工廠自動(dòng)化(FA)與現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)發(fā)展迅速，CNC裝置作為一種分布式數(shù)控系統(tǒng)(DNC)到柔性制造系統(tǒng)(FMS)的基礎(chǔ)組成部分，應(yīng)該具有與DNC計(jì)算機(jī)或上級(jí)主計(jì)算機(jī)直接通信功能或網(wǎng)絡(luò)通信功能。 利用PC機(jī)配置的RS-232異步通信適配器，可以很方便的完成PC機(jī)與AT89C51單片機(jī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。而對(duì)于單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信，只需要三根線就可以了：RXD(接收)、TXD(發(fā)送)、GND(信號(hào)地，收發(fā)雙方地線接在一起)，這種接法俗稱“零Modem”接法。系統(tǒng)中采用AT89C51單片機(jī)作為下位機(jī)，PC機(jī)為上位機(jī)，二者通過(guò)RS485總線接收或上傳數(shù)據(jù)。由于PC機(jī)不具有RS485總線接口，但可以通過(guò)一個(gè)RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路完成PC機(jī)到RS485總線接口的電平轉(zhuǎn)換。 設(shè)計(jì)以PC機(jī)作為主控機(jī)，多個(gè)單片機(jī)作為從機(jī)構(gòu)成的485總線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。單片機(jī)組成的各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)控機(jī)床的溫度信息，主控機(jī)以輪詢的方式向各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得溫度的信息，并根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)操作。 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)部分：1、數(shù)據(jù)采集電路。其中數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)采集的是機(jī)床的溫度。2、單片機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該部分是一個(gè)具有485接口的單片機(jī)系統(tǒng)，它位于各個(gè)終端(數(shù)控機(jī)床)設(shè)備處響應(yīng)主控機(jī)發(fā)送來(lái)的查詢命令，并將被監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息回送給主控機(jī)(這里主要是溫度信息)。它的單片機(jī)的I/O口與被監(jiān)測(cè)的終端設(shè)備相連，以獲取所需要的狀態(tài)信息。3、主控制部分。該部分是一個(gè)帶有232/485轉(zhuǎn)接口的PC機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制[38]。 上位機(jī)轉(zhuǎn)換接口是負(fù)責(zé)PC機(jī)端與RS-485總線的轉(zhuǎn)換。由于PC機(jī)串行口是RS-232接口，這里使用RS-485總線進(jìn)行串行通信，但是RS-232與RS-485的電平不匹配，因此設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(PC機(jī))RS-232到RS-485的信號(hào)轉(zhuǎn)換。這里采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，芯片選取MAX481。設(shè)計(jì)要完成系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)。 以上系統(tǒng)通過(guò)SCON控制寄存器來(lái)讓下位機(jī)主機(jī)AT89C52單片機(jī)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(jī)通信控制位，REN表示允許串行通信選擇位，下位機(jī)保持接收狀態(tài)，其系統(tǒng)將串口設(shè)置為工作方式2或者3，SM2=1，REN=1。TB8表示2、3中接收數(shù)據(jù)第9位，TI表示發(fā)送中斷，RI表示接收中斷。系統(tǒng)將利用多機(jī)通信控制位SM2來(lái)協(xié)調(diào)單片機(jī)與PC的多機(jī)通信。正如以上所說(shuō)的，各下位機(jī)通過(guò)初始化程序使SM2=1.，上位機(jī)將通過(guò)廣播向所有下位機(jī)發(fā)送地址幀的方式(第9位被置1)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，所有下位機(jī)在接到地址幀后，會(huì)自動(dòng)將 “1”送到各自的SCON中的接收數(shù)據(jù)第9位，使RB8=1，表示下位機(jī)收到了地址信息，由于SM2=1，激發(fā)中斷標(biāo)志位RI=1，因此下位機(jī)與上位機(jī)的地址形成鮮明對(duì)比。如果地址不符，則保持SM2=1，不會(huì)響應(yīng)對(duì)上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，下位機(jī)繼續(xù)等待呼叫。如果本機(jī)地址與接收的地址吻合，使SM2=0,同時(shí)上位機(jī)建立與該下位機(jī)的通信信道，相應(yīng)的下位機(jī)進(jìn)入通信狀態(tài)，并與主機(jī)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，這是不管是什么情況，下位機(jī)都能響應(yīng)上位機(jī)的指令，使RI=1來(lái)。系統(tǒng)通過(guò)控制RB8與SM2來(lái)管理上位機(jī)與下位機(jī)的通信。 上位機(jī)的信息可以被傳到指定的下位機(jī)上，下位機(jī)發(fā)送的信息只有上位機(jī)能收到，各下位機(jī)相互之間不能直接通信。為讓主控PC機(jī)與多單片機(jī)進(jìn)行通信，首先要將每一個(gè)下位機(jī)的地址用一個(gè)字節(jié)來(lái)定義，并對(duì)其進(jìn)行編碼。用16進(jìn)制表示，例如：10號(hào)機(jī)地址為0A ，1號(hào)機(jī)為01。約定上位機(jī)為00。上位機(jī)監(jiān)控程序運(yùn)行開(kāi)始時(shí)以時(shí)間間隔t對(duì)下位機(jī)進(jìn)行輪詢，并依次向下位機(jī)發(fā)送查詢指令，以檢查下位機(jī)的狀態(tài)。 (1)通信波特率為9600bit/s,晶振為11.0592MHZ。采用11位幀結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。 (2)本系統(tǒng)的幀主要有4種，這由類型字節(jié)決定。它們是主機(jī)詢問(wèn)從機(jī)是否在位的“ACTIVE”指令。主機(jī)發(fā)送讀設(shè)備請(qǐng)求的“GETDATA”指令。從機(jī)應(yīng)答在位的“READY”指令，和從機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息的“SENDDATA”指令。“SENDDATA”幀實(shí)際上是真正的數(shù)據(jù)幀，該幀中的數(shù)據(jù)字節(jié)存放的是設(shè)備的狀態(tài)信息，其他3種是單純的指令幀。數(shù)據(jù)字節(jié)為0，這種指令幀的長(zhǎng)度最短為6個(gè)字節(jié)，所以通信過(guò)程中幀長(zhǎng)小于6個(gè)字節(jié)的幀都認(rèn)為是錯(cuò)誤的。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。 (3)建立上位機(jī)和下位機(jī)的通信途徑，上位機(jī)根據(jù)其原則以及下位機(jī)的狀態(tài)信息，向下位機(jī)發(fā)送指令。 (4)當(dāng)主機(jī)發(fā)出呼叫幀后，如果沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間收到從機(jī)的應(yīng)答幀，主機(jī)會(huì)認(rèn)為幀丟失并重新發(fā)送呼叫幀;如果發(fā)送3次仍沒(méi)有收到應(yīng)答幀，則系統(tǒng)認(rèn)為該次通信失敗，與其它下位機(jī)進(jìn)行通信。本系統(tǒng)采用檢驗(yàn)和進(jìn)行差錯(cuò)控制。 4.4小結(jié) 對(duì)現(xiàn)有普通車床系統(tǒng)增設(shè)了數(shù)控部分，數(shù)控系統(tǒng)中采用了內(nèi)裝型、獨(dú)立型PLC在數(shù)控系統(tǒng)中完成順序控制，對(duì)車床數(shù)控系統(tǒng)I/O模塊以及通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 第五章 普通車床改造在中凸變橢圓活塞加工 中的應(yīng)用 5.1 某普通車床改造概述 CA4160車床作用是加工對(duì)中小型盤類、軸類以及螺紋零件。其數(shù)控改造后數(shù)控系統(tǒng)控制的對(duì)象主要有：主軸變速，主軸正反轉(zhuǎn)控制;刀架的橫向與縱向近給運(yùn)動(dòng)控制，刀具的選擇控制、自動(dòng)換刀控制;冷卻泵、潤(rùn)滑泵的啟停控制;脈沖編碼器的加裝等。 (1)改選縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。將原車床的進(jìn)給箱拆除，并將原機(jī)床進(jìn)結(jié)箱的安裝孔與銷孔安裝齒輪箱體利用起來(lái)。還是將滾珠絲杠安裝于原位，為減小改造現(xiàn)場(chǎng)，兩端采用原同定方式，縱向進(jìn)給整體剛性略優(yōu)于以前是因?yàn)闈L珠絲杠的摩擦系數(shù)相比與原絲桿來(lái)說(shuō)較小。 (2)改選橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。將原于動(dòng)機(jī)構(gòu)保留用來(lái)調(diào)整操作，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)。 一級(jí)齒輪減速的方式被橫縱向進(jìn)給饑構(gòu)所采用，并采用雙片齒輪錯(cuò)齒法來(lái)將間隙消除，由于彈簧的彈力難以適應(yīng)負(fù)載的變化情況，因此雙片齒輪間是自動(dòng)消除間隙，沒(méi)有加彈簧。若負(fù)載較大，彈簧彈力變小，難以起到自動(dòng)消除間隙的作用;負(fù)載小，彈簧彈力會(huì)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(shù)孔刀架代替。 (4)用彈性元件來(lái)連接光電編碼器與車床主軸，具體采用波紋管聯(lián)袖器進(jìn)行連接。 (5)I/O連接與數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 主要技術(shù)指標(biāo)： 1)圖形跟蹤LED顯示; 2)以單片機(jī)為核心的兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng); 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(bǔ)和間隙、刀具補(bǔ)償功能; 5)程序輸入方式，鍵盤、RS-232C 數(shù)抨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制接口、I/O接口與編碼器接口、數(shù)控刀架接口以及開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口的連接。 9芯D型插座，所選編碼器每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。 開(kāi)關(guān)星輸入輸出接口。37芯D型插座，開(kāi)關(guān)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(hào); 4)主軸控制信號(hào); 5)主軸換擋控制口; 6)回零信號(hào)輸入口; 7)超程信號(hào)輸入口。 5.2 中凸變橢圓活塞的數(shù)控加工分析 本文研究對(duì)象為中凸變橢圓活塞的車削加工問(wèn)題，根據(jù)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(huì)出現(xiàn)規(guī)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(guò)高次函數(shù)的進(jìn)行擬合來(lái)表達(dá)，如第二章所描述，其廓形精度達(dá)0.004~0.008mm;為提高活塞的承載能力，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率，通常將高負(fù)荷活塞的銷孔設(shè)計(jì)成微內(nèi)錐型或正應(yīng)力曲面型(異型銷孔)，銷孔尺寸精度達(dá)IT4級(jí)，輪廓精度為±0.003mm。 如某內(nèi)燃機(jī)活塞裙面在某一橢圓橫截面加工時(shí)，活塞某橫截面長(zhǎng)軸直徑為2a=100.4mm，橫截面短軸截面直徑為2b=100mm，主軸轉(zhuǎn)速頻率為15Hz，轉(zhuǎn)速為900 r /min。由圖5-1，圖5-3 可以看出，刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化周期都是0.33 s，是主軸旋轉(zhuǎn)周期T =1/f = 1 /15 = 0.66 s 的二分之一，即說(shuō)刀具運(yùn)動(dòng)變化的頻率為主軸旋轉(zhuǎn)頻率的兩倍。刀尖的位置在徑向上在區(qū)間[50,50.2]，頻率為30Hz的諧波周期性的在橢圓長(zhǎng)短軸半徑上高速振動(dòng)，如圖5-1所示;由于在中凸變橢圓活塞的任何一個(gè)截面上橢圓度都不大，在同頻率下刀具的速度變化時(shí)，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(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)速度曲線與刀具運(yùn)動(dòng)的加速度曲線相比，其為一波動(dòng)并不大的曲線，在數(shù)值上，從得出的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，刀具最大運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)軸直徑為2a =100.4 mm，其短軸直徑為2b =100mm，主軸轉(zhuǎn)速n = 900 r /min，也就是說(shuō)這種橢圓截面是在主軸頻率為15Hz的情況下進(jìn)行加工實(shí)現(xiàn)的，主軸最高加速度必須達(dá)到0.4g，即3800mm/s2=3.8 m/s2，為了使主軸的速度增加，使活塞質(zhì)量得到提高，即主軸加速度的大小與主軸旋轉(zhuǎn)頻率的平方成正比，提高主軸旋轉(zhuǎn)頻率，主軸加速度大小增加兩倍，在此將主軸旋轉(zhuǎn)頻率增大至之前的3倍，則主軸加速度要提高到原來(lái)的5倍，如圖5.4所示。通常普通車床的實(shí)際進(jìn)給加速度只有0.1~0.3 g，因此本文對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造是十分有必要的。直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速進(jìn)給系統(tǒng)能使加速度的要求得到滿足，本文所采用的是直接驅(qū)動(dòng)法，刪除了中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，改進(jìn)后系統(tǒng)加工中凸變橢圓活塞成為可能。 5.3 中凸變橢圓活塞數(shù)控加工試驗(yàn) 中凸變橢圓活塞車削需要注意以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： (1)活塞的車削過(guò)程要求每次進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)與X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行匹配，也就是說(shuō)X軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)會(huì)隨主軸的變化而變化。 (3)主軸的旋轉(zhuǎn)與中凸輪廓曲線車削要保持一致。針對(duì)以上問(wèn)題有兩個(gè)解決辦法，第一種是通過(guò)TURBO PMAC的時(shí)基控制功能來(lái)解決;第二種是通過(guò)TURBO PMAC聯(lián)動(dòng)控制來(lái)解決。 時(shí)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(guò)將信號(hào)的頻率輸入以控制程序的速率。此次試驗(yàn)X軸(受控于TURBO PMAC)直流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要以主軸(不受控于TURBO PMAC)的轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ)。因此，應(yīng)將TURBO PMAC的軌跡定義為主位置函數(shù)而非時(shí)間。 時(shí)基控制實(shí)現(xiàn)方法為，首先定義主軸位置，傳感器得到“實(shí)時(shí)輸入頻率(RTIF)”其單位是步/毫秒。根據(jù)RTIF來(lái)計(jì)算主軸在每毫秒旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。例如主軸伺服電機(jī)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個(gè)脈沖，數(shù)控系統(tǒng)采用4倍頻，主軸每毫秒轉(zhuǎn)過(guò)了32*360/(1024*4)度。通過(guò)RTIF建立了主軸轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)余X軸運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系。時(shí)基控制可以使動(dòng)軸與主軸維持良好的關(guān)系，但時(shí)基控制不能提供方法使主軸坐標(biāo)系上的特殊點(diǎn)同步。因此，時(shí)基觸發(fā)功可以幫助解決此問(wèn)題，通過(guò)在觸發(fā)前凍結(jié)時(shí)基，然后以位置為參考來(lái)啟動(dòng)時(shí)基。如此一來(lái)可以確保每次進(jìn)刀與主軸在同一位置。 綜上所述，可以將驗(yàn)基于時(shí)基控制方法分為五個(gè)步驟：1)信號(hào)解碼設(shè)置;2)插補(bǔ)和時(shí)基設(shè)置;3)編寫運(yùn)動(dòng)程序;4)準(zhǔn)備觸發(fā)器;5)開(kāi)始觸發(fā)。基于時(shí)基控制的具體程序如下： 基于以上的準(zhǔn)備工作，選用加工材料為L(zhǎng)Y12硬鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)車削。圖5.6得到的切削結(jié)果為橢圓度為0.2mm，主軸轉(zhuǎn)速為600r/min,。圖5.7得到的切削結(jié)果為主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，橢圓度為0.2mm。 經(jīng)過(guò)檢測(cè)以及修改參數(shù)車削后，對(duì)工件橢圓度的測(cè)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(xiàn)象，由圖可看出切削的橢圓截面沿軸線成螺旋變化，這說(shuō)明X軸的正弦周期運(yùn)動(dòng)相比于主軸運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)稍有落后后。其原因是在采用TURBO PMAC的時(shí)基控制時(shí)，對(duì)其實(shí)時(shí)輸入頻率(RTIF)范圍進(jìn)行了限定，主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)剛好達(dá)到RTIF的額定值，若轉(zhuǎn)速增加，只能犧牲插補(bǔ)點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)滿足主軸轉(zhuǎn)速的提高，這樣車削的精度便難以得到保證。通過(guò)測(cè)量橢圓度偏差大于10個(gè)絲，加工零件已經(jīng)成為廢品。 5.4小結(jié) 通過(guò)上位機(jī)上的操作系統(tǒng)，運(yùn)用VB編程軟件實(shí)現(xiàn)了改造后的車床加工中凸變橢圓活塞的調(diào)試與試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)表明，普通車床數(shù)控化改造加工中凸變橢圓活塞的研究是可行、合理的。 結(jié) 論 中凸變橢圓活塞是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的活塞。基于這類活塞型面復(fù)雜和加工精度難以保證，普通車床無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種異形截面活塞的加工，圍繞中凸變橢圓活塞加工對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造研究，本文進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的技術(shù)研究： (1)分析了中凸變橢圓活塞廓形形成機(jī)理，并通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)廓形進(jìn)行表達(dá)，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(shù)控化改造實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓活塞加工的方案。 (2)針對(duì)現(xiàn)有的普通車床CA4160機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行數(shù)控化改造，在主軸系統(tǒng)不更換的前提下，將主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分離，通過(guò)光電編碼器實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)的角度位置的控制，完成了縱向、橫向長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)以及高頻響大行程微位移進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的位置控制進(jìn)行了研究。yinghuiyun.com/fanwen/jixielei/ (3)對(duì)現(xiàn)有普通車床系統(tǒng)增設(shè)了數(shù)控部分，數(shù)控系統(tǒng)中采用了內(nèi)裝型、獨(dú)立型PLC在數(shù)控系統(tǒng)中完成順序控制，對(duì)車床數(shù)控系統(tǒng)I/O模塊以及通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 (4)通過(guò)上位機(jī)上的操作系統(tǒng)，運(yùn)用VB編程軟件實(shí)現(xiàn)了改造后的車床加工中凸變橢圓活塞的調(diào)試與試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)表明，普通車床數(shù)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(shí)有限，對(duì)于本課題的研制還處于實(shí)驗(yàn)室階段，離中凸變活塞數(shù)控車床還有距離，因此還需要進(jìn)一步加強(qiáng)與完善： 1.使機(jī)床整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加系統(tǒng)剛度，使其能穩(wěn)定工作并使進(jìn)給單元的快速響應(yīng)能力得到提高。 2. 深入研究高頻響直線進(jìn)給單元，增加導(dǎo)軌剛度，使其對(duì)于較大的熱變形與切削力能承受。 3.進(jìn)一步完善中凸變活塞數(shù)控系統(tǒng)軟件方的編程界面，讓其便于操作，活塞加工結(jié)束后，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并最后輸出檢測(cè)結(jié)果。 2 _7 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發(fā)表于 2017-10-20 16:22:09
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