活塞是內(nèi)燃機的心臟,它與缸套的配合直接決定了內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)性能,間隙的不合適可能造成抱缸或敲缸等現(xiàn)象。為了改善活塞與缸套的良好貼合,活塞的橫向截面通常設(shè)計為橢圓形,而且沿著軸向不同高度的截面橢圓是變化的,軸向截面型線一般設(shè)計成中凸桶形高次曲線。
活塞的這種異型設(shè)計為加工帶來了難度。傳統(tǒng)的活塞車削方法主要是仿形加工,但是對于多品種、小批量的生產(chǎn)方式,這種加工方式需要頻繁地更換靠模,調(diào)整非常復(fù)雜,造成更換周期長。另外由于靠模、仿形觸點的磨損以及傳動機構(gòu)間的誤差積累,極易造成仿形失真,影響加工精度。
于是世界上很多的機床制造商和活塞制造廠紛紛研制數(shù)控中凸變橢圓型面車床,主要采用的有直線電動機驅(qū)動式、液壓伺服驅(qū)動式和傳統(tǒng)絲杠驅(qū)動三種方式。目前國內(nèi)也有很多的院校和科研院所及活賽制造廠研制數(shù)控中凸變橢圓型面車床,主要以直線電動機驅(qū)動為主。
下面對這三種主要的數(shù)控中凸變橢圓型面加工技術(shù)進行分析。
1 數(shù)控中凸橢圓型面車床的控制軟件
當(dāng)前的數(shù)控中凸橢圓型面車床控制軟件有兩種:一種是全面集成式,即數(shù)控車床X, Z軸的伺服控制、橢圓的伺服控制及其他的輔助功能集成在一個軟件包中;另外一種是橢圓伺服控制獨立式,數(shù)控車床X,Z軸的伺服控制、顯示、液壓及其他的輔助功能集成在一個軟件包中,橢圓的伺服控制軟件單獨進行處理。兩種方式的軟件各有優(yōu)缺點,第一種方式,適用于獨立開發(fā)的單位,對操作用戶來說可能會更簡單;第二種方式,適用于機床改造的單位,買一臺通用的數(shù)控車床,然后附加獨立的橢圓數(shù)控加工系統(tǒng),對操作用戶來說可能會復(fù)雜一點。
不論集成的還是獨立的控制軟件,此類數(shù)控車床的控制軟件的總框架基本是相同的。一般包括主控程序、輸入輸出處理、用戶界面、用戶程序的輸入及編譯、插補運算、坐標(biāo)軸的伺服控制、加工監(jiān)控、輔助指令的處理等模塊。獨立控制軟件是將橢圓伺服控制從其他坐標(biāo)軸的伺服控制中獨立出來進行處理。
如果自行開發(fā)數(shù)控軟件,可以采用f;語言進行編寫。上述模塊程序一般的數(shù)控系統(tǒng)都有成熟的軟件可以參考。下面主要對橢圓加工控制相關(guān)的模塊進行介紹。
(1)活塞中凸變橢圓的數(shù)據(jù)編輯和插補編譯程序
活塞中凸變橢圓立體型面可以用一組空間的離散點來定義,這些點在空間由三個坐標(biāo)所確定,分別是X.Z.θ,這三個坐標(biāo)在加工時分別代表X,Z向?qū)к壍倪M給值和主軸的轉(zhuǎn)位。三維坐標(biāo)的原點就是X.Z向的加工起始點和主軸的零位點,主軸的零位點在控制系統(tǒng)內(nèi)可以通過主軸編碼器和電子開關(guān)來確定。
用戶如何編輯中凸變橢圓程序一般分解為三部分。
第一部分是活塞橫向截面的橢圓程序。
式中:刀為修正橢圓的修正系數(shù),由活塞設(shè)計者給出。
用戶可以根據(jù)實際需求參照公式輸入相應(yīng)的參數(shù),通過軟件自動地進行編譯。部分特殊截面形狀不符合上述公式,用戶可以在不同的處輸入不同的△值,的間隔一般按1插補編譯即可,中間插補可以按直線或圓弧處理。
第二部分是活塞的縱向型線。一般情況,型線在設(shè)計完成經(jīng)過發(fā)動機的臺架試驗后根據(jù)實驗結(jié)果進行修改,很難給出一個比較準(zhǔn)確的統(tǒng)一的函數(shù)曲線,設(shè)計者給出的是間隔高度上的收縮量△。用戶可以直接按要求輸入間隔高度上的收縮量即可,然后通過軟件按照高次曲線或樣條曲線逼近來進行插補編譯,插補精度根據(jù)型線精度確定,一般0.1 mm的間隔即可滿足要求。
第三部分是插補截面間的函數(shù)關(guān)系。一般變化橢圓的橢圓度都是按照線性變化的,這樣用戶只要輸入一個變化系數(shù)即可。如果不是線性變化,用戶則需要輸入較多的截面,每截面之間用近似線性來處理。軟件通過這些變化系數(shù)來插補形成所有截面的數(shù)據(jù)。
通過上述三部分用戶數(shù)據(jù)的輸入,中凸橢圓的數(shù)據(jù)處理程序便可生成一個數(shù)據(jù)表描述的活塞數(shù)學(xué)立體模型。這些數(shù)據(jù)可以存儲在計算機的專用區(qū)域,為了適應(yīng)計算機的處理速度,在加工時調(diào)入計算機的專用內(nèi)存供適時存取。
(2)中凸變橢圓機構(gòu)的伺服控制程序
伺服控制程序的主要功能是從已生成的專用數(shù)據(jù)區(qū)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù),井根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)進行綜合運算,最后生成當(dāng)前應(yīng)該發(fā)送出的信號值。該值通過D/A轉(zhuǎn)換控制功放回路來控制電動機的轉(zhuǎn)動或直線位移,這個軟件模塊與硬件電路關(guān)聯(lián)非常強。
2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
前面已敘述了活塞中凸變橢圓車床控制系統(tǒng)的兩種方式,全面集成或者橢圓加工系統(tǒng)獨立式。不論那種系統(tǒng),數(shù)控控制的原理是相同的,一部分是車床總控系統(tǒng),還有一部分是橢圓控制系統(tǒng),可以通過原理圖來設(shè)計每一部分的具體硬件,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的組裝。
3 機床中凸變橢圓加工機械機構(gòu)的構(gòu)成
中凸變橢圓三種加工方式的數(shù)控原理基本相同,不同的部分主要在于機械機構(gòu)的實現(xiàn)。
當(dāng)活塞在主軸上高速旋轉(zhuǎn)時,因為橢圓截面,刀具必須在每轉(zhuǎn)中進行兩次反復(fù)運動。假設(shè)工件轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,則刀具必須按40 Hz的頻率線性振動。一些進口設(shè)備,活塞的加工轉(zhuǎn)速達到3 000r/min,則振動頻率增高一倍以上。為了得到相應(yīng)的振動頻率和振幅,振動機構(gòu)的質(zhì)量必須小。振動機構(gòu)在車削時還會受到旋轉(zhuǎn)工件產(chǎn)生的抗力,這樣還需要在機械機構(gòu)設(shè)計時設(shè)計相應(yīng)的裝置來避免或減小切削抗力帶來的不利影響,以免使理論數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)存在大的偏差。
(1)現(xiàn)在最普遍采用的機械機構(gòu)是線性電動機,線性電動機又稱為音圈電動機。線性電動機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示,一般由定子永久性磁鐵、動子線圈、導(dǎo)軌及支撐機構(gòu)組成。為了達到相應(yīng)的頻率和減小吃刀抗力的影響,導(dǎo)軌支撐機構(gòu)有兩種方式,一種滾動導(dǎo)軌加載式;一種板簧加載式。板簧結(jié)構(gòu)中板簧的彈性系數(shù)和材料非常重要。采用第一種方式可以得到較大的行程,第二種方式的位移行程較小。不論哪一種結(jié)構(gòu),為了獲得高的位移控制精度,線性電動機都必須采用速度環(huán)、位置環(huán)進行閉環(huán)控制。
(2)液壓伺服驅(qū)動式的原理結(jié)構(gòu)的線性電動機結(jié)構(gòu)有點類似,只是對板簧的控制改為兩個高精度的電液伺服閥,通過控制兩個伺服閥的進退來實現(xiàn)對橢圓截面的跟蹤。另外板簧也可以通過專用的杠桿機構(gòu)來代替。
(3)滾珠絲杠驅(qū)動式和普通的車床驅(qū)動相類似,只不過對絲杠的精度和材料要求特別高,一段時間的運行后,要通過系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)來調(diào)整絲杠間隙,以保證跟隨精度。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于較高的吃刀抗力。
上述三種中凸變橢圓的車削機構(gòu)各有優(yōu)缺點,通過多年的應(yīng)用實踐,對三種方式的優(yōu)缺點比較。
由表中可以看出,線性電動機的加工方式在中凸變橢圓加工中綜合性能最好,也是目前應(yīng)用最普遍的方式。而液壓伺服由于液壓隨溫度的變化而變化導(dǎo)致穩(wěn)定性較差,所以目前實際應(yīng)用較少。
(審核編輯: 智匯張瑜)
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