辛紅敏, 史耀耀, 頡潭成, 張建國(guó), 孫鵬程

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,其軸截面為中凸形,橫截面為橢圓形,且在軸向上每個(gè)橫截面的橢圓度不盡相同，由于活塞外形不同于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體零件,單靠車床主軸的旋轉(zhuǎn),主軸的單次進(jìn)給不能加工出其外形,要加工出活塞的外形必須在主軸高速旋轉(zhuǎn)的前提下,車刀不停地做高頻的進(jìn)給。其中橫截面的加工是活塞加工中的難點(diǎn),要想加工出符合要求的活塞,通用數(shù)控車床已經(jīng)不能滿足其要求,必須采用專用的中凸變橢圓活塞數(shù)控車床。

國(guó)外早在20世紀(jì)80年代已經(jīng)開(kāi)始了此項(xiàng)技術(shù)的研究,1987美國(guó)CROSS.CO. 公司研制出了一套獨(dú)特的應(yīng)用于活塞加工的軟件系統(tǒng),此項(xiàng)創(chuàng)新開(kāi)創(chuàng)了活塞加工的新工藝,標(biāo)志著活塞加工新時(shí)代的到來(lái)。此后,CROSS.CO公司又推出PTM-2000T 和PTM-3000專用活塞數(shù)控車床[1]。緊接著日本、德國(guó)、美國(guó)等也相繼開(kāi)展了活塞數(shù)控加工設(shè)備的研發(fā)。國(guó)內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行最早的是清華大學(xué)以王先逵教授為核心的科研團(tuán)隊(duì),早在1988年就研制出了中凸變橢圓活塞CNC車床[2-3],1995年清華大學(xué)分別與廣州機(jī)床廠、安陽(yáng)機(jī)床廠聯(lián)合研發(fā)了2臺(tái)活塞數(shù)控車床[4]。1990年長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)研制了由TP801單板機(jī)控制的樣機(jī)[5],該系統(tǒng)采用486作為主機(jī),活塞的型線數(shù)據(jù)的輸入和修改可以直接在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行操作,徑向進(jìn)給系統(tǒng)選用直線電機(jī),Z軸選用普通伺服電機(jī),工件的形線輪廓誤差為0.01 mm。湖南長(zhǎng)沙一派數(shù)控機(jī)床有限公司研制的ECK2320數(shù)控活塞異形外圓車床,采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制Z軸、X軸、主軸的運(yùn)動(dòng),X軸可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ),X、Z軸可聯(lián)動(dòng)。國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行的大量研究,執(zhí)行機(jī)構(gòu)都普遍采用單刀架進(jìn)給系統(tǒng),由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),因其推力小,線性和動(dòng)態(tài)特性差,與國(guó)外同行業(yè)的機(jī)床還有很大差距。 基于此種情況,本文在單刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu),不僅能降低由于進(jìn)口機(jī)床增加的成本,而且能保證活塞加工的平穩(wěn)性,保持加工的精度。

1 中凸變活塞形線數(shù)學(xué)描述方法

由于中凸變活塞形線的復(fù)雜性,沒(méi)有統(tǒng)一的方程可描述,一般取形面上一些離散的點(diǎn)進(jìn)行表示[6]。

1.1 中凸變活塞軸截面形線數(shù)學(xué)描述

中凸變橢圓活塞軸截面內(nèi)形線一般以一些離散的點(diǎn)給出[7-9],軸向坐標(biāo)用z表示,縱向半徑用y來(lái)表示,軸截面內(nèi)的無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)便可表示成(z0,y0),(z1,y1),…,(zn-1,yn-1),(zn,yn)如圖1a)所示。

中凸變橢圓活塞每一個(gè)橫截面的橢圓度用字母G表示,G即為橢圓長(zhǎng)軸與短軸之差。G的大小沿裙高呈線性變化,如圖1a)中G上表示中凸變活塞裙上部的橢圓度,G下表示中凸變活塞裙下部的橢圓度,G上、G下兩部分的線性變化系數(shù)分別為k1、k2。G0為長(zhǎng)軸直徑最大處的橢圓度。通常利用長(zhǎng)軸尺寸的不斷變化來(lái)形成不同的橢圓度,所以圖1中y代表橢圓長(zhǎng)軸的半徑值。

1.2 中凸變活塞橫截面形線數(shù)學(xué)描述

在大多數(shù)情況下,橫截面的形狀不是標(biāo)準(zhǔn)橢圓,而是類橢圓,所以不能以標(biāo)準(zhǔn)的橢圓方程來(lái)描述,通常也是由一些離散的列表點(diǎn)來(lái)表示的[7-9]。由于橫截面具有對(duì)稱性,只列出第一象限內(nèi)的離散點(diǎn)即可。取某一橫截面作為研究對(duì)象,以極坐標(biāo)表示第一象限內(nèi)的點(diǎn),可分別為:(θ0,ρ0),(θ1,ρ1),(θ2,ρ2),…,(θn,ρn),ρi表示極徑,θi表示極角,極徑的長(zhǎng)度可用長(zhǎng)軸半徑減去徑向縮減量ΔRi來(lái)表示,ρi=a-ΔRi,如圖1b)所示:

圖1 中凸變活塞截面形線描述

徑向縮減量ΔRi可表示為:

(1)

式中:ΔRi為相對(duì)于橢圓長(zhǎng)軸的半徑收縮量;G為橢圓度;θ為ΔRi處所在位置與橢圓長(zhǎng)軸的夾角。

2 活塞橫截面加工中的加速度分析

活塞加工中,活塞橫截面的加工是關(guān)鍵,所以有必要對(duì)活塞橫截面的加工過(guò)程進(jìn)行研究。

如圖2所示,當(dāng)加工開(kāi)始時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)車刀從長(zhǎng)軸處開(kāi)始進(jìn)刀,初速度v0=0,主軸在旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度Δθ的過(guò)程中,刀具以變速度沿徑向運(yùn)動(dòng),當(dāng)旋轉(zhuǎn)到角度Δθ時(shí),刀具必須同時(shí)走到對(duì)應(yīng)的等分點(diǎn)處,通過(guò)分析可看出,從0°到45°的旋轉(zhuǎn)期間,相鄰等分點(diǎn)之間的徑向距離越來(lái)越大,電機(jī)必須加速運(yùn)動(dòng),加速度a為正值。從45°到90°的旋轉(zhuǎn)期間,相鄰等分點(diǎn)之間的徑向距離越來(lái)越小,直線電機(jī)必須不斷減速,加速度a為負(fù)值,到90°時(shí),速度減到零。從90°到180°的旋轉(zhuǎn)期間,電機(jī)做退回運(yùn)動(dòng),過(guò)程與0°到90°相同。180°到360°與0°到180°的運(yùn)動(dòng)相同。

(2)

對(duì)電機(jī)的加速度a影響最大的是活塞加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速和活塞的橢圓度,加工橢圓度越大的截面,刀具車削運(yùn)動(dòng)時(shí)需要的加速度值就越大。以一拖集團(tuán)有限公司的一個(gè)活塞零件為例,將橢圓截面按每3°等分為120個(gè)點(diǎn),每一個(gè)等分點(diǎn)n相對(duì)于圓半徑的徑向縮減量d如圖2所示,橢圓度為0.265 mm,對(duì)加速度進(jìn)行分析。

由于橢圓的對(duì)稱性,只對(duì)0°到90°之間的點(diǎn)進(jìn)行分析,通過(guò)分析可知,相鄰2個(gè)點(diǎn)之間的最大差值為0.08 mm,出現(xiàn)在45°附近,從0°到45°,相鄰2個(gè)點(diǎn)之間的差值逐漸增大,從45°到90°,差值逐漸減小到零。通過(guò)公式(2)計(jì)算求出不同轉(zhuǎn)速情況下加工每個(gè)點(diǎn)所需的加速度a(m/s2)和末速度V(m/s)具體結(jié)果見(jiàn)表1。由于前5個(gè)點(diǎn)的徑向縮減量幾乎為零,而且在公差要求的范圍以內(nèi),所以刀具可以直接由第1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到第6個(gè)點(diǎn),然后刀具加工第7個(gè)點(diǎn),第8個(gè)點(diǎn),一直到45°附近的點(diǎn),由于相鄰2個(gè)等分點(diǎn)之間的差值是逐步增大的,刀具每加工完1個(gè)點(diǎn)后,都具有了一定的初速度,所以在加工過(guò)程中所需的加速度不會(huì)突變,會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)確定的范圍內(nèi)。

圖2 在橢圓度為0.265 mm的截面中0°到180°之間等分點(diǎn)和徑向縮減量

表1 刀具加工橢圓度為0.265 mm的橢圓時(shí)運(yùn)動(dòng)到前10個(gè)等分點(diǎn)處的值

由表1數(shù)據(jù)可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,直線電機(jī)要加工活塞橫截面橢圓形線的加速度值就會(huì)越來(lái)越大,如果以最大值來(lái)計(jì)算,電機(jī)具有最高20g的加速度才可以在2 400 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行活塞零件的精加工。按照表1中的數(shù)據(jù)推算,到45°處,在3個(gè)不同的轉(zhuǎn)速下,直線電機(jī)要具有的最大加速度分別約為70 m/s2,250 m/s2,370 m/s2,如果以轉(zhuǎn)速3 000 r/min精加工直徑200 mm的活塞,則直線電機(jī)的加速度要有40g,一般情況下,當(dāng)活塞直徑是200 mm時(shí),180 m/min的線速度精加工零件,則活塞的表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.8,則此時(shí)的轉(zhuǎn)速只有不到600 r/min,所以以180 m/min的線速度來(lái)計(jì)算,此時(shí)的加速度不超過(guò)8g,如果精加工轉(zhuǎn)速為2 000 r/min來(lái)計(jì)算,則加速度不超過(guò)20g。

3 雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的活塞加工方法多采用單刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu),此種機(jī)構(gòu)普遍存在的問(wèn)題是電機(jī)的加速度達(dá)不到要求,進(jìn)給頻率不夠,加工的平穩(wěn)性不能保證[10],直接影響了活塞的加工精度和效率。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)。X軸刀架機(jī)構(gòu)采用溜板加音圈式直線電機(jī)代替原有的平板式直線電機(jī)。音圈式直線電機(jī)磁場(chǎng)圓周均勻分布,消除了磁吸附力的影響,降低了成本。除此之外,在溜板工作臺(tái)上安裝了四工位的旋轉(zhuǎn)刀架機(jī)構(gòu),可以進(jìn)行普通車床零件的加工,也可以實(shí)現(xiàn)活塞零件的異型面外輪廓、環(huán)槽、倒角等工序在一次裝夾中完成,提高了活塞零件的加工精度和效率,并且可以增加活塞車床的通用性。

刀架機(jī)構(gòu)根據(jù)臥式數(shù)控活塞車床的特點(diǎn),可適應(yīng)分段進(jìn)給、行程大、高頻高精度要求的特點(diǎn),采用雙軸控制。使用常規(guī)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)溜板,使用音圈式直線電機(jī)進(jìn)行高頻進(jìn)給切削。將直線電機(jī)裝在溜板上,較大的行程由溜板實(shí)現(xiàn),迅速到達(dá)加工位置附近,采用音圈式直線電機(jī)高加速特性,配合高精密光柵實(shí)現(xiàn)高頻高精度的切削加工。雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1床身 2主軸箱 3工作臺(tái) 4直線刀架機(jī)構(gòu) 5四工位刀架 6滾珠絲杠7直線導(dǎo)軌8四工位刀架X軸電機(jī) 9直線刀架X軸電機(jī) 10直線導(dǎo)軌 11滾珠絲杠12刀架 13音圈直線電機(jī) 14連接板

4 基于雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)

雙刀架的活塞異形面數(shù)控車床控制系統(tǒng)采用平行結(jié)構(gòu),分別為通用數(shù)控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器。如圖6所示,通用數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)主軸控制口連接主軸伺服驅(qū)動(dòng)器去控制活塞車床的主軸伺服電機(jī),另外3個(gè)軸接口連接3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器去控制安裝在活塞車床雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)上的四工位加架X軸電機(jī),直線刀架X軸電機(jī),和Z軸電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制器只控制安裝在雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)上的直線電機(jī)。其中直線電機(jī)、直線刀架X軸電機(jī)、主軸電機(jī)的聯(lián)動(dòng)可以加工出活塞的橢圓橫截面; 四工位刀架X軸電機(jī)、Z軸電機(jī)、主軸電機(jī)的聯(lián)動(dòng)可以加工出活塞的軸截面中凸型線。運(yùn)動(dòng)控制器和通用數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)接受主軸電機(jī)編碼器反饋過(guò)來(lái)的角度信號(hào)值進(jìn)行進(jìn)給控制,由于兩平行系統(tǒng)同時(shí)接受主軸編碼器反饋過(guò)來(lái)的信號(hào),可以產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的節(jié)拍,實(shí)現(xiàn)兩平行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,主軸每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的過(guò)程中,數(shù)控程序控制直線刀架X軸電機(jī)和Z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng),同時(shí)運(yùn)動(dòng)卡控制直線電機(jī)加工一個(gè)截面,最終形成活塞外形線的加工。

另外,如果只啟用通用數(shù)控系統(tǒng)功能,分別控制主軸伺服電機(jī)、四工位刀架X軸電機(jī)、Z軸電機(jī)聯(lián)動(dòng),可以進(jìn)行普通軸類零件輪廓加工。

5 活塞形線數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證

基于雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)及車削數(shù)控自動(dòng)編程技術(shù)[11-12],本文設(shè)計(jì)了活塞加工專用軟件。本套軟件從活塞的橫截面和軸截面2個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行活塞加工編程時(shí),只需在軟件中輸入離散的活塞的數(shù)據(jù)點(diǎn),然后由軟件進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算,擬合出與活塞真實(shí)形線相近的形線,最終將這些形線數(shù)據(jù)傳遞給通用數(shù)據(jù)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器,各個(gè)電機(jī)根據(jù)通用數(shù)控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器傳遞過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行進(jìn)給,最終加工出活塞形線。為了驗(yàn)證活塞加工軟件生成數(shù)據(jù)的正確性,本文利用Matlab工具生成的數(shù)據(jù)與活塞數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)對(duì)比,以驗(yàn)證活塞加工軟件生成數(shù)據(jù)的可靠性。

圖4 雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)圖

5.1 活塞軸截面形線數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

以一拖集團(tuán)有限公司活塞的軸截面形線數(shù)據(jù)為例進(jìn)行驗(yàn)證。表2為一拖集團(tuán)有限公司活塞的軸截面形線離散數(shù)據(jù)。

表2 某公司活塞軸截面離散點(diǎn)列表

圖5 一拖集團(tuán)有限公司活塞的軟件生成數(shù)據(jù)點(diǎn)與MATLAB生成數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)比圖

由圖7可知,Matlab工具擬合后的活塞形線與活塞加工軟件生成的活塞形線,其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的最大誤差為0.004 mm,由于差值微小,活塞加工軟件擬合出來(lái)的形線不會(huì)影響活塞加工的可靠性和精確性,所以可以確定活塞加工軟件生成的軸截面形線數(shù)據(jù)點(diǎn)是符合加工要求的。

5.2 活塞橫截面形線數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

對(duì)于活塞上橫截面的選取的原則為:每隔10個(gè)截面確定一個(gè)截面為檢測(cè)截面,如果相鄰2個(gè)檢測(cè)截面為相同形線,則改取下一個(gè)截面,直到所有的檢測(cè)為不同的形線。將取出的10個(gè)檢測(cè)截面,通過(guò)活塞加工軟件和MATLAB軟件對(duì)橫截面形線進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,將處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,由于活塞的橫截面為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形線,形線為軸對(duì)稱圖形,因此只在0°～90°范圍內(nèi)比較。

MATLAB軟件和活塞加工軟件對(duì)某公司活塞的高度15 mm處的橫截面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到的等分點(diǎn)處的徑向縮減量值(單位:mm)的對(duì)比如表3所示。表3中的角度值單位為度,MATLAB軟件處理的數(shù)據(jù)值用A來(lái)表示,活塞加工軟件處理的數(shù)據(jù)值用B來(lái)表示。橫截面的橢圓度為0.265 mm。

驗(yàn)證結(jié)果由表3可知,2種軟件處理數(shù)據(jù)的最大誤差不超過(guò)0.005 mm, 不會(huì)影響活塞加工的可靠性和精確性,所以活塞加工軟件生成的橫截面數(shù)據(jù)點(diǎn)是符合加工要求的。

表3 某公司活塞的軟件生成數(shù)據(jù)點(diǎn)與MATLAB生成數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)比表

6 結(jié) 論

本文對(duì)活塞的特殊形線進(jìn)行了描述,對(duì)其加工特點(diǎn)進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)和基于雙刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)的數(shù)控車床的控制系統(tǒng),為了驗(yàn)證活塞加工軟件的正確性,利用Matlab軟件對(duì)活塞離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,通過(guò)2種軟件擬合數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了活塞加工軟件生成數(shù)據(jù)的可靠性。

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