長沙一派數控股份有限公司楊 堅

ECK2150A數控活塞變橢圓車床的研發(fā)與應用

長沙一派數控股份有限公司楊 堅

一、概述

大功率船用柴油機是船舶的關鍵設備，此領域基本上由MAN B&W 和Wartsila兩大國外巨頭壟斷。雖然我國造船量約占世界市場份額的40%，但大功率船用柴油機有70%依賴國外進口。特別是受進口限制，我國海軍艦艇的發(fā)動機必須國產化。如果發(fā)動機的功率達不到先進水平，艦艇速度就難以與敵艦抗衡，就會在局部戰(zhàn)爭中處于被動挨打的地位。

活塞是對發(fā)動機性能有決定性影響的關鍵零件。大功率船用柴油機對活塞提出了更高的技術要求：活塞的缸徑大大增加；活塞的變橢圓型面更加復雜、精度更高；活塞的環(huán)槽精度以及關鍵型面之間的位置精度大大提高；活塞的材料需要更高的強度。這種大規(guī)格、高性能的活塞需要高精度、高可靠性的專用設備來加工。目前，國內中小功率柴油發(fā)動機活塞的變橢圓數控加工設備已基本實現國產化。其中，長沙一派數控股份有限公司的產品占據80%以上的國內市場，￠320mm及以下船用柴油機活塞變橢圓數控車床有少量進口，但￠500mm及以上的大缸徑活塞加工設備則受到發(fā)達國家的封鎖限制。

因此，研制具有自主知識產權、滿足船用大功率柴油機變橢圓活塞(活塞外徑￠500mm，加工長度1000mm，滿足X2/a+Y2/b=1等復雜變橢圓型面)加工要求的專用數控車床，對于提高柴油機關鍵零部件的國產化，發(fā)展我國PC系列大功率船用柴油機，提高我國船舶柴油機國內自主配套能力，提高我國海軍系列戰(zhàn)艦及補給船的作戰(zhàn)供給能力均有顯著的經濟效益和社會效益，對加強我國的國防安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

目前國內數控活塞變橢圓車床的研發(fā)和生產單位主要包括長沙一派數控、清華大學、國防科大，國內進口產品主要包括日本TAKISAWA、日本KIRIU、意大利IMT、德國DMG等。其主要加工范圍如下表：

廠家名稱設備名稱加工最大直徑加工最大長度日本TAKISAWA TPS-5000H￠320mm 370mm日本KIRIU KFT-15C￠120mm 120mm德國DMG VSC250￠200mm 300mm意大利IMT SR10/3-T2￠300mm 350mm臺灣安加B型￠200mm 300mm清華大學￠200mm 320mm國防科大￠200mm 300mm

變橢圓數控車床的技術關鍵是直線伺服技術和實時數據處理。一派數控從成立之初起就從事直線伺服技術的研究，我司自主研發(fā)的數控活塞異形銷孔鏜床、數控活塞異形外圓車床、數控活塞銷孔組合鏜床、數控活塞環(huán)內外圓車床等已在國內大多數內燃機零部件企業(yè)應用。ECK2150A數控活塞變橢圓車床，是本公司為滿足國內大功率船用發(fā)動機的發(fā)展需求，在我公司已開發(fā)的數控活塞異形外圓車床機床上，持續(xù)進行多項技術創(chuàng)新，自主研發(fā)制造的新成果。該成果應用了多項發(fā)明專利和兩項軟件著作權。其主要技術指標保持國內領先、國際先進水平。該項目的研制成功，不僅提升了我國此類數控高端裝備的水平，也打破了國外對該機床的壟斷和封鎖，為企業(yè)開拓了新的產品市場，同時取得了良好的經濟和社會效益。

圖1 ECK2150A數控活塞變橢圓車床外觀圖

二、產品性能介紹

ECK2150A數控活塞變橢圓車床具有高精度、高剛性、高頻響、多軸聯動、高效率等特點，并且還需要直線伺服控制技術、精密測量技術、計算機軟件技術、復雜刀具設計技術等多學科多種技術的支撐，是一種典型的高檔數控機床：

（1）精度高：PC2-5、PC2-6活塞（活塞直徑400mm）原采用機械凸輪加工，外圓加工尺寸精度±0.02mm；采用本項目開發(fā)的ECK2150A數控活塞變橢圓車床進行加工，外圓加工尺寸精度±0.012mm，橢圓輪廓度±0.008mm。

（2）頻響高：采用一派數控最新開發(fā)的直線伺服刀架系統，其最高頻響可達到400Hz以上，可滿足一次標準橢圓、二次標準橢圓、偏心圓、偏心橢圓、X2/a+Y2/ b=1等復雜橢圓截面的加工。

（3）提高效率：配置公司自主研發(fā)的數據處理軟件，編程速度快，參數修改方便；PC2-5活塞加工時間也由原來的2小時提高到目前的30min。

（4）優(yōu)化工藝：通過整體布局設計，在機床床鞍上設計布置兩個直線進給的X軸，在一次裝夾中可完成活塞異形外圓、活塞環(huán)槽粗精加工、活塞頂面精加工等多工序，提高了相互之間的位置精度。

該產品采用了“直驅電機的磁極結構”（201110354801.4）、“一種用于異形面加工的直線伺服刀架”（201510312082.8）等發(fā)明專利技術和“一派活塞曲面數據處理軟件”（2010SR046130）、“一派伺服驅動器控制軟件V1.0”（湘RC-2016-0252）等軟件著作權產品。該產品突破傳統設計與工藝模式，實現了數字靠模取代原有固體靠模的技術創(chuàng)新，成為新一代數控活塞變橢圓加工的關鍵領先技術，開創(chuàng)了高效、高精度、多工序組合的技術發(fā)展的新途徑。

該發(fā)明技術實現了顯著的應用效果，其加工精度、加工效率等均達到了國際先進水平。該產品主要技術參數如下：

主要技術指標單位項目要求實際檢測結果加工活塞直徑范圍/mm φ160～φ500 φ160～φ520加工活塞長度范圍/mm 200～750 200～750加工最大長度/mm 1000 1200加工最大橢圓度/mm 3.5 6.0主軸轉速/r min-110～800 10～1000加工截面形式包括X2/a+Y2/ b=1、二次橢圓、標準橢圓疊加偏心圓、偏心橢圓、梅花橢圓和離散數據等直線伺服包括X2/a+Y2/ b=1、二次橢圓、標準橢圓疊加偏心圓、偏心橢圓和梅花橢圓等系統頻響Hz/-3dB 400 400直線伺服電機定位精度/mm 0.002 0.0005加工尺寸精度/mm 0.02 0.012

三、新技術應用情況

1.高精度高頻響直線伺服技術開發(fā)與應用

（1）永磁平板式直線伺服刀架系統

目前國內外主流的解決方案是采用“專屬運動控制卡 + 伺服驅動器 + 直線電機 + 專用刀架”的方法解決活塞仿形刀架的需求，所采用的直線電機主要以音圈直線電機和U型無鐵芯直線電機為主，它們的優(yōu)勢主要是慣量小出力平穩(wěn)；但是這兩種電機的出力較小，加工活塞時有時由于切削力大的原因有些“吃力”，主要體現在加工帶“窗口”部位時精度超差?；钊摹按翱凇苯Y構，使切削過程為斷續(xù)切削，對刀具產生沖擊載荷，如果直線伺服刀架系統剛性不足，會嚴重影響工件的加工精度。針對上述問題，本公司開發(fā)了全新一代活塞異形外圓直線伺服刀架系統。該刀架的主要特點如下：

①采用帶鐵芯平板直線伺服同步電機對稱雙電機驅動結構，刀夾與永磁體可動部分一體化設計，這種結構設計大大地提高了電機的出力，極大地減小了可動部分質量，使得電機額定出力達到1000N，峰值出力1600N，與上一代音圈電機刀架相比，出力提高約3倍，較大的出力保證直線伺服刀架在加工鋼活塞時能夠有較好的剛性，并配合小慣量設計保證了伺服刀架系統擁有滿足活塞加工的頻率響應特性。

②其支撐采用高剛性導軌支撐，使電機在輸出較大出力的同時，兼顧較好的剛性。

③采用海德漢高精度直線光柵尺直接檢測刀架位置信號，分辨率達到0.1μm，全數字式反饋提高了位置反饋的精度，降低了位置信號受溫升和電磁等干擾的可能（經測試系統的定位精度為0.5μm，重復定位精度0.3μm）。

④直線伺服刀架工作行程達到+/-3mm，此范圍已經完全滿足活塞加工的橢圓和型線的需求，不需要刀架拖板跟隨運動，大大簡化了機床的控制設計要求。

圖2 EJX1260A永磁同步平板直線伺服刀架系統外觀圖

（2）專用直線伺服刀架控制器的研制

由于活塞外圓截面的特殊形狀，我們建立活塞截面數據模型時，一般最少將一個截面分成720個點，使用數字編碼器反饋主軸的位置信號，控制器則根據主軸位置信號與數據模型對直線電機發(fā)出位置命令信號，直線電機則帶動刀頭運動，從而實現了活塞外圓截面的加工。以截面點數為720點的活塞數據為例，加工轉速為1500r/min時，要求控制系統完成一次數據交換處理的周期約為0.05 ms（加工截面點數更高的活塞時，時間更短），而通用標準數控系統一般處理能力在1ms左右，遠無法滿足活塞加工中對加工精度與加工效率的需求。

由于活塞外圓加工的特殊截面形式，導致對加工軸控制系統的適時要求特別高。常用的“數控系統 + 伺服驅動器”的方案由于數控系統的運算周期和數據傳輸速度等的限制，使常用的伺服軸的控制方式很難滿足活塞外圓的加工要求。針對這種需求，開發(fā)出專用于快速直線伺服控制的EHA3020T0S型數字式伺服控制器。該控制器采用“雙DSP的構架”，將“位置規(guī)劃 + 數據通訊+ 電機控制”等功能全部結合到一個控制器當中，其中一個DSP根據主軸與Z軸編碼器的位置信號進行位置規(guī)劃運算與數據通訊等方面的工作，另外一個DSP則作電機控制運算，兩個DSP之間每30μs實現一次全數字式數據傳遞，這種頻率的通訊完全能夠滿足活塞加工對適時性的要求。該控制器將數據傳輸、運動規(guī)劃、電機控制等全都集成在一個控制器當中，相當于對直線電機這個軸構建了一套獨立于數控系統的單軸控制系統，與數控系統只進行IO通訊，對數控系統要求極低，具體控制結構圖如圖3所示。

圖3 專用直線伺服刀架控制器的控制框圖

圖4 專用直線伺服刀架控制器

2.變橢圓型面活塞數控加工數學模型及數據生成軟件模塊的研發(fā)

（1）建立活塞異形曲面數學模型

活塞外圓截面形式復雜多樣，包括標準的一次橢圓(x2/a2+y2/b2=1)、二次橢圓、偏心橢圓、組合橢圓、橢圓疊加偏心圓、梅花橢圓等。首先把各種復雜的活塞外圓曲面建立成三維空間數學模型，再結合活塞加工工藝特點把三維模型經過網格化（如圖5所示），則這些數字化了的網格點就代表活塞外圓曲面，最后把這些網格化數據形成一張二維數表，其橫坐標為活塞高度，縱坐標為角度，對應點即為活塞曲面數據。在車削過程中，只要刀尖的軌跡能夠準確地通過這些網格結點，就能加工出理想的活塞外圓型面。

圖5 活塞變橢圓型面數學模型的建立方法

對于大功率船用柴油機活塞（直徑φ500mm，長1000 mm），每一橫截面數據需按4096線的標準進行細分（小活塞僅需360線），其中，1 000mm長的活塞，其縱截面按0.01mm細分則需要100 000個數據截面。因此一個超大活塞的型面數據量約為390 M，比一個中小活塞的數據量大100倍。同時，模型應能夠處理一次橢圓X2/a+Y2/b=1、二次橢圓、偏心橢圓、組合橢圓、橢圓疊加偏心圓、梅花橢圓和離散數據等復雜的活塞橫截面數據及縱截面形線離散數據。

為解決400 M左右的活塞變橢圓型面數據，并以小于0.03 ms的節(jié)拍完成每個數據的實時交換，本項目將400 M的活塞數據壓縮到數控系統8M的SRAM中。在活塞加工過程中，數控系統根據采樣反饋的加工位置，實時進行二次細分插補，從而保證活塞的輪廓精度。

（2）活塞曲面數據處理軟件開發(fā)

根據當今最先進的“數字靠?！奔夹g，根據大直徑變橢圓活塞加工建立的數學模型開發(fā)的活塞數據處理軟件，為中凸變橢圓活塞外圓加工提供了三維曲面數據的計算公式、方法及編輯平臺，滿足了已有活塞品種所出現的各種復雜圖形設計要求。其主要功能為：

①輸入活塞基本參數（高度、形線和橢圓度等），程序即可對數據進行自動插值計算。

②顯示活塞任一縱向截面或橫截面的曲線效果并進行分析，包括任一截面形狀和任一角度的形線。

③自動分析非圓截面車削加工時的動態(tài)響應特性，并實施數據補償。

④為活塞的數控加工直接提供加工數據。

圖6 數據處理軟件建?？驁D

圖7 數據處理軟件數據輸入界面

圖10 ECK2150A光機3D圖

圖8 數據處理軟件數據顯示界面

四、成果應用及推廣情況

3.機床結構設計

ECK2150A數控活塞變橢圓車床根據活塞工藝要求，設計上主要從機床受力、精度保持性、裝夾方便來考慮，決定采用臥式斜床身結構，機床部分主要包含床身、主軸、拖板、尾架、工裝等部分（見圖9）。

圖9 機床結構示意圖

ECK2150A數控活塞變橢圓車床在陜西柴油機重工有限公司、常州南車零部件有限公司等單位得到應用，其加工產品精度、加工效率均超過英國等同類進口機床，已完全替代進口。

ECK2150A數控活塞變橢圓車床的研制成功，提升了我國船用大功率發(fā)動機活塞的加工水平，打破了國外對該項目的壟斷和封鎖。對于提高船用柴油機關鍵零部件的國產化、發(fā)展我國PC系列大功率船用柴油機、提高我國船舶柴油機國內自主配套能力、提高我國海軍系列戰(zhàn)艦及補給船的作戰(zhàn)供給能力均有顯著的經濟效益和社會效益，對加強我國的國防安全也具有十分重要的戰(zhàn)略意義?！?/p>

行業(yè)資訊

國際新能源汽車高端論壇在廣州成功舉辦

2016年7月14～15日，中國國際新能源汽車產業(yè)高端論壇暨第二十屆中國國際汽車動力總成技術、工藝與裝備研討會在廣州召開。來自國內新能源汽車的主要生產廠家及相關配套企業(yè)、機床企業(yè)100多人出席了會議。

該研討會由中國汽車工業(yè)國際合作有限公司主辦，中國機床工具工業(yè)協會作為支持單位已連續(xù)三屆做主題發(fā)言。研討會涉及面較寬，內容主要涉及新能源汽車和車聯網的發(fā)展趨勢、汽車新技術發(fā)展與應用、汽車裝備技術、數字化智能工廠等四個方面。

會議期間，代表們參觀了廣州傳祺汽車公司裝配車間，并參觀了中國（廣州）國際新能源節(jié)能及智能汽車展覽會。

（屠景先 周敏森 李衛(wèi)青）