活塞外圓數(shù)控車削系統(tǒng)

摘要：內(nèi)燃機(jī)活塞的外部形狀是一種異型表面，文章論述了將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于活塞外圓車削的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)施方案。詳細(xì)討論了活塞外形輸入、高精度高頻響高分辨率的直線伺服軸、高控制頻率的四軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

    活塞外部型面的加工精度對(duì)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行性能、油耗和廢氣排放有決定性影響�；钊�工作于高溫、高壓和周期性沖擊的惡劣環(huán)境中，受力變形和熱變形非常嚴(yán)重且不均勻。為了使工作狀態(tài)下活塞的外部形狀能與圓柱形缸體相適應(yīng)，活塞在常溫下的外部形狀通常都設(shè)計(jì)為異型型面。其沿自身軸線剖面的形狀為近似腰鼓形，垂直于自身軸線剖面的形狀為近似橢圓形。為滿足使用要求，活塞外圓的加工方法一般為車削。而要車削出異型截面的活塞，傳統(tǒng)上采用機(jī)械靠模仿型方法。但靠模制造困難，易磨損，頻響低，活塞換型難，嚴(yán)重制約了加工精度和加工效率的提高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在研究將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于活塞外圓的加工，并取得了很大進(jìn)展。我們研制的PTC系列活塞外圓數(shù)控車削系統(tǒng)，經(jīng)國(guó)內(nèi)近30家企業(yè)使用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 活塞外圓數(shù)控車削系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

1) 活塞外形的輸入 如果采用一般數(shù)控程序描述活塞外形，數(shù)控程序?qū)⑹�分龐大和�?fù)雜。把垂直于活塞軸線、距活塞止口處的距離為Z的橫截面的最大直徑(一般垂直于銷孔軸線)D稱為截面的大徑，最小直徑(一般平行于銷孔軸線)d稱為該截面的小徑，E=D-d稱為該截面的橢圓度，形狀描述P稱為截面形式�；钊麍D紙上用列表型值點(diǎn)的形式或數(shù)學(xué)公式的形式給出上述三組數(shù)據(jù)或函數(shù)為

D=f1(Z)； E=f2(Z)； P=f3(Z，φ)

    式中：φ表示橫截面外圓輪廓線上任意點(diǎn)P的向徑與大徑方向間的夾角。這些描述以分段形式給出，每段區(qū)間連續(xù)光滑，區(qū)間連接處為跳變斷點(diǎn)。在我們的系統(tǒng)中，如果圖紙給出的是數(shù)學(xué)公式，則用戶可在函數(shù)列表中選擇或直接輸入函數(shù)公式，控制系統(tǒng)接受并檢查函數(shù)表達(dá)式的正確性、分段區(qū)間的完整性和函數(shù)值域的合理性：如果給出的是型值點(diǎn)，則檢查型值的合理性、分段區(qū)間的完整性和擬合函數(shù)值域的合理性，并根據(jù)型值點(diǎn)處于區(qū)間內(nèi)部的情況將擬合曲線向區(qū)間端點(diǎn)延伸。擬合函數(shù)采用兩端點(diǎn)自由形式的三次樣條，延伸段采用與首尾型值點(diǎn)斜率相同的兩直線段。最后將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)控?cái)?shù)據(jù)，必要時(shí)與傳統(tǒng)數(shù)控指令進(jìn)行融合，并將數(shù)控?cái)?shù)據(jù)以圖形方式輸出。輸出圖形與傳統(tǒng)活塞圖紙的表達(dá)形式相一致，便于用戶檢查與校對(duì)。

2) 實(shí)現(xiàn)高頻響的途徑 普通數(shù)控系統(tǒng)的X軸的頻響為1Hz左右，加速度為1g(重力加速度)左右，且受到機(jī)械爬行和反向間隙的影響。由于活塞為異型截面，要求X軸的頻響為120Hz以上，加速度為9g以上，因此必須增加一個(gè)與X軸平行的高頻響的第二個(gè)X軸，我們稱此軸為直線軸。我們采用音圈式直線電動(dòng)機(jī)及直線伺服部件作為直線軸的無(wú)間隙傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，頻響高于135Hz，加速度大于13g，滿足了車削異型截面的要求。

3) 高分辨率的實(shí)現(xiàn)方法 普通數(shù)控系統(tǒng)的X軸的控制精度為微米級(jí)，而活塞橫截面大徑附近的控制精度要求在亞微米級(jí)，采用傳統(tǒng)的控制方法不能滿足要求。由于活塞橫截面上直線軸的相對(duì)位移小于±0.5mm，所以我們采用12或16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)控制直線軸相對(duì)X軸的位移，滿足了控制精度要求。

4) 高頻響四軸聯(lián)動(dòng)的控制方法 如果采用普通具有伺服主軸的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，不僅成本太高，而且不能滿足控制的實(shí)時(shí)性要求。如主軸每轉(zhuǎn)過(guò)1°對(duì)直線軸控制1次，則控制頻率應(yīng)高于15kHz，普通數(shù)控是無(wú)法達(dá)到的。我們對(duì)X軸和Z軸采用了通用數(shù)控系統(tǒng)的控制方法，而主軸轉(zhuǎn)角和直線軸的聯(lián)動(dòng)采用了轉(zhuǎn)角為主，雙軸聯(lián)動(dòng)的方法。主軸上安裝有主軸編碼器，計(jì)算機(jī)通過(guò)中斷方式檢測(cè)主軸的轉(zhuǎn)角，中斷處理程序根據(jù)主軸轉(zhuǎn)角、Z軸和X軸的當(dāng)前位置控制直線軸。這樣既滿足了四軸聯(lián)動(dòng)和實(shí)時(shí)性要求，又可以使用一般主軸而不必采用伺服主軸。在這種思想指導(dǎo)下，控制系統(tǒng)還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化：由于活塞外輪廓表面的最大直徑和最小直徑之差一般小于2mm，活塞的加工為流水線大批量生產(chǎn)，可以用手動(dòng)X軸調(diào)整一批活塞的最大直徑，用直線軸控制刀尖相對(duì)于最大直徑的相對(duì)位移，而在加工過(guò)程中不控制X軸，就可滿足絕大部分活塞的加工要求。這樣，在通用車床的Z軸上再安裝一位置檢測(cè)編碼器，由計(jì)算機(jī)根據(jù)主軸轉(zhuǎn)角和Z軸位置控制直線軸，就可完成對(duì)活塞外輪廓的加工。在這種情況下，主軸和Z軸都可以采用普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，X軸通過(guò)手柄調(diào)整，系統(tǒng)成本可大幅度降低。

5) 直線軸控制參數(shù)的調(diào)整方法 對(duì)于直線軸，經(jīng)掃頻和系統(tǒng)辨識(shí)可得到其動(dòng)力學(xué)模型為一個(gè)近似的二階系統(tǒng)，用傳遞函數(shù)表示為

y(s)	=	k
u(s)		T2s2+2Tzs+1

式中：u為加在控制端的輸入電壓，y為直線軸的位移，k為靜剛度，T為時(shí)間常數(shù)，Z為阻尼比。對(duì)直線軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，合理選擇伺服部件的靜剛度和運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，可以得到滿足使用要求的時(shí)間常數(shù)T和靜剛度k。由于阻尼系數(shù)的動(dòng)態(tài)性能有決定性影響，所以如果z過(guò)小，則其階躍響應(yīng)振蕩次數(shù)多，超調(diào)量大，影響工件的輪廓度和表面粗糙度。機(jī)械部件調(diào)整阻尼比難于實(shí)現(xiàn)，我們通過(guò)在直線軸的運(yùn)動(dòng)件上安裝速度傳感器，由電子線路為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)淖枘岜�。這樣不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且調(diào)整范圍寬，阻尼比穩(wěn)定，調(diào)整方法簡(jiǎn)單。

6) 解決光電隔離的時(shí)間延遲與高控制頻率間的矛盾 由于數(shù)控系統(tǒng)要工作在工業(yè)生產(chǎn)線上，我們對(duì)所有輸入輸出信號(hào)都進(jìn)行了光電隔離。但由于系統(tǒng)控制頻率高，簡(jiǎn)單地采用普通光電隔離器件不能滿足使用要求。我們采用了脈沖展寬(通過(guò)74LS221)、高速光耦(6N137)、時(shí)間片復(fù)用、可重入中斷處理程序等一系列技術(shù)措施，保證了對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求。

2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用486以上工業(yè)控制機(jī)，通過(guò)帶8路中斷的32路數(shù)字量輸入和32路數(shù)字量輸出接口板，完成對(duì)機(jī)床操作面板和機(jī)床工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制：通過(guò)4路D/A板和數(shù)字量接口板完成對(duì)直線軸、主軸變頻器和伺服軸的控制：通過(guò)3路定時(shí)器板完成系統(tǒng)的各種定時(shí)。圖中主軸的轉(zhuǎn)速控制可為變頻調(diào)速、雙速電動(dòng)機(jī)、普通電動(dòng)機(jī)加手柄變速等：X伺服軸可有可無(wú)，無(wú)X軸時(shí)由手柄調(diào)整：Z軸可為交流或直流伺服、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、普通交流電動(dòng)機(jī)等。硬件系統(tǒng)的配置情況，包括脈沖當(dāng)量、加減速時(shí)間、插補(bǔ)允差、控制方式、機(jī)床操作面板的信號(hào)分配情況和信號(hào)的有效極性等，可通過(guò)系統(tǒng)的配置文件進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)根據(jù)配置文件決定對(duì)各個(gè)軸的控制方式并完成控制過(guò)程。系統(tǒng)配置時(shí)應(yīng)使各部件在失電、斷開、失效時(shí)提供給控制機(jī)的輸入信號(hào)為無(wú)效狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示�？刂栖浖�運(yùn)行于保護(hù)模式，用PASCAL、匯編和C語(yǔ)言混合編制，多窗口交互式工作方式。在平時(shí)進(jìn)行加工時(shí)，既可用鍵盤操作，也可用機(jī)床操作面板操作。用戶界面為漢字界面，而目前的大多數(shù)漢字系統(tǒng)都采用了直接寫屏技術(shù)，直接寫屏的刷新由中斷級(jí)別最高的1NT8完成。屏幕刷新時(shí)間需要數(shù)百微秒，這對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求為數(shù)十微秒的系統(tǒng)是不能允許的。因此，在實(shí)際加工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)1NT8進(jìn)行屏蔽或替換，取消漢字系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)刷新，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    圖2中，通用數(shù)控模塊當(dāng)具有X軸時(shí)使用X、Z軸插補(bǔ)，當(dāng)不具備X軸時(shí)使用Z軸運(yùn)行監(jiān)測(cè)：直線軸控制是建立在通用數(shù)控和主軸轉(zhuǎn)角監(jiān)測(cè)之上的：加工控制中具備機(jī)床操作面板和系統(tǒng)工作狀況監(jiān)測(cè)：開機(jī)后30s如不進(jìn)行鍵盤操作則直接進(jìn)入加工控制：初始化后左邊的一系列模塊間的關(guān)系為平行并列關(guān)系，可并行或串行運(yùn)行：右邊一系列模塊和加工控制模塊間的關(guān)系為互斥關(guān)系，不能同時(shí)運(yùn)行，它們之間通過(guò)鍵盤進(jìn)行轉(zhuǎn)換：在不加工環(huán)槽或儲(chǔ)油槽時(shí)，數(shù)控程序輸入模塊被加工參數(shù)填表輸入模塊所替代，以降低對(duì)用戶技術(shù)水平的要求：DOS外殼便于用戶運(yùn)行一些實(shí)用的DOS命令：系統(tǒng)診斷為系統(tǒng)的維修和調(diào)試而設(shè)。