（机械电子工程专业论文）非圆活塞数控车床设计与控制系统实现.pdf

ii摘要 活塞是内燃机的关键零件之一，其质量直接决定着内燃机的工作性能。中凸变椭圆活塞属于非圆截面零件，其型面特殊，加工相对困难，成为活塞研究领域的一个重要课题。 根据我国活塞加工的现状，本文改变传统车床结构，设计一种新的活塞车床布局结构，床身为倒“t”字型结构，根据中凸变椭圆活塞的加工要求，设计了数控机床的整体结构，运用 pro/e 软件建立了三维模型。同时用 hyperworks 对平台与刀架进行了有限元分析。使直线电机驱动的刀座结构设计轻量化，以降低在高速往复运动过程中产生的惯量，减少跟随误差。 设计了基于 turbo pmac+pc 的双 cpu 开放式数控系统结构。x 轴进给机构采用伺服电机加直线电机双层驱动结构，通过光栅反馈形成全闭环控制；z轴进给运动采用伺服电机加滚珠丝杠驱动； 主轴采用伺服电机驱动， 通过 tubro pmac 实时控制主轴转过的角度和 x 轴径向位移成联动关系，实现活塞椭圆截面的加工，控制 x 轴和 z 轴的联动实现活塞中凸形面加工。这种加工方法与传统的靠模仿形加工相比具有柔性好、加工精度高等特点。 开发了基于 windows 平台的开放式数控系统。应用 turbo pmac 运动控制卡提供的动态链接库(pcomm32)在windows利用vc+6.0平台上开发了上位机软件， 完成了开放式非圆活塞数控系统管理软件模块的设计。 pmac 完成实时控制部分任务，软件开发主要完成上位机非实时控制部分任务，实现了数控系统的基本功能。 根据中凸变椭圆活塞车削特点，选用基于 t u r b o p m a c卡的各运动轴联动的活塞车削方式，通过厂家提供的活塞数据，进行活塞车削实验，最终的实验证明远远优于传统的旋转电动机+滚珠丝杠，能够满足活塞加工的精度要求，试验结果表明系统达到了预期的设计要求。 以上研究只是针对中凸变椭圆活塞的加工而提出的， 对于我国活塞加工具有一定的理论意义和重要应用价值。 对于其它非圆截面零件的加工也具有一定的指导意义。 关键词：中凸变椭圆活塞；数控车床；直线电机；刀架；turbo pmac abstract iiiabstract piston is one of the key parts of internal combustion engines, which directly determines the work performance of internal combustion engines. middle- convex and varying ellipse piston turning is a special noncircular cross section, and its special molding surface brings difficulty for its design and processing. this becomes an important task in the researching domain of the piston. according to chinas processing status of the piston，diffent from tradition，this paper presents a design of the piston cnc lathe adopting inversion t- shape structure and using pro/e to establish machine s solid model. make analysis of mechanical properties on tool holder and work platform by hyperworks. in order to make the designed knife block structure of liner motor lightweight. in order to reduce inertia producing in the process of motor s high speed reciprocating motion and follow error. designed open cnc system structure based on tubro pmac+pc. x- axis feed movement using servo motor and linear motor double- driven mechanism, realizing loop control through raster feedback; z - axis feed motion with servo motor and ball screw drive; adopting servo control, spindle coordinates the turn of the spindle shaft angle and x- axis radial displacement by tubro pmac controller; the linkage of x- axis and z - axis can realize the piston convex surface processing. in contrast with the traditional hard profiling method, the method has the advantages of good flexibility, high processing efficiency and high degree of accuracy. the open cnc system and softwae has been developed based on windows platform. non- circular pistons open cnc system software designed by the dynamic link library (pcomm32) pmac motion control card provided in the windows platform. the real- time control tasks were completed by pmac. software developments by visual c+ on pc focused on major some tasks of non- real- time control and achieve the nc systems basic functions. according to the middle- convex and varying ellipse piston turning s processing characteristics, we choose the turbo pmac s movements control of the turning axis. we make the piston turning experiments by date which is provided from piston manufacturer.it is far superior to the traditional aspects of the rotary motor + ball screw will be able to meet the requirements of the pistons processing. testing results show that the system has achieved the expected results of the design requirements. the conclusions studied is specially present for middle- convex and varying ellipse piston turning. research has certain theoretical significance and an important abstract ivvalue in the piston of chinas processing. whats more, it also can be referenced for other noncircular cross section works. key words: middle- convex and varying ellipse piston, cnc lathe, linear motor, knife rest, turbo pmac 第 1 张 绪 论 1第一章 绪论 1.1 本课题的来源及背景 活塞是发动机的关键部件之一，在高温、高压的特殊环境当中工作，承载着交变的热负荷和机械负荷。然而随着对发动机的动力性、可靠性、环保性和经济性的要求越来越高，活塞已经发展成集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高新技术含量的关键部件， 为了保证活塞的耐磨性、耐热性、平稳的导向性和良好的密封功能，改善润滑减少发动机活塞的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放，提高活塞的工作性能和使用寿命。所以现代的发动机活塞的裙部都被设计成为中凸变椭圆型面， 即沿着轴线从活塞的纵向剖面看，表现出来的形状为中凸型线，垂直于于轴线看活塞的横截面，它的形状近似于椭圆，椭圆度沿裙高的方向按一定规律逐渐变化1。 ( a ) 中凸变椭圆活塞纵截面活塞裙底部 椭圆度= 长轴a - 短轴b( b ) 中凸变椭圆活塞横截面 图 1.1 中凸变椭圆活塞结构 fig.1.1 structure of middle- convex and varying ellipse piston 活塞的加工精度是影响发动机性能的一个重要的因素， 在切削加工方面有着特殊的工艺特点，因此单靠一般的机床是难以满足活塞精度要求的。目前国内的活塞制造业通常是由普通机床+活塞工艺特点的专用设备组成的加工生产线，从而保证活塞加工精度的程序通常非常繁琐。 因此研制一种可用于中凸变椭圆活塞加工的数控专用机床，对于提高发动机性能，推动我国船舶、汽车、航空工业的发展有着重要意义。 1.2 非圆截面零件常规的成型技术 目前，非圆截面零件的成型技术通常有一下几种2：直接成型法，比如铸江苏科技大学工学硕士学位论文 2造、锻造、冲压成型等；运动合成切削加工成型法，比如车、铣、刨、磨等切削方法；特种加工方法，比如电火花、线切割、激光成型等加工方法。 直接成型法是非圆截面零件最常用的加工方法。但是由于制造精度较低，表面粗糙度较大，因此不能作为非圆截面零件最终的加工方法。而是常作为一种制作毛坯的方法，如制作凸轮轴、连杆等。 特种加工方法是借助于光能、电能、热能、化学能等多种能量组合以实现材料的切除或熔合。特种加工可以加工形状复杂的非圆截面零件，特别适用于质地比较特殊、形状比较特别的材料，比如加工金刚石、薄壁零件以及具有弹性的特殊零件等。 非圆截面零件的加工方法一般采用运动合成切削加工成型方法， 是目前能够获得高精度零件的主要途径，从理论上讲该方法可以加工任何非圆截面的零件。在实际的加工过程中，车、铣、磨、刨等加工工艺是最常见的运动合成加工方法，都能加工具有一定复杂截面形状的零件， 而这些加工方法的选择则一般取决于被加工工件表面的形状和精度要求，最后还要考虑被加工工件的经济效率。 铣削和刨削加工非圆截面零件，一般很难获得较高的加工精度；磨削加工方法是常用的精密加工方法，具有很高的加工精度和加工效率，但是进行非圆截面工件的加工时还存在一定的缺点： 磨削软质的金属或者合金时，切屑容易粘附在砂轮表面上，从而影响了切削效率和加工的表面质量。如果加工工件的表面曲率半径小于砂轮表面曲率半径时，这样磨削就难以实现加工要求。磨削时要频繁调整砂轮位置和角度，很繁琐。 车削是最常用、最基本的精密切削加工工艺方法，在切削加工过程中，非圆截面工件的表面形状是由车刀沿着预设的切削运动轨迹包络而成， 整个加工过程可以看作是刀具对着工件的中心线来回移动而成。 与加工规则截面的回转体工件相比，加工非圆截面工件车削轨迹是变化的。与其他加工工艺相比车削有如下几个优点；车削刀具的刀尖圆弧半径非常小，可以加工表面曲率非常小的很复杂零件；车刀本身使用寿命长，耐磨性好，易于保证加工工件的表面质量和尺寸精度；车削可以在较高的切削速度进行，可以提高加工零件的速度，有较高的加工效率。所以车削是一种非常理想的加工非圆截面工件的方法。 1.3 中凸变椭圆活塞型面的传统加工方法 非圆截面零件的车削一直受到切削加工业界的关注， 并且也先后推出了多种加工工艺方法。 目前，国内外活塞加工企业大多采用凸轮靠模机床来加工非圆第 1 张 绪 论 3活塞的轮廓型线，这也就是所谓的硬靠模加工法。它主要分为平面靠模和立体靠模两种。通常情况下我们采用立体靠模的方法加工中凸变椭圆活塞。立体靠模的车削按照其实现方式一般可分为机械仿形原理和数字仿形原理。 图 1.2 活塞立体靠模加工原理 图 1.3 数字仿形车削原理 fig.1.2 three- dimensional modeling principle fig.1.3 turning principle of digital copy shape 机械仿形车削原理如图 1 . 2 所示， 系统采用比较简单的杠杆结构原理来驱动刀架，而立体硬靠模与机床主轴刚性相联，共轴旋转，因此加工工件和立体靠模的旋转角度是相同的， 通过触针可以将靠模轮廓型面完全按比例复制到加工工件上面。 数字仿形车削形成原理如图 1 . 3 所示， 在三维空间中任意两维所形成的平面中，按照数字控制的方法走出任意角度的直线、圆弧乃至曲线，而在另一维的方向上按随动控制的方式进行调节，以实现所需的刀具运动轨迹。其具体的工作过程是将仿形仪作为检测和反馈元件，不断地检测靠模的几何轮廓尺寸，并由数字控制系统实时处理检测来的信号， 然后通过伺服控制装置不断的激励刀具完成所需的车削进给运动。 很显然不论是机械仿形车削原理还是数字仿形车削形成原理， 都不利于小批量、 多品种的非圆活塞的加工和新产品的研究与开发。 因为随着活塞的零件品种、产品规格的变化以及在加工过程中凸轮的机械磨损， 必须经常更换凸轮或者经过复杂的计算调整杠杆比来满足实际的加工需要， 从而不可避免的带来了生产准备周期长、工装制造费用高和产品优质率下降等弊端。立体靠模的车削加工对不同的加工平面有着不同的仿形加工精度。仿形速度对精度也有着较大的影响，速度太快仿形精度也就比较低。因此，9 0年代后国外就开始了以活塞为加工对象的非圆截面数控系统的研制，并且将研究重点更多的放在软靠模上，以满足产品的更新要求，使非圆活塞加工的柔性更强。 江苏科技大学工学硕士学位论文 41.4 国内外现状 1 . 4 . 1 活塞异型面车削数控车床的研究发展现状 所谓软靠模技术就是把活塞的横截面形状或数据输入到计算机中，再由计算机系统控制刀具的运动轨迹，从而完成活塞的变截面车削加工。软靠模车削加工方法在使用过程中不会存在由于靠模磨损而造成的加工误差，重复加工精度高，同时具有很大的柔性，因而适用于活塞的快速改型3。 活塞异型外圆数控车削时，x 轴微进给机构驱动的性能直接决定加工精度的高低，因此在车削中需要高刚性高精度的车床本体、微进给机构以及精确的控制系统，这也对机床的各项性能提出了更高的要求，尤其是机床的 x 轴进给系统的伺服特性，要求其具备：足够高的驱动推力，高的进给速度及加速度。目前采用软靠模加工技术实现或部分实现非圆活塞加工的驱动机构主要是压电式驱动机构，电压式驱动机构以及直线电机驱动机构。其中基于直线电机的轴向微进给机构是目前国内外中凸变椭圆活塞加工中研究和应用最多的一种快速驱动机构。 国内在该领域进行较早研究的是清华大学， 采用直线电机作径向进给机构驱动，直线电机内部磁铁采用密度较大的稀土材料，同时采用进行磁化方式的单磁铁结构，该电机的频响大于 2 5 0 h z ，定位精度小于 1 m 。最大驱动力为 5 k g ，静态刚度达 5 0 n / m ，切削力比较小4。 其次是沈阳机床根据活塞加工行业的特点需要， 同中国国防科技大学联合开发了 s u c 8 1 4 8 数控活塞车床，该车床可以加工多种截面形状的活塞（标准依次椭圆、标准二次椭圆、椭圆加偏心圆、椭圆加圆、圆加偏心圆、交错椭圆截面等） 。机床主轴机构采用高精度动静压电主轴结构，并配有液压油冷却系统。主轴轴承采用了这种具有动静压混合油膜结构的轴承，主轴电机采用无级调速，最高转速可达 2 0 0 0转/ 分，主轴回转精度 0 . 0 0 5 m m ，主轴径向跳动 0 . 0 0 2 m m ，轴向窜动0 . 0 0 3 m m 。机床刀架系统采用中国国防科技大学开发的 p t c - 4型高频响应伺服刀架控制系统，响应速度快，精度高，最大推力为 1 6 0 n ，最大加速度可达 1 3 g5。 湖南长沙一派数控机床有限公司研制了 e c k 2 3 2 0 数控活塞异型外圆车床， 主要用于活塞异型外圆的加工，活塞材料为铝合金，其硬度为 9 5 1 4 0 h b ，也可车削立体靠模，其材料必须是硬度小于 h r c 4 0 的钢材等。机床采用运动控制卡控制主轴、z轴、x轴，x轴 z轴联动和三刀直线伺服刀架，通过调用活塞曲面型线数据来加工中凸变椭圆或其他复杂情况的活塞外圆， 三个刀位采用不同材质的刀具，分别车削活塞群部、头部和油槽。主要技术指标为：加工活塞直径为 8 0 2 0 0 m m ，加工活塞长度为 1 0 0 3 0 0 m m ，活塞的最大椭圆度 2 m m , z 轴行程 4 0 0 m m ，x第 1 张 绪 论 5轴行程 8 0 m m ，主轴最高转速 2 0 0 0 r p m ；加工表面粗糙度 0 . 8 m 6。 1 . 4 . 2 活塞异型面车削数控系统的研究发展现状 活塞异型面的加工，引入计算机控制着高速高精度的微进给驱动机构，通过软件编程实现软靠模加工，具有明显的优势，世界上一些研究机构和厂商也先后开始了开放式数控系统的研究。目前最有影响力的分别是由美国、日本和欧洲的o m a c 、o s e c 、o s a c a ，因为这三种研究基本上代表了现在开放式数控系统的发展现状。i e e e将开放式数控系统的定义为：能够在多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用相互操作， 并能给用户提供一种一致风格的交互方式称为开放式数控系统。开放式数控系统具有开放性、可交互性、可扩展性和可移植性等特点。 开放式控制系统体系结构并不是简单的将现有数控系统进行合并， 而是在吸取各个控制系统优点的基础上，反映出控制系统体系结构，开放式系统有“p c +运动控制板”和“数控机床+ p c 主板”两种基本结构。随着运动控制卡技术的日趋完善，p c + 运动控制卡这种开放式控制结构在数控机床上得到了广泛的应用。运动控制卡采用了开放式结构，使用简单，兼容性强。通过 p c机的 p c i总线方式连接运动控制卡，所有资源自动配置，卡的 i / o 信号采用光电隔离，大大提高了控制卡的抗干扰能力。 可以利用 v b 或 v c 等高级语言调用卡上自带的函数库进行数控系统软件的开发，缩短了控制软件的开发周期。 1.5 本课题研究的目的和主要内容 1 . 5 . 1 本课题研究的目的 随着经济的快速发展，科学技术不断进步，船舶和汽车工业已成为我国的重要支柱产业， 而内燃机的工作效率以及可靠性也反映了一个国家内燃机的发展水平。然而决定决定内燃机工作效率的关键零部件之一就是活塞。活塞的性能好坏将直接决定着内燃机的工作效率。这是因为内燃机是一个热能动力机械，活塞工作环境极其恶劣，如果加工质量低将容易导致拉缸而报废，因此有很多汽车和船舶配套生产厂家都建立了自己的活塞生产线， 同时也出现了一些专用的活塞生产厂家。我国活塞的年产量大约有几千万只，但是国内活塞型面的加工方法绝大部分还是沿用立体靠模仿形法， 加工精度很大程度上还是取决于靠模的制造精度和杠杆的传递刚度，加工精度受到制约同时缺乏柔性。比如，船用中高速柴油机活塞基本上是多品种、小批量生产，为了适应目前国内活塞生产状况，迫切需要研制一种高精度和高柔性的数控活塞车床。 江苏科技大学工学硕士学位论文 6针对目前国内活塞加工工艺落后的形势和落后的活塞加工设备的现状， 本课题致力于非圆活塞数控车床的研制和应用， 突破当前活塞数控加工存在的加工精度低、高频响应速度低的技术难题，为制造活塞的企业开发研制出具有高频响应性能、 高加工精度的具有自主知识产权的新型布局的中凸变椭圆活塞数控车床奠定基础。 本课题将研制一种采用 t型布局的机床构型，以直线电机作为轴向进给机构，高精度高柔性的活塞加工的专用数控机床。进行非圆活塞实际切削，验证新机床的非圆加工和数控特性。 1 . 5 . 2 本课题的主要内容 本课题是以 turbo pmac 卡为控制核心，采用 pc 机和运动控制卡的控制模式，研究一种新型的用于中凸变椭圆活塞车削的数控切削车床。论文主要内容如下： 1）非圆活塞数控车床切削原理 以数学公式为基础分析了中凸变椭圆活塞外型面的特性，对活塞的加工方案进行了比较，确定了数控车削方案。 2）非圆活塞数控车床总体方案设计 采用新的设计理念，设计了专用活塞车削的新的 t 型布局数控机床的整体结构，并用 pro/e 建立了机床三维模型。对机床的传动系统进行了设计和校核。 3）非圆活塞数控车床径向进给机构设计优化 高频响、大行程伺服刀架是中凸变椭圆活塞加工中最为重要的部分。本论文设计了伺服电机+直线电机的双层双驱动结构，使刀架具有大量程进给运动同时也能够具有在小位移内高速往复进给。从系统动力学的角度，对伺服刀架进行分析、建模和优化，并设计了伺服刀架的控制器。 4）非圆活塞数控车床系统硬件、软件模块开发 首先设计了数控车床控制系统的硬件。 其次对控制系统的软件进行设计，利用 turbo pmac 运动控制卡的强大控制功能并结合 vc+，开发出符合活塞车削的人机友好界面，并逐步推向产品化。 5）非圆活塞数控车床系统硬件、软件调试和运行 经过车削实验比较，最终选用基于 t u r b o p m a c 卡的各运动轴联动的活塞车削方式。通过厂家提供的活塞数据，进行活塞车削实验，车削活塞精度基本满足要求。 第 2 章 中凸变椭圆活塞型线加工原理及机床总体设计 7第二章 中凸变椭圆活塞型线加工原理及机床总体设计 2.1 中凸变椭圆活塞型线车削加工原理 中凸变椭圆活塞典型形状如图 2.1 所示，活塞研究专家根据活塞在实际工况下的变形特点，结合流体润滑原理，建立了中凸变椭圆曲面的数学模型7，其圆柱坐标系下的表达式为： (1 cos2 )(1 cos4 )2425xxxdgr=+ （2.1） 0022mxdda xx= （2.2） 0 xggkx= （2.3） 其中：0 x为活塞最大直径处的裙长；0d为此处截面椭圆长轴(即活塞的最大直径) 0g为此处截面椭圆度（长短轴之差）；x为活塞任意裙长坐标； xd为裙长 x 处截面椭圆的长轴；xg为 x 处的椭圆度； xr为 x 处截面上的角度处的半径尺寸 为影响修削量的系数，0 为单椭圆规律，1 为双椭圆规律，在 0 和 1 之间为修正双椭圆规律； dx/ 2rxgxxdx/ 2xx0 图 2.1 中凸变椭圆活塞截面图 fig.2.1 cross- section diagram of middle- convex and varying ellipse piston 由上可知，中凸变椭圆工件有以下三个结构要素：1)横截面是一个类似椭圆的曲线；2)过长轴的轴截面是一中凸曲线；3)横截面椭圆的椭圆度沿轴向变化。 下面以标准椭圆面加工为例详细分析其车削原理，设椭圆的参数方程为： 江苏科技大学工学硕士学位论文 8cos ,sin ,2/602xaybntft = （2.4） 式中 a 为椭圆长轴半径（mm）；b 为椭圆短轴半径（mm）；为工件在时间 t 内的转角（rad）；n为车床主轴转速（ r/min）；f为车床主轴旋转频率（hz）；t 为时间（s） 在图 2.2 中用虚线表示刀具的相对工件旋转运动的位置，从图中可知刀尖位置为椭圆上的点，则可得刀尖距主轴回转中心线的距离方程为： 2222cos (2)sin (2)raftbft=+ （2.5） 假设刀尖的初始位置在如图椭圆的长半轴处，即( )ax=0处，则刀具的运动方程为： 2222cos (2)sin (2)xaraaftbft=+ （2.6） 图 2.2 椭圆加工示意图 fig.2.2 elliptic processing schemes 刀具的运动速度为上式的导数方程，即 )2(sin)2(cos22)2cos()2sin(22)2sin()(2cos(2222222ftbftafftftbfftftaxv+= rftbafftbftaftbaf)4sin()()2(sin)2(cos)4sin()(22222222=+= （2.7） 刀具的加速度方程也可推导出，即： 22)4sin()(rftbafva= 32222222222)4(sin)()4cos()(4rftbafrftbaf+= （2.8） 图中凸变椭圆的椭圆度很小，也就是比椭圆的长短轴半径几乎相等，即0)(2 ba。这时，2.6 式近似等于以下简化式： )4cos1 (2)cos2-(12ftbabax= （2.9） 第 2 章 中凸变椭圆活塞型线加工原理及机床总体设计 9该式就是公式 2.1 在0 时单椭圆规律下的式子。 从公式 2.9 可知，活塞车削刀具的运动频率应为主轴频率的 2 倍，运动的最大位移与椭圆度成正比。如果对 2.9 式分别求一次和二次导数得到刀具的运动速度和加速度，从公式 2.7、2.8 我们还可以知道，加工中凸变椭圆活塞时必须要求刀具运动速度分别与中凸变椭圆活塞任一椭圆截面的椭圆度和主轴旋转频率成正比， 要求其运动加速度分别与中凸变椭圆活塞任一椭圆截面的椭圆度和主轴旋转频率的平方成正比，这正是中凸变椭圆活塞加工的难点。刀具必须与工件的回转运动相配合，按椭圆横截面的要求在径向作快速的往复运动，才能车削出正确的变椭圆活塞零件。 2.2 中凸变椭圆活塞截面加工特性实例 下面以一实例来说明活塞加工过程中速度、加速度等的一些特性关系。以镇江柴油机厂生产的中速柴油机为例，图 2.3 为活塞加工示意图，其活塞直径为300mm，长短轴差为 0.4mm，设主轴转速 n=1500r/min，即主轴旋转频率 f=25hz，主轴旋转周期 t=1/f=1/25=0.04s，刀具来回运动变化的频率即为 50hz （主轴旋转频率的两倍）。刀尖在径向的椭圆长短轴半径区间300，300.4上呈 2 25=50hz频率的谐波高速往复振动，刀尖速度和加速度变化曲线如图 2.4 和图 2.5 所示。 1 切削刀具 2 非圆活塞 图 2.3 活塞加工示意图 fig.2.3 the piston processing schemes 江苏科技大学工学硕士学位论文 10 图 2.4 刀尖速度变化曲线 fig.2.4 v ariation curve of tool nose speed 图 2.5 刀尖加速度变化曲线 fig.2.5 v ariation curve of tool nose accelerated speed 从以上两图可以看出，在主轴转速 n=1500r/min，即主轴旋转频率 f=25hz这样的条件下，加工长轴半径 a = 3 0 0 . 4 m m ，短轴半径 b = 3 0 0 m m 的椭圆截面，其最大速度为 0.032m/s，最大加速度则达到了 9.8m/s2，约为 1g。如果要提高其表面质量，则要提高主轴转速，由于加速度的大小与主轴角频率的平方成正比，设新的主轴旋转频率为原来的 2 倍，则加速度为原来的 4 倍，达到 4g，普通机床的实际进给最大加速度0.51g，无法满足活塞车削的要求，所以开发新型的进给机构是必须的。直线电机直接驱动的高速进给系统不仅能满足速度、加速度的要求，并且由于采用直接驱动的方式，取消了中间机械传动环节，不再需要将旋转运动转变为直线运动的丝杆螺母等机构， 其系统精度较普通全闭环系统可高一个数量级，因而是实现高速加工理想的驱动，国际上新推出的高速加工中心均采用直线电机作为进给驱动。 根据中凸变椭圆活塞的车削加工原理可知对于复杂的非圆型面的加工， 采用直线电机做进给驱动的高速进给系统可以很好地提供所要求的运动响应性能。 用第 2 章 中凸变椭圆活塞型线加工原理及机床总体设计 11数控伺服技术来完成活塞类零件的自动车削加工， 用软件控制程序取代传统的活塞加工方法中的硬靠模， 零件的加工精度不再受靠模的精度限制； 当工件的尺寸、形状改变时，只需要调整工件的数控加工控制程序的参数；与用仿形法加工活塞相比， 数控加工方法能有效地缩短生产准备工作所需时间， 获得稳定的加工质量，大幅提高加工效率。 2.3 直线电机的原理和特点89101112 一、直线电机的原理 直线电机的工作原理和旋转电机类似， 也是利用电磁作用将电能转换成为运动动能， 只是在其气隙中产生的磁场不是旋转的， 而是直线方向上呈正弦分布的、平移的，被称为行波磁场。其工作原理如图 2.6 所示。次级导条在行波磁场切割磁力线产生感应电动势和电流，电流和磁场相互作用就产生电磁推力，如果初级是固定的，那么次级就沿行波磁场运动的方向作直线运动。 图 2.6 直线电机形成原理 fig.2.6 linear motor forming principle 直线电机按工作电压可分为交流和直流， 目前满足机床大推力进给部件要求的主要是交流直线电机，从励磁方式分，可分为永磁（同步）式和感应（异步）式两种。永磁式的次级（定子）是永久磁钢，在机床上应用时，需在机床的床身上铺设永久磁钢，在工作台下部反装着三相通电绕组，形成直线电机的初级（动子），其原理如图 2.7 所示。 动子运动方向 a b c n s定子 图 2 . 7 直线永磁同步电机简图 fig.2.7 linear permanent magnet synchronous motor diagram 江苏科技大学工学硕士学位论文 12感应式电机初级与永磁式相同，但其次级是用电栅条来代替磁钢，相当于把感应式旋转电机的“ 鼠笼” 沿其圆周展开。 永磁式直线电机在单位面积推力、 功率因数、 可控性等方面均要优于感应式，但价格较昂贵，安装调试、防尘等方面均不如感应式。而感应式直线电机在性能上己接近于永磁式电机的水平，再加上其自身的优点，所以越来越受到欢迎。本课题采用永磁式直线电机。 二、直线电机进给机构的主要特点 相对比于传统的采用滚珠丝杠传动的进给方式， 直线电机进给驱动系统的特点如下表所示： 表 2.1 直线电机与滚珠丝杠进给方式的比较13 table.2.1 comparison of feeding method about linear motor and ball screw shaft 比较项目 旋转电机+ 滚珠丝杆传动副 直线电机直接驱动 最大速度 6 0 m / m i n 可达 5 m / s 最大加速度 0 . 5 1 g 5 1 0 g 进给力 通过减速可达很高 一般 1 0 k n 控制方式 开环/ 半闭环/ 闭环 只能闭环 磨损 大, 特别是快速运动时 小, 直线导轨是唯一磨损件 传动链 根据力和速度要求而变化, 最短传动链是电机直接驱动滚珠丝杠 零传动链, 直线电机直接驱动最终运动部件 维护性能 中等，传动元件磨损需要调整或更换 好，直线电机本身无磨损 防护要求 需要对导轨和滚珠丝杠进行防护 不仅需要对导轨和滚珠丝杠防护， 特别要防止漏磁吸引铁屑进入 冷却 一般不需要，高速进给时需冷却丝杆 需要 对铁磁性切屑的敏感性 不敏感 敏感 碰撞防护 可以机械防护 机械防护较难, 可采用电子防护 工作行程长度 受滚珠丝杠加工长度的限制 不限 导轨形式 滑动、滚动、直线等各种导轨 直线滚动或气压、静压导轨 从上表来看直线电机有下列主要优点： 1）响应性 一般来讲机械传动件比电气元器件的动态响应时间要大几个数量级。 由于系统中取消了一些响应时间常数较大的（如丝杠等）机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，使反应速度灵敏快捷。 2）高精度性 因为没有机械传动机构限制， 因而减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，可大大提高机床的重复定位精度。 3）传动刚度高、推力平稳 第 2 章 中凸变椭圆活塞型线加工原理及机床总体设计 13在直线电机直接驱动系统中，电机被直接连接到从动负载上，免去了滚珠丝杠副、齿轮箱、齿条与齿轮、传动皮带/皮带轮等传动环节。因此在直线电机与负载之间，不存在传动间隙，实际上也不存在柔度（若不考虑联接螺钉）。因此，当直线电机带动负载时，呈现出极高的动态刚度。 4）高的系统动态性能 直接驱动直线电机还具有极高的加速能力。 大型直线电机驱动系统通常可以得到 35g的加速度，而小型、轻载直线电机驱动系统通常很容易达到 10g的加速度。 5）宽的速度范围和不受限制行程长度 由于直线电机为无框架设计，动子和定子为非接触式部件，不存在机械传动系统的限制条件， 很容易达到极高的速度和极低的速度， 速度基本不受电机限制。而速度的限制一般仅需考虑导轨、轴承、反馈装置的频带宽度等因素，通常可实现超过 5 m / s 或低于 1/m sm的应用速度。 同时还可以在导轨上通过串联直线电动机的定子，就可任意延长动子的行程长度。 6）运行时噪声低、效率高 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，而其导轨副又可采用直线滚动导轨，从而使运动噪声大大下降，同时也降低了其机械摩擦时的能量损耗。 综上所述， 直线电机零传动机构具有响应频率高、 控制精度高、 无反向间隙、加工行程不受限制等特点。 不足之处是控制复杂容易产生振荡、 发热、 电磁振动，电机的特性对运动平台的动态特性影响极大。通过优良的防护技术和控制策略 采用直线电机零传动技术完全能够解决非圆截面加工中所遇到的高速响应等问题。 2.4 非圆活塞数控机床的总体方案设计 本文设计的是一种用于加工非圆截面活塞的数控车床,提出一种新的活塞车床布局结构，床身为倒“t”字形结构，即工件主轴卧式后置、前侧为左右双刀架的卧式非圆活塞数控车床构型，既可进行活塞非圆截面的加工，又具有圆形截面的加工功能。非圆车削采用双层双驱动结构，上层采用直线电机驱动实现高速小位移非圆截面车削的进给运动， 下层采用伺服电机及滚珠丝杆螺母机构用作所加工活塞直径变化的调整，且粗精加工集成与一体。中凸变椭圆活塞车削的主运动为机床主轴的旋转运动，刀具相对工件的进给运动包括 z 轴运动和 x 轴运动，对于中凸变椭圆存在两种联动控制， 即主轴和 x 轴的联动及 x 轴与 z 轴的联动，江苏科技大学工学硕士学位论文 14前一种联动形成非圆截面，后一种联动形成零件中凸的效果。x 轴进给运动是非圆截面加工的关键，由非圆截面加工原理分析可知，若要加工出正确的非圆截面的型线，要求刀具的 x 轴进给运动与主轴的主运动有严格的随动关系，在不同的主轴方位，刀具要求实现所要求的进给量。这就要求在加工非圆截面零件的过程中，刀具的 x 轴进给运动必须与主轴旋转的角度同步。根据非圆截面零件加工的运动分析和功能要求， 本论文进行了非圆截面零件数控加工车床的总体结构设计，其机床总体机构方案如图 2.8 所示。 2311211865714131617410159zc1x2x 1 床身 2 直线导轨 3 伺服电机 4 滚珠丝杠 5 主轴卡盘 6 主轴 7 主轴伺服电机 8z轴伺服电机9 z 轴丝杠 10 主轴箱 11 滑台 12 伺服电机 13 丝杠 14 转塔刀盘 15 工件 16 刀架 17 直线电机 图 2.8 数控机床总体机构设计图 fig.2.8 integral structure design of nc lathe 图 2.9 数控机床总体机构三维 pro/e 模型 fig.2.9 three- dimensional model of nc lathe 在图 2.8 中，机床主轴 6 的驱动电机采用了主轴伺服电机(7)，通过闭环控制调速，以满足活塞加工时不同转速的要求。机床轴向进给驱动 (z 轴)选用了普通交流伺服电机(8)，通过联轴器直接与滚珠丝杆(9)相连，实现轴向进给。机床径向进给(x 轴)运动由直线电机(17)和交流伺服电机(3)共同驱动， 直线电机的次级直接第 2 章 中凸变椭圆活塞型线加工原理及机床总体设计 15驱动刀架(16)实现对活塞的切削，该直线电机空载加速度达到 5g，完全满足活塞自由型线加工高速响应特性的要求。此外，在机床主轴上通过主轴伺服电机）采集主轴的旋转角度，并将之反馈到数控系统，通过数控系统中的软靠模完成与 x轴进给运动的藕合，实现对非圆活塞自由型线的精确加工。也就是说，通过主轴的伺服电机所采集的角度信息和 x 轴直线电机的位移构造的“软靠模”代替了通常的硬靠模完成非圆活塞自由型线的加工，“软靠模”的实现原理如图 2.10所示。 图 2.10 “软靠模原理”示意图 fig.2.10 virtual modeling principle diagram 2.5 本章小结 本章通过对非圆活塞型线车削型线车削加工原理分析， 指出非圆活塞数控车削机床的关键是在径向进给系统的设计及其动态响应能力； 本节介绍了直线电机的原理，在以上基础之上提出了一种新的活塞车床布局结构，床身为倒“t”字型结构， 即工件主轴卧式后置、 前侧为左右双刀架的卧式非圆活塞数控车床构型，采用直线电机作为径向进给机构的一部分进行特种加工，形成了以“软靠模”为原理的非圆活塞数控车床的总体结构设计方案。主轴伺服电机驱动工件软靠模控制器刀架2x江苏科技大学工学硕士学位论文 16第三章 非圆数控车床传动机械结构设计 数控切削机床的机械机构主要由以下几个重要部分组成： 机床主传动系统及主轴相关部件、轴向进给系统、基础件（床身等基础部件）和其它辅助功能的系统及装置（冷却、润滑等）。由于非圆活塞数控机床进行特种加工时轴向进给机构（x 轴进给）在高频切削时与普通机床相比必须有高强度、高刚性、高抗震性的机械结构，这样才能保证高的加工精度。 3.1 非圆活塞加工对机床结构的设计要求 非圆活塞数控切削机床的机械结构设计， 首先必须根据非圆活塞的加工特点对机床所需的运动进行分析。 非圆活塞加工所需的机床运动可分为成形运动和辅助运动， 其成形运动包括工件旋转主运动（c 轴）以及 z 轴和 x 轴的进给运动。主轴的旋转运动（c 轴）是由大功率的常规交流伺服电机直接驱动， z 轴的进给运动采用常规交流伺服电机+滚珠丝杠驱动，而 x 轴的径向进给切削运动由两部分组成，进行精密特种加工是由直线伺服电动机直接驱动，进行普通切削粗加工是由交流伺服电机+滚珠丝杠驱动的转动刀架完成，且 c 轴与 x 轴联动、z 轴与 x 轴联动。 此外，在机床机械结构设计时还应该考虑以下基本的机床性能指标： 1、高传动效率和无间隙的传动 在很高的进给速度下，要求工作平稳，并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。简化机床传动结构、减少传动部件是提高传动效率的有效措施。此外，减轻传动件质量，可提高机床的动态响应能力，尤其对于由直线电机驱动的径向进给轴，其运动件质量的减轻则更为必要。 2、静刚度 静刚度是指机床零部件和整机在静载荷下抵抗弹性变形的能力。 通过合理的结构设计，使整机及相关零部件具有足够的刚度，受载后仍可保持相互位置的准确性。在提高机床传动效率的同时，应使机床具有足够的刚性，以保证活塞型线加工的正确性。 3、抗振能力 机床抗振能力与机床的刚度、阻尼特性、摩擦力特性及固有频率有关。提高系统的阻尼，特别是结合部件的摩擦阻尼，是提高机床抗振能力的有效途径。若第 3 章 非圆数控车床传动机械结构设计 17机床抗振能力差，将使加工后的活塞表面产生振纹，所以机床的抗振能力是保证活塞加工表面质量的重要因素。 4、机床散热、隔热 机床工作时，由于外部热源（如环境温度）和内部热源（如电动机、轴承、切削热等）的影响，使机床各部分的温度变化不均匀而造成热变形，使机床加工精度下降、工作条件恶化、磨损加剧等。为减小机床的热变形，提高热稳定性，保证系统工作的可靠性，在机床结构设计时应注意减少发热量，改善散热与隔热条件。 5、低摩擦因数的导轨 机床导轨是机床基本结构之一。从机械结构方面说，机床加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求。例如，高速进给时不振动，低速时不爬行，有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作，耐磨性要求高，精度保持性好等。机床整体结构布局 3.2 机床整体结构布局设计 机床总体结构的设计是机床设计的重要步骤， 活塞数控车床总体结构设计需要根据活塞结构的特征、加工工艺和运动方案确定。非圆活塞形状、尺寸和重量等因素对机床总体布局有重要影响， 合理的机床总体结构可保证活塞的加工精度和表面质量，提高机床的精度、刚度和抗振性。 根据活塞数控加工的需要，所研制的机床结构形式如图 3.1 图 3.2 所示，其主要机械部件包括数控切削机床床身（1）、x 轴大范围径向进给传动机构（交流伺服电机+滚珠丝杠）（2）、直线电机径向进给加工机构（3）、主轴箱（4）、z 轴传动机构、转塔刀盘（5）及径向传动机构五大部分构成。 图 3.1 数控机床结构正视图 fig.3.1 elevation view of nc lathe 12345江苏科技大学工学硕士学位论文 18 图 3.2 数控机床结构俯视图 fig.3.2 the top view of nc lathe 3.3 数控切削车床主轴箱系统设计 3 . 3 . 1 数控切削车床主轴箱的主轴传动设计 轴是组成机械的一个重要零件，它支撑着其他转动件回转并传递转矩，同时它又通过轴承和机架连接，所有轴上的零件都围绕轴心线作回转运动，形成一个以轴为基准的组合体轴系部件。 为了保证中凸变椭圆活塞的车削精度， 要注意主轴的回转精度、 温升等问题。主轴的回转精度对工件截面的形状有着直接影响。如果主轴温升较高，将会导致主轴箱的抬高，还可能造成扭转现象，在活塞车削过程中使其发生摆动、扭转，影响活塞车削精度。所以主轴采用伺服电机形成伺服闭环控制，通过运动控制卡的反馈来修正误差，提高主轴精度。图 3.3 为本次设计的主轴结构图。同时为了达到最佳切削效果，主轴要求采用无级调速，操作控制方便，机械结构简化。目前在精密数控机床上主轴调速通常采用伺服电机。 因为伺服电机所构成的是一闭环控制系统，启动转矩大、启动