（机械电子工程专业论文）一种新型的非圆轴数控加工系统的研究与开发.pdf

电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 ，摘要 ， 7 活塞是内燃发动机的关键部件之一，工作于高温高压的特殊环境中，并 由此产生热变形和受力变形。现代的发动机活塞裙部被设计为中凸变椭圆型 面( 即纵截面为中凸形，横截面为椭圆形状，且椭圆度沿裙高方向逐渐变 化) ，可以抵消发动机工作时产生的变形，提高活塞的对中性，使活塞承载 均匀，减小冲击，降低发动机运行时的噪声，改善润滑，减少零件的磨损， 提高活塞的工作性能和使用寿命。所以，活塞的加工和装配精度是影响内燃 机性能的个至关重要的因素，研制一种可用于中凸变椭圆活塞加工的数控 系统，对于提高发动机性能、推动我国汽车、航空工业的发展具有重要意 义 本论文的提出了一种新型的非圆数控加工系统，用于横截面为非圆形状 的轴类零件加工，内燃机的活塞裙部的中凸变椭圆型面是其最典型和常见的 应用实例。 我们在一台现有的精密车床上进行革命性改造，将它作为实验机床。先 用数学软件m a t l a b 进行控制算法的图形仿真以验证其可行性，然后进行软件 编制和调试。 【改造后的机床是本系统里面至关重要的部分，它打破了传统车床和卧式 铣床的界限，同时结合了硬靠模的结构特点，成为一种独特的新型机床。正 是由于它的独特结构设计使得本系统具备国内外许多非圆车削加工机床所不 具备的优点：切削力大，柔性好，加工精度高。 与目前现有的非圆轴数控加工方式比较，本论文所提出的系统采用了基 于凸轮的机械式的微进给机构，比通常采用的( 基于直线电机或者电磁吸铁 方式) 微进给伺服机构能产生更大的切削力，刚性更好。，、7 本文阐述的机床系统除了主轴可回转之外，圆盘形刀具也可绕自身轴线 高速旋转。而且，刀具可以根据需要更换，既可铣削，又可磨削，如果关闭 负责微进给的u 轴，还可以进行普通两轴的数控车削，体现了良好的加工柔 性。 在独特的机械结构基础上，本论文创造性地提出了回转坐标和往复平动 电子科技大学机械电子工程学院硕二 = 学位论文 坐标之间的曲线式插补方法，以一种简单凸轮作为硬靠模却可实现几乎任意 非圆横截面的加工成形；提出了变截面加工成形的控制算法；软件设计上， 集成了自动编程和数控插补功能，使曲线逼近和插补运算一次完成，更加方 便用户的使用。 关键词：活塞，中凸变椭圆，非圆加工，微进给机构 i i 皇型垫盔堂塑堡皇王王些鲎堕堡主堂堡堕墨 a b s t r a c t a so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e ，p i s t o n w o u l db ed i s t o r t e di nt h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o nb yt h eh e a ta n df o r c ea c t e d o n i no r d e rt oc o m p e n s a t et h i sd i s t o r t i o n ，m o d e mp i s t o n sw i t hc o n v e xc o n t o u ra n d v a r i - e l l i p t i c a lc r o s s s e c t i o na r ed e s i g n e d ，w h i c hc a n d e c r e a s ew e a ra n d t e a r ，d e p r e s s w o r k i n gn o i s e s ，p r o l o n gp i s t o nl o n g e v i t y a n de n h a n c e e n g i n ep e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，m a c h i n i n gp r e c i s i o na n da s s e m b l yp r e c i s i o no f p i s t o n si n f l u e n c ee n g i n e p e r f o r m a n c eg r e a t l y i ti sv a l u a b l e t od e v e l o pan e wk i n do f c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mf o ra u t o m o b i l ei n d u s t r ya n da i r l i n ei n d u s t r y , w h i c hc a n m a c h i n e p i s t o n sw i t h c o n v e xc o n t o u ra n d v a r i - e l l i p t i c a lc r o s s s e c t i o n i nt h i sp a p e r , an e wk i n do fc n c s y s t e mt om a c h i n es h a f tw i t hn o n - c i r c u l a r c r o s s s e c t i o ni sp r o p o s e d p i s t o n sw i t hc o n v e xc o n t o u ra n d v a r i e l l i p t i c a l c r o s s - s e c t i o na r em o s t r e p r e s e n t a t i v ee x a m p l e so f n o n - c i r c u l a rs h a f tw o r k p i e c e s au n i v e r s a lp r e c i s i o nl a t h ei sr e b u i l tc r e a t i v e l ya st h ee x p e r i m e n tm a c h i n e b e f o r es o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mi ss i m u l a t e d w i t hg r a p h i ci no r d e rt ov a l i d a t ei t s f e a s i b i l i t y t h er e b u i l tm a c h i n e ，i nw h i c hc h a r a c t e r i s t i co fl a t h e ，f e a t u r eo f m i l l i n gm a c h i n e a n d a d v a n t a g eo f e x p l o r a t o r a r ei n t e g r a t e d ，i sa k e yu n i to f t h es y s t e m u n i q u e m e c h a n i c sd e s i g n sm a d et h i ss y s t e mh a v el a r g e rc u t t i n gf o r c e ，e x c e l l e n tf l e x i b i l i t y a n dn i c ep r e c i s i o n o n c o m p a r e w i t ho t h e rs i m i l a rn c s y s t e m ，m i c r o f e e dm e c h a n i s m b a s e do na s i m p l ec a me x p l o r a t o rp r o p o s e d i nt h i sp a p e r , w h i c h c a no f f e rg r e a t e rc u t t i n gf o r c e a n dm o r e d y n a m i cr i g i d i t yt h a n t h ef i n ef e e ds e r v om e c h a n i s mb a s e do nl i n e a r m o t i o na c t u a t o ro re l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r b e s i d e sa nr o t a t a b l ep r i n c i p a la x i s ，t h i ss y s t e mh a sa s p e c i a lc u t t e rl i k ea d i s c w h i c hc a nr o t a t ea r o u n di t s o w na x i sa th i 曲s p e e d t h ec n c s y s t e mp r o p o s e di n t h i sp a p e rc a nm a c h i n ew o r k p i e c eb y t u r n i n g ，m i l l i n ga n dg r i n d i n g ，i f p r o p e rt o o l s a r er e p l a c e d ，w h i c hs h o w se x c e l l e n tf l e x i b i l i t y 1 1 i 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 o nt h eb a s i so f s p e c i a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，an e wi n t e r p o l a t i o nm e t h o d b e t w e e na t u r n i n gc o o r d i n a t ea x i sa n d a nl i n e a rc o o r d i n a t ea x i si sp r o p o s e d f i r s t l y a s i m p l ec a m o u t l i n eu n d e ra f f i n et r a n s f o r m a t i o nc a nf i tm u l t i p l en o n c i r c u l a rc a r v e s o f r e v o l u t i o n ac o n t r o lm e t h o dt of o r mv a r i - s e c t i o ns u r f a c ei sa l s op r o p o s e di nt h i s p a p e r i no r d e r t om a k em a n i p u l a t o r su s et h es y s t e ms o f t w a r ee a s i l y ，t h ef u n c t i o no f a u t o p r o g r a m m i n g i si n t e g r a t e dw i t hi n t e r p o l a t i o nm o d u l e k e yw o r d s ：p i s t o nm a c h i n i n g ，c o n v e x ，v a r i - e l l i p t i c a l ，n o n c i r c u l a rc r o s s s e c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 弥塞幽慨加年弓月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 繇黝司鼍嚣名黧 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 第一章引言 1 1 非圆零件的工业背景 一些轴类机械零件因工作性能要求，其横截面常设计成非圆形状，在汽 车、航空、舰船、印刷、冶金等行业中，有着广泛的应用。举例来说，如汽 车凸轮轴、印刷机械中的轧辊、以及运用在大转矩传动场合的椭圆轴、三角 轴等等，在冶金行业某些领域采用的一种联铸工艺芯棒，甚至呈象牙形。 最典型的应用是如今在内燃机上广泛采用的中凸变椭圆活塞，这种活塞 的裙部的横截面呈椭圆或者类椭圆形状，且椭圆度( 椭圆长短轴之差) 沿活 塞轴向变化，轴( 纵) 截面型线为一条中部外凸的曲线。图1 1 就是一个典 型的中凸变椭圆活塞的外形视图。实际上，一般中凸变椭圆活塞的最大中凸 士0 o o s 图1 1 中凸变椭圆活塞的外形视图 量和最大椭圆度都不超过l 毫米，人的肉眼一般分辨不出来它和一般直圆柱 的区别，所以为了研究和理解绘图的方便我们故意放大了它的部分外形特 征，而忽略其他部分的结构，作示意图1 2 。 活塞作为内燃机的一个关键部件，其裙部的外形从最初的圆柱形开始， 经历了偏心圆锥形、多段圆锥形、单椭圆形的变化，发展到今天广泛采用的 中凸变椭圆形，这种活塞具有如下优点： 1 将活塞工作时由热膨胀等因素产生的变形沿活塞销轴方向扩展，使得裙 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 部横截面变成近似圆形，从而在活塞工作时可以获得更宽、更均匀的承载 面。 ra l a a “a 图1 2 中凸变椭圆型面的示意 2 使活塞裙部与汽缸壁更好地贴合，减小了配缸气隙，有利于降低活塞裙 部比压，减小活塞对汽缸壁的冲击，降低发动机运行时的噪声。 3 另外，中凸的裙部与汽缸壁之间的楔型油隙可以起改善润滑的作用，并 且可以提高活塞的对中性，可大大减少零件的磨损，提高活塞的工作性能和 使用寿命。 1 2 现有的非圆轴加工手段评析 这种非圆轴零件的加工目前主要采用硬靠模和软靠模的方法进行车削。 硬靠模方法又主要分为平面靠模方法和立体靠模方法两种：前者加工裙 部中凸曲线采用中凸模板，加工横截面椭圆采用变杠杆比凸轮仿形机构，加 工头部使用斜面仿形机构；而立体靠模方法则要求与零件形状相同的母靠模 同轴装上机床主轴，然后利用仿形装置制造出与靠模相同形状的零件。两者 比较，采用立体靠模方法加工的稳定性和精度都更好，在普通车床上改装也 更方便，所以在大批大量生产的场合，国内外的活塞厂家多采用立体靠模的 方法车削加工。但是高精度靠模本身的制造、测量较为困难，加工周期长、 成本高，而且一种靠模只能用于加工一种非圆轴零件，柔性差。 软靠模方法是根据非圆轴零件的型面进行编程，以编制的程序作为“靠 模”，采用计算机控制刀具的高频微位移进给机构进行车削加工，这种方法 2 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 有很好的柔性，适合中小批量的生产和试制场合。如果其微进给系统能在大 切削抗力的作用下保持足够稳定的动态特性和进给精度，甚至可以用于车削 立体靠模本身。 本系统采用软、硬靠模相结合的方法，集中了数控单元和机械机构的优 点，是一种新型的加工非圆轴类零件的数控机床。 1 3 非圆数控加工关键技术的分析 在加工典型的非圆零件一一中凸变椭圆活塞的过程中，刀具运动具有较 高的速度和较大的瞬时加速度。因此，驱动刀具的伺服系统必须具有较高的 频响，同时其行程也必须满足加工要求，即伺服机构具有较高的精度，而传 统的伺服元件是不能同时满足这些指标的，必须设计专用的微进给刀架。国 内外已有的非圆零件数控加工技术中，大多采用了位置伺服控制下的电磁吸 铁或者直线电机直接驱动刀架的方式。 1 3 1 电磁吸铁微进给刀架 下面以日本i z u m i 公司与东京大学共同开发的活塞外形加工用高速c n c 车床为例，简单介绍一下采用电磁吸铁方式的微进给刀架。 a 电磁吸铁微进给刀架机构 电磁吸铁微进给刀架由电磁铁、中心轴、移动板、板簧、位移传感器等 组成。电磁铁通电吸引移动板，移动板带动中心轴作一定振幅的高频往复振 动，刀具就安装在中心轴上。 为了提高频率响应，减小质量，控制由于电磁铁发热引起的热膨胀，因 此采用陶瓷材料( a 2 0 3 ) 和特殊铝合金的复合件 。使用板簧的目的有两 个：一是防止中心轴滑动部分的磨损；二是提高频率响应。可直接从位移传 感器读得移动板的位移量，采用带反馈的全闭环回路方式，达到提高精度的 目的。位移传感器采用非接触式电涡流式传感器，分辨率为0 5 um ，测量 范围0 2 m m 。 b 电磁吸铁微进给刀架的特性 i2 电磁吸铁微进给刀架驱动力的计算公式：，= 七。式中：f 一一 电子科技大学机械电子工程学院硕七学位论文 图1 3 电磁吸铁微进给刀架结构示意 吸引力，k 一一电磁铁常数，吼 流。移动板按x = s i nc o t 运动时 一一电磁铁与衔铁之间的距离， 控制电流i 的振幅i 。按下式计算 = 篆2 + 昙如 式中：c o 一一控制电流的角频率，a 一一移动板的振幅，d 。一电磁铁与 衔铁之间的距离，i 。一一偏置电流，m 一移动部分质量。 1 3 2 直线电机微进给刀架 以下分别以美国和日本在这个方面的应用，说明直线电机微进给刀架的 结构及特点。 美国c r o s s 公司曾发明了一套硬件和软件系统，见图1 4 。其微进给刀 架将底座、前板、头盖和头罩装配在起，并将直线电机和传感器封装入 内。直线电机由磁铁组件和线圈组件组成，磁铁组件圆周布置与轴同心，线 圈组件也圆周分布并与磁铁组件同心。磁铁组件包括u 形框架、磁铁、磁 铁在框架内沿圆周布置，呈环形，长度远小于框架，并固定在框架内，与轴 同心：线圈组件包括线圈、筒管，筒管通过盖板与刀夹相连。刀夹是一个空 心方钢，通过安装上、下滚轮精确引导刀夹，滚轮提供约束，传感器提供位 置和速度反馈，用作闭环控制。该刀架用来精确加工工件，具有及时修正工 件位置信息的能力，仅仅改变c n c 程序就可加工不同形状工件。 日本泷泽铁工所研制的t p s 一3 0 0 车床的x 轴和z 轴与一般的数控车床相 同，x 轴只作为径向大尺寸的定位用；而非圆轮廓的加工则由u 轴、c 轴、 4 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 图1 4c r o s s 2 0 0 0 直线电机微进给刀架 z 轴配合完成。u 轴是由直线电机控制的微进给刀架，加工形状精度为5 um 。如图1 5 。 主轴台 划槊 图1 5t p s3 0 0 c n c 车床的平面结构示意 u 轴的结构见图1 6 。u 轴在设计时重点考虑如下几点：低惯性、高刚 性、耐磨性、低热膨胀。为满足以上要求，运动材料采用散热陶瓷；另外， 导轨采用特殊材料制成的直线运动支承，该材料需考虑如下问题：临界润滑 条件下的摩擦系数及磨损量，热膨胀系数。 在主轴进行椭圆加工时，主轴每转1 转，则刀架需往复进给2 次，为了 电子科技大学机械电子： 程学院硕士学位论文 图1 6u 轴结构示意 提高主轴速度，就要求微进给刀架有很高的频响特性。如在加工正弦波形状 的椭圆时可用下式求出刀架的加速度。设往复进给次数为f 。 y ：罢“n ( 2 , r f o yr ：罢2 厅s i n ( 2 a - j 2 _ ) y ”一, 4o ( 2 t r f ) 2 s i n ( 2 , t f l ) 式中c 一一主轴转数，a 一椭圆长轴半径与短轴半径之差，y 一刀架进 给量，少 一一刀架进给速度，一刀架进给加速度。 另外，电机的加速度可用下式求出： 痧：盟 j c j 。 式中：扫一电机加速度，丁。一一电机加速力矩，f 一一切削力矩， 以一一旋转惯性，。一一负载惯性。将上式换算为直线往复运动的加 速度，则： 一：丝，其中：l 一一滚珠丝杠螺距。 2 a - 1 3 3 比较 两种主要的非圆数控车削中微进给刀架的比较：电磁吸铁式微进给刀架 输出力大，频响特性好，但行程较小，电磁线圈发热会导致非线性误差的产 生，而直线电机式微进给刀架可以达到高频响、大行程、微进给、高精度统 一，但体积相当的情况下输出力较前者小。二者各有利弊。 目前国内一些大学和科研机构研制的数控活塞车削系统一般采用基于直 6 生王型垫盔堂塑堡皇兰三型堂堕堡主堂焦堡壅 线电机微进给刀架，取得了很好的效果，但在实际应用中的某些场合还存在 线性和动特性较差、受突加负载的影响大等问题。 1 4 本系统的主要特点 本系统另辟蹊径地采用软、硬靠模相结合的方法，集中了数控单元和机 械机构的优点，使用一种简单的凸轮靠模，却可以拟合加工各种非圆截面轮 廓线。采用的刀架结构和刀具使得机床同时具有车床和铣床的特点t 只要更 换一下刀具，甚至还可以进行磨削，特别适合切削高硬度和其他切削抗力较 大的材料，能够直接加工非圆立体靠模。是一种加工非圆轴类零件的新型数 控机床。 7 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 第二章系统方案设计 2 1 系统的总体结构 本系统采用模块化的设计，主要由机床、功率放大驱动模块、控制检测 模块组成。整个系统的构成如图2 1 所示。 机床部分是在大连机床厂生产的一台精密数控车床的基础上创新改造而 成：包括x 、z 、u 三个方向的进给机构，其中u 轴专门用于径向的微量往 复进给，是本系统中的关键部件：刀具结构不同于普通的车刀，可以绕自身 轴线回转，也是本系统的一大特点。论文的第三章将会详述机床部分的设 计。 控制检测模块包括计算机、计数卡、i o 卡以及( 主轴) 光栅编码器等 机床感知器件：i o 卡主要用于输出电机的控制信号( 经功率放大后驱动电 机) 和接收面板上手工输入指令信号以及部分检测信号；光栅编码器与机床 主轴同轴安装，用于检测主轴转角的变化，计数卡则用于接收编码器产生的 表示角度的脉冲，还可控制各轴电机的转速( 频率) ：另外，行程开关用于 运动出界的保护检测，零点开关则用于各轴回零时的检测，它们产生的信号 通过i 0 卡输入计算机。 2 2 系统的功能及特点 1 实现u 轴与c 轴( 主轴回转自由度) 的曲线插补，可以完成各种非圆横 截面轮廓线的加工。 2 与目前一些同类的数控机床相比，本数控系统能够承受较大的切削抗 力，可以胜任硬质材料的加工。 3 刀具自身能够高速旋转，并且方便更换，既可铣削，也可磨削。 4 使用u 轴可以加工非圆轴类零件，关闭u 轴则可以加工普通的( 正圆) 回转轴类零件。 5 具有模拟加工功能，加工轨迹可在屏幕上显示，以验证插补数据的丁f 确 8 电子科技大学机械电子： 程学院硕士学位论文 性。加工时动态显示各轴状态。 6 系统具有反向传动间隙补偿和系统传动误差补偿的功能，以保证加工精 度。补偿值由操作者经实测设定。 7 操作面板清晰，功能完全。加工过程可实现暂停、急停、调速。 2 3 系统的软硬件平台 2 3 1 硬件配置 控制系统采用基于i s a 总线的工业控制p c 作为控制主机，配置p i l 3 3 3 c p u ，2 m 内存，1 5 g 硬盘，1 4 4 m 软驱和1 5 英寸标准v g a 显示器。选用 威达i s o p 3 2 c 3 2 光电隔离输入输出板作为接口，可提供3 2 路的光电隔离输入 和3 2 路光电隔离输出，以自制的8 2 5 3 电路板作为计数器，控制凸轮转速与主 轴的转动同步协调。这样的硬件配置保证了该系统能在干扰较大的工厂车间 里稳定地运行并且为将来进一步的软件升级和系统改造留下了一定的空间。 我们选用的自制8 2 5 3 电路板，既有定时作用，又有计数作用，通过产生 硬件中断，调用中断服务程序，控制凸轮电机的转速与主轴光电编码器产生 的脉冲相协调。 2 3 2 软件平台和开发工具的选择 众所周知，微软的w i n d o w s 系列操作系统已经是现在事实上的主流操作 系统，许多第三方软件丌发商的软件产品都是基于w i n d o w s 操作系统的。因 为w i n d o w s 9 8 以上的w i n d o w s 操作系统作为一种多任务的操作系统，它与 m s d o s 相比，的确具有很多优点： 1 同时运行多道程序，执行多项任务。各程序和各任务之间既能很容易地 转换，又可以方便的交换信息。利用d d e ( 动态数据交换) 和o l e ( 对象的 连接与嵌入) ，使得信息交换自动完成，在一个程序中对数据的修改，立即 在另一个程序中反映出来。实现了操作环境的集成和自动化。 2 与标准的m s d o s 相比，w i n d o w s 能更充分地利用内存。w i n d o w 提供 了标准模式和3 8 6 增强模式等多种运行方式，整个系统是在c p u 的保护方式 9 皇主型垫盔堂塑塑皇兰三型堂堕堡主堂堡笙苎 下运行的，应用程序都可以突破6 4 0 k 的内存限制，可以利用计算机的所有 一 图2 1 系统构成框图 电子科技大学机械电子：r 程学院硕士学位论文 内存，还可以用硬盘来作为虚拟存储器，并且不需要专门的硬件和驱动程 序。 3 w i n d o w s 开发环境及各种支持软件已经成熟。几乎所有的主要p c 软件 都有支持w i n d o w s 的版本。各种程序开发语言也纷纷支持w i n d o w s ，使得用 户能方便地开发出具有m sw i n d o w s 窗口特点和功能的应用程序。因而软件 开发工作也越来越方便。 4 应用界面友好直观，人机交互非常方便简单。 但是w i n d o w s 是基于一种叫做“消息队列”的思想来对运行程序进行管 理。它可以同时管理多项任务。但对于来自各项任务及硬件的请求信息 w i n d o w s 只是将其经过处理后转换成相应的消息放到消息队列中等待处理， 因此与实时单任务的d o s 相比而言，其实时控制能力较低。对于数控系统来 说，系统响应的实时性恰恰是最重要的指标之一。系统的实时性不仅会影响 加工效率，还会影响到加工质量。而且另外w i n d o w s 不提倡用户直接对硬件 进行操作，系统完全接管了各种硬件资源，不允许用户直接控制中断( 以便 于其统一管理软、硬件资源) ，程序员只能编写v x d ( 虚拟设备) 驱动程序 或通过各种a p i ( 应用程序接口) 函数来同硬件打交道。这样使得要在 w i n d o w s 环境下利用中断编写数控控制程序变得复杂且不可靠。所有这一切 都是将数控程序转到w i n d o w s 环境下重要障碍。 d o s 作为一种早期应用最广的操作系统，其发展历史长，技术成熟。 d o s 内部的管理机制及结构大部分都已经公开，基于d o s 平台的软件开发可 以做到心中有数。而且单任务的d o s 操作系统实时性、可靠性都比较好，适 合用于数控开发。但是用过d o s 的人都知道，d o s 操作系统的字符界面很不 友好，而且由于历史原因d o s 对内存资源的管理能力有限，不利于充分利用 硬件资源。 在综合分析了系统的结构以及对d o s 内部些未公开的内幕技术以后， 我们决定采m s d o s 6 2 2 作为主控机的操作系统平台，以t u r b o c 2 0 作为 开发工具，尤其采取以下措施来改善d o s 下软件通常的缺陷，综合一些 w i n d o w s 的优点： 1 在开发的人机界面上全部使用中文，所有操作过程、状态信息以及出错 电子科技人学机械电子： 程学院硕士学位论文 信息都以中文对话框形式出现。而且界面风格尽可能模仿w i n d o w s 窗口， 命令执行可通过下拉菜单或者自定义热键，给使用者以最大的方便。 2 使用e m m 标准规范，来管理扩展内存，突破d o s 通常情况下只能管 理1 m 地址空间的限制。 之所以选用c 语言作为软件系统的开发语言，是基于以下考虑： 1 c 语言允许直接访问物理地址，能进行位操作，能实现汇编语言的大部 分功能，可以直接对硬件操作，被称为“高级语言中的低级语言”。在我们 的数控系统软件不可避免要遇到底层的端口读写和中断处理等操作，硬件控 制能力极强，而又兼有高级和低级语言的c 自然成了首选。 2 c 提供丰富的运算符和数据结构，尤其是指针类型数据，使得开发既灵 活又方便。 3 与汇编语言相比，用c 所写程序可移植性好，基本上不作修改就能用于 各种型号的计算机和各种操作系统。为我们今后升级系统硬件和移植数控软 件到其他操作系统，提供了极大方便。 1 2 电子科技火堂垫塑皇三三堡堂堕堡主堂焦堡墨一 第三章机床系统 机床系统是本系统里面至关重要的部分，它打破了传统车床和卧式铣床 的界限，同时合了硬靠模的结构特点，成为一种独特的新型机床。我们的试 验机床是在精密车床的基础上进行了革命性的改造，如图3 1 和3 2 所示。 正是由于它的独特结构设计使得本系统具备国内外许多非圆车削加工机床所 不具备的优点。 a 大 3 ，i 机构正面( 主视) 示意图 小拖板 3 2 机构a 向局部示意图 凸轮 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 3 1 刀具 刀具外形如图3 _ 3 所示，呈圆盘形( 类似盘铣刀) ，能绕自身轴线高速 旋转，依靠单独配备的电机，通过一级齿轮降速驱动，还可根据加工需要方 便地更换刀头( 比如换成磨削砂轮等) ，进行磨削加工。 彩托 嶙签 图3 3 刀具外形示意图 根据我们调研、查新的结果，国内外绝大多数的数控非圆( 活塞) 加工 系统：无论是使用硬靠模的机械方法，还是使用软靠模的纯数控方法都仍然 采用车刀车削加工( 目1 d l ：l 工时，主轴回转，刀具被固定刀架上，只能依靠拖 板作轴向和径向的平动而没有围绕自身轴线的转动) 的方式。这样一来，为 了保证活塞加工的表面质量，主轴必须高速旋转( 大于7 0 0 1 5 0 0 r r a i n ，甚 至可达至l j 3 6 0 0 f r a i n 左右) ，要求径向往复运动的伺服机构必须具有很好的频 响特性，这也是这也是普通非圆( 活塞) 车削系统设计开发的一大难题，为 此不少的高校和厂商研发机构，设计了专用的直线电机、专用的高频微进给 伺服刀架，同时还必须研究适宜的控制算法，例如基于p 1 d 前馈控制算法、 基于小脑神经网络的学习控制算法等，取得了很好的效果。 本系统采用的刀具结构，则巧妙地避开了这一矛盾。在不需机床主轴高 速旋转的情况下，因为刀具的自身高速旋转一样可以得到很高的相对切a 0 速 度，保证了加工的表面质量。 在我们最初的设计中，驱动刀具的电机被固定在大拖板上，通过一级皮 带轮降速来带动刀具旋转，为了保证降速( 传动) 比和皮带的张紧力，我们 还特别使用了同步带和张紧轮：张紧装置也固定在大拖板上，如果中拖板或 者小拖板作径向移动，那么与电机同轴相联的主动带轮除了自身的旋转外没 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 有与大拖板的相对运动，而与刀具同轴相联的从动带轮会相对大拖板作径向 的移动，两个带轮之间的中心距将会发生变化，当中心距加大的时候，张紧 轮的作用力减小，而中心距变小的时候，张紧轮作用力加大。实践的结果表 明，这种结构设计的加工效果很好，刀具的转速很稳定，没有皮带松脱打滑 或者断裂的情况发生。 但是，前面的设计只适合加工径向尺寸变化很小的非圆截面零件，而且 电机支架的高度和方位调整以及张紧机构的调整都需要一定的经验，颇费人 工，所以在我们最新的设计中，将驱动刀具的电机和一对降速齿轮都固定在 小拖板上，摒弃了带轮传动，如前图所示。完全可以加工径向尺寸变化较大 的非圆截面工件，而不用担心传动比变化、刀具转速不稳定等情况的发生。 3 2 u 轴传动链 3 2 。1 花键轴 u 轴的驱动电机固定在床身的尾部，经过一对降速齿轮把旋转运动传递 到花键轴，而花键轴的两端由轴承固定在床身上，同轴安装的锥齿轮1 内制 花键孔与之配合，这样锥齿轮1 既可以在花键轴的带动下同轴转动，还可以 沿着轴向移动。 3 2 2 锥齿轮 本系统采用的直齿锥齿轮1 、2 之间的传动比为1 ，其主要作用是改变 运动方向，传递动力。 如果轴l 的轴承外圈固定在床身上，大拖板一旦产生纵向位移，必然会 带着中拖板上的顶杆脱离与凸轮的接触，而且因为凸轮位于中拖板空腔中， 大拖板又在中拖板之下，所以凸轮可能跟大拖板的位移发生空间干涉，却不 会与小拖板干涉。故此，在我们的设计中，凸轮和锥齿轮2 固连在轴1 上， 而轴1 则通过轴承固定在大拖板上，只有这样才可能既保持轴l 的自由回 转，又不会在大拖板纵向移动的时候，发生位置干涉或者使凸轮脱离顶杆。 锥齿轮1 的花键内孔只能保证它与花键轴的同轴转动，但不能保证两个 锥齿轮之间必需的啮合间隙和轴向力，显然如果锥齿轮1 仅仅只是嵌套在花 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 键轴上，只需大拖板在纵向导轨上往返移动一个来回，锥齿轮l 、2 就会完 全脱开，无法啮合。所以，在我们的设计中，锥齿轮1 的轴柄部分套有轴 承，轴承的外圈就固定在大拖板上，这样锥齿轮l 既可随花键轴转动，又可 以跟着大拖板在花键轴上来回移动，而且因为锥齿轮1 、2 之间没有相对的 平动，所以啮合所需的间隙和轴向力都能得到保证。 3 2 3 拖板 伺服运动的机构为三层拖板结构：z 轴拖板、x 轴拖板、u 轴拖板。板 与板之间都是燕尾槽导向，如图所示。x 轴、u 轴拖板的运动方向相互平 行，负责带动刀具的径向进给，z 轴拖板的运动方向与前两者垂直，负责带 动刀具的轴向进给。 z 轴拖板，通常也被称为大拖板，它是由z 轴电机驱动，通过了一级传 动齿轮降速，然后经由滚珠丝杠来带动。 x 轴拖板，也叫小拖板，它是由x 轴电机直接通过滚珠丝杠驱动。 u 轴拖板，暂且称之为中拖板，它位于大小拖板之间，通过两组弹簧和 导向柱与大拖板相连，调节弹簧始终处于拉伸状态，使凸轮和顶杆( 顶杆与 中拖板固连) 保持可靠的接触、顶紧，专门负责带动刀具的径向往复运动。 本系统采用的这种结构，使得u 轴具备很好的刚性，能够承受较大的径 向切削抗力，可适用于很加工材质较硬的工件，而且由于凸轮在加工过程中 单向运转，所以没有回程误差，使得非圆横截面的轮廓精度得到很好的保 证。 如果关闭u 轴电机，该机床甚至完全可以用于一般的数控车削和外圆磨 削加工，具有很好的柔性。以上结构特征是其它以直线电机为基础的数控非 圆加工系统( 软件靠模) 所不具备的。 3 2 4 凸轮 如果用步进电机通过滚珠丝杠直接驱动中拖板往复运动，原理上完全可 行：只要选择导程、中径、精度和承载要求合适的滚珠丝杠，运动的精度完 全可以达到要求。事实上，在设计之初的试验阶段，我们也曾使用滚珠丝杠 1 6 电子科技人学机械电子f ：程学院硕士学位论文 来驱动中拖板，但由于活塞一类的非圆零件径向变化的尺寸非常小，丝杠上 的很短段总是处于和螺母频繁摩擦的状念，很快就在那段磨损破坏，而 丝杠的其他部分还是完好的。 所以，我们最终淘汰了滚珠丝杠的方案，选用了凸轮，而且是最简单的 偏心圆凸轮( 当然也可以采用其他形式的凸轮) 驱动u 轴拖板往复运动，只 要按照一定算法规律控制凸轮转速，却可以拟合形成几乎所有的( 横截面 的) 非圆轮廓线。因此该系统具备很好柔性。而这种特点是一般基于硬靠模 的非圆活塞车床所不具备的。 前面已经提到，凸轮和顶杆之间的接触和顶紧是依靠大拖板和中拖板之 间的弹簧产生的拉力，所以我们采用对心直动顶杆凸轮机构，一方面增加了 系统的刚性，使得刀具能够胜任些硬质材料的切削，另一方面凸轮轮廓线 的起伏规律可以较为直接地反映在推杆地往复直线运动上。 电子科技火学机械电子工程学院硕士学位论文 第四章中凸变椭圆型面的成形方法 本章论述了数控加工中凸变椭圆型面的成形方法，按照先分解后合成的 成形机理，将中凸变椭圆的型面分解为“椭圆”、“变椭圆”和“中凸”三 个基本特征，对每种特征进行数学描述，提出相应的成形方法。最终采用微 椭圆柱堆砌成整个型面，生成控制刀具运动轨迹的加工数据文件。 4 1 中凸变椭圆型面的基本特征与数学 描述 4 1 1 横截面型线的数学表示方法 一般情况下，横截面都不是标准椭圆，而是非标椭圆( 或称类椭圆) ， 设计图纸上通常由列表点( 离散点) 来表示。 由于横截面型线具有对称性，所以只用考虑第一象限内的曲线即可。设 给定横截面内的离散点为( ，r 。) ，( a 。，r ，) ，( 口。r 。，) ，起点和终点 的一阶导数分别为r 。和f 。，一般在设计图纸上常采用椭圆长半轴e 。和 径向缩减量，表示，也就是r ，= r 。一缸，如图4 1 所示。 图4 1 类椭圆截面列表点曲线 1 8 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 4 1 2 纵向中凸型线的数学表示方法 中凸变椭圆型面零件轴截面内的型线在设计图纸上一般以离散点的形 式给出，如图4 2 所示。各个离散点用轴向坐标z 和直径( 或半径x ) 描述，即离散点可用有序数对( z 0 )，( z 。，x ，) ，( z ：，x ：) ， ( z ，1 ，x i i - i ) ，( z 。，x 。) 表示。 瓴，吒) 0 图4 2 纵向列表点曲线 4 1 3 横截面椭圆形状变化( 即椭圆度变化) 的数学表示方法 z 根据中凸变椭圆活塞的设计原理，裙部的椭圆度应沿着裙高方向呈线性 变化： 式中的b 为椭圆度的变化斜率。 但是为了加工和测量的方便，在实际设计图纸中，一般给出给出若干个 横截面的轮廓型值点。设图纸已给定，z l ，z ：，z ，。 ，z ， 的 截面形状分别为f ( z 。) ，f ( z ) ，f ( z ：) ，f ( z 。，) ，f ( z 。) ，其中 厂( z ，) ( i = 0 ，1 ，2 ，t 1 ) 具有如下列表( 表4 1 ) 点的形式，通常以相 对于横截面长半径的径向缩减量表示。 1 9 电子科技大学机械电子工程学院硕士学位论文 表4 1 横截面的轮廓型值点列表 角度 盘0口i a m i 截汆 ( 0 o )( 9 0o ) 1 f o ( z 。)a r o ，la r o - 2a r o ，m l 一( z 。) _ _ 2_ j ， l ! i ：，( 乙)a r ，2l ，。 4 2 中凸变椭圆型面的成型方法 按照上面的方法，可将中凸变椭圆型面特征分解为三个结构要素：“椭 圆”、“变椭圆”和“中凸”。首先分别考虑每个要素的成形方法，然后再 合成，最终生成加工数据。 4 2 1 横截面椭圆轮廓线的生成方法 以离散点表示的横截面椭圆，首先要进行曲线的插值拟合，为了保证得 到光滑连续的曲线，我们采用三次样条曲线插值法，让已知的型值点作为插 值点，可以使得这些点处的插值误差为零。 设( 类) 椭圆曲线上任意一点的极坐标为( 口，月 ) ) ，如果 口， a 口“，那么极径足( 口) 为 地) 地譬卫菩+ ( 詈一半) ( 等一半阶d ) ，) 其中m ，( i ：o ，1 ，n ) 满足( 4 - 2 ) 和( 4 3 ) 方程组： 鱼l 二鱼一墨二坠 啉1 + 2 ”叫j + l = 6 e 2 0 ( 4 - 2 ) 电子科技人学机械电子：r 程学院硕士学位论文 2 蛉丢( 半划。) ( 4 1 3 ) 已岳u l 。= 口，一口，一1 兄：生 三，+ u = 1 一旯 解出m ，带入( 4 一1 ) 式即可求出类椭圆的光滑插值曲线p = r ( 口) 。 我们现在就可以把由离散点插值得到的样条曲线当作目标曲线，用凸轮 变形曲线逐段逼近( 本文第五章将会详细论述) 。 凸轮变形曲线逐段逼近法是在本系统特殊机械设计的基础上产生一种独 特的成形方法：u 轴专门控制刀具的径向微量伸缩，它的往复运动与主轴的 匀速转动相协调，会在主轴垂直平面上产生一条封闭曲线，采用适当的控制 算法这条曲线会经过横截面上所有的型值点。 因为u 轴在我们的系统里是由一个凸轮来驱动的，凸轮的变速旋转使得 其轮廓曲线在与主轴垂直的平面上发生变形( 仿射变换) ，所以我们称这种 成形方法为凸轮变形曲线逐段逼近法。 因为每段凸轮变形曲线要在目标曲线上的节点取定以后才能完全确定， 所以不能事先判定逼近的精度，所以我们采取了试算法来取定节点口。s ， 酣s ，a s ma 图4 3 凸轮变形曲线逐段逼近类椭圆 2 1 电子科技大学机械电子_ 程学院硕士学f 7 ：论文 4 2 2 轴截面中凸曲线的生成方法 轴截面中凸曲线一般也以离散点的形式给出，如图4 2 。同样应该首先 采用三次样条插值法拟合出光滑连续曲线作为目标曲线。设图示中凸曲线在 起点和终点的一阶导数为和x ，则对任一点z 。 z z ，其函数值 x ( z ) 为： m m 。譬一掣+ c 詈一半_ 。+ c 等一半，叫 ( 4 - 3 ) 其中，m 满足如下方程组： z 卟丢( 半叫。f ) ( 4 - a ) m ，+ 2 m 沪导( 一兰每丛) ( 4 - 5 ) l hl ” u ，+ 2 m ，+ 旯，m = 6 ( 长l 一生粤) 舭，+ 三) ( 4 - 6 ) 厶_ 1“， 已知： l ，= z ，一z f _ l 五：生 ，+ ，+ i u = 1 一五， 解出m ，带入( 4 3 ) ，可得样条曲线x ( z ) 。 将插值得到的光滑连续曲线作为目标曲线，实际加工时，中凸曲线的生 成采用等精度直线逼近法，如图4 4 所示。