（电力电子与电力传动专业论文）中凸变椭圆活塞车削控制技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o n c i r c u l a rs e c t i o nt u r n i n gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g , e s p e c i a l l yi nt h ep i s t o nm a c h i n i n g a d d r e s s i n gt h em a c h i n i n go ft h ep i s t o n sw h i c ha r e n o n c i r c u l a ri nc r o s s s e c t i o na n d o rw h i c ha r eb a r r e l e da l o n gt h e i rl e n g t h t h et e c h n i c a la s p c c t s r e l a t e dm i d d l e - c o n v e xa n dv 咖e l l i p s ep i s t o nt u m i n ga r ed i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n , e s p e c i a l l yf o ra n t i - d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c eo f t h es e r v ot o o lh o l d e r i ti n c l u d e ss u c hc o n t e n t sa s f o l l o w s ： 1 b a s e do ns y n t h e t i ca n a l y s i so ft h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i e so fl r a d i f i o n a lm i c r o - f e e d m e c h a n i s mf o rm i d d l e - c o n v e xa n dv a r y i n ge l l i p s ep i s t o nt u r n i n g ，t h et e c h n o l o g i c a l s t e pt or e a l i z em i c r o - f e e dw i t hh i g hf r e q u e n c yr e s p o n s ea n dl a r g et r a v e lw a sc o n c l u d e d am i d d l e - c o n v e xa n dv a r y i n ge l l i p s ep i s t o nn u m e r i c a lc o n t r o lt u m i n gs y s t e m ，w i t ha m o v i n gc o i lt y p el i n e a rm o t o ra c t u a t o rd r i v e nt o o lh o l d e rh a sb e e nb u i l t 2 a d d r e s s i n gt h eh i g h s p e e ds e r v ot e c h n o l o g yf o rt h em i d d l e - c o n v e xa n dv a v a n ge l l i p s e p i s t o nn u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n gm a c h i n i n g ，t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rm i d d l e - c o n v e xa n dv m y i n ge l l i p s ep i s t o nn u m e r i c a lc o n t r o lt u m i n gw a sc o n f i g u r e d i nt h e r e s p e c to fs o r w a r e ，an e wi n t e r p o l a t i o nm e t h o dw a sp u tf o r w a r d a sf o rt h eh a r d w a r e ， ap c b a s e dh o s t - s l a v ec o n t r o ls y s t e m ，w i t had i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a st h es l a v e c o n t r o l l e rw a sd e v e l o p e di nt h en e e do f h i g h - s p e e ds e r v o 3 h i 曲f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dl a r g et r a v e ld r i y e nt o o lh o l d e ri st h em o s tk e yp a r ti nt h e p r o c e s so fm i d d l e - c o n v e xa n dv a r y i n ge l l i p s ep i s t o nt u m i n g al i n e a rm o t o ra c t u a t o r d r i v e nt o o lh o l d e ra n dr e l a t e dm e c h a n i s mw 孵d e s i g n e d a n di t sm o d e lw a sg i v e ni nt h e v i e wo fs y s t e md y n a m i c s b a s e do nt h em o d e l o n ec o n t r o l l e ro n l y 、 ，i mt h ev e l o c i t y f e e d b a c ka n dt h eo t h e rw i t hb o t hp o s i t i o na n dv e l o c i t yf e e d b a c kc l o s e dl o o pw e r e d e v e l o p e d ，t h e i rp e r f o r m a n c e sa n di t si n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo ft h em a c h i n e dp a r t s w e r ea l s od i s c u s s e d 4 r e p e t i t i v ea c t i o ni sn e e d e db yl i n e a rs e l v od r i v es y s t e mi nt h ep r o c e s so f m i d d l e - c o n v e x a n dv a r y i n ge l l i p s ep i s t o nm a c h i n i n g t h ei n p u ti s1 ) m o d i cs i g r l a lo rc o m m a n d ，t h e o u t p u ti sr e q u i r e dt os t a b l y 廿a c et h i sk i n do f p e r i o d i ci n p u ts i g r l a lw i t h o u ts t a t i ce r r o r 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 r e p e t i t i v ec o n t r o lh a sg o o dt r a c ee f f e c ta n dd i s t u r b a n c er e s t r a i n tf o rp e r i o d i cs i g 删 a n d o rp e r i o d i cd i s t u r b a n c e t h ee s s e n c eo f r e p e t i t i v ec o n t r o li sr e v e a l e db yt h o r o u g h l y a n a l y z i j l gt h es t a b i l i t yo f r e p e t i t i v ec o n 扛d ls y s t e m 5 a n t i - d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c ei sak e yp r o b l e mi nt h ep r o c e s so fm i d d l e - c o n v e xa n d v a r y i n ge l l i p s ep i s t o nm a c h i n i n g t oi m p r o v et h et r a c k i n gp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m a n dt h ea b i l i t yf o rt h es e r v ot o o lh o l d e rt o 蛹e c tp e r i o d i cc u t t i n gf o r c e ，3n e wc o n t r o l m e t h o d sh a v e b e e nd i s c u s s e d ，a n dt h e yw e r ea n a y z e db yt h e o r e t i c a a n a l y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t r a c k i n ga n dd i s t u r b a n c er e s t r a i n tf o rp i s t o nl a t h el i n e a rs e r v od r i v es y s t e mh a sb c c n i m p m v e de f f e c t i v e l yb yt h et h r e em e t h o d s g o o dv e f f o m 啪c e sh a v eb e e na c h i e v e d a n dh a v eac e r t a i nt h e o r e t i c a li n s t r u c t i o ns e n s e k e yw o r d s ：m i d d l e - c o n v e xa n d v a r y i n ge l l i p s ep i s t o n ，l i n e a rm o t o r ，z e r op h a s ee r r o r t r a c k i n gc o n t r o l l e r ( z p e t c ) ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ( s m c ) ，d i s t u r b a n c eo b s e r v e r 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 、 签名： 盘盘 日期：一皇! ! 兰：i ：! l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：建鱼导师签名：塞l 基曩 日期： 沈阳工业人学硕士学位论文 1 1 课题来源 众所周知，一些轴类机械零件因工作性能的要求，其横截面常被设计成非圆的截 面，常见的非圆截面零件有凸轮、曲轴、活塞环、活塞等。其中活塞是最典型的，活塞 是发电机的关键部件之一，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。活塞的外表又常为中凸变椭圆曲面，从活塞的纵向剖面( 包含活塞轴线的剖面) 看， 其形状表现为中凸型线；而从其横截面( 垂直于活塞轴线的剖面) 来看，其形状近似于 “椭圆”。某截面的最大直径称为该截面的长轴直径，最小直径称为该截面的短轴直 径。型线是指长轴直径沿活塞轴线方向的变化规律：在所有截面的长轴直径中，最大的 长轴直径称该活塞的大径，大径与某截面的长轴直径之差称为该截面的型线缩减量( 简 称型线) ；某截面的长轴直径与短轴直径之差称为该截面的椭圆度。一般来说，椭圆度 沿着活塞轴线方向也是变化的。将活塞设计为中凸变椭圆型，可最大限度的减小活塞外 圆配缸间隙，提高活塞裙部的动力润滑性能，改善内燃机的油耗、噪音和排放。 图】l 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 的最大中凸量和最大椭圆度都不超过l m m ，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型特征，而忽略其 他部分的结构，作示意图1 2 。 逦全伊美t 删度签 官l + i - 图1 1 中凸变椭圆活塞的外形视图 r a e 一一 a a - a 图1 2 中凸变椭圆型面的示意圉 沈阳工业大学硕士学位论文 虽然变椭圆截面活塞可以改善内燃机的性能，但是这些复杂型面活塞的加工以及如 何提高其加工精度是一个关键问题。这样的非圆截面或称异形截面用普通的数控机床是 无法加工的。由于活塞三维立体曲面形状复杂、加工要求精度要求高( 其轮廓度常在 o 0 1 m m 以内，粗糙度r a 值常小于0 8 ) ，因其需求量大、要求高，生产率和精度成为 活塞制造业竞争的主要因素，传统的加工方法难以适应活塞型面的加工要求。围绕活塞 型面的加工，人们进行了各种尝试，研究开发出了多种独特的加工技巧，基本上满足了 当时的使用要求，但这些加工技巧普遍存在加工精度低、柔性低的缺点。由于专用性 强，难以适应现代活塞多品种、中小批量、加工精度要求高、供货期短的要求。 活塞异形外圆的加工技术，已成为制约我国内燃机发展的关键技术，提高中凸变椭 圆活塞加工的数控系统的加工精度，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。本文以活塞型面加工为对象，对中凸变椭圆活塞车削控制技术进行 了研究，特别是对伺服刀架系统的抗扰性能进行了深入的研究。采用直线电机微进给刀 架，该方式可以达到高频响、大行程、微进给、高精度统一。与传统的采用“靠模”加 工异形内外圆轮廓的方法相比，具有编程修改灵活、加工精度高的特点，十分适合多品 种、小批量产品的加工。国内的一些院校和科研院所相继研制了活塞数控车削系统，尽 管如此，机床的技术指标离国外先进水平还有相当的差距，还有大量的理论和实际问题 亟待我们去研究。本课题的研究目的就是以活塞车削为研究对象，通过跟踪当今世界在 非圆车削方面的发展动向，系统地研究和探索活塞车床的设计和控制方法，为特种数控 的进一步发展开辟新的道路，在前人的基础上，开发新一代的微进给直线伺服刀架系 统，采取先进的控制策略，对活塞加工车床刀架的驱动部分直线电机进行大行程、高频 晌、微进给的控制，并且能够在非圆截面零件的高速高精度的车削加工方面达到较好的 控制效果，尽快地赶超世界先进水平。 课题意义就在于为了发展我国非圆截面数控加工技术，我们必须在进给方案、控制 理论和实现方法上进行创造性研究能够始终把目光瞄准国内乃至世界这一领域前沿， 为我们的产品抢占市场提供有力的技术支持和保障。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 活塞外型面传统的车削方法 异形外圆零件传统的车削方法有行星运动车削法、套车法和靠模仿形法等【“2 1 。靠 模仿形法又分为立体靠模法和合成靠模法，这是活塞制造中两种传统的仿形方法。 在立体靠模法中，先由高精度数控机床或通过手工修整制作出一个与活塞外部曲面 形状基本一致的靠模，将它安装在车床主轴上，再把活塞毛坯与靠模同轴安装。受压的 弹簧使靠模指始终与靠模接触。如图1 3 b ，当主轴旋转时，触头带动摇摆刀架和车刀摆 动使所车的活塞的形状与靠模“一致”。我国许多活塞厂都自行研制了这样的立体靠 模车床。该方法中最大的困难是高精度立体靠模的设计和制造及摇摆刀架的调整。由于 摇摆刀架的动态性能的影响，所设计的立体靠模的形状应与活塞的形态有所差别，并且 要对摇摆刀架进行精心的调整后才能得到满意的效果。而合成靠模法则把很难制造的立 体靠模分解成为较易得到的平面靠模板和平面凸轮，靠模板对应着型线，平面凸轮对应 着截面椭圆。通过运动的合成，得到中凸变椭圆立体曲面。如图1 3 a 所示。瑞士s i m 公司的t p o 15 0 金刚石靠模车床和我国第一机床厂生产的s i 2 4 0 b 活塞外圆车床都属于 这一类。 靠模仿形法存在的缺点： 制作靠模困难。 靠模容易磨损。 缺乏柔性。 加工效率低。 很难加工出截面形状非常复杂的活塞。 n - v 精度低。受靠模本身和传动机构磨擦和间隙等误差因素的影响，靠模法难 以获得较高的非圆截面：j n q - 精度，加工误差大于0 0 1 5 m m 。 沈阳工业大学硕二e 学位论文 a 1 偏心控制 模扳 图1 3 靠模法加工 a ) 合成靠凑法b ) 立体靠模法 b ) 1 3 国内外活塞( 非圆) 舅喏排的发展 随着计算机技术和自动控制技术的发展，八十年代初期，国外开始研制非圆截面零件 数控加工车床。英国a e 公司的非圆活塞数控车床主轴转速达到2 5 0 0 r p m ，并一次加工成 形。台湾的安加实业股份有限公司也在前几年推出了基于直线电机的非靠模椭圆车床，在 主轴速度为1 5 0 0 r p m 时，加工椭圆度达到o 1 5 m m 。日本株式会社大隈铁式所的b l 9 一 c a m 活塞数控车床在加工椭圆度为o 3 0 m m 的椭圆形零件时，在3 0 0 0 r p m 的主轴转速 下，其加工精度可达o 0 0 5 m m 。同本t a k l s a w a 公司的t p s 一3 0 0 0 c n c 车床采用了专用 的电磁驱动伺服机构完成非圆车削时的高速往复进给运动。该车床可加工长短径差为 2 5 m m 的椭圆形零件。美国的o i d d i n g s l e w i s 公司丌发了p t m 2 0 0 0 和p t m - 3 0 0 0 型活 塞数控车床，加工误差小于0 0 0 3 8 m m 。以上机床有些要花几十万美元才能进口，有些 则由于西方国家作为战略物资，对我国的进口作了极为严格的限制。 在我国从8 0 年代后期开始，对数控非圆车削进行研究，并取得了较大进展。清华大 学于1 9 8 8 年研制了用于中凸变椭圆活塞等非圆截面零件加工的丌环实验系统”l ，该系统 用脉冲油缸驱动车刀实现往复进给车削运动。由于进给系统频响较低，车床主轴允许转速 只能在4 8 0 r p m 以下。该校又于1 9 9 1 年底建立了以高频响、大位移进给机构为刀架伺服进 给装置的非圆截面数控车削系统，其最高主轴转速为1 4 0 0 r p m 【4 i 。 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 4x j - o c a 复杂曲面车削系统 西安交通大学于1 9 9 6 年研制了o c a 型复杂曲面车削系统i s ，该系统介于靠模 车削和数控车削之间。图1 4 是该系统的结构。速度转换及偏心振动机构可实现工件各 横截面的非圆加工：速度转换机构将主轴转速经过一定比例变换后驱动偏心振动机构运 动，该运动通过摆杆传递到刀具，使刀具在主轴回转周期内相对于工件产生要求的振 动，从而实现横截面的非圆加工。步进电机及凸轮机构可实现纵向型线加工：控制步进 电机的速度和步数，带动凸轮变速转动，凸轮推动摆杆产生微位移从而实现型线的加 工。x j - o c a 系统只是对型线作了数控加工，对非圆截面仍用靠模加工。国防科技大学 从九十年代初开始研制开发p t c 活塞数控车削系统，其主轴转速达到2 0 0 0 r p m ，椭圆度 为o 8 m m 。经产品化后，已成为我国活塞外圆车削中的主流设备。该系统已经从刚开始 的p t c l 升级到p t c - 4 ，其主要技术参数达到了国内领先水平。但是该系统还有待继续 改进的方面： ( 1 ) 直线电机所直接驱动的刀架的行程有限，对于一些非圆形状要求更高如凸轮 等零件还无法满足加工要求。 ( 2 ) 系统还不能实现自适应控制。 ( 3 ) 系统的操作界面还不太好，用户还不是能很快掌握系统的操作。 ( 4 ) 系统的稳定性还有待于进一步提高。 1 4 对活塞加工系统的要求 对活塞加工系统提出如下的基本要求： 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 必须有高精度的精密车床。这是加工出高精度活塞的基础。在加工过程中， 车床本身的运动精度、几何精度及传动精度都直接或间接地影响加工精度。 若未作特殊说明，本文均认为车床具有足够的精度。 ( 2 ) 必须具有高频响、大位移的伺服刀架。这是解决中凸变椭圆活塞高效车削加 工的关键技术。高频响要求刀架的截止频率在2 5 0 h z 以上：根据活塞加工要 求，大位移要求刀架的直线工作行程范围大于l m m 。 ( 3 ) 伺服刀架还应该有足够的动态刚度。虽然上面第( 2 ) 点基本要求保证了伺服 刀架具有足够的响应速度，但是由于中凸变椭圆活塞车削时刀具受力情况非 常复杂，如果刀架刚度很低，就会降低加工精度。严重时会造成车削系统的 不稳定。 ( 4 ) 必须有相应的数控软件。首先，由于一般活塞图纸仅用有限的离散点来描述 非圆表面。数控软件应具有拟合插补的能力。第二，高速车削非圆截面时， 刀尖的位移、速度和加速度的变化都非常大，而且刀尖的运动必须与主轴的 转动保持同步关系，因此，数控软件具有不同于一般n c 机床的特性。 1 5 文献综述 本节对中凸变椭圆活塞加工有关的研究工作及其文献进行综述。 1 5 1 伺服刀架 伺服刀架的设计一真是精密超精密加工中的一个重要课题。在精密超精密加工 中，伺服刀架常被称为微进给装置，般由磁致伸缩1 5 埽口电致伸缩材料【6 1 7 羽构成，它能 提供刀具的微量进给，分辨率在亚微米数量级或更高，最大行程般在1 0 0 1 t i n 以内。在 超精密加工中微进给装置常被用于主轴运动误差补偿 9 1 。由传感器测量出车床主轴的回 转误差，微进给刀架作微小振动，补偿主轴在刀具运动方向上的误差，使得车削出来的 工件的圆度比主轴的回转精度更高。与前述过程相反，如果认为主轴具有理想的回转精 度，故意加大微进给装置的振动幅度，就能加工出非圆截面零件。从这个意义上讲，非 圆车削与主轴运动误差补偿是一致的，在一些文献中所说的动态变切深车削加工也是具 有同一意义。文献【7 中，就设计了压电陶瓷微进给刀架( 5 0 r t r n 行程) ，刀具运动误差 小于0 5 p m 。用于进行铝件和钢件变切深加工时，主轴转速为1 2 0 0 r p m ，椭圆度为 沈阳工业大学硕士学位论文 0 0 4 ，表面误差小于5 1 t i n 。由于行程小，用磁致伸缩和电致伸缩材料做成的微进给机构 一般不用于非圆加工。 为了加大行程，人们试图用步进电机、伺服电机等常规方法来实现非圆车削。为了 提高频响，尽量选用惯量小的电机和尽量减轻运动部分的质量。清华大学o 10 1 曾建立了 以脉冲油缸为执行元件的开环数控实验系统。实验证明，该系统能加工出椭圆，椭圆度 达到0 9 m m ，但主轴转速仅为8 5 r p m 。t o m i z u k a 1 1 1 则通过直流伺服电机进行非圆车削， 主轴转速仅为9 3 7 r p m 。显然达不到活塞加工对生产率和粗糙度的要求。 液压激振器是进行非圆加工的另一方案。h i g u c h i t l 习在1 9 8 4 年就用液压缸在普通车 床上进行了非圆车削。 l yd t r a n t l 3 l 在s t a n f o r d 用液压激振器作为微位移机构进行非圆 光学元件的车削，主轴转速为1 0 0 0 r p m 。其原理是液压作用在膜片上，使膜片产生变形 而产生微位移。最大位移为1 8 0 p m ，( 这时，液压为2 m p a ) 。把激振器设计成短行 程，主要是从频响考虑，它比他原先设计的用于非圆车削的大行程液压激振器1 1 4 1 的频响 要高。通过选用伺服阀和反馈回路设计，其上升时问小于2 5 m s 。t s u - c h i nt s a o 坫1 6 】用 液压驱动实现了椭圆车削( 如图1 5 ) ，液压激振器后端用差动变压器l v d t 对位置进 行检测，控制计算机用i b m - a t 和t m s 3 2 0 2 0 数字信号处理芯片实现。最大行程为 5 0 8 m m 。a d 转换的分辨率为5 1 a m b i t 。采样周期为0 4 m s 。工件的每个截面由2 5 0 个 点描述。主轴速度达到6 0 0 r p m 。西安交大【1 7 】也有类似的装置进行非圆轴联接部件的车 削加工。 刀 图1 5 液压伺服刀架 沈阳工业大学硕士学位论文 日本学者m i n o r ut a n a k a 用电磁铁组成了电磁振动刀架用于活塞加工， ( 如图 1 6 ) 。其可动部分质量5 1 0 公斤。由弹簧支撑。对称布置的电磁铁对可动板产生推拉 作用，能产生最大推力为2 0 0 公斤的驱动力。最大振幅为o 2 5 r a m ，频率可达1 0 0 h z 。 该刀架的缺点是吸力和电流之间的线性不好，控制困难。另外，电磁铁发热量大。 图1 6 电磁振动刀架 经过各种尝试之后，众多学者开始使用直线电机来组成伺服刀架。传统的直线运动 的实现方法大多是用旋转电机作为驱动源，经丝杠螺母将电机的旋转运动变成执行机构 的直线运动l l s j 。非圆车削要求刀架作高频往复运动。这种往复运动若用传统的旋转电 机，如前所述的步进电机、直流交流伺服电机等来实现，将会因为电机换向过于频繁 而影响系统的工作，更主要的是，这些电机本身的频晌性能都比较差，而且它们输出的 都是回转运动，用它们作执行元件来驱动刀具作直线运动，必须有一套机械传动机构来 进行旋转直线运动的转换，由于间隙、磨擦及增加了惯性，更使该方案无法满足非圆 加工对高频响的需求。目前决大多数精密机床及新研制的新型机床( 如虚拟轴五联动机 床) 均采用精密滚珠丝杠作为直线伺服的执行机构。高速丝杠副所能达到的速度为 4 0 m r a i n 。直线加速度为0 5 9 ，要得到更高性能的滚珠丝杠是非常困难的，当然通过误 差补偿可以将精度指标控制在微米以内。直线电机的输出本身就是直线运动，无须转 换，频响较高，特别适用于高频往复直线运动的场合。在一些运动速度要求较高的场合 沈| f r | t 业人学顺i 。学位论文 ( 如半导体工业、激光加工、水力切割等) ，滚珠丝杠副显得力不从心。另外，电机一 丝杠螺母副传动链的缺点，如存在反向死区、螺距公差引起误差传动，由于摩擦磨损而 导致的精度渐变、附加惯性大、弹性变形引起爬行，以及位置、速度、加速度受限于丝 杠的机械特性等，制约了直线伺服驱动性能的进一步提高【l9 1 。因此传统方式难以进一步 提高直线运动的速度、精度，难以适应现代制造业高速高效的需要，对具有高精度、高 频响的伺服控制要求的非圆截面加工来说，传统方案不能满足要求，为了车削出符合要 求的活塞，如要达到表面粗糙度r a 0 8 p m ，主轴转速至少要达到1 5 0 0 r m i n 。假想活塞 横截面轮廓型线为一简单的一次椭圆，车削进给的工作频率至少要达到5 0 h z 通常伺 服电机+ 滚珠丝杠是不能满足要求的，因为其惯性大，无法对5 0 h z 的刀具进给信号作 出反应。 直线电机利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能。直线电机通入电流 以后，也会在气隙中产生磁场，这与旋转电信号机类似( 如图1 7 所示) ，只是这个磁 场是平移的，而不是旋转的。该行波磁场与次极相互作用产生电磁推力。 4 旋转电机直线电机 图1 7 直线电机与旋转电机的比较 1 ) 定子2 ) 绕组3 ) 气隙4 ) 次极5 ) 转子6 ) 永磁体7 ) 永磁体8 ) 初级 由于直线电机取消了源动力和工作台部件之间的一切传动环节，这就克服了传统驱 动方式的传动环节带来的缺点，其重复精度可达0 i a m ，是传统驱动方式的2 0 倍，最 沈阳工业大学硕士学位论文 高速度可达2 0 0 m r a i n 。最高加速度可达1 0 9 ，静态刚度可达7 0 n m 2 0 l ，直线电机更 适合现代的高速加工。直线电机在机床上的应用目前大致地可以分成三个方面：即在高 速与超高速精密加工中的应用；在超精密加工中的应用；在异形截面加工中的应用。 近年来，非圆曲面的无靠模高速车削技术引起了人们的广泛关注。要实现这种加 工，在主轴高速旋转的过程中，车刀必须配合主轴的转角作高频往复直线运动。曲面越 复杂，对刀具进给系统的频响要求也越高。在中凸变椭圆活塞的加工过程中，采用了直 线电机作为执行元件。由于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。开发数控非圆活塞车床的 关键技术之一就是研制用于生成椭圆横截面的高频响大推力刀具进给执行机构，随着性 能的改进，直线电机驱动力增大，己开始运用于机床的直接驱动【2 l 】，i n g e r s o l lm i l l i n g ， e x - - c e l l - o ，g i d d i n g s & l e w i s 等公司都有相应的机床出售。德国e x - c e l l - o 公司的x h c 2 4 加工中心，采用直线电机进给驱动后，其进给速度最高可达6 0 m m i n ，加速度达到 1 0 m s 2 k i n g s b u r g 公司制造的c y b e r c e l l 2 加工中心，由于采用了直线电机进给驱动系 统，加速度为1 7 9 ，在进给速度为9 0 m m i n 时，轮廓加工精度达到微米级。世界上许 多公司都致力于直线电机的开发，如g ef a n u c 、a v c o n 、i n d r a m a t 、a n o r a d 等。直线电 机驱动机床的研究方兴未艾。本课题的研究就是采用直线电机来进行中凸变椭圆活塞车 削。 非圆车削的高频往复运动，对直线电机的频响有较高的要求，因此，常采用“出力 质量比”较大的音圈式直线电机2 3 2 4 】( 如图1 8 ) 。有的也采用动铁式直线电机i 。动 圈式直线电机结构简单，具有良好的线性，较小的时间常数，可获得优良的闭环特性， 是一种极具潜力的控制器。设计时。在满足最大作用力的同时，尽量提高直线电机力常 数( 单位电流的出力) 与可动部分的质量的比值。 沈阳工业大学硕士学位论文 圈1 8 音圈式直线电机 1 5 2 中凸变椭圆活塞车削控制技术的研究 尽管有了一个较好的刀架，如果控制得不好，仍然车削不出较高精度的、加工难度 系数较大的非圆截面零件。从本质上讲，非圆车削的过程是伺服刀架对非圆截面信号的 跟踪过程，属于伺服跟踪控制。如果伺服刀架设计得合理，则可以用开环控制系统1 2 6 l 。 开环控制系统的特点是控制简单，稳定可靠，但跟踪精度较低，抗干扰能力不强。为了 克服开环系统的缺点，闭环反馈控制技术在非圆车削中得到了广泛应用f 2 7 1 。在位簧的 检测方面，通常采用差动变压器、电涡流传感器、光栅等非接触位置检测器件，其频响 都在l k h z 以上。通过闭环控制，有效地加宽了伺服刀架的频带，提高了刀架对切削力 干扰的抑制能力。 闭环负反馈控制有着调整运动偏差的作用，但它会带来滞后，在运动跟踪控制中表 现为较大的跟踪误差，为此，不少学者在闭环反馈控制的基础上增加了前馈控制。王先 逵囡1 在采用幅相前馈补偿后，使活塞椭圆截面的加工精度大大提高。d m 舢t e ，8 】设计 h 。前馈控制器，使整个系统与某一参考模型匹配，对典型的轨迹进行跟踪，对比实验表 明，运用前馈预见控制后较仅有闭环反馈的系统的跟踪误差有显著的下降。 尽管活塞的外型面是中凸变椭圆，每一个截面都不一样，但它的变化是很慢的。因 此，在某一段高度上，可以认为各截面是一致的，也就是说非圆截面的信号具有重复 性。对非圆车削的控制又属于重复控制。重复控制是针对周期性输入信号的控制策略， 其基础是内模原理网。内模原理指出，如果一个参考输入信号的发生器被包含在一个稳 定的闭环系统之中，则这一系统的输出可以无稳态误差地跟踪这一参考输入信号。对于 沈阳工业大学硕士学位论文 周期信号，其信号的发生器在连续系统中可以表示为_ 之i ，l 为信号的周期；在离散 l p 系统中可以表示为- 上百，n 为信号周期的采样点数。它们实际上都是一个延时正反馈 i 一： 环节，如果把这样的发生器串入到闭环系统中，则对所有频率为了k 或k n ( = 0 , 1 。2 ) 的谐 l 波信号，系统的开环增益都将达到无穷大。系统开环高频增益很大必然导致闭环的不稳 定。因此，在延时正反馈环节中串入适当的低通滤波器是重复控制器设计的关键。在这 方面i n o u e ，n a k n o 3 0 1 等在连续域内，t o m i z u k a l 3 1 在离散域内作了开拓性的工作。在应 用方面，t s a o 和t o m i z u k a 用d s p 对液压驱动机构实现了离散域重复控制，实现了非圆 车削。在直线交流伺服中所成功应用的控制策略如下：传统的控制策略如p i d 反馈控 制、解耦控制等。现代控制策略如自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、预见控制等。 智能控制策略如模糊逻辑控制、神经网络和专家系统【3 2 】 1 6 本论文的主要研究内容 在广泛地分析中凸变椭圆活塞n - r 要求、工艺特点和现有加工技术的基础上，确定 了高效且精密地车削中凸变椭圆活塞所需解决的一些关键性技术，就以下几个方面进行 了研究： ( 1 ) 中凸变椭圆活塞数控车削系统的整体结构研究。常规的数控车削方法是基于 插补理论和低速伺服技术，中凸变椭圆活塞数控车削需要高速伺服技术。因此，在硬件 上需要研究能满足高速伺服需要的控制结构；在软件上需要研究新的插补理论。这一内 容在第2 章中介绍。 ( 2 ) 高频响、大行程伺服刀架是中凸变椭圆活塞加工中最为关键的部件。通过分 析各种各样的伺服刀架，决定选取动圈式直线电机作为主体，加上适当的机械机构和传 感器，构成了本研究的伺服刀架。对伺服刀架的控制方法直接影响到中凸变椭圆活塞的 加工质量。因此，在第3 章中，首先建立伺服刀架的模型，然后用经典的控制理论对伺 服刀架进行研究。 ( 3 ) 在中凸变椭圆活塞加工中，需要直线伺服驱动单元执行重复性的工作，其输 入为周期性的信号或指令，其输出要求能稳定无静差地跟踪这种周期性的输入信号，要 沈阳工业大学硕士学位论文 求具有较强的鲁棒性，而重复控制对于周期性的信号和或周期性的干扰具有较好的跟 踪效果和抑制作用。在第4 章中对重复控制系统进行了稳定性分析，揭示了重复控制的 实质。 ( 4 ) 在中凸变椭圆活塞车削的过程中，系统的抗扰性能是一个关键问题。本文针 对直线伺服驱动系统对变化负载的扰动抑制进行了研究，提出了三种新型控制方案，以 提高系统的跟踪性能和抗扰性能。仿真结果表明这三种控制方案有效地提高了活塞车直 线伺服驱动系统的跟踪性和抗扰性，为提高中凸变椭圆活塞加工精度提供了新途径。这 些内容在第5 章中叙述。 沈m t 业人学顺i 。学位论文 2 中凸变椭圆活塞加工系统 在一般的车床上配以高频响直线伺服刀架及相应的控制系统，即可组成中凸变椭圆 活塞加工系统。本章建立了中凸变椭圆活塞加工系统，并就中凸变椭圆活塞的表面的形 成原理，切削工艺等问题进行研究。 2 1 中凸变椭圆活塞加工系统硬件结构 根据具体要求和性能价格比的不同，中凸变椭圆活塞加工系统可以有多种不同的结 构和配置1 3 3 1 ，但总的来说，它由车床和伺服刀架及检测控制系统组成。图2 1 是本研究 所构成的个中凸变椭圆活塞车削系统的典型配置，它由车床、计算机、纵横向进给控 制系统、高频响直线伺服刀架和检测系统等组成。 图2 1 中凸变椭圆活塞加工系统 u 帆 沈阳工业大学硕l ：学位论文 2 1 1 机床 机床是进行中凸变椭圆活塞车削的基础。为了满足大批量生产与高精度中凸变椭 圆活塞非圆截面形状的加工要求，机床应具备下面两个基本条件： ( 1 ) 主轴回转精度高，精度保持性好，温升小。主轴的回转精度直接影响着工件 截面的形状。j 下如第l 章所述，本研究是针对活塞的加工而进行的，其加工 精度在微米级，因此，在图2 1 的结构中，检测系统并没有对主轴的回转精 度进行检测。温升要小，主要是针对由尾座顶尖顶着加工而提出的。如果主 轴温升较高，除主轴箱抬高外，还可能造成因前后轴承温升不一致而产生的 主轴上下、前后扭转现象。这样就造成顶尖中心线与主轴中心线不同心，在 加工过程中致使活塞不断摆动、扭转和干涉，将引起大径、椭圆度和型线的 不稳定。 ( 2 ) 纵向导轨直线度好，耐磨。纵向导轨直线度以及它与主轴轴线在水平面内的 平行度的误差将直接迭加到工件的型线上，造成型线的误差。当然，这一误 差可以通过软件进行补偿。耐磨性是针对大批量生产而提出的要求。 2 1r 2 计算机控制系统硬件结构 鉴于中凸变椭圆活塞车削中高性能的控制策略对实时性所提出的极为严格的要求， 本研究采用4 8 6 工业控制机及数字信号处理( d s p ) 芯片组成两缎控制系统( 如图2 2 ) ， 对整台机床和伺服刀架进行控制。各部分的主要作用为： - 上位计算机主要负责机床整体管理和用户界面：它把活塞的中凸型线、椭圆度变 化规律、横截面的形状按活塞设计图纸数据转换成数学模型，存于内存中，一旦加工需 要，即把这些数据传送给d s p ；它也可以从d s p 中取回有关参数。 具有3 2 路数字量输入和3 2 路数字量输出的i o 接口板，完成对机床操作面板、 x 及z 向步迸电机、机床工作状念的监测与控制。 通过l 路直接由上位机控制的d a 板及变频器完成对主轴的无级调速控制。 伺服刀架的控制由d s p 完成。d s p 根掘上位机传送来的活塞数据、z 向步进电 机所确定的活塞纵向位置信息及主轴编码器所确定的活塞转角信息，实时地产生伺服刀 沈闭丁业人学坝i 等! 位论文 架控制系统的参考输入信号：伺服刀架通过光栅位黄检测和计数器计数，反馈给d s p 与前向的d a 和功放一起，构成了闭环控制系统。 图2 2 控制系统硬件结构 2 1 _ 3 粗进给系统 粗进给系统由x 向和z 向电机及相应的驱动器组成。丰h 进给可以形成活塞的纵向 中凸形状。对于z 轴，定位精度要求不高( ( o 0 5 r a m ) ；而对于x 轴，则要求有较高 的定位精度和重复定位精度( 0 0 0 2 m m ) ，这是因为x 轴的定位精度直接决定了纵向中凸 形状，x 轴的重复定位精度直接影响到大批量重复加工时工件大径尺寸的分散性。 2 i 4 主轴转角的检测元件 主轴转角位置，是非圆车削的必要信号。本系统中，采用了3 6 0 线的光电编码器作 为检测元件。该编码器的z 信号可作为主轴的同步信号，发出z 脉冲的时刻，表示主 轴处于0 角度；a 信号可作为主轴的转角信号每发出一个a 脉冲表示主轴转过了l 度。 沈阳t 业人学顺i 擘位论史 2 1 5 高频响伺服刀架 高频响伺服刀架是加工中凸变椭圆活塞最关键的部件，它由直线电机和弹性支撑的 刀体组成。伺服刀架装在车床的中拖板上，是沿x 方向的精定位机构：伺服刀架带动 刀具在工件的径向作往复运动，从而使工件形成非圆截面。 对伺服刀架的要求是：在保证行程的基础上尽可能地提高频响。中凸变椭圆活塞， 每个截面的半径变化并不大，但其型线变化很大。在这种情况下，采用型线分离技术： 工件的型线( 直流) 分量由普通的数控机床两座标( x 和z 的粗定位) 运动合成得到， 工件的椭圆( 交流) 部分由高频响伺服刀架形成。如果所选用的数控车床在x 方向的 粗定位精度达不到要求，则可以通过x 方向精定位补偿的方法来达到加工微米级精度 的型线的要求。具体的做法是：在机床的x 方向( 工件直径方向) 加装高精度光栅 尺，用以检测伺服刀架支撑体( 拖板) 的实际位移，并与期望位移相比较，其误差部分 加到伺服刀架的输入中加以补偿。这样就实现了型线的分离 3 4 i 。型线分离技术使伺服刀 架的行程大大缩短，从而解决了大行程与高频响的矛盾。 型线分离技术很好地把粗精定位结合在一起。 2 2 中凸变椭圆活塞加工系统软件结构 中凸变椭圆活塞加工的软件系统包括主控程序、零件形状描述、插补运算、伺服刀 架控制、加工参数设定与机床控制、系统调试与加工仿真等模块。其中“d i i 参数设定 与机床控制”模块、“系统调试与加工仿真”模块可根据普通数控机床的设计思想而设 计。“伺服刀架控制”将在第3 章作专门讨论。本节针对中凸变椭圆活塞的形状描述和 插补运算方法进行研究。 2 2 1 中凸变椭圆活塞加工形状的描