2 中凸变椭圆活塞车削加工系统组成

3 活塞裙部中凸变椭圆成型原理

1. 刀具的径向进给运动 保持刀具的径向往复直线运动频率是活塞旋转运动频率的两倍，以形成活塞的椭圆截面。
2. 刀具同杠杆系统间的轴向相对运动 当刀具沿轴向进给时，按照活塞裙部椭圆度的变化曲线来控制刀具和杠杆的相对运动，改变刀具径向往复运动行程的大小，以形成活塞裙部的变椭圆截面。
3. CNC机床控制的刀具附加径向运动 CNC机床主要控制刀具在沿轴向进给时，给刀具一个附加的径向运动，以实现活塞裙部的中凸型线。

1. 活塞裙部变椭圆的实现机理
   变椭圆的加工是通过两组加工运动的复合实现的，一是刀具作高频往复直线运动，二是刀具与杠杆系统间的轴向相对运动。前者控制的是刀具的运动频率，后者控制的是刀具的运动幅度。两组运动的叠加，可以使得系统在加工过程中保持活塞裙部椭圆截面的短轴长度始终不变，其长轴长度则在活塞轴线方向上随椭圆度曲线的变化而变化，以此实现变椭圆的加工。
   在实现过程中，由于活塞的横截面是一个椭圆，当采用车削加工方式时，刀具相对主轴的转动作相应的直线往复运动。活塞每转一圈，刀具必须往复进给两次。亦即可以得出，刀具的进给频率是主轴旋转频率的两倍。主轴的转速越高，刀具的往复运动频率就越高，刀具的运动速度、加速度也就越大。同时，由于活塞裙部椭圆截面的长短轴长度之差一般在2mm以下，因此刀具的径向运动的幅度很小。这样，刀具的运动实际上是一个高频微位移运动。
   为了实现刀具的高频微位移进给，在考虑了硬靠模的优点后，采用如图4所示的原理，以步进电机作为驱动源，通过一杠杆结构将椭圆靠模的高速旋转化为刀具的高频微位移进给。为避免在加工过程中出现刀具往复运动频率和主轴旋转频率的不协调，使得所加工的活塞出现变形，系统在主轴和靠模上均安装上光电编码器，并以光电编码器的输出信号作为反馈信号，由主控CPU进行快速甄别，不断改变步进电机驱动源的控制信号频率以调整步进电机的转速，实现椭圆靠模和主轴的位置同步，保证加工工件和椭圆靠模的相位的一致性。
   

   图4 变椭圆加工原理图

   椭圆靠模和主轴的同步既是椭圆截面的实现的关键，同时也是实现变椭圆的前提。在图4所示的变椭圆加工原理中，执行机构通过椭圆靠模将步进电机的转动转化为杠杆的摆动，从而推动刀具作高频微位移直线往复运动。图中如果保持刀具与杠杆之间的相对位置不变，则加工出的活塞裙部应为椭圆柱，即活塞各截面的椭圆形状大小相等。为了能加工出变椭圆的活塞型面，可以通过主控PCU控制另一步进电机15的转动，带动滚珠丝杆(图2)，使得杠杆相对刀具有一个轴向的运动。这样就可以控制刀具与杠杆支点之间的距离L的大小，改变刀具的径向运动行程。图3中的光栅位移传感器为系统提供了刀具位移的反馈信号，确保加工出的变椭圆符合给定的椭圆度变化曲线。在此还需要指出的是，在加工过程中，当杠杆与椭圆靠模的触点在椭圆长轴位置时，杠杆必须一直保持处于水平的状态，其目的在于当刀具相对杠杆运动时，可保证活塞的各加工截面其椭圆的短轴长度始终保持不变。随刀具与杠杆的相对位置不断变动的仅仅是椭圆长轴长度。因此采用这样的结构可以使得形成变椭圆的整个控制过程简单化，便于实现椭圆度任意变化的活塞横截面的加工。
   采用步进电机作驱动的椭圆靠模杠杆机构来实现变椭圆的加工，充分利用了杠杆和硬靠模的优点。整个系统不但可以获得很大的刚度和足够大的推力，同时在高频振动时系统的动态特性和跟随性较好，使得系统运动稳定可靠。另外系统也综合了有关软靠模的优点，可以方便地通过主控CPU控制步进电机的运动来改变刀具和杠杆间的距离(杠杆臂L)，从而可以加工得到不同椭圆度曲线的型面，灵活地实现各类不同型面活塞的加工。
2. 中凸型线的成型机理
   通常，活塞的中凸型线均采用列表数据设计，型线的径向位置变化量仅仅是一系列的离散点。为确定活塞轴向各截面处的径向位置变化量，必须要先对给定的有限点进行一定的拟合处理，生成一条活塞中凸型线的曲线。有关拟合处理的方法有很多，例如：三次样条拟合法、等误差直线逼近法、高斯拟合法、多项式拟合法等。通过拟合处理，就可以找出在任意裙长处刀具同工件的径向相对位置。
   由于系统采用现有CNC机床作为母体，因此系统本身就具有直接加工中凸型线的能力。可以根据拟合得到的曲线，在计算机中按照NC的指令规则对型线进行自动编程，生成加工中凸型线的NC程序。然后通过与CNC机床CPU的通信，将所编制的程序传输到CNC的程序存储单元，实现活塞裙部中凸型线的加工。在NC的加工过程中，应保持与加工变椭圆截面的对应关系，使中凸型线准确地叠加在活塞的各横截面上，完成活塞裙部中凸变椭圆的加工。

4 结论

1. 充分利用了软靠模的优点，对于不同活塞形状尺寸的工件，不管是调整活塞型面的中凸型线，还是调整活塞的椭圆度曲线，只要调整主控CPU中的控制程序即可实现对活塞的改型，因而系统具有较大的柔性。
2. 加工系统具有硬靠模的结构简单、输出力大、加工稳定性好等特性。
3. 可以通过软件的改进对系统中的运动误差进行补偿，提高加工精度。