變橢圓的加工是通過兩組加工運(yùn)動(dòng)的復(fù)合實(shí)現(xiàn)的蝇居，一是刀具作高頻往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)愈魏，二是刀具與杠桿系統(tǒng)間的軸向相對運(yùn)動(dòng)搭综。前者控制的是刀具的運(yùn)動(dòng)頻率，后者控制的是刀具的運(yùn)動(dòng)幅度站辉。兩組運(yùn)動(dòng)的疊加，可以使得系統(tǒng)在加工過程中保持活塞裙部橢圓截面的短軸長度始終不變损姜，其長軸長度則在活塞軸線方向上隨橢圓度曲線的變化而變化饰剥，以此實(shí)現(xiàn)變橢圓的加工。

    本文介紹了一種以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源摧阅，采用軟靠模與硬靠模相結(jié)合的新方法寺癌，實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓活塞裙部加工的車削系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制铣啰，并進(jìn)行加工誤差的補(bǔ)償绅荒，有效提高了加工精度和效率，獲得良好的效果肌搔。

1 前言

    活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成元件肝羊，質(zhì)量的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。其外形對系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性伪浅、可靠性子特、壽命、排放及噪聲等指標(biāo)有很大的影響惕衩“げ考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由燃?xì)鈮毫Α⑵讐毫υ斐傻幕钊冃我约盎钊旧淼臒嶙冃蔚扔绊懸蛩匦壳盎钊共繌V泛采用的是中凸變橢圓型面履绎。這種型面具有如下特點(diǎn)：橫截面為橢圓或類橢圓皇可，且其橢圓度沿活塞軸向變化；縱截面的型線為一條中部外凸的曲線缠俺。

    活塞設(shè)計(jì)成這樣的外形显晶，可以將活塞工作時(shí)由熱膨脹等因素產(chǎn)生的變形沿活塞銷軸方向擴(kuò)展，使得裙部橫截面變成近似圓形晋修，從而在活塞工作時(shí)可以獲得更寬吧碾、更均勻的承載面，同時(shí)還使得活塞的裙部與汽缸壁更好地貼合墓卦，減小了配缸氣隙倦春，有利于降低活塞裙部比壓，減小活塞對汽缸壁的沖擊落剪，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲睁本。另外中凸的裙部與汽缸壁之間的楔形油隙又可以起改善潤滑的作用，并且可以提高活塞的對中性忠怖，這就大大地減小了零件的磨損呢堰，提高了活塞的工作性能和使用壽命。目前凡泣，中凸變橢圓型面已經(jīng)作為一種公認(rèn)的活塞裙部優(yōu)良型面而被廣泛采用枉疼。

    這種復(fù)雜型面的車削加工，現(xiàn)有的加工方式主要有硬靠模法和軟靠模法(數(shù)控加工法)兩種谭扑。

    硬靠模加工就是活塞與活塞形狀相同的母靠模同軸裝上機(jī)床主軸窟句，然后利用仿形裝置制造出與母靠模相同形狀的活塞。這種加工的方式具有加工穩(wěn)定性好的特點(diǎn)优诵，不便之處在于靠模制造困難吟筷、加工周期長、成本昂貴药阔。同時(shí)冲驶，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)特性使得機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速受到限制，對活塞生產(chǎn)效率的提高有較大的影響译教。

    軟靠模加工是根據(jù)活塞的型面進(jìn)行編程杖扫，并以所編制的程序作為靠模，采用計(jì)算機(jī)控制刀具的高頻微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)來進(jìn)行活塞的加工拖揩。這種加工方式對活塞的改型有較大的柔性违冲。目前，國內(nèi)依靠軟靠模加工的執(zhí)行機(jī)構(gòu)還普遍存在著線性和動(dòng)特性較差蒋毕、受突加負(fù)載的影響較大等問題略荡，不能很好地保證加工精度。

    本文對表面成型采用分解設(shè)計(jì)的方法，將中凸變橢圓異型面的加工分解成幾組運(yùn)動(dòng)的合成汛兜。利用數(shù)控單元和機(jī)械機(jī)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)巴粪，采用軟、硬靠模相結(jié)合的方法粥谬，研究設(shè)計(jì)了一套新型的中凸變橢圓活塞裙部車削系統(tǒng)肛根，實(shí)現(xiàn)活塞裙部的高精度、高效率加工漏策。

2 中凸變橢圓活塞車削加工系統(tǒng)組成

    步進(jìn)電機(jī)在機(jī)床行業(yè)應(yīng)用較為廣泛派哲。近年來，由于步進(jìn)電機(jī)采用了細(xì)化電路掺喻，其步距角越來越小芭届，轉(zhuǎn)角精度也越來越高。另外矩頻特性感耙、最高速度及最大轉(zhuǎn)矩性能也有所提高褂乍。基于步進(jìn)電機(jī)具有精度高即硼、慣性小以及有利于進(jìn)行數(shù)字控制等特點(diǎn)粟五，我們采用如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)活塞的中凸變橢圓型面加工圣谴。

    整個(gè)系統(tǒng)是由主控CPU条焙、步進(jìn)電機(jī)、光電編碼器母赶、靠模系統(tǒng)赵街、杠桿系統(tǒng)等部分組成。它采用現(xiàn)有的NC機(jī)床作母體捡奖，以步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)橢圓靠模作高速轉(zhuǎn)動(dòng)并通過杠桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的高頻往復(fù)進(jìn)給戚绪。主控CPU則對光電編碼器等傳感器提供的反饋信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理窍蚤，不斷調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還保持與CNC機(jī)床CPU的通信曙辛，保證整個(gè)加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)匹配夏植，從而實(shí)現(xiàn)對中凸變橢圓活塞裙部的加工。為節(jié)約機(jī)床空間移鸣，特意將杠桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)成直角形砸捏。

3 活塞裙部中凸變橢圓成型原理

    根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，要形成活塞裙部的中凸變橢圓異型面隙赁，在車削加工時(shí)可以將活塞裙部的中凸變橢圓型面的加工分解成三組運(yùn)動(dòng)的合成垦藏，亦即：刀具的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 保持刀具的徑向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)頻率是活塞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)頻率的兩倍，以形成活塞的橢圓截面。

    刀具同杠桿系統(tǒng)間的軸向相對運(yùn)動(dòng) 當(dāng)?shù)毒哐剌S向進(jìn)給時(shí)掂骏，按照活塞裙部橢圓度的變化曲線來控制刀具和杠桿的相對運(yùn)動(dòng)轰驳，改變刀具徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程的大小，以形成活塞裙部的變橢圓截面弟灼。
CNC機(jī)床控制的刀具附加徑向運(yùn)動(dòng) CNC機(jī)床主要控制刀具在沿軸向進(jìn)給時(shí)级解，給刀具一個(gè)附加的徑向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)活塞裙部的中凸型線田绑。

    車削加工系統(tǒng)的基本原理勤哗，它將上述三組運(yùn)動(dòng)按照一定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系匹配起來，使得系統(tǒng)中主軸的運(yùn)動(dòng)掩驱，靠模系統(tǒng)芒划、杠桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)以及CNC機(jī)床控制的刀具運(yùn)動(dòng)之間保持對應(yīng)關(guān)系。即讓運(yùn)動(dòng)(1)實(shí)現(xiàn)活塞的橢圓截面昙篙，運(yùn)動(dòng)(2)實(shí)現(xiàn)活塞的變橢圓降再，運(yùn)動(dòng)(3)實(shí)現(xiàn)活塞的中凸型面。這樣揖岔，就可以加工出中凸變橢圓的活塞型面序峦。

活塞裙部變橢圓的實(shí)現(xiàn)機(jī)理
 
    在實(shí)現(xiàn)過程中，由于活塞的橫截面是一個(gè)橢圓文荚，當(dāng)采用車削加工方式時(shí)鳍擎，刀具相對主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)作相應(yīng)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)〕男担活塞每轉(zhuǎn)一圈祷罩，刀具必須往復(fù)進(jìn)給兩次。亦即可以得出辙霎，刀具的進(jìn)給頻率是主軸旋轉(zhuǎn)頻率的兩倍隔抒。主軸的轉(zhuǎn)速越高，刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率就越高淋憋，刀具的運(yùn)動(dòng)速度课娃、加速度也就越大。同時(shí)桃序，由于活塞裙部橢圓截面的長短軸長度之差一般在2mm以下杖虾，因此刀具的徑向運(yùn)動(dòng)的幅度很小。這樣媒熊，刀具的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)高頻微位移運(yùn)動(dòng)奇适。

    為了實(shí)現(xiàn)刀具的高頻微位移進(jìn)給，在考慮了硬靠模的優(yōu)點(diǎn)后芦鳍，采用原理嚷往，以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源葛账，通過一杠桿結(jié)構(gòu)將橢圓靠模的高速旋轉(zhuǎn)化為刀具的高頻微位移進(jìn)給。為避免在加工過程中出現(xiàn)刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率和主軸旋轉(zhuǎn)頻率的不協(xié)調(diào)间影，使得所加工的活塞出現(xiàn)變形注竿，系統(tǒng)在主軸和靠模上均安裝上光電編碼器，并以光電編碼器的輸出信號作為反饋信號魂贬，由主控CPU進(jìn)行快速甄別巩割，不斷改變步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)源的控制信號頻率以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)橢圓靠模和主軸的位置同步付燥，保證加工工件和橢圓靠模的相位的一致性宣谈。

    橢圓靠模和主軸的同步既是橢圓截面的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)變橢圓的前提段卵。在變橢圓加工原理中蜈率，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過橢圓靠模將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為杠桿的擺動(dòng)，從而推動(dòng)刀具作高頻微位移直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)荤榄。圖中如果保持刀具與杠桿之間的相對位置不變魔辉，則加工出的活塞裙部應(yīng)為橢圓柱，即活塞各截面的橢圓形狀大小相等借倘。為了能加工出變橢圓的活塞型面阀霸，可以通過主控PCU控制另一步進(jìn)電機(jī)15的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲桿(圖2)枣象，使得杠桿相對刀具有一個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)屠剥。這樣就可以控制刀具與杠桿支點(diǎn)之間的距離L的大小，改變刀具的徑向運(yùn)動(dòng)行程舶舅。圖3中的光柵位移傳感器為系統(tǒng)提供了刀具位移的反饋信號莫彩，確保加工出的變橢圓符合給定的橢圓度變化曲線。在此還需要指出的是奸闽，在加工過程中琼牧，當(dāng)杠桿與橢圓靠模的觸點(diǎn)在橢圓長軸位置時(shí)，杠桿必須一直保持處于水平的狀態(tài)哀卫，其目的在于當(dāng)?shù)毒呦鄬Ω軛U運(yùn)動(dòng)時(shí)巨坊，可保證活塞的各加工截面其橢圓的短軸長度始終保持不變。隨刀具與杠桿的相對位置不斷變動(dòng)的僅僅是橢圓長軸長度聊训。因此采用這樣的結(jié)構(gòu)可以使得形成變橢圓的整個(gè)控制過程簡單化，便于實(shí)現(xiàn)橢圓度任意變化的活塞橫截面的加工恢氯。

    采用步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)的橢圓靠模杠桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)變橢圓的加工带斑，充分利用了杠桿和硬靠模的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)不但可以獲得很大的剛度和足夠大的推力勋拟，同時(shí)在高頻振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和跟隨性較好勋磕，使得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠妈候。另外系統(tǒng)也綜合了有關(guān)軟靠模的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地通過主控CPU控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來改變刀具和杠桿間的距離(杠桿臂L)挂滓，從而可以加工得到不同橢圓度曲線的型面苦银，靈活地實(shí)現(xiàn)各類不同型面活塞的加工。

中凸型線的成型機(jī)理

    通常赶站，活塞的中凸型線均采用列表數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)幔虏，型線的徑向位置變化量僅僅是一系列的離散點(diǎn)。為確定活塞軸向各截面處的徑向位置變化量惕秧，必須要先對給定的有限點(diǎn)進(jìn)行一定的擬合處理奥徒，生成一條活塞中凸型線的曲線。有關(guān)擬合處理的方法有很多的炫，例如：三次樣條擬合法吐捞、等誤差直線逼近法、高斯擬合法蜕裳、多項(xiàng)式擬合法等吹蜡。通過擬合處理，就可以找出在任意裙長處刀具同工件的徑向相對位置呈锣。

    由于系統(tǒng)采用現(xiàn)有CNC機(jī)床作為母體锤衡，因此系統(tǒng)本身就具有直接加工中凸型線的能力〉咛瘢可以根據(jù)擬合得到的曲線洞逼，在計(jì)算機(jī)中按照NC的指令規(guī)則對型線進(jìn)行自動(dòng)編程，生成加工中凸型線的NC程序憾汛。然后通過與CNC機(jī)床CPU的通信党饮，將所編制的程序傳輸?shù)紺NC的程序存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)活塞裙部中凸型線的加工驳庭。在NC的加工過程中刑顺，應(yīng)保持與加工變橢圓截面的對應(yīng)關(guān)系，使中凸型線準(zhǔn)確地疊加在活塞的各橫截面上饲常，完成活塞裙部中凸變橢圓的加工蹲堂。

4 結(jié)論

    本文提出的方法，結(jié)合了國內(nèi)外的活塞加工現(xiàn)狀贝淤，采用了軟靠模和硬靠模技術(shù)相結(jié)合的新加工方法柒竞，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)活塞裙部中凸變橢圓異型面的車削加工系統(tǒng)。系統(tǒng)具有如下特性：充分利用了軟靠模的優(yōu)點(diǎn)播聪，對于不同活塞形狀尺寸的工件朽基，不管是調(diào)整活塞型面的中凸型線，還是調(diào)整活塞的橢圓度曲線离陶，只要調(diào)整主控CPU中的控制程序即可實(shí)現(xiàn)對活塞的改型稼虎，因而系統(tǒng)具有較大的柔性衅檀。加工系統(tǒng)具有硬靠模的結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大敬挂、加工穩(wěn)定性好等特性倾氮。可以通過軟件的改進(jìn)對系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償永韭，提高加工精度英甜。
 
 

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