1 前言

　　中凸變橢圓型面是應(yīng)用最廣的非圓型面反惕，也是活塞部件的型面特征授嘀，車削時要求刀具在軸向移動的同時能在徑向作高頻振動气忠，以加工出橢圓截面和中凸曲線锰蓬。非圓截面零件(例如內(nèi)燃機(jī)活塞)除具有中凸變橢圓型面外幔睬，還有環(huán)槽、圓錐面和倒角等芹扭，有的鋁制活塞還內(nèi)嵌有鐵環(huán)麻顶。實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高效率和加工精度冯勉，要求所有型面的加工能一次走刀完成澈蚌。一般的通用CNC系統(tǒng)不能滿足車削非圓截面零件的要求摹芙，必須將通用數(shù)控功能與非圓截面的加工有機(jī)地結(jié)合起來。
 
　　目前出現(xiàn)的非圓截面車削數(shù)控系統(tǒng)都為專用數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)宛瞄，其部件都是由某一公司批量生產(chǎn)浮禾，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于用戶或第三方來說是一個“黑匣子”，存在著系統(tǒng)的售價和維修成本都比較高及不能實(shí)現(xiàn)一般通用數(shù)控功能的缺點(diǎn)份汗。我們用工控機(jī)作為非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺盈电，開發(fā)出面向用戶的非圓截面加工的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把非圓截面車削的特種數(shù)控與通用CNC統(tǒng)一起來伤刑，除具有自動車削非圓截面的功能外探快，還具有通用的CNC功能，例如:MST功能入撇、I/O功能榨狐、快進(jìn)快退、直線圓弧插補(bǔ)等晤裆。

2 非圓截面車削開放式體系結(jié)構(gòu)

圖1 直線伺服單元框圖
 

圖2 開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)特征
 非圓截面車削專用數(shù)控功能模塊

　　完成非圓截面自動車削的伺服單元是以直線電動機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng)咱漱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。直線電動機(jī)是專門為加工非圓截面而設(shè)計的高頻響停间、大行程温履、精密微進(jìn)給裝置，也是刀具的驅(qū)動機(jī)構(gòu)叙棚。它的最大行程為2mm亥护，最大切削力可達(dá)300N。其直線伺服單元可以獨(dú)立完成對直線電動機(jī)的閉環(huán)控制粗排，并通過串行口與外界通信绎彪。該非圓截面車削功能模塊采用光柵傳感器和DSP信號處理器，可以大大提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性彬呻。
 
非圓截面車削開放式體系結(jié)構(gòu)特征
 
　　基于工控機(jī)硬件平臺的開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)特征如圖2所示衣陶。該系統(tǒng)的設(shè)計思想是:①以車削非圓截面的特種數(shù)控模塊即直線伺服單元為核心，向上派生出主機(jī) (工控機(jī))闸氮，它們之間通過串行口進(jìn)行通信。②以工控機(jī)為主控模塊教沾，向下派生出各種通用CNC功能蒲跨。各功能模塊與主機(jī)通過計算機(jī)總線進(jìn)行通信。③各數(shù)控功能模塊相對獨(dú)立授翻，且與主機(jī)的接口是開放的或悲，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是封閉的。

　　該系統(tǒng)與專用型非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于其各數(shù)控模塊的接口對用戶是開放的堪唐，其外設(shè)功能采用插件的形式巡语，這種體系結(jié)構(gòu)不依賴于子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)翎蹈，只要在主機(jī)中留出地址和中斷向量就能滿足主機(jī)與各單元的通信要求。也就是說男公，直線伺服單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對用戶或第三方來說可以是“黑箱”荤堪。
 
　　開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn):①通用數(shù)控功能模塊可以采用廉價的基于PC機(jī)的功能卡，這不但降低了系統(tǒng)成本码完，便于用戶或第三方維修办适，而且也使研制者可以集中力量進(jìn)行非圓截面特種數(shù)控的研究：②可以很容易地根據(jù)用戶的需要而改變系統(tǒng)的具體配置，滿足面向用戶的設(shè)計要求银悄。

　　所謂面向用戶点溶，就是使用戶可以參與到系統(tǒng)的設(shè)計中來，并能自己 (或第三方)進(jìn)行維修淫雾。在開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)中比端，所有的數(shù)控功能模塊都是基于工控機(jī)硬件平臺的，而且各模塊與主機(jī)的接口是開放的簇像，因此它可以根據(jù)用戶的需要在車削非圓截面零件的特種數(shù)控功能上派生出各種通用數(shù)控功能來侵念，例如:MST、直線插補(bǔ)啊嘁、圓弧插補(bǔ)朵聪、I/O功能等。如果在使用中干际，某一功能模塊出現(xiàn)故障亮花，用戶(或第三方)可以單獨(dú)將這一模塊換掉，而不會影響系統(tǒng)的其它部分弓熏。

3 開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　以工控機(jī)硬件為平臺恋谭，以中凸變橢圓數(shù)控切削模塊為核心派生出豐富的通用CNC 功能，以實(shí)現(xiàn)車倒角挽鞠、圓錐(柱)面疚颊、端面、切槽等功能信认，其結(jié)構(gòu)如圖3所示材义。圖中的非圓截面數(shù)控系統(tǒng)由主控模塊、直線伺服單元嫁赏、主軸控制單元其掂、位置伺服單元、在位測量系統(tǒng)等部分組成潦蝇。主控模塊是以工控機(jī)為核心款熬，包括硬盤、軟驅(qū)攘乒、鍵盤贤牛、顯示器怀程、打印機(jī)等。它是整個數(shù)控系統(tǒng)核心部分钝菲，負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理和信息處理功能遣备。除了和各子功能模塊通信外，它還直接控制系統(tǒng)的I/O功能患敢。工控機(jī)與各功能模塊的信息通路可分為七條:①微機(jī)通過接口電路腔水、子CPU控制直線電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓型面的加工：②微機(jī)通過專用控制卡控制位置伺服邦孽，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)已堆、快進(jìn)快退等通用CNC 功能：③微機(jī)通過接口電路、變頻器或刀架盒揣喻，實(shí)現(xiàn)對主軸起停你拗、轉(zhuǎn)速及刀架的控制：④主軸通過編碼器、接口電路把角位置信息傳給微機(jī)：⑤微機(jī)通過I/O板汰畔、光耦板控制按鈕括绣、顯示燈等輸入輸出量：⑥微機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換、測微儀對加工完的工件進(jìn)行在位檢測捂滓，并顯示測量結(jié)果：⑦報警通道监氢，變頻器、油路藤违、油壓等故障通過中間繼電器浪腐、接口電路傳給計算機(jī)。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
 

4 結(jié)束語

　　本數(shù)控系統(tǒng)將非圓截面加工專用數(shù)控系統(tǒng)和一般通用數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合顿乒，不但可以實(shí)現(xiàn)非圓截面加工的專用功能议街，而且還可以實(shí)現(xiàn)非圓零件的其他特征(如環(huán)槽，倒角等)等輔助加工璧榄，可大大提高生產(chǎn)效率特漩。另外，本系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)控軟件使系統(tǒng)的可靠性大大提高骨杂，并可實(shí)現(xiàn)專用和通用數(shù)控功能的有機(jī)結(jié)合涂身。使用DSP和光柵來實(shí)現(xiàn)直線伺服單元的控制，非圓截面加工的精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性也大大提高搓蚪。本系統(tǒng)目前已在新一代數(shù)控活塞車床上使用访得。

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