淺談活塞加工專用數(shù)控機(jī)床

顧紅光 耿 欣

(①沈陽(yáng)機(jī)床成套設(shè)備有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110142;②沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧撫順 113122)

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)組成的關(guān)鍵部件，其加工也屬高精加工。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的活塞加工數(shù)控機(jī)床與磨床一樣，基本都是采用從日本、德國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣省等進(jìn)口的機(jī)床，內(nèi)地機(jī)床廠基本無(wú)法生產(chǎn)出滿足要求的活塞加工機(jī)床。基于活塞加工的重要性，我公司也開(kāi)始研發(fā)活塞加工專用數(shù)控機(jī)床，并與國(guó)內(nèi)一名牌大學(xué)合作成功研制出SUC8135、SUC8148等系列活塞加工專用數(shù)控機(jī)床并投入到活塞加工廠的生產(chǎn)中。這里簡(jiǎn)述活塞加工數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。

1 活塞的基本特性

最常見(jiàn)的活塞外形是中凸變橢圓。加工圖紙上常以橢圓度、形線和某些截面上的形狀等數(shù)據(jù)來(lái)描述其外形面。傳統(tǒng)加工方法為硬靠模加工，在靠模法加工中人們很少考慮外圓面上某一點(diǎn)的具體坐標(biāo)。在用數(shù)控法加工時(shí)則要建立外圓面的數(shù)學(xué)模型，首先按照?qǐng)D紙要求將外圓曲面網(wǎng)格化，如圖1所示。

只要網(wǎng)格足夠密(即t和θ足夠小)，則這些數(shù)字化了的網(wǎng)格點(diǎn)就能以足夠的精度來(lái)代表活塞外圓曲面。在車削過(guò)程中如果刀尖的軌跡能準(zhǔn)確地通過(guò)這些網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)就能加工出足夠理想的活塞。數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)就在于此，即讓刀具在X方向沿預(yù)先編好的軌跡Sx=x(θi，zj)運(yùn)動(dòng)。其中 θi表示第i個(gè)轉(zhuǎn)角，zj表示第j個(gè)截面。Sx=x(θi，zj)是根據(jù)圖紙要求預(yù)先計(jì)算出來(lái)并存放于控制計(jì)算機(jī)的存貯器中的數(shù)據(jù)，由專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。加工流程如圖2所示。

2 加工基本控制理論

當(dāng)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸編碼器向計(jì)算機(jī)發(fā)送主軸采樣信號(hào)(CY)和主軸同步信號(hào)(TB)，如圖3所示。

主軸每轉(zhuǎn)一圈發(fā)一個(gè)同步信號(hào)對(duì)應(yīng)著活塞的長(zhǎng)軸位置。以同步信號(hào)為角向基準(zhǔn)每收到一個(gè)主軸采樣信號(hào)CY對(duì)應(yīng)著刀尖相對(duì)于長(zhǎng)軸的每一個(gè)角度θi。此外機(jī)床還配備了一個(gè)縱向零位光電開(kāi)關(guān)。當(dāng)機(jī)床走刀時(shí)先觸發(fā)了縱向零位。縱向零位對(duì)應(yīng)著活塞裙部的加工起點(diǎn)。以縱向零位觸發(fā)信號(hào)為基準(zhǔn)，縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步發(fā)出一個(gè)縱向信號(hào)ZX對(duì)應(yīng)著刀尖相對(duì)于裙部起始點(diǎn)所處的縱向位置zj。確定了θi和zj后計(jì)算機(jī)就能計(jì)算出刀具的位移信號(hào)Sx=x(θi，zj)。該信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換送到功放驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)推動(dòng)刀架，使刀尖迅速地到達(dá)預(yù)定的位置。

3 機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)

活塞加工屬于模具仿形加工，用普通數(shù)控系統(tǒng)加工指令無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加工。本機(jī)床主要是在數(shù)控機(jī)床上增加工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、功放系統(tǒng)、徑向角度檢測(cè)元件、縱向位置元件、測(cè)量反饋裝置等部分。在加工過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)編譯簡(jiǎn)單的加工程序，即主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、Z軸及X軸直線運(yùn)動(dòng)?？刂朴?jì)算機(jī)通過(guò)Z軸縱向零位光電開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)，徑向角度檢測(cè)元件及縱向位置元件實(shí)時(shí)地向控制計(jì)算機(jī)報(bào)告刀具相對(duì)工件的位置?？刂朴?jì)算機(jī)則依次將已準(zhǔn)備好的活塞"軟靠模"文件中的數(shù)據(jù)送到功率放大器中，高頻響微動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)接受放大器的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)刀具按要求的規(guī)律運(yùn)動(dòng)以加工出所需的活塞中凸形線和橢圓截面形線。測(cè)量反饋裝置用于改善加工過(guò)程的質(zhì)量。本機(jī)床對(duì)主軸跳動(dòng)要求很高，因?yàn)榛钊粌H要求精度，還要求表面光滑度(刀紋)，還要求加工效率。所以本機(jī)床采用恒溫靜壓主軸單元，能保證加工的高精高效。機(jī)床的基本組成如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

活塞加工專用數(shù)控機(jī)床的研制，打破了國(guó)外對(duì)此類機(jī)床的壟斷地位，降低了活塞加工單位的設(shè)備成本。對(duì)于一直應(yīng)用傳統(tǒng)靠模加工活塞的單位，為他們提供了一種加工精度更高、效率更快的加工方案。

［1］PTC5活塞數(shù)控車削系統(tǒng)使用說(shuō)明書［Z］.北京:國(guó)防科技大學(xué)，2005.