基于活塞環全數控加工CAD系統的設計研究

摘要：本文將著重介紹活塞環全數控加工CAD系統的設計，將主要的是以具體的數學方法和彈性力學為基礎，根據活塞環參數與計算模型自動生成活塞環全數控機床數控加工所需要的接口數據，并且要求能夠形成壓力分布圖、數控機床伺服電機性能圖、活塞壞的外形曲線及其其他有關的工藝文件，使操作更為系統、簡便。

關鍵詞：活塞環；數控加工；CAD系統；設計研究

作為內燃機最關鍵的零件，活塞環有著極強的密封、傳熱以及刮油的作用。活塞環質量的好壞以及工作運轉是否正常將從根本上影響到汽車的功率、噪音和缸體壽命等性能。

根據現代活塞的設計理論來看，對參數的選擇要基于性能，選擇合適的徑向壓力分布模型，然后才能通過力學與數學的科學計算方式算出于其相對應的狀態型線數據后用于成型加工工作。

CAD系統是活塞環全數控CAD/CAM系統當中一個重要的組成部分，它對于活塞環自由型線數據的計算并生成符合加工要求的接口數據及其他相關文件起著決定性作用。但是，隨著發動機技術的不斷發展，各種環應運而生，有了更多的產品就會有更多的選擇，因此，要求本系統具備多種設計方法直接輸入離散點值的方式來供用戶選擇，快速生成數控機床所必須的加工數據，以便能夠達到更加快速的更換產品型號的目的。

1.系統的需要與相應的設計原則

由于CAD系統是CAD/CAM系統中的一個重要組成部分，所以其設計原則不能主觀的脫離整體，應當以滿足系統整體要求來進行；具體如下：

（1）根據國內通用的環周徑向壓力曲線設計方法，來計算出活塞環自由型線數據，對于優化設計活塞環開口區自由型線的工作則應該根據交流伺服系統性能的要求。

（2）系統具備提供各種壓力分布理論的函數表達式的能力，以便能夠簡便的計算出不同壓力分布的自由型線，這樣也就能夠更快、更好的滿足更換產品型號的要求。

（3）系統必須具備提供直觀圖以顯示活塞環自由型線和壓力分布圖的能力，這樣能夠確保參數的修正，進而達到最優設計的目的。

（4）系統應該具備提供加工所需控制數據的能力，從基本上實現CAD/CAM的一體化。

（5）具體操作不能過于復雜。

2.系統結構及其流程

考慮到活塞環曲率半徑的變化相對比較大，即便是通過高性能的步進電機也無法完全達到其大加速度高頻響的伺服性能。本活塞環全數控加工CAD/CAM系統將采用美國BD55前饋式全閉環交流伺服系統驅動自制的高性能微位移伺服進給機構來完成車型的車削；然后，在省城接口控制數據以及和BD55系統進行接口控制將采用EVOC工業控制機。本CAD系統將以Windows操作系統為平臺，并對面向Visual Basic編程語言加以運用。此外，通過模塊化設計的方法，使得本系統可以在Windows95以上中文環境486以上的微機使用。

3.系統功能的變成實現

3.1壓力方程管理

活塞環自由型線計算的基本依據就是壓力方程，就國內來看，采用的比較廣泛的是壓力分布函數為余弦的表達式，以及在相對情況下須特殊處理的壓力分布非僅為余弦函數的表達式。

3.2計算活塞環半徑增量

根據《控制系統計算機輔助設計—MATLAB語言及應用》一書可以看到，對阿諾爾德法、張吉天式、卡崗式等可以采用統一的公式計算活塞環半徑增量。還要特別提到一點的是對等壓分布環與卡崗法及壓力分布非僅為余弦函數的公式可利用相應的公式來進行計算。

3.3計算數據后的處理

在相對自由的狀態下，活塞環會形成一個開口區，在這個區域是無法根據公式來得到相應數據的。因此，為了在數控加工機床上加工出活塞環就必須要對數據進行相應的科學補充。對于開口區數據補充的原則，大致有以下幾點：

（1）與非開口區曲線平滑相連時，我們認定其不會出現半徑增量的突變以及一階導數突變的情況。

（2）半徑量具有盡可能小的一階導數，這就需要當出現在滿足加工要求的基礎下伺服電機的加速度應該盡可能小的局面，這樣做能夠最大限度的降低加工工作的難度，進而確保加工的精確度。

3.4離散數據的相應處理

為了滿足用戶相應的其他需求，系統還提供了離散數據輸入處理功能，當用戶一旦輸入離散數據，系統便會自主的對數據進行全面的檢查，檢查后，再通過三次樣條插值等方法，計算出活塞環曲線數據。

3.5數據查閱與圖形顯示

活塞環的參數選定后，用戶根據壓力分布計算模型計算出活塞環自由型線數據以及伺服電機性能數據，并且根據用戶的主觀意圖可對活塞環半徑增量圖、伺服電機性能曲線圖和壓力分布曲線等進行查看。

對離散數據進行有效的處理后，壓力分布曲線以外的直觀圖示都能輕松得到，用戶可交互地堆離散數據值進行修改，以便得到最為滿意的結果。

4.結束語

在過去我國的活塞環加工的發展過程中，如何選擇活塞環的自由形狀以及如何加工出所需要的形狀這兩個問題一直是比較讓我們頭疼的。現在，隨著科學技術的進步高精度活塞環數據車床可以加工任何活塞環

對于活塞環全數控加工CAD系統中的其他問題和還有待提高的環節；首先，應該通過大量的科學實驗來驗證并解決；其次，做好相應的人才培養工作和理論知識的開發工作；做到了這些無疑會更進一步提高我國活塞環加工水平。

參考文獻

[1]陳松柏，黃紅武，朱更紅.活塞環外圓全數控加工CAD系統的研制[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2010，06：38-41+55.

[2]陳松柏.活塞環外圓數控仿型加工CAD/CAM系統的研制[D].湖南大學，2011，12：138-21+15.

[3]王琥.活塞環外圓全數控精密車削加工檢測系統的研制[D].湖南大學，2012，09：48-21+75.

[4]李開順.高速響應活塞環數控車床的開發研究[D].揚州大學，2011，35：118-21+95.

[5]賀海庭，黃紅武，劉建寧，卿鈞. 活塞環自由型線CAD系統研制探討[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2011，06：48-51+155.

作者簡介：姜誠君，女（1978.2-）漢族，籍貫：山東威海，碩士，講師，研究方向：數控加工技術、CAD/CAM。