基于活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD系統(tǒng)的設(shè)計研究

摘要：本文將著重介紹活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD系統(tǒng)的設(shè)計，將主要的是以具體的數(shù)學(xué)方法和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)活塞環(huán)參數(shù)與計算模型自動生成活塞環(huán)全數(shù)控機(jī)床數(shù)控加工所需要的接口數(shù)據(jù)，并且要求能夠形成壓力分布圖、數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)性能圖、活塞壞的外形曲線及其其他有關(guān)的工藝文件，使操作更為系統(tǒng)、簡便。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán)；數(shù)控加工；CAD系統(tǒng)；設(shè)計研究

作為內(nèi)燃機(jī)最關(guān)鍵的零件，活塞環(huán)有著極強(qiáng)的密封、傳熱以及刮油的作用。活塞環(huán)質(zhì)量的好壞以及工作運(yùn)轉(zhuǎn)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(jù)現(xiàn)代活塞的設(shè)計理論來看，對參數(shù)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(xué)與數(shù)學(xué)的科學(xué)計算方式算出于其相對應(yīng)的狀態(tài)型線數(shù)據(jù)后用于成型加工工作。

CAD系統(tǒng)是活塞環(huán)全數(shù)控CAD/CAM系統(tǒng)當(dāng)中一個重要的組成部分，它對于活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)的計算并生成符合加工要求的接口數(shù)據(jù)及其他相關(guān)文件起著決定性作用。但是，隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種環(huán)應(yīng)運(yùn)而生，有了更多的產(chǎn)品就會有更多的選擇，因此，要求本系統(tǒng)具備多種設(shè)計方法直接輸入離散點(diǎn)值的方式來供用戶選擇，快速生成數(shù)控機(jī)床所必須的加工數(shù)據(jù)，以便能夠達(dá)到更加快速的更換產(chǎn)品型號的目的。

1.系統(tǒng)的需要與相應(yīng)的設(shè)計原則

由于CAD系統(tǒng)是CAD/CAM系統(tǒng)中的一個重要組成部分，所以其設(shè)計原則不能主觀的脫離整體，應(yīng)當(dāng)以滿足系統(tǒng)整體要求來進(jìn)行；具體如下：

（1）根據(jù)國內(nèi)通用的環(huán)周徑向壓力曲線設(shè)計方法，來計算出活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)，對于優(yōu)化設(shè)計活塞環(huán)開口區(qū)自由型線的工作則應(yīng)該根據(jù)交流伺服系統(tǒng)性能的要求。

（2）系統(tǒng)具備提供各種壓力分布理論的函數(shù)表達(dá)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(chǎn)品型號的要求。

（3）系統(tǒng)必須具備提供直觀圖以顯示活塞環(huán)自由型線和壓力分布圖的能力，這樣能夠確保參數(shù)的修正，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計的目的。

（4）系統(tǒng)應(yīng)該具備提供加工所需控制數(shù)據(jù)的能力，從基本上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的一體化。

（5）具體操作不能過于復(fù)雜。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其流程

考慮到活塞環(huán)曲率半徑的變化相對比較大，即便是通過高性能的步進(jìn)電機(jī)也無法完全達(dá)到其大加速度高頻響的伺服性能。本活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD/CAM系統(tǒng)將采用美國BD55前饋式全閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動自制的高性能微位移伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)來完成車型的車削；然后，在省城接口控制數(shù)據(jù)以及和BD55系統(tǒng)進(jìn)行接口控制將采用EVOC工業(yè)控制機(jī)。本CAD系統(tǒng)將以Windows操作系統(tǒng)為平臺，并對面向Visual Basic編程語言加以運(yùn)用。此外，通過模塊化設(shè)計的方法，使得本系統(tǒng)可以在Windows95以上中文環(huán)境486以上的微機(jī)使用。

3.系統(tǒng)功能的變成實(shí)現(xiàn)

3.1壓力方程管理

活塞環(huán)自由型線計算的基本依據(jù)就是壓力方程，就國內(nèi)來看，采用的比較廣泛的是壓力分布函數(shù)為余弦的表達(dá)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(shù)的表達(dá)式。

3.2計算活塞環(huán)半徑增量

根據(jù)《控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計—MATLAB語言及應(yīng)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(tǒng)一的公式計算活塞環(huán)半徑增量。還要特別提到一點(diǎn)的是對等壓分布環(huán)與卡崗法及壓力分布非僅為余弦函數(shù)的公式可利用相應(yīng)的公式來進(jìn)行計算。

3.3計算數(shù)據(jù)后的處理

在相對自由的狀態(tài)下，活塞環(huán)會形成一個開口區(qū)，在這個區(qū)域是無法根據(jù)公式來得到相應(yīng)數(shù)據(jù)的。因此，為了在數(shù)控加工機(jī)床上加工出活塞環(huán)就必須要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)補(bǔ)充。對于開口區(qū)數(shù)據(jù)補(bǔ)充的原則，大致有以下幾點(diǎn)：

（1）與非開口區(qū)曲線平滑相連時，我們認(rèn)定其不會出現(xiàn)半徑增量的突變以及一階導(dǎo)數(shù)突變的情況。

（2）半徑量具有盡可能小的一階導(dǎo)數(shù)，這就需要當(dāng)出現(xiàn)在滿足加工要求的基礎(chǔ)下伺服電機(jī)的加速度應(yīng)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(jìn)而確保加工的精確度。

3.4離散數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理

為了滿足用戶相應(yīng)的其他需求，系統(tǒng)還提供了離散數(shù)據(jù)輸入處理功能，當(dāng)用戶一旦輸入離散數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便會自主的對數(shù)據(jù)進(jìn)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(huán)曲線數(shù)據(jù)。

3.5數(shù)據(jù)查閱與圖形顯示

活塞環(huán)的參數(shù)選定后，用戶根據(jù)壓力分布計算模型計算出活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)以及伺服電機(jī)性能數(shù)據(jù)，并且根據(jù)用戶的主觀意圖可對活塞環(huán)半徑增量圖、伺服電機(jī)性能曲線圖和壓力分布曲線等進(jìn)行查看。

對離散數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)值進(jìn)行修改，以便得到最為滿意的結(jié)果。

4.結(jié)束語

在過去我國的活塞環(huán)加工的發(fā)展過程中，如何選擇活塞環(huán)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(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步高精度活塞環(huán)數(shù)據(jù)車床可以加工任何活塞環(huán)

對于活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD系統(tǒng)中的其他問題和還有待提高的環(huán)節(jié)；首先，應(yīng)該通過大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證并解決；其次，做好相應(yīng)的人才培養(yǎng)工作和理論知識的開發(fā)工作；做到了這些無疑會更進(jìn)一步提高我國活塞環(huán)加工水平。

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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(shù)控加工技術(shù)、CAD/CAM。