ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床的研發(fā)與應(yīng)用

長沙一派數(shù)控股份有限公司楊 堅(jiān)

ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床的研發(fā)與應(yīng)用

長沙一派數(shù)控股份有限公司楊 堅(jiān)

一、概述

大功率船用柴油機(jī)是船舶的關(guān)鍵設(shè)備，此領(lǐng)域基本上由MAN B&W 和Wartsila兩大國外巨頭壟斷。雖然我國造船量約占世界市場份額的40%，但大功率船用柴油機(jī)有70%依賴國外進(jìn)口。特別是受進(jìn)口限制，我國海軍艦艇的發(fā)動機(jī)必須國產(chǎn)化。如果發(fā)動機(jī)的功率達(dá)不到先進(jìn)水平，艦艇速度就難以與敵艦抗衡，就會在局部戰(zhàn)爭中處于被動挨打的地位。

活塞是對發(fā)動機(jī)性能有決定性影響的關(guān)鍵零件。大功率船用柴油機(jī)對活塞提出了更高的技術(shù)要求：活塞的缸徑大大增加；活塞的變橢圓型面更加復(fù)雜、精度更高；活塞的環(huán)槽精度以及關(guān)鍵型面之間的位置精度大大提高；活塞的材料需要更高的強(qiáng)度。這種大規(guī)格、高性能的活塞需要高精度、高可靠性的專用設(shè)備來加工。目前，國內(nèi)中小功率柴油發(fā)動機(jī)活塞的變橢圓數(shù)控加工設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。其中，長沙一派數(shù)控股份有限公司的產(chǎn)品占據(jù)80%以上的國內(nèi)市場，￠320mm及以下船用柴油機(jī)活塞變橢圓數(shù)控車床有少量進(jìn)口，但￠500mm及以上的大缸徑活塞加工設(shè)備則受到發(fā)達(dá)國家的封鎖限制。

因此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)、滿足船用大功率柴油機(jī)變橢圓活塞(活塞外徑￠500mm，加工長度1000mm，滿足X2/a+Y2/b=1等復(fù)雜變橢圓型面)加工要求的專用數(shù)控車床，對于提高柴油機(jī)關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，發(fā)展我國PC系列大功率船用柴油機(jī)，提高我國船舶柴油機(jī)國內(nèi)自主配套能力，提高我國海軍系列戰(zhàn)艦及補(bǔ)給船的作戰(zhàn)供給能力均有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對加強(qiáng)我國的國防安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

目前國內(nèi)數(shù)控活塞變橢圓車床的研發(fā)和生產(chǎn)單位主要包括長沙一派數(shù)控、清華大學(xué)、國防科大，國內(nèi)進(jìn)口產(chǎn)品主要包括日本TAKISAWA、日本KIRIU、意大利IMT、德國DMG等。其主要加工范圍如下表：

廠家名稱設(shè)備名稱加工最大直徑加工最大長度日本TAKISAWA TPS-5000H￠320mm 370mm日本KIRIU KFT-15C￠120mm 120mm德國DMG VSC250￠200mm 300mm意大利IMT SR10/3-T2￠300mm 350mm臺灣安加B型￠200mm 300mm清華大學(xué)￠200mm 320mm國防科大￠200mm 300mm

變橢圓數(shù)控車床的技術(shù)關(guān)鍵是直線伺服技術(shù)和實(shí)時數(shù)據(jù)處理。一派數(shù)控從成立之初起就從事直線伺服技術(shù)的研究，我司自主研發(fā)的數(shù)控活塞異形銷孔鏜床、數(shù)控活塞異形外圓車床、數(shù)控活塞銷孔組合鏜床、數(shù)控活塞環(huán)內(nèi)外圓車床等已在國內(nèi)大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)零部件企業(yè)應(yīng)用。ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床，是本公司為滿足國內(nèi)大功率船用發(fā)動機(jī)的發(fā)展需求，在我公司已開發(fā)的數(shù)控活塞異形外圓車床機(jī)床上，持續(xù)進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，自主研發(fā)制造的新成果。該成果應(yīng)用了多項(xiàng)發(fā)明專利和兩項(xiàng)軟件著作權(quán)。其主要技術(shù)指標(biāo)保持國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。該項(xiàng)目的研制成功，不僅提升了我國此類數(shù)控高端裝備的水平，也打破了國外對該機(jī)床的壟斷和封鎖，為企業(yè)開拓了新的產(chǎn)品市場，同時取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

圖1 ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床外觀圖

二、產(chǎn)品性能介紹

ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床具有高精度、高剛性、高頻響、多軸聯(lián)動、高效率等特點(diǎn)，并且還需要直線伺服控制技術(shù)、精密測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)技術(shù)等多學(xué)科多種技術(shù)的支撐，是一種典型的高檔數(shù)控機(jī)床：

（1）精度高：PC2-5、PC2-6活塞（活塞直徑400mm）原采用機(jī)械凸輪加工，外圓加工尺寸精度±0.02mm；采用本項(xiàng)目開發(fā)的ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床進(jìn)行加工，外圓加工尺寸精度±0.012mm，橢圓輪廓度±0.008mm。

（2）頻響高：采用一派數(shù)控最新開發(fā)的直線伺服刀架系統(tǒng)，其最高頻響可達(dá)到400Hz以上，可滿足一次標(biāo)準(zhǔn)橢圓、二次標(biāo)準(zhǔn)橢圓、偏心圓、偏心橢圓、X2/a+Y2/ b=1等復(fù)雜橢圓截面的加工。

（3）提高效率：配置公司自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，編程速度快，參數(shù)修改方便；PC2-5活塞加工時間也由原來的2小時提高到目前的30min。

（4）優(yōu)化工藝：通過整體布局設(shè)計(jì)，在機(jī)床床鞍上設(shè)計(jì)布置兩個直線進(jìn)給的X軸，在一次裝夾中可完成活塞異形外圓、活塞環(huán)槽粗精加工、活塞頂面精加工等多工序，提高了相互之間的位置精度。

該產(chǎn)品采用了“直驅(qū)電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)”（201110354801.4）、“一種用于異形面加工的直線伺服刀架”（201510312082.8）等發(fā)明專利技術(shù)和“一派活塞曲面數(shù)據(jù)處理軟件”（2010SR046130）、“一派伺服驅(qū)動器控制軟件V1.0”（湘RC-2016-0252）等軟件著作權(quán)產(chǎn)品。該產(chǎn)品突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與工藝模式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字靠模取代原有固體靠模的技術(shù)創(chuàng)新，成為新一代數(shù)控活塞變橢圓加工的關(guān)鍵領(lǐng)先技術(shù)，開創(chuàng)了高效、高精度、多工序組合的技術(shù)發(fā)展的新途徑。

該發(fā)明技術(shù)實(shí)現(xiàn)了顯著的應(yīng)用效果，其加工精度、加工效率等均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。該產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)如下：

主要技術(shù)指標(biāo)單位項(xiàng)目要求實(shí)際檢測結(jié)果加工活塞直徑范圍/mm φ160～φ500 φ160～φ520加工活塞長度范圍/mm 200～750 200～750加工最大長度/mm 1000 1200加工最大橢圓度/mm 3.5 6.0主軸轉(zhuǎn)速/r min-110～800 10～1000加工截面形式包括X2/a+Y2/ b=1、二次橢圓、標(biāo)準(zhǔn)橢圓疊加偏心圓、偏心橢圓、梅花橢圓和離散數(shù)據(jù)等直線伺服包括X2/a+Y2/ b=1、二次橢圓、標(biāo)準(zhǔn)橢圓疊加偏心圓、偏心橢圓和梅花橢圓等系統(tǒng)頻響Hz/-3dB 400 400直線伺服電機(jī)定位精度/mm 0.002 0.0005加工尺寸精度/mm 0.02 0.012

三、新技術(shù)應(yīng)用情況

1.高精度高頻響直線伺服技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

（1）永磁平板式直線伺服刀架系統(tǒng)

目前國內(nèi)外主流的解決方案是采用“專屬運(yùn)動控制卡 + 伺服驅(qū)動器 + 直線電機(jī) + 專用刀架”的方法解決活塞仿形刀架的需求，所采用的直線電機(jī)主要以音圈直線電機(jī)和U型無鐵芯直線電機(jī)為主，它們的優(yōu)勢主要是慣量小出力平穩(wěn)；但是這兩種電機(jī)的出力較小，加工活塞時有時由于切削力大的原因有些“吃力”，主要體現(xiàn)在加工帶“窗口”部位時精度超差。活塞的“窗口”結(jié)構(gòu)，使切削過程為斷續(xù)切削，對刀具產(chǎn)生沖擊載荷，如果直線伺服刀架系統(tǒng)剛性不足，會嚴(yán)重影響工件的加工精度。針對上述問題，本公司開發(fā)了全新一代活塞異形外圓直線伺服刀架系統(tǒng)。該刀架的主要特點(diǎn)如下：

①采用帶鐵芯平板直線伺服同步電機(jī)對稱雙電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，刀夾與永磁體可動部分一體化設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大地提高了電機(jī)的出力，極大地減小了可動部分質(zhì)量，使得電機(jī)額定出力達(dá)到1000N，峰值出力1600N，與上一代音圈電機(jī)刀架相比，出力提高約3倍，較大的出力保證直線伺服刀架在加工鋼活塞時能夠有較好的剛性，并配合小慣量設(shè)計(jì)保證了伺服刀架系統(tǒng)擁有滿足活塞加工的頻率響應(yīng)特性。

②其支撐采用高剛性導(dǎo)軌支撐，使電機(jī)在輸出較大出力的同時，兼顧較好的剛性。

③采用海德漢高精度直線光柵尺直接檢測刀架位置信號，分辨率達(dá)到0.1μm，全數(shù)字式反饋提高了位置反饋的精度，降低了位置信號受溫升和電磁等干擾的可能（經(jīng)測試系統(tǒng)的定位精度為0.5μm，重復(fù)定位精度0.3μm）。

④直線伺服刀架工作行程達(dá)到+/-3mm，此范圍已經(jīng)完全滿足活塞加工的橢圓和型線的需求，不需要刀架拖板跟隨運(yùn)動，大大簡化了機(jī)床的控制設(shè)計(jì)要求。

圖2 EJX1260A永磁同步平板直線伺服刀架系統(tǒng)外觀圖

（2）專用直線伺服刀架控制器的研制

由于活塞外圓截面的特殊形狀，我們建立活塞截面數(shù)據(jù)模型時，一般最少將一個截面分成720個點(diǎn)，使用數(shù)字編碼器反饋主軸的位置信號，控制器則根據(jù)主軸位置信號與數(shù)據(jù)模型對直線電機(jī)發(fā)出位置命令信號，直線電機(jī)則帶動刀頭運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了活塞外圓截面的加工。以截面點(diǎn)數(shù)為720點(diǎn)的活塞數(shù)據(jù)為例，加工轉(zhuǎn)速為1500r/min時，要求控制系統(tǒng)完成一次數(shù)據(jù)交換處理的周期約為0.05 ms（加工截面點(diǎn)數(shù)更高的活塞時，時間更短），而通用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)一般處理能力在1ms左右，遠(yuǎn)無法滿足活塞加工中對加工精度與加工效率的需求。

由于活塞外圓加工的特殊截面形式，導(dǎo)致對加工軸控制系統(tǒng)的適時要求特別高。常用的“數(shù)控系統(tǒng) + 伺服驅(qū)動器”的方案由于數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算周期和數(shù)據(jù)傳輸速度等的限制，使常用的伺服軸的控制方式很難滿足活塞外圓的加工要求。針對這種需求，開發(fā)出專用于快速直線伺服控制的EHA3020T0S型數(shù)字式伺服控制器。該控制器采用“雙DSP的構(gòu)架”，將“位置規(guī)劃 + 數(shù)據(jù)通訊+ 電機(jī)控制”等功能全部結(jié)合到一個控制器當(dāng)中，其中一個DSP根據(jù)主軸與Z軸編碼器的位置信號進(jìn)行位置規(guī)劃運(yùn)算與數(shù)據(jù)通訊等方面的工作，另外一個DSP則作電機(jī)控制運(yùn)算，兩個DSP之間每30μs實(shí)現(xiàn)一次全數(shù)字式數(shù)據(jù)傳遞，這種頻率的通訊完全能夠滿足活塞加工對適時性的要求。該控制器將數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)動規(guī)劃、電機(jī)控制等全都集成在一個控制器當(dāng)中，相當(dāng)于對直線電機(jī)這個軸構(gòu)建了一套獨(dú)立于數(shù)控系統(tǒng)的單軸控制系統(tǒng)，與數(shù)控系統(tǒng)只進(jìn)行IO通訊，對數(shù)控系統(tǒng)要求極低，具體控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 專用直線伺服刀架控制器的控制框圖

圖4 專用直線伺服刀架控制器

2.變橢圓型面活塞數(shù)控加工數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)生成軟件模塊的研發(fā)

（1）建立活塞異形曲面數(shù)學(xué)模型

活塞外圓截面形式復(fù)雜多樣，包括標(biāo)準(zhǔn)的一次橢圓(x2/a2+y2/b2=1)、二次橢圓、偏心橢圓、組合橢圓、橢圓疊加偏心圓、梅花橢圓等。首先把各種復(fù)雜的活塞外圓曲面建立成三維空間數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合活塞加工工藝特點(diǎn)把三維模型經(jīng)過網(wǎng)格化（如圖5所示），則這些數(shù)字化了的網(wǎng)格點(diǎn)就代表活塞外圓曲面，最后把這些網(wǎng)格化數(shù)據(jù)形成一張二維數(shù)表，其橫坐標(biāo)為活塞高度，縱坐標(biāo)為角度，對應(yīng)點(diǎn)即為活塞曲面數(shù)據(jù)。在車削過程中，只要刀尖的軌跡能夠準(zhǔn)確地通過這些網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，就能加工出理想的活塞外圓型面。

圖5 活塞變橢圓型面數(shù)學(xué)模型的建立方法

對于大功率船用柴油機(jī)活塞（直徑φ500mm，長1000 mm），每一橫截面數(shù)據(jù)需按4096線的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)分（小活塞僅需360線），其中，1 000mm長的活塞，其縱截面按0.01mm細(xì)分則需要100 000個數(shù)據(jù)截面。因此一個超大活塞的型面數(shù)據(jù)量約為390 M，比一個中小活塞的數(shù)據(jù)量大100倍。同時，模型應(yīng)能夠處理一次橢圓X2/a+Y2/b=1、二次橢圓、偏心橢圓、組合橢圓、橢圓疊加偏心圓、梅花橢圓和離散數(shù)據(jù)等復(fù)雜的活塞橫截面數(shù)據(jù)及縱截面形線離散數(shù)據(jù)。

為解決400 M左右的活塞變橢圓型面數(shù)據(jù)，并以小于0.03 ms的節(jié)拍完成每個數(shù)據(jù)的實(shí)時交換，本項(xiàng)目將400 M的活塞數(shù)據(jù)壓縮到數(shù)控系統(tǒng)8M的SRAM中。在活塞加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)采樣反饋的加工位置，實(shí)時進(jìn)行二次細(xì)分插補(bǔ)，從而保證活塞的輪廓精度。

（2）活塞曲面數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

根據(jù)當(dāng)今最先進(jìn)的“數(shù)字靠模”技術(shù)，根據(jù)大直徑變橢圓活塞加工建立的數(shù)學(xué)模型開發(fā)的活塞數(shù)據(jù)處理軟件，為中凸變橢圓活塞外圓加工提供了三維曲面數(shù)據(jù)的計(jì)算公式、方法及編輯平臺，滿足了已有活塞品種所出現(xiàn)的各種復(fù)雜圖形設(shè)計(jì)要求。其主要功能為：

①輸入活塞基本參數(shù)（高度、形線和橢圓度等），程序即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動插值計(jì)算。

②顯示活塞任一縱向截面或橫截面的曲線效果并進(jìn)行分析，包括任一截面形狀和任一角度的形線。

③自動分析非圓截面車削加工時的動態(tài)響應(yīng)特性，并實(shí)施數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

④為活塞的數(shù)控加工直接提供加工數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)處理軟件建模框圖

圖7 數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)輸入界面

圖10 ECK2150A光機(jī)3D圖

圖8 數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)顯示界面

四、成果應(yīng)用及推廣情況

3.機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床根據(jù)活塞工藝要求，設(shè)計(jì)上主要從機(jī)床受力、精度保持性、裝夾方便來考慮，決定采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)，機(jī)床部分主要包含床身、主軸、拖板、尾架、工裝等部分（見圖9）。

圖9 機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床在陜西柴油機(jī)重工有限公司、常州南車零部件有限公司等單位得到應(yīng)用，其加工產(chǎn)品精度、加工效率均超過英國等同類進(jìn)口機(jī)床，已完全替代進(jìn)口。

ECK2150A數(shù)控活塞變橢圓車床的研制成功，提升了我國船用大功率發(fā)動機(jī)活塞的加工水平，打破了國外對該項(xiàng)目的壟斷和封鎖。對于提高船用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化、發(fā)展我國PC系列大功率船用柴油機(jī)、提高我國船舶柴油機(jī)國內(nèi)自主配套能力、提高我國海軍系列戰(zhàn)艦及補(bǔ)給船的作戰(zhàn)供給能力均有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對加強(qiáng)我國的國防安全也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。□

行業(yè)資訊

國際新能源汽車高端論壇在廣州成功舉辦

2016年7月14～15日，中國國際新能源汽車產(chǎn)業(yè)高端論壇暨第二十屆中國國際汽車動力總成技術(shù)、工藝與裝備研討會在廣州召開。來自國內(nèi)新能源汽車的主要生產(chǎn)廠家及相關(guān)配套企業(yè)、機(jī)床企業(yè)100多人出席了會議。

該研討會由中國汽車工業(yè)國際合作有限公司主辦，中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會作為支持單位已連續(xù)三屆做主題發(fā)言。研討會涉及面較寬，內(nèi)容主要涉及新能源汽車和車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢、汽車新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用、汽車裝備技術(shù)、數(shù)字化智能工廠等四個方面。

會議期間，代表們參觀了廣州傳祺汽車公司裝配車間，并參觀了中國（廣州）國際新能源節(jié)能及智能汽車展覽會。

（屠景先 周敏森 李衛(wèi)青）