大直徑活塞環(huán)數(shù)控立式車床的研究及應(yīng)用

陳智平，伍 超，羅斯敏，周 玲

(長沙一派直驅(qū)科技股份有限公司，湖南 長沙 410100)

國內(nèi)傳統(tǒng)的大直徑活塞環(huán)內(nèi)外圓加工，其加工工藝和加工方法對目前活塞環(huán)生產(chǎn)廠家都是一個難題，長沙一派直驅(qū)科技股份有限公司研制開發(fā)的ECK15125A大直徑活塞環(huán)數(shù)控立式車床，成功地解決了這一難題。

ECK15125A大直徑活塞環(huán)數(shù)控立式車床，是在國內(nèi)生產(chǎn)的CK51125數(shù)控立式車床的基礎(chǔ)上，安裝一派直驅(qū)研制的平板式直線電機EPI22150和驅(qū)動器EHA3020TOS組成的刀架系統(tǒng)及相關(guān)軟件，其中直線電機安裝在機床的滑枕上，整體可隨機床Z軸上下運動；機床主軸端通過1:1同步帶傳動主軸外置旋轉(zhuǎn)編碼器，為活塞環(huán)加工提供角度信號；安裝內(nèi)、外圓車刀及切片刀的刀架系統(tǒng)固定在直線電機驅(qū)動的滑臺上，可隨主軸旋轉(zhuǎn)進行高頻響跟隨運動，運動方向與機床X軸平行；開發(fā)專用的活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)處理軟件和加工控制軟件控制刀架系統(tǒng)，在一次裝夾中完成活塞環(huán)外圓、內(nèi)圓型線仿形及切片交替加工。

1 機床結(jié)構(gòu)

機床適宜加工大、中型活塞環(huán)；機床采用高強度鑄鐵床身、立柱，有良好的穩(wěn)定性和抗震性能；采用動梁結(jié)構(gòu)，保證機床具有更廣泛的加工范圍，更高的剛性；采用立式結(jié)構(gòu)，裝夾工件方便，占地面積小；大功率交流伺服主軸電機，配ZF兩檔變速箱，即可輸出大扭矩，又可高速運轉(zhuǎn)，滿足不同加工要求；強力卡爪，夾持穩(wěn)定可靠；分離式冷卻水箱，便于清洗； X、Z軸采用高精度滾珠絲桿和絲桿專用軸承，精度保持性好；整體式全封閉防護，環(huán)保清潔。

機床采用FANUC 0i TF數(shù)控系統(tǒng)，30kW交流伺服主軸電機,X、Z軸采用交流伺服電機，扭矩分別達到30Nm、22Nm。保證機床加工中良好的出力。集中式機床操作面板，使機床操作更加方便快捷。

機床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 機床主要參數(shù)

主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)。

序號項目參數(shù)值1工作臺直徑1050mm2最大回轉(zhuǎn)直徑1250mm3切削直徑范圍?400-?1100mm4最大工件加工長度460mm

續(xù)表

3 機床的創(chuàng)新技術(shù)

3.1 高精度高頻響伺服刀架系統(tǒng)

由于活塞環(huán)的形狀特殊，傳統(tǒng)的活塞環(huán)車床，需要應(yīng)用靠模裝置來完成活塞環(huán)的加工。單臺活塞環(huán)車床只能加工一種活塞環(huán)產(chǎn)品，使用效率不高。如果要更換加工產(chǎn)品，勢必需要更換靠模，不能做到快速更換加工產(chǎn)品型號的機床，是絕大多數(shù)制造企業(yè)不愿意接受的。靠模裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工的的產(chǎn)品完全取決于靠模本身的精度。通過長時間的機械運動，靠模的接觸表面會不同程度的磨損變形，造成加工的產(chǎn)品精度變差。修復(fù)靠模更是一項復(fù)雜的工作。

高精度高頻響伺服刀架系統(tǒng)，是由一派直驅(qū)自主研發(fā)的平板式直線電機、數(shù)字式伺服驅(qū)動器、控制軟件和刀架組成。直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運動機械能的電力傳動裝置。其優(yōu)越的高速及低速性能，超常的加速能力，運動平穩(wěn)、無反向間隙，高定位精度和重復(fù)定位精度，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。可以消除大量的中間傳動機構(gòu)，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)精度，得到了廣泛的應(yīng)用。為解決傳統(tǒng)活塞環(huán)車床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更換產(chǎn)品難、調(diào)試周期長、加工精度差等難題，ECK15125A大直徑活塞環(huán)數(shù)控立式車床，根據(jù)客戶活塞環(huán)的參數(shù)，通過切削力與重力加速度的計算，選用一派直驅(qū)生產(chǎn)的EPI22150平板式直線電機。

EPI22150平板式直線電機的性能。

額定性能符號單位參數(shù)值峰值推力FpN3750持續(xù)推力FcN1810電機常數(shù)KmNm69.5最大持續(xù)耗散功率PcW600

用EPI22150平板式直線電機替換傳統(tǒng)活塞環(huán)車床的靠模裝置，結(jié)構(gòu)簡單。用嵌入式加工控制軟件，導(dǎo)入活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)處理軟件生成的加工程序數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控主軸外置編碼器的信號獲取主軸角度值，建立活塞環(huán)的二維數(shù)字模型，通過專用伺服驅(qū)動器可全數(shù)字控制直線電機跟隨主軸的隨動加工，通過數(shù)據(jù)編程即可更換加工產(chǎn)品，做到快速更換加工產(chǎn)品型號。調(diào)試過程中，如遇到活塞環(huán)輪廓型線超差的情況，可以通過調(diào)整伺服驅(qū)動器的參數(shù)來優(yōu)化加工精度，也可以通過活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)處理軟件的數(shù)據(jù)補償功能，把檢測結(jié)果的誤差值導(dǎo)入重生成程序數(shù)據(jù)，做到調(diào)試簡單易學(xué)。應(yīng)用全數(shù)字控制的伺服驅(qū)動器控制直線電機隨動仿形加工，沒有靠模裝置的過渡傳動，大大提高了加工精度。機床及刀架系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。

嵌入式控制軟件如圖3所示。

3.2 活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)處理軟件

活塞環(huán)輪廓型線數(shù)據(jù)計算復(fù)雜，我們開發(fā)了“ECK15125A活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)處理軟件”來完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。軟件根據(jù)國內(nèi)常用的幾種活塞環(huán)壓力分布假設(shè)和計算活塞環(huán)自由形狀的方法編制的實用計算程序，并根據(jù)自由形狀數(shù)據(jù)生成程序數(shù)據(jù)。本軟件采用典型的Windows風(fēng)格，界面清晰友好，易學(xué)易用，功能強大。提供八種常用環(huán)周徑向壓力曲線設(shè)計方法，并且優(yōu)化了開口區(qū)自由形線的設(shè)計，保證直線電機有良好的加工性能；只需按產(chǎn)品圖紙要求輸入活塞環(huán)的主要參數(shù)和壓力分布形式，即可生成活塞環(huán)的壓力分布數(shù)據(jù)及自由形線加工程序數(shù)據(jù)；具有數(shù)據(jù)補償功能。程序開發(fā)語言環(huán)境為Microsoft Visual C++ 6.0。運行主界面如圖4所示。

前面提到活塞環(huán)是一種具有向外擴張變形的金屬彈性環(huán)，且在自由狀態(tài)下不是圓形，其曲率半徑沿環(huán)周各點是變化的，當(dāng)裝入氣缸后方成正圓形。其圓周方向的壓力分布主要有以下幾種計算公式，包括金茨布爾格(12cos)、阿諾爾德(12cos)、卡崗(3cos)、X式(6cos)、張吉天(2cos)、恒壓(cos)、戚機(4cos)、卡崗(X,Y)。具體要用哪一種壓力分布計算公式，取決于活塞環(huán)設(shè)計過程中使用的哪一種算法。我們以客戶產(chǎn)品的阿諾爾德壓力分布余弦表達式為例：

阿諾爾德原式：P(θ)=P0{n+L[(θ2+sin2θ)+2(cosθ+cos2θ)]}。該式的福里葉展開式是無窮多項余弦函數(shù)之和，為計算簡單，取其前12項，這樣一來，P(θ)的表達式就與金式相同，但其壓力系數(shù)與開口處壓力比I=Pπ/P0有關(guān)，簡化后的壓力系數(shù)如下：

P2=1.25L；P3=-0.2222L；P4=0.125L；P5=-0.08L；P6=0.0556L；P7=-0.0408L；P8=0.0313L；P9=-0.0247L；P10=0.02L；P11=-0.0165L；P12=0.0139L；

L=(I-1)/1.88；

設(shè)置活塞環(huán)基本參數(shù)：活塞環(huán)外徑：920mm；活塞環(huán)徑厚：30mm；開口壓力系數(shù)：0.8；開口寬度：100mm；每圈點數(shù)：3600；主軸轉(zhuǎn)速50r/min；計算公式選擇：阿諾爾德(12cos)。

鼠標(biāo)單擊“壓力分布”按鈕可以進行壓力分布數(shù)據(jù)計算，如圖5所示。

活塞環(huán)壓力分布數(shù)據(jù)計算界面，程序自動顯示理論計算后的活塞環(huán)壓力分布圖形、數(shù)據(jù)及極坐標(biāo)圖，并顯示壓力的峰值和谷值所處的角度和壓力的大小。按“確定”返回主界面。

鼠標(biāo)單擊“半徑增量”按鈕可以進行自由形線加工程序數(shù)據(jù)計算，如圖6所示。

活塞環(huán)自由型線加工程序數(shù)據(jù)計算界面，程序自動按公式計算并顯示理論計算后的活塞環(huán)半徑增量值圖形、數(shù)據(jù)及極坐標(biāo)圖，并顯示峰值所處的角度和半徑增量的大小，顯示開口位置圖形和開口角度值。按“確定”返回主界面。

鼠標(biāo)單擊“生成程序”按鈕可以生成加工程序數(shù)據(jù)并導(dǎo)出保存，導(dǎo)出存盤地址可任意選擇。

3.3 大直徑活塞環(huán)加工工藝

ECK15125A大直徑活塞環(huán)數(shù)控立式車床，在一次裝夾中完成活塞環(huán)外圓、內(nèi)圓型線仿形及切片交替加工。活塞環(huán)毛坯為筒狀結(jié)構(gòu)，立式安裝在工作臺上，端面定位，卡盤夾緊。工藝路線如下：

第一步，用刀架上的外圓車刀從上至下仿形加工筒狀毛坯的整個外圓，如圖7所示。

第二步，用刀架上的內(nèi)圓車刀從上至下仿形加工筒狀毛坯的內(nèi)圓，每次加工一片活塞環(huán)的高度，一般會增加切片刀的高度。單次加工最大內(nèi)圓高度是由內(nèi)圓車刀長度決定。如圖8所示。

第三步，用刀架上的切片刀仿形切斷筒狀的最上面一個活塞環(huán)，如圖9所示。

第四步，重復(fù)第二步與第三步，直到筒狀毛坯加工完。

4 加工檢測精度

我們以客戶產(chǎn)品測試加工，直線電機刀架系統(tǒng)跟隨平穩(wěn)，響應(yīng)快，各項加工指標(biāo)均達到或優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。檢測結(jié)果數(shù)據(jù)如圖10所示。

如檢測結(jié)果，活塞環(huán)型線誤差小于±0.003mm，內(nèi)外圓壁厚誤差小于±0.003mm，內(nèi)外圓表面粗糙度小于Ra6.3。檢測結(jié)果完全滿足客戶產(chǎn)品要求。

5 結(jié)語

高端裝備是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的重要支撐，發(fā)展高端裝備勢在必行。一派直驅(qū)致力于直線伺服技術(shù)的探索，為高速、高精度、簡化結(jié)構(gòu)等驅(qū)動需求提供最佳的解決方案。非圓截面數(shù)控作為高頻響、高精度直線電機的特種應(yīng)用，卓越的技術(shù)基礎(chǔ)使得一派直驅(qū)的ECK15125A大直徑活塞環(huán)數(shù)控立式車床開發(fā)順利完成，并贏得客戶的好評。