活塞是內(nèi)燃機(jī)的心臟，它與缸套的配合直接決定了內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，間隙的不合適可能造成抱缸或敲缸等現(xiàn)象。為了改善活塞與缸套的良好貼合，活塞的橫向截面通常設(shè)計(jì)為橢圓形，而且沿著軸向不同高度的截面橢圓是變化的，軸向截面型線一般設(shè)計(jì)成中凸桶形高次曲線。

　　活塞的這種異型設(shè)計(jì)為加工帶來了難度。傳統(tǒng)的活塞車削方法主要是仿形加工，但是對(duì)于多品種、小批量的生產(chǎn)方式，這種加工方式需要頻繁地更換靠模，調(diào)整非常復(fù)雜，造成更換周期長(zhǎng)。另外由于靠模、仿形觸點(diǎn)的磨損以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間的誤差積累，極易造成仿形失真，影響加工精度。

　　于是世界上很多的機(jī)床制造商和活塞制造廠紛紛研制數(shù)控中凸變橢圓型面車床，主要采用的有直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式、液壓伺服驅(qū)動(dòng)式和傳統(tǒng)絲杠驅(qū)動(dòng)三種方式。目前國(guó)內(nèi)也有很多的院校和科研院所及活賽制造廠研制數(shù)控中凸變橢圓型面車床，主要以直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主。

下面對(duì)這三種主要的數(shù)控中凸變橢圓型面加工技術(shù)進(jìn)行分析。

1 數(shù)控中凸橢圓型面車床的控制軟件

　　當(dāng)前的數(shù)控中凸橢圓型面車床控制軟件有兩種:一種是全面集成式，即數(shù)控車床X, Z軸的伺服控制、橢圓的伺服控制及其他的輔助功能集成在一個(gè)軟件包中;另外一種是橢圓伺服控制獨(dú)立式，數(shù)控車床X,Z軸的伺服控制、顯示、液壓及其他的輔助功能集成在一個(gè)軟件包中，橢圓的伺服控制軟件單獨(dú)進(jìn)行處理。兩種方式的軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，第一種方式，適用于獨(dú)立開發(fā)的單位，對(duì)操作用戶來說可能會(huì)更簡(jiǎn)單;第二種方式，適用于機(jī)床改造的單位，買一臺(tái)通用的數(shù)控車床，然后附加獨(dú)立的橢圓數(shù)控加工系統(tǒng)，對(duì)操作用戶來說可能會(huì)復(fù)雜一點(diǎn)。

　　不論集成的還是獨(dú)立的控制軟件，此類數(shù)控車床的控制軟件的總框架基本是相同的。一般包括主控程序、輸入輸出處理、用戶界面、用戶程序的輸入及編譯、插補(bǔ)運(yùn)算、坐標(biāo)軸的伺服控制、加工監(jiān)控、輔助指令的處理等模塊。獨(dú)立控制軟件是將橢圓伺服控制從其他坐標(biāo)軸的伺服控制中獨(dú)立出來進(jìn)行處理。

　　如果自行開發(fā)數(shù)控軟件，可以采用f;語言進(jìn)行編寫。上述模塊程序一般的數(shù)控系統(tǒng)都有成熟的軟件可以參考。下面主要對(duì)橢圓加工控制相關(guān)的模塊進(jìn)行介紹。

　　(1)活塞中凸變橢圓的數(shù)據(jù)編輯和插補(bǔ)編譯程序

　　活塞中凸變橢圓立體型面可以用一組空間的離散點(diǎn)來定義，這些點(diǎn)在空間由三個(gè)坐標(biāo)所確定，分別是X.Z.θ，這三個(gè)坐標(biāo)在加工時(shí)分別代表X,Z向?qū)к壍倪M(jìn)給值和主軸的轉(zhuǎn)位。三維坐標(biāo)的原點(diǎn)就是X.Z向的加工起始點(diǎn)和主軸的零位點(diǎn)，主軸的零位點(diǎn)在控制系統(tǒng)內(nèi)可以通過主軸編碼器和電子開關(guān)來確定。

　　用戶如何編輯中凸變橢圓程序一般分解為三部分。

　　第一部分是活塞橫向截面的橢圓程序。

　　式中:刀為修正橢圓的修正系數(shù)，由活塞設(shè)計(jì)者給出。

　　用戶可以根據(jù)實(shí)際需求參照公式輸入相應(yīng)的參數(shù)，通過軟件自動(dòng)地進(jìn)行編譯。部分特殊截面形狀不符合上述公式，用戶可以在不同的處輸入不同的△值，的間隔一般按1插補(bǔ)編譯即可，中間插補(bǔ)可以按直線或圓弧處理。

　　第二部分是活塞的縱向型線。一般情況，型線在設(shè)計(jì)完成經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修改，很難給出一個(gè)比較準(zhǔn)確的統(tǒng)一的函數(shù)曲線，設(shè)計(jì)者給出的是間隔高度上的收縮量△。用戶可以直接按要求輸入間隔高度上的收縮量即可，然后通過軟件按照高次曲線或樣條曲線逼近來進(jìn)行插補(bǔ)編譯，插補(bǔ)精度根據(jù)型線精度確定，一般0.1 mm的間隔即可滿足要求。

　　第三部分是插補(bǔ)截面間的函數(shù)關(guān)系。一般變化橢圓的橢圓度都是按照線性變化的，這樣用戶只要輸入一個(gè)變化系數(shù)即可。如果不是線性變化，用戶則需要輸入較多的截面，每截面之間用近似線性來處理。軟件通過這些變化系數(shù)來插補(bǔ)形成所有截面的數(shù)據(jù)。

　　通過上述三部分用戶數(shù)據(jù)的輸入，中凸橢圓的數(shù)據(jù)處理程序便可生成一個(gè)數(shù)據(jù)表描述的活塞數(shù)學(xué)立體模型。這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的專用區(qū)域，為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)的處理速度，在加工時(shí)調(diào)入計(jì)算機(jī)的專用內(nèi)存供適時(shí)存取。

　　(2)中凸變橢圓機(jī)構(gòu)的伺服控制程序

　　伺服控制程序的主要功能是從已生成的專用數(shù)據(jù)區(qū)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，井根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算，最后生成當(dāng)前應(yīng)該發(fā)送出的信號(hào)值。該值通過D/A轉(zhuǎn)換控制功放回路來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或直線位移，這個(gè)軟件模塊與硬件電路關(guān)聯(lián)非常強(qiáng)。

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　前面已敘述了活塞中凸變橢圓車床控制系統(tǒng)的兩種方式，全面集成或者橢圓加工系統(tǒng)獨(dú)立式。不論那種系統(tǒng)，數(shù)控控制的原理是相同的，一部分是車床總控系統(tǒng)，還有一部分是橢圓控制系統(tǒng)，可以通過原理圖來設(shè)計(jì)每一部分的具體硬件，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組裝。

3 機(jī)床中凸變橢圓加工機(jī)械機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

　　中凸變橢圓三種加工方式的數(shù)控原理基本相同，不同的部分主要在于機(jī)械機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)活塞在主軸上高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)闄E圓截面，刀具必須在每轉(zhuǎn)中進(jìn)行兩次反復(fù)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)工件轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，則刀具必須按40 Hz的頻率線性振動(dòng)。一些進(jìn)口設(shè)備，活塞的加工轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000r/min，則振動(dòng)頻率增高一倍以上。為了得到相應(yīng)的振動(dòng)頻率和振幅，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量必須小。振動(dòng)機(jī)構(gòu)在車削時(shí)還會(huì)受到旋轉(zhuǎn)工件產(chǎn)生的抗力，這樣還需要在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝置來避免或減小切削抗力帶來的不利影響，以免使理論數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)存在大的偏差。

　　(1)現(xiàn)在最普遍采用的機(jī)械機(jī)構(gòu)是線性電動(dòng)機(jī)，線性電動(dòng)機(jī)又稱為音圈電動(dòng)機(jī)。線性電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，一般由定子永久性磁鐵、動(dòng)子線圈、導(dǎo)軌及支撐機(jī)構(gòu)組成。為了達(dá)到相應(yīng)的頻率和減小吃刀抗力的影響，導(dǎo)軌支撐機(jī)構(gòu)有兩種方式，一種滾動(dòng)導(dǎo)軌加載式;一種板簧加載式。板簧結(jié)構(gòu)中板簧的彈性系數(shù)和材料非常重要。采用第一種方式可以得到較大的行程，第二種方式的位移行程較小。不論哪一種結(jié)構(gòu)，為了獲得高的位移控制精度，線性電動(dòng)機(jī)都必須采用速度環(huán)、位置環(huán)進(jìn)行閉環(huán)控制。

　　(2)液壓伺服驅(qū)動(dòng)式的原理結(jié)構(gòu)的線性電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似，只是對(duì)板簧的控制改為兩個(gè)高精度的電液伺服閥，通過控制兩個(gè)伺服閥的進(jìn)退來實(shí)現(xiàn)對(duì)橢圓截面的跟蹤。另外板簧也可以通過專用的杠桿機(jī)構(gòu)來代替。

　　(3)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)式和普通的車床驅(qū)動(dòng)相類似，只不過對(duì)絲杠的精度和材料要求特別高，一段時(shí)間的運(yùn)行后，要通過系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)來調(diào)整絲杠間隙，以保證跟隨精度。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)在于較高的吃刀抗力。

　　上述三種中凸變橢圓的車削機(jī)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過多年的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

　　由表中可以看出，線性電動(dòng)機(jī)的加工方式在中凸變橢圓加工中綜合性能最好，也是目前應(yīng)用最普遍的方式。而液壓伺服由于液壓隨溫度的變化而變化導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，所以目前實(shí)際應(yīng)用較少。