前言
中凸變橢圓型面是應(yīng)用最廣的非圓型面，也是活塞部件的型面特征，車削時(shí)要求刀具在軸向移動(dòng)的同時(shí)能在徑向作高頻振動(dòng)，以加工出橢圓截面和中凸曲線。非圓截面零件(例如內(nèi)燃機(jī)活塞)除具有中凸變橢圓型面外，還有環(huán)槽、圓錐面和倒角等，有的鋁制活塞還內(nèi)嵌有鐵環(huán)。實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高效率和加工精度，要求所有型面的加工能一次走刀完成。一般的通用CNC系統(tǒng)不能滿足車削非圓截面零件的要求，必須將通用數(shù)控功能與非圓截面的加工有機(jī)地結(jié)合起來。
目前出現(xiàn)的非圓截面車削數(shù)控系統(tǒng)都為專用數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其部件都是由某一公司批量生產(chǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于用戶或第三方來說是一個(gè)“黑匣子”，存在著系統(tǒng)的售價(jià)和維修成本都比較高及不能實(shí)現(xiàn)一般通用數(shù)控功能的缺點(diǎn)。我們用工控機(jī)作為非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，開發(fā)出面向用戶的非圓截面加工的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把非圓截面車削的特種數(shù)控與通用CNC統(tǒng)一起來，除具有自動(dòng)車削非圓截面的功能外，還具有通用的CNC功能，例如:MST功能、I/O功能、快進(jìn)快退、直線圓弧插補(bǔ)等。
2 非圓截面車削開放式體系結(jié)構(gòu)
圖1 直線伺服單元框圖
圖2 開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)特征
非圓截面車削專用數(shù)控功能模塊
完成非圓截面自動(dòng)車削的伺服單元是以直線電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。直線電動(dòng)機(jī)是專門為加工非圓截面而設(shè)計(jì)的高頻響、大行程、精密微進(jìn)給裝置，也是刀具的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它的最大行程為2mm，最大切削力可達(dá)300N。其直線伺服單元可以獨(dú)立完成對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制，并通過串行口與外界通信。該非圓截面車削功能模塊采用光柵傳感器和DSP信號(hào)處理器，可以大大提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。
非圓截面車削開放式體系結(jié)構(gòu)特征
基于工控機(jī)硬件平臺(tái)的開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)特征如圖2所示。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是:①以車削非圓截面的特種數(shù)控模塊即直線伺服單元為核心，向上派生出主機(jī) (工控機(jī))，它們之間通過串行口進(jìn)行通信。②以工控機(jī)為主控模塊，向下派生出各種通用CNC功能。各功能模塊與主機(jī)通過計(jì)算機(jī)總線進(jìn)行通信。③各數(shù)控功能模塊相對(duì)獨(dú)立，且與主機(jī)的接口是開放的，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是封閉的。
該系統(tǒng)與專用型非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于其各數(shù)控模塊的接口對(duì)用戶是開放的，其外設(shè)功能采用插件的形式，這種體系結(jié)構(gòu)不依賴于子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，只要在主機(jī)中留出地址和中斷向量就能滿足主機(jī)與各單元的通信要求。也就是說，直線伺服單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)用戶或第三方來說可以是“黑箱”。
開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn):①通用數(shù)控功能模塊可以采用廉價(jià)的基于PC機(jī)的功能卡，這不但降低了系統(tǒng)成本，便于用戶或第三方維修，而且也使研制者可以集中力量進(jìn)行非圓截面特種數(shù)控的研究：②可以很容易地根據(jù)用戶的需要而改變系統(tǒng)的具體配置，滿足面向用戶的設(shè)計(jì)要求。
所謂面向用戶，就是使用戶可以參與到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來，并能自己 (或第三方)進(jìn)行維修。在開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)中，所有的數(shù)控功能模塊都是基于工控機(jī)硬件平臺(tái)的，而且各模塊與主機(jī)的接口是開放的，因此它可以根據(jù)用戶的需要在車削非圓截面零件的特種數(shù)控功能上派生出各種通用數(shù)控功能來，例如:MST、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、I/O功能等。如果在使用中，某一功能模塊出現(xiàn)故障，用戶(或第三方)可以單獨(dú)將這一模塊換掉，而不會(huì)影響系統(tǒng)的其它部分。
3 開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
以工控機(jī)硬件為平臺(tái)，以中凸變橢圓數(shù)控切削模塊為核心派生出豐富的通用CNC 功能，以實(shí)現(xiàn)車倒角、圓錐(柱)面、端面、切槽等功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的非圓截面數(shù)控系統(tǒng)由主控模塊、直線伺服單元、主軸控制單元、位置伺服單元、在位測量系統(tǒng)等部分組成。主控模塊是以工控機(jī)為核心，包括硬盤、軟驅(qū)、鍵盤、顯示器、打印機(jī)等。它是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)核心部分，負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理和信息處理功能。除了和各子功能模塊通信外，它還直接控制系統(tǒng)的I/O功能。工控機(jī)與各功能模塊的信息通路可分為七條:①微機(jī)通過接口電路、子CPU控制直線電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓型面的加工：②微機(jī)通過專用控制卡控制位置伺服，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、快進(jìn)快退等通用CNC 功能：③微機(jī)通過接口電路、變頻器或刀架盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸起停、轉(zhuǎn)速及刀架的控制：④主軸通過編碼器、接口電路把角位置信息傳給微機(jī)：⑤微機(jī)通過I/O板、光耦板控制按鈕、顯示燈等輸入輸出量：⑥微機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換、測微儀對(duì)加工完的工件進(jìn)行在位檢測，并顯示測量結(jié)果：⑦報(bào)警通道，變頻器、油路、油壓等故障通過中間繼電器、接口電路傳給計(jì)算機(jī)。
圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
4 結(jié)束語
本數(shù)控系統(tǒng)將非圓截面加工專用數(shù)控系統(tǒng)和一般通用數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，不但可以實(shí)現(xiàn)非圓截面加工的專用功能，而且還可以實(shí)現(xiàn)非圓零件的其他特征(如環(huán)槽，倒角等)等輔助加工，可大大提高生產(chǎn)效率。另外，本系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)控軟件使系統(tǒng)的可靠性大大提高，并可實(shí)現(xiàn)專用和通用數(shù)控功能的有機(jī)結(jié)合。使用DSP和光柵來實(shí)現(xiàn)直線伺服單元的控制，非圓截面加工的精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性也大大提高。本系統(tǒng)目前已在新一代數(shù)控活塞車床上使用。
（轉(zhuǎn)載）
