摘要：內燃機活塞的外部形狀是一種異型表面，文章論述了將數控技術應用于活塞外圓車削的基本原理、系統結構、關鍵技術和實施方案。詳細討論了活塞外形輸入、高精度高頻響高分辨率的直線伺服軸、高控制頻率的四軸聯動控制技術等關鍵技術的實現方法。

    活塞外部型面的加工精度對內燃機的運行性能、油耗和廢氣排放有決定性影響。活塞工作于高溫、高壓和周期性沖擊的惡劣環境中，受力變形和熱變形非常嚴重且不均勻。為了使工作狀態下活塞的外部形狀能與圓柱形缸體相適應，活塞在常溫下的外部形狀通常都設計為異型型面。其沿自身軸線剖面的形狀為近似腰鼓形，垂直于自身軸線剖面的形狀為近似橢圓形。為滿足使用要求，活塞外圓的加工方法一般為車削。而要車削出異型截面的活塞，傳統上采用機械靠模仿型方法。但靠模制造困難，易磨損，頻響低，活塞換型難，嚴重制約了加工精度和加工效率的提高。近年來，國內外都在研究將數控技術應用于活塞外圓的加工，并取得了很大進展。我們研制的PTC系列活塞外圓數控車削系統，經國內近30家企業使用，取得了很好的經濟效益。

1 活塞外圓數控車削系統的技術難點

    活塞外形的輸入 如果采用一般數控程序描述活塞外形，數控程序將十分龐大和復雜。把垂直于活塞軸線、距活塞止口處的距離為Z的橫截面的最大直徑(一般垂直于銷孔軸線)D稱為截面的大徑，最小直徑(一般平行于銷孔軸線)d稱為該截面的小徑，E=D-d稱為該截面的橢圓度，形狀描述P稱為截面形式。活塞圖紙上用列表型值點的形式或數學公式的形式給出上述三組數據或函數為：

D=f₁(Z)； E=f₂(Z)； P=f₃(Z，f)

    式中：f表示橫截面外圓輪廓線上任意點P的向徑與大徑方向間的夾角。這些描述以分段形式給出，每段區間連續光滑，區間連接處為跳變斷點。在我們的系統中，如果圖紙給出的是數學公式，則用戶可在函數列表中選擇或直接輸入函數公式，控制系統接受并檢查函數表達式的正確性、分段區間的完整性和函數值域的合理性：如果給出的是型值點，則檢查型值的合理性、分段區間的完整性和擬合函數值域的合理性，并根據型值點處于區間內部的情況將擬合曲線向區間端點延伸。擬合函數采用兩端點自由形式的三次樣條，延伸段采用與首尾型值點斜率相同的兩直線段。最后將處理結果轉換為數控數據，必要時與傳統數控指令進行融合，并將數控數據以圖形方式輸出。輸出圖形與傳統活塞圖紙的表達形式相一致，便于用戶檢查與校對。 

    實現高頻響的途徑 普通數控系統的X軸的頻響為1Hz左右，加速度為1g(重力加速度)左右，且受到機械爬行和反向間隙的影響。由于活塞為異型截面，要求X軸的頻響為120Hz以上，加速度為9g以上，因此必須增加一個與X軸平行的高頻響的第二個X軸，我們稱此軸為直線軸。我們采用音圈式直線電動機及直線伺服部件作為直線軸的無間隙傳動執行機構，頻響高于135Hz，加速度大于13g，滿足了車削異型截面的要求。

    高分辨率的實現方法 普通數控系統的X軸的控制精度為微米級，而活塞橫截面大徑附近的控制精度要求在亞微米級，采用傳統的控制方法不能滿足要求。由于活塞橫截面上直線軸的相對位移小于±0.5mm，所以我們采用12或16位數模轉換器來控制直線軸相對X軸的位移，滿足了控制精度要求。   

    高頻響四軸聯動的控制方法 如果采用普通具有伺服主軸的四軸聯動數控系統，不僅成本太高，而且不能滿足控制的實時性要求。如主軸每轉過1°對直線軸控制1次，則控制頻率應高于15kHz，普通數控是無法達到的。我們對X軸和Z軸采用了通用數控系統的控制方法，而主軸轉角和直線軸的聯動采用了轉角為主，雙軸聯動的方法。主軸上安裝有主軸編碼器，計算機通過中斷方式檢測主軸的轉角，中斷處理程序根據主軸轉角、Z軸和X軸的當前位置控制直線軸。這樣既滿足了四軸聯動和實時性要求，又可以使用一般主軸而不必采用伺服主軸。在這種思想指導下，控制系統還可以進一步簡化：由于活塞外輪廓表面的最大直徑和最小直徑之差一般小于2mm，活塞的加工為流水線大批量生產，可以用手動X軸調整一批活塞的最大直徑，用直線軸控制刀尖相對于最大直徑的相對位移，而在加工過程中不控制X軸，就可滿足絕大部分活塞的加工要求。這樣，在通用車床的Z軸上再安裝一位置檢測編碼器，由計算機根據主軸轉角和Z軸位置控制直線軸，就可完成對活塞外輪廓的加工。在這種情況下，主軸和Z軸都可以采用普通交流電動機驅動，X軸通過手柄調整，系統成本可大幅度降低。 
    直線軸控制參數的調整方法 對于直線軸，經掃頻和系統辨識可得到其動力學模型為一個近似的二階系統，用傳遞函數表示為：

y(s)	=	k
u(s)		T2s2+2Tzs+1

 

    式中：u為加在控制端的輸入電壓，y為直線軸的位移，k為靜剛度，T為時間常數，Z為阻尼比。對直線軸的機械結構進行精細設計，合理選擇伺服部件的靜剛度和運動部分的質量，可以得到滿足使用要求的時間常數T和靜剛度k。由于阻尼系數的動態性能有決定性影響，所以如果z過小，則其階躍響應振蕩次數多，超調量大，影響工件的輪廓度和表面粗糙度。機械部件調整阻尼比難于實現，我們通過在直線軸的運動件上安裝速度傳感器，由電子線路為系統提供適當的阻尼比。這樣不僅容易實現，而且調整范圍寬，阻尼比穩定，調整方法簡單。 

    解決光電隔離的時間延遲與高控制頻率間的矛盾 由于數控系統要工作在工業生產線上，我們對所有輸入輸出信號都進行了光電隔離。但由于系統控制頻率高，簡單地采用普通光電隔離器件不能滿足使用要求。我們采用了脈沖展寬(通過74LS221)、高速光耦(6N137)、時間片復用、可重入中斷處理程序等一系列技術措施，保證了對控制的實時性要求。

 

 

圖1 系統硬件結構

2 系統的硬件結構

 

    系統的硬件結構如圖1所示。采用486以上工業控制機，通過帶8路中斷的32路數字量輸入和32路數字量輸出接口板，完成對機床操作面板和機床工作狀態的監測與控制：通過4路D/A板和數字量接口板完成對直線軸、主軸變頻器和伺服軸的控制：通過3路定時器板完成系統的各種定時。圖中主軸的轉速控制可為變頻調速、雙速電動機、普通電動機加手柄變速等：X伺服軸可有可無，無X軸時由手柄調整：Z軸可為交流或直流伺服、步進電動機、普通交流電動機等。硬件系統的配置情況，包括脈沖當量、加減速時間、插補允差、控制方式、機床操作面板的信號分配情況和信號的有效極性等，可通過系統的配置文件進行調整，系統根據配置文件決定對各個軸的控制方式并完成控制過程。系統配置時應使各部件在失電、斷開、失效時提供給控制機的輸入信號為無效狀態。

 

圖2 系統硬件結構

3 系統的軟件結構
    系統的軟件結構如圖2所示。控制軟件運行于保護模式，用PASCAL、匯編和C語言混合編制，多窗口交互式工作方式。在平時進行加工時，既可用鍵盤操作，也可用機床操作面板操作。用戶界面為漢字界面，而目前的大多數漢字系統都采用了直接寫屏技術，直接寫屏的刷新由中斷級別最高的1NT8完成。屏幕刷新時間需要數百微秒，這對控制的實時性要求為數十微秒的系統是不能允許的。因此，在實際加工過程中，應對1NT8進行屏蔽或替換，取消漢字系統的動態刷新，才能保證系統的正常運行。 

    圖2中，通用數控模塊當具有X軸時使用X、Z軸插補，當不具備X軸時使用Z軸運行監測：直線軸控制是建立在通用數控和主軸轉角監測之上的：加工控制中具備機床操作面板和系統工作狀況監測：開機后30s如不進行鍵盤操作則直接進入加工控制：初始化后左邊的一系列模塊間的關系為平行并列關系，可并行或串行運行：右邊一系列模塊和加工控制模塊間的關系為互斥關系，不能同時運行，它們之間通過鍵盤進行轉換：在不加工環槽或儲油槽時，數控程序輸入模塊被加工參數填表輸入模塊所替代，以降低對用戶技術水平的要求：DOS外殼便于用戶運行一些實用的DOS命令：系統診斷為系統的維修和調試而設。