平板式直线伺服刀架在活塞非圆截面车床中的应用.pdf

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1、宋建谭铭志周玲雷社平：平板式直线伺服刀架在活塞非圆截面车床中的应用29平板式直线伺服刀架在活塞非圆截面车床中的应用谭铭志周玲雷社平(长沙一派数控机床有限公司)[摘要]随着现在环保要求越来越高，我国全面推行国IV和国V尾气排放标准，对内燃机的排放要求更高。活塞作为内燃机的关键零件之一，其尺寸、形状、位置精度的要求越来越高，特别是活塞的外圆截面的形状更加复杂。另外，为了满足更高排放标准要求的柴油发动机，钢活塞的应用越来越多。对于活塞非截面车床来说，则要求活塞外圆”仿型刀架”具有更高的响应频率与运动精度来满足生产效率与不断提高的精度要求，更高的加工刚

2、性以满足对钢活塞加工的要求。针对上述需求，本公司开发了最新一代活塞外圆车削“仿型刀架”系统：小惯量平板直线伺服刀架+全数字式全闭环伺服控制器+活塞外形数学建模软件[关键词]平板式直线伺服刀架椭圆数字式伺服控制器活塞加工Keywords：FlatlinearservokniferestOvalDigitalServocontrollerPistonmachining1简介活塞是内燃机核心零部件之一，考虑到内燃机运行时燃气压力造成活塞变形以及活塞工作时自身热变形等影响，活塞的外形一般采用中凸变椭圆形面，即活塞的横截面为椭圆型(在不同位置椭圆形状有微

3、小变化，非标准椭圆)，纵截面为中凸形。由于活塞外形的这种特殊性，在车削加工的过程中，除了主轴高速旋转外，刀具还必须相应于工件作高频的往复运行，以形成活塞的中凸变椭圆外形。由此驱动刀具运动的轴就必须具备高频率响应与高动作精度的特性，这直接影响到活塞加工的效率和加工精度。目前国内外主流的解决方案是采用”专属运动控制卡+伺服驱动器+直线电机+专用刀架”的方法解决活塞仿形刀架的需求。所采用的直线电机主要以音圈直线电机和U型无铁芯直线电机为主。它们的优势主要是惯量小、出力平稳，但是这两种电机的出力较小，加工钢活塞时由于切削力大的原因有些”吃力”，主要体现

4、在加工带”窗口”部位时精度超差。活塞的”窗口”结构，使切削过程为断续切削，对刀具产生冲击载荷，如果直线伺服刀架刚性不足，会严重影响被加工工件的精度。所采用的控制方式主要是基于通用数控系统进行二次开发，优势在于构架简单易实现，但缺点是对数控系统要求很高(必须为开放式的数控系统)，且二次开发后与数控系统的兼容性会产生影响。针对上述问题本公司开发了全新一代活塞异形外圆仿形刀架系统，主要由执行装置和控制器组成。其中执行装置采用带铁芯式平板直线电机，其主要特点是出力大，惯量小，电气时间常数小等；而控制器则采用自主开发的一款全数字式快速伺服控制器，将”位置

5、规划+数据通讯+电机控制”等功能全部结合到一个控制器当中，其特点是集成度高，对数控系统要求低(通过IO对控制器进行控制)，数据交互处理周期短等。该”仿形刀架”系统的主要技术指标如下：(1)电机行程：+／一3mm(理论可加工最大椭圆度12mm)(2)持续推力：1000N，峰值推力：1600N(3)电机位置反馈：光栅尺反馈，分辨率0．0001mm(4)系统频响：350Hz30内燃机与配件2015年第8期(5)定位精度：0．4um，重复定位精度：0．2um(6)系统静态刚度：≥1600N／um(7)数据交互与处理周期：30us图I¨＼I260：＼型平

6、板式直线伺服刀架图2EH、3020ros快速伺服控制器2执行装置EJXl360A性直线伺服刀架说明特点：(1)采用带铁芯平板直线伺服同步电机对称双电机驱动结构，刀夹与永磁体可动部分一体化设计，这种结构设计大大的提高了电机的出力，极大的减小了可动部分质量，使得电机额定出力达到1000N，峰值出力1600N，与上一代音圈电机刀架相比，出力提高约3倍，较大的出力保证直线伺服刀架在加工钢活塞时能够有较好的刚性，电机的较大出力配合小惯量设计保证了伺服刀架系统拥有满足活塞加工的频率响应特性；(2)其支撑采用高刚性导轨支撑，使电机在输出较大出力的同时，兼顾较

7、好的刚性。(3)采用海德汉高精度光栅尺直接检测刀架位置信号，分辨率达到0．1um，全数字式反馈提高了位置反馈的精度，降低了位置信号受温升和电磁等干扰的可能(经测试系统的定位精度为0．4um，重复定位精度0．2um，如图3)。(4)刀架工作行程达到+／一3mm，此范围已经完全满足活塞加工的椭圆和型线的需求，不需要刀架拖板跟随运动，大大简化了机床的控制设计要求。叫T～i2一"*liltliftB‘I‘"札■#●马■ttE■oI∞E^t*B⋯■¨q■t■＆RoI∞P＆■&^『q奢●umIb∞⋯lb十自t￡RIO2312n■A^㈨■■自ti⋯Iqn■&

8、^0枷图3EJXl260A定位精度与重复定位精度测试3EHA3020TOS型数字式伺服控制器由于活塞外圆截面的特殊形状，我们建立活塞截面数据模型时一般