非圆截面开放式数控车削系统的研究

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1 前言
中凸变椭圆型面是应用最广的非圆型面，也是活塞部件的型面特征，车削时要求刀具在轴向移动的同时能在径向作高频振动，以加工出椭圆截面和中凸曲线。非圆截面零件(例如内燃机活塞)除具有中凸变椭圆型面外，还有环槽、圆锥面和倒角等，有的铝制活塞还内嵌有铁环。实际生产中，为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系统不能满足车削非圆截面零件的要求，必须将通用数控功能与非圆截面的加工有机地结合起来。
目前出现的非圆截面车削数控系统都为专用数控系统结构，其部件都是由某一公司批量生产，其内部结构对于用户或第三方来说是一个“黑匣子”，存在着系统的售价和维修成本都比较高及不能实现一般通用数控功能的缺点。我们用工控机作为非圆截面数控系统的硬件平台，开发出面向用户的非圆截面加工的开放式数控系统。该系统把非圆截面车削的特种数控与通用CNC统一起来，除具有自动车削非圆截面的功能外，还具有通用的CNC功能，例如:MST功能、I/O功能、快进快退、直线圆弧插补等。
7 Y4 T" s) o# D7 q, S! @! z5 x2 非圆截面车削开放式体系结构
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图1 直线伺服单元框图
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图2 开放式非圆截面数控系统特征
非圆截面车削专用数控功能模块
完成非圆截面自动车削的伺服单元是以直线电动机为执行机构的闭环系统，其结构如图1所示。直线电动机是专门为加工非圆截面而设计的高频响、大行程、精密微进给装置，也是刀具的驱动机构。它的最大行程为2mm，最大切削力可达300N。其直线伺服单元可以独立完成对直线电动机的闭环控制，并通过串行口与外界通信。该非圆截面车削功能模块采用光栅传感器和DSP信号处理器，可以大大提高系统的控制精度和稳定性。
非圆截面车削开放式体系结构特征
! `( o$ @8 X7 r; u" z) ^% Y: X基于工控机硬件平台的开放式非圆截面数控系统特征如图2所示。该系统的设计思想是:①以车削非圆截面的特种数控模块即直线伺服单元为核心，向上派生出主机(工控机)，它们之间通过串行口进行通信。②以工控机为主控模块，向下派生出各种通用CNC功能。各功能模块与主机通过计算机总线进行通信。③各数控功能模块相对独立，且与主机的接口是开放的，但其内部结构可以是封闭的。
该系统与专用型非圆截面数控系统的本质区别在于其各数控模块的接口对用户是开放的，其外设功能采用插件的形式，这种体系结构不依赖于子系统的具体结构，只要在主机中留出地址和中断向量就能满足主机与各单元的通信要求。也就是说，直线伺服单元的内部结构对用户或第三方来说可以是“黑箱”。
) }: v% t& ]$ G开放式非圆截面数控系统有以下特点:①通用数控功能模块可以采用廉价的基于PC机的功能卡，这不但降低了系统成本，便于用户或第三方维修，而且也使研制者可以集中力量进行非圆截面特种数控的研究：②可以很容易地根据用户的需要而改变系统的具体配置，满足面向用户的设计要求。
所谓面向用户，就是使用户可以参与到系统的设计中来，并能自己(或第三方)进行维修。在开放式非圆截面数控系统中，所有的数控功能模块都是基于工控机硬件平台的，而且各模块与主机的接口是开放的，因此它可以根据用户的需要在车削非圆截面零件的特种数控功能上派生出各种通用数控功能来，例如:MST、直线插补、圆弧插补、I/O功能等。如果在使用中，某一功能模块出现故障，用户(或第三方)可以单独将这一模块换掉，而不会影响系统的其它部分。
3 开放式非圆截面数控系统的实现
& d' {7 |  C# p- b以工控机硬件为平台，以中凸变椭圆数控切削模块为核心派生出丰富的通用CNC 功能，以实现车倒角、圆锥(柱)面、端面、切槽等功能，其结构如图3所示。图中的非圆截面数控系统由主控模块、直线伺服单元、主轴控制单元、位置伺服单元、在位测量系统等部分组成。主控模块是以工控机为核心，包括硬盘、软驱、键盘、显示器、打印机等。它是整个数控系统核心部分，负责系统管理和信息处理功能。除了和各子功能模块通信外，它还直接控制系统的I/O功能。工控机与各功能模块的信息通路可分为七条:①微机通过接口电路、子CPU控制直线电动机，实现中凸变椭圆型面的加工：②微机通过专用控制卡控制位置伺服，实现插补、快进快退等通用CNC 功能：③微机通过接口电路、变频器或刀架盒，实现对主轴起停、转速及刀架的控制：④主轴通过编码器、接口电路把角位置信息传给微机：⑤微机通过I/O板、光耦板控制按钮、显示灯等输入输出量：⑥微机通过A/D转换、测微仪对加工完的工件进行在位检测，并显示测量结果：⑦报警通道，变频器、油路、油压等故障通过中间继电器、接口电路传给计算机。

图3 系统总体结构图
- r4 ?& S: M$ w4 结束语
本数控系统将非圆截面加工专用数控系统和一般通用数控系统相结合，不但可以实现非圆截面加工的专用功能，而且还可以实现非圆零件的其他特征(如环槽，倒角等)等辅助加工，可大大提高生产效率。另外，本系统开发的数控软件使系统的可靠性大大提高，并可实现专用和通用数控功能的有机结合。使用DSP和光栅来实现直线伺服单元的控制，非圆截面加工的精度和系统稳定性也大大提高。本系统目前已在新一代数控活塞车床上使用。 【MechNet】
2 `7 V! [6 W, `! O文章关键词： 数控车削