大直徑活塞環數控立式車床的研究及應用

陳智平，伍 超，羅斯敏，周 玲

(長沙一派直驅科技股份有限公司，湖南 長沙 410100)

國內傳統的大直徑活塞環內外圓加工，其加工工藝和加工方法對目前活塞環生產廠家都是一個難題，長沙一派直驅科技股份有限公司研制開發的ECK15125A大直徑活塞環數控立式車床，成功地解決了這一難題。

ECK15125A大直徑活塞環數控立式車床，是在國內生產的CK51125數控立式車床的基礎上，安裝一派直驅研制的平板式直線電機EPI22150和驅動器EHA3020TOS組成的刀架系統及相關軟件，其中直線電機安裝在機床的滑枕上，整體可隨機床Z軸上下運動；機床主軸端通過1:1同步帶傳動主軸外置旋轉編碼器，為活塞環加工提供角度信號；安裝內、外圓車刀及切片刀的刀架系統固定在直線電機驅動的滑臺上，可隨主軸旋轉進行高頻響跟隨運動，運動方向與機床X軸平行；開發專用的活塞環自由型線數據處理軟件和加工控制軟件控制刀架系統，在一次裝夾中完成活塞環外圓、內圓型線仿形及切片交替加工。

1 機床結構

機床適宜加工大、中型活塞環；機床采用高強度鑄鐵床身、立柱，有良好的穩定性和抗震性能；采用動梁結構，保證機床具有更廣泛的加工范圍，更高的剛性；采用立式結構，裝夾工件方便，占地面積??；大功率交流伺服主軸電機，配ZF兩檔變速箱，即可輸出大扭矩，又可高速運轉，滿足不同加工要求；強力卡爪，夾持穩定可靠；分離式冷卻水箱，便于清洗； X、Z軸采用高精度滾珠絲桿和絲桿專用軸承，精度保持性好；整體式全封閉防護，環保清潔。

機床采用FANUC 0i TF數控系統，30kW交流伺服主軸電機,X、Z軸采用交流伺服電機，扭矩分別達到30Nm、22Nm。保證機床加工中良好的出力。集中式機床操作面板，使機床操作更加方便快捷。

機床結構如圖1所示。

2 機床主要參數

主要技術規格參數。

序號項目參數值1工作臺直徑1050mm2最大回轉直徑1250mm3切削直徑范圍?400-?1100mm4最大工件加工長度460mm

續表

3 機床的創新技術

3.1 高精度高頻響伺服刀架系統

由于活塞環的形狀特殊，傳統的活塞環車床，需要應用靠模裝置來完成活塞環的加工。單臺活塞環車床只能加工一種活塞環產品，使用效率不高。如果要更換加工產品，勢必需要更換靠模，不能做到快速更換加工產品型號的機床，是絕大多數制造企業不愿意接受的?？磕Ｑb置結構比較復雜，加工的的產品完全取決于靠模本身的精度。通過長時間的機械運動，靠模的接觸表面會不同程度的磨損變形，造成加工的產品精度變差。修復靠模更是一項復雜的工作。

高精度高頻響伺服刀架系統，是由一派直驅自主研發的平板式直線電機、數字式伺服驅動器、控制軟件和刀架組成。直線電機是一種將電能直接轉化為直線運動機械能的電力傳動裝置。其優越的高速及低速性能，超常的加速能力，運動平穩、無反向間隙，高定位精度和重復定位精度，結構簡單，安全可靠?？梢韵罅康闹虚g傳動機構，加快系統響應速度，提高系統精度，得到了廣泛的應用。為解決傳統活塞環車床的結構復雜、更換產品難、調試周期長、加工精度差等難題，ECK15125A大直徑活塞環數控立式車床，根據客戶活塞環的參數，通過切削力與重力加速度的計算，選用一派直驅生產的EPI22150平板式直線電機。

EPI22150平板式直線電機的性能。

額定性能符號單位參數值峰值推力FpN3750持續推力FcN1810電機常數KmNm69.5最大持續耗散功率PcW600

用EPI22150平板式直線電機替換傳統活塞環車床的靠模裝置，結構簡單。用嵌入式加工控制軟件，導入活塞環自由型線數據處理軟件生成的加工程序數據，實時監控主軸外置編碼器的信號獲取主軸角度值，建立活塞環的二維數字模型，通過專用伺服驅動器可全數字控制直線電機跟隨主軸的隨動加工，通過數據編程即可更換加工產品，做到快速更換加工產品型號。調試過程中，如遇到活塞環輪廓型線超差的情況，可以通過調整伺服驅動器的參數來優化加工精度，也可以通過活塞環自由型線數據處理軟件的數據補償功能，把檢測結果的誤差值導入重生成程序數據，做到調試簡單易學。應用全數字控制的伺服驅動器控制直線電機隨動仿形加工，沒有靠模裝置的過渡傳動，大大提高了加工精度。機床及刀架系統控制原理圖如圖2所示。

嵌入式控制軟件如圖3所示。

3.2 活塞環自由型線數據處理軟件

活塞環輪廓型線數據計算復雜，我們開發了“ECK15125A活塞環自由型線數據處理軟件”來完成復雜的數據處理工作。軟件根據國內常用的幾種活塞環壓力分布假設和計算活塞環自由形狀的方法編制的實用計算程序，并根據自由形狀數據生成程序數據。本軟件采用典型的Windows風格，界面清晰友好，易學易用，功能強大。提供八種常用環周徑向壓力曲線設計方法，并且優化了開口區自由形線的設計，保證直線電機有良好的加工性能；只需按產品圖紙要求輸入活塞環的主要參數和壓力分布形式，即可生成活塞環的壓力分布數據及自由形線加工程序數據；具有數據補償功能。程序開發語言環境為Microsoft Visual C++ 6.0。運行主界面如圖4所示。

前面提到活塞環是一種具有向外擴張變形的金屬彈性環，且在自由狀態下不是圓形，其曲率半徑沿環周各點是變化的，當裝入氣缸后方成正圓形。其圓周方向的壓力分布主要有以下幾種計算公式，包括金茨布爾格(12cos)、阿諾爾德(12cos)、卡崗(3cos)、X式(6cos)、張吉天(2cos)、恒壓(cos)、戚機(4cos)、卡崗(X,Y)。具體要用哪一種壓力分布計算公式，取決于活塞環設計過程中使用的哪一種算法。我們以客戶產品的阿諾爾德壓力分布余弦表達式為例：

阿諾爾德原式：P(θ)=P0{n+L[(θ2+sin2θ)+2(cosθ+cos2θ)]}。該式的福里葉展開式是無窮多項余弦函數之和，為計算簡單，取其前12項，這樣一來，P(θ)的表達式就與金式相同，但其壓力系數與開口處壓力比I=Pπ/P0有關，簡化后的壓力系數如下：

P2=1.25L；P3=-0.2222L；P4=0.125L；P5=-0.08L；P6=0.0556L；P7=-0.0408L；P8=0.0313L；P9=-0.0247L；P10=0.02L；P11=-0.0165L；P12=0.0139L；

L=(I-1)/1.88；

設置活塞環基本參數：活塞環外徑：920mm；活塞環徑厚：30mm；開口壓力系數：0.8；開口寬度：100mm；每圈點數：3600；主軸轉速50r/min；計算公式選擇：阿諾爾德(12cos)。

鼠標單擊“壓力分布”按鈕可以進行壓力分布數據計算，如圖5所示。

活塞環壓力分布數據計算界面，程序自動顯示理論計算后的活塞環壓力分布圖形、數據及極坐標圖，并顯示壓力的峰值和谷值所處的角度和壓力的大小。按“確定”返回主界面。

鼠標單擊“半徑增量”按鈕可以進行自由形線加工程序數據計算，如圖6所示。

活塞環自由型線加工程序數據計算界面，程序自動按公式計算并顯示理論計算后的活塞環半徑增量值圖形、數據及極坐標圖，并顯示峰值所處的角度和半徑增量的大小，顯示開口位置圖形和開口角度值。按“確定”返回主界面。

鼠標單擊“生成程序”按鈕可以生成加工程序數據并導出保存，導出存盤地址可任意選擇。

3.3 大直徑活塞環加工工藝

ECK15125A大直徑活塞環數控立式車床，在一次裝夾中完成活塞環外圓、內圓型線仿形及切片交替加工?；钊h毛坯為筒狀結構，立式安裝在工作臺上，端面定位，卡盤夾緊。工藝路線如下：

第一步，用刀架上的外圓車刀從上至下仿形加工筒狀毛坯的整個外圓，如圖7所示。

第二步，用刀架上的內圓車刀從上至下仿形加工筒狀毛坯的內圓，每次加工一片活塞環的高度，一般會增加切片刀的高度。單次加工最大內圓高度是由內圓車刀長度決定。如圖8所示。

第三步，用刀架上的切片刀仿形切斷筒狀的最上面一個活塞環，如圖9所示。

第四步，重復第二步與第三步，直到筒狀毛坯加工完。

4 加工檢測精度

我們以客戶產品測試加工，直線電機刀架系統跟隨平穩，響應快，各項加工指標均達到或優于設計標準。檢測結果數據如圖10所示。

如檢測結果，活塞環型線誤差小于±0.003mm，內外圓壁厚誤差小于±0.003mm，內外圓表面粗糙度小于Ra6.3。檢測結果完全滿足客戶產品要求。

5 結語

高端裝備是國民經濟和國防建設的重要支撐，發展高端裝備勢在必行。一派直驅致力于直線伺服技術的探索，為高速、高精度、簡化結構等驅動需求提供最佳的解決方案。非圓截面數控作為高頻響、高精度直線電機的特種應用，卓越的技術基礎使得一派直驅的ECK15125A大直徑活塞環數控立式車床開發順利完成，并贏得客戶的好評。