專利名稱：加工活塞用數(shù)控刀架的控制方法及數(shù)控刀架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高速數(shù)控伺服定位系統(tǒng)，可用于中凸變橢圓活塞的型面精加工，屬于機(jī)床數(shù)控技術(shù)。
關(guān)于中凸變橢圓活塞型面的加工，傳統(tǒng)的方法是采用靠模、仿形等純機(jī)械方式。這種方式有許多缺點(diǎn)，如柔性低、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、精度較低等。要全面克服這些缺點(diǎn)唯有數(shù)控加工方式能夠做到。數(shù)控方式加工活塞異形曲面的研究已近有二十年歷史，至今已取得很大發(fā)展，八十年代末、日本的IZUMI公司、英國(guó)的AE集團(tuán)及美國(guó)的CROSS公司都分別推出了各具特色的數(shù)控活塞車床。在國(guó)內(nèi)，近幾年已有少數(shù)單位開展了這方面的研究，如國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)及西安交通大學(xué)。
數(shù)控方式加工中凸變橢圓活塞的關(guān)鍵技術(shù)是其中的數(shù)控伺服刀架為了在車床上加工出橢圓截面，必須采用某種方式使車刀與主軸按預(yù)定軌跡作精確的同步運(yùn)動(dòng)，由于要求速度非常高，通常的滾珠絲桿加伺服電機(jī)的方式是無法勝任的。目前在所有已有的活塞異型曲面加工設(shè)備中，都采用了數(shù)控伺服刀架，其中驅(qū)動(dòng)原理可分為兩大類1、電磁銜鐵方式；2、音圈電機(jī)方式、如日本IZUMI公司和中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)采用的是電磁銜鐵方式，美國(guó)CROSS公司采用的則是音圈電機(jī)方式。這兩種方式比較、音圈電機(jī)的綜合性能更為優(yōu)越。但音圈電機(jī)的輸出力與電磁銜鐵相比，在電機(jī)體積相當(dāng)?shù)那闆r下要小得多，同時(shí)功耗也大得多。因此如何縮小體積以及解決電機(jī)的發(fā)熱問題是采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀架之前要解決的技術(shù)難題，這一問題至今還未得以徹底解決。
本發(fā)明的目的是提出了一種可行的加工活塞用數(shù)控刀架的控制方法及設(shè)計(jì)出使用該控制方法的數(shù)控刀架，來解決音圈電機(jī)的體積及功耗問題，使音圈電機(jī)的體積縮小到普通車床刀架的尺寸，同時(shí)使音圈的溫升在沒有冷卻液冷卻的情況下不超過允許的限度。
本發(fā)明的目的是通過下述的方法和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的一種加工活塞用數(shù)控刀架的控制方法，它具有采用音圈電機(jī)方式來驅(qū)動(dòng)伺服刀架作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這里的音圈電機(jī)是使用直流勵(lì)磁線圈在音圈2處產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，同時(shí)給伺服刀架的刀桿通過一個(gè)施力裝置施加一個(gè)力，該力的方向與車削時(shí)切深抗力相反；該力的大小與切深抗力的準(zhǔn)直流成分充分接近；該施力裝置的控制為反饋閉環(huán)控制，其控制方式是這樣；給音圈串接一采樣電阻Rs、讓音圈電流is在Rs上產(chǎn)生一個(gè)電壓；經(jīng)電壓放大及低通濾波得到音圈電流的準(zhǔn)直流成分；使取得的準(zhǔn)直流信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算、再經(jīng)功率放大；放大了的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)施力裝置；使施力裝置的動(dòng)作經(jīng)施力彈簧加到音圈2上去影響音圈電流的變化。
使用該控制方法而設(shè)計(jì)的數(shù)控刀架，包括由勵(lì)磁體1、音圈2及機(jī)體構(gòu)成的音圈電機(jī)；由刀桿3、刀具9及固定支承架構(gòu)成的伺服刀架，所采用的勵(lì)磁體1是通以直流的勵(lì)磁線圈；刀桿及刀具固定在“山”字形片簧4和5支承架上；帶有刀具端的刀桿上接一施力裝置，該施力裝置與音圈構(gòu)成一閉環(huán)控制回路。
本發(fā)明所采用的方法涉及到的兩方面，即采用電磁鐵取代永久磁鐵、另外，外設(shè)施力裝置——施力電機(jī)及其控制方法并實(shí)現(xiàn)該方法的具體裝置與已有的方法和相應(yīng)的裝置相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和具體效果(1)可使音圈所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高到1.8特斯拉，從而使音圈的功耗降低到采用永久磁鐵的大約四分之一，減少了音圈的溫升，延長(zhǎng)其工作壽命。
(2)采用電磁鐵，磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)更穩(wěn)定，不受溫度和老化的影響，從而使系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定，這在精密加工中特別重要。
(3)采用電磁鐵，可使磁路鐵磁材料接近飽和磁化，從而可以減小音圈的電感、提高刀架的響應(yīng)速度，有利于高速精加工。
(4)引入施力電機(jī)及其相應(yīng)的控制方法，可以進(jìn)一步減少音圈的功耗，降低其溫升并同時(shí)提高刀桿的軸向輸出力，這對(duì)于提高刀架系統(tǒng)的性能、縮小其體積是非常重要的。
(5)在對(duì)施力電機(jī)的控制方法中以音圈電流中的準(zhǔn)直流成份作為檢測(cè)的反饋量，使施力電機(jī)的控制成為閉環(huán)反饋控制，同時(shí)省去了通常情況下應(yīng)配有的力傳感器，這樣大幅度降低了刀架的制造成本，對(duì)于整個(gè)刀架系統(tǒng)來講性能更加可靠。
本發(fā)明一旦實(shí)施，對(duì)于活塞專用數(shù)控車床的活塞加工水平將會(huì)提高到一個(gè)新臺(tái)階。
本發(fā)明的


圖1為本發(fā)明數(shù)控刀架的整體結(jié)構(gòu)主視圖。
圖2為數(shù)控刀架左視圖。
圖3為數(shù)控刀架右視圖。
圖4.a為切削力f的坐標(biāo)示意圖、b為音圈電流i的坐標(biāo)示意圖、c為電流的準(zhǔn)直流成分i的坐標(biāo)示意圖。
圖5是對(duì)施力裝置的控制線路原理框圖。
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)成原理及其在工作過程中的控制方法作進(jìn)一步描述如圖1～3所示，勵(lì)磁線圈1在工作時(shí)通以直流電流并在音圈2處產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)為1.8特斯拉，音圈2連同刀桿3一起固定在“山”字形片簧4和5上，片簧固定在支架6和7上，這樣，刀桿可在片簧的支承和導(dǎo)向之下由音圈驅(qū)動(dòng)作水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這里采用“山”字形片簧支承使刀桿沒有側(cè)向位移，另外片簧根部應(yīng)力較小，不易疲勞 由于車削過程切深抗力不改變方向，總是在一個(gè)平均值上下波動(dòng)，因此本發(fā)明在刀桿的一端引入一個(gè)施力裝置，這里指的是施力電機(jī)10與施力彈簧11。施力電機(jī)通過施力彈簧對(duì)刀桿及固定于其上的刀具9施加一個(gè)與切深抗力方向相反的力。這部力在控制系統(tǒng)的控制下可作相對(duì)緩慢的變化，以抵消車削過程中的切深抗力，所以、音圈只需要產(chǎn)生切深抗力的波動(dòng)部分及刀桿等運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。由于慣性力和切深抗力的波動(dòng)部分相位差180°，因此，引入施力電機(jī)后，音圈的功耗至少又可以減少到?jīng)]有施力電機(jī)時(shí)的三分之一(推導(dǎo)過程從略)。依照上述兩個(gè)措施，即直流勵(lì)磁和引入施力裝置系統(tǒng)，可使音圈電機(jī)的功耗減少到目前的十二分之一，這不僅使音圈電機(jī)體積縮小許多，而且不需要對(duì)音圈作任何散熱措施。
施力電機(jī)10由微型直流伺服電機(jī)、減速齒輪及絲桿構(gòu)成是普通應(yīng)用設(shè)備，使其將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲桿的平動(dòng)，從而帶動(dòng)施力彈簧對(duì)刀桿給以作用力。對(duì)施力電機(jī)的控制為閉環(huán)控制，不是位置控制。所采用的方式是檢測(cè)音圈在工作過程中流過電流的準(zhǔn)直流成份(如圖4C所示)，以此作為驅(qū)動(dòng)施力電機(jī)的依據(jù)，其控制目標(biāo)是使音圈電流的準(zhǔn)直流成份i始終保持在零附近。
前所述，本發(fā)明的控制方法主要指的是對(duì)施力裝置的控制、下面就其實(shí)施例對(duì)該方法作進(jìn)一步說明首先說明的是引入施力裝置的目的是產(chǎn)生一個(gè)與切削抗力方向相反的力，去抵消切削抗力中的準(zhǔn)直流成份，引入施力裝置的最終目的則是減少音圈中的電流的準(zhǔn)直流成份，降低功耗從而降低音圈的溫升。
如圖4～5所示該施力裝置即施力電機(jī)10的控制方法是通過串聯(lián)在音圈上的采樣電阻Rs，得到通過音圈的電流is圖4b及圖5所示、經(jīng)過電壓放大及低通濾波環(huán)節(jié)后，可得到音圈電流的準(zhǔn)直流成份i如圖4c所示，然后再送入調(diào)節(jié)器，經(jīng)調(diào)節(jié)器運(yùn)算后得到控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后送入施力電機(jī)作為它的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這里的調(diào)節(jié)器可以是通常的PID調(diào)節(jié)器或者是具有死區(qū)的繼電非線性調(diào)節(jié)器。由于施力電機(jī)通過一彈簧與刀桿乃至音圈相連，施力電機(jī)的動(dòng)作將引起音圈電流的變化，因此這種方法是一種反饋閉環(huán)控制方法。
圖1中的位置傳感器8與音圈2及刀桿構(gòu)成另一閉環(huán)回路，用位置傳感器來檢測(cè)刀桿的實(shí)際位置，供伺刀架的位置伺服控制用。
權(quán)利要求
1.一種加工活塞用數(shù)控刀架的控制方法，它具有1.1采用音圈電機(jī)方式來驅(qū)動(dòng)伺服刀架作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其特征是1.2音圈電機(jī)是使用直流勵(lì)磁線圈在音圈(2)處產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，同時(shí)1.3 給伺服刀架的刀桿通過一個(gè)施力裝置施加一個(gè)力，1.3.1該力的方向與車削時(shí)切深抗力相反；1.3.3該力的大小與切深抗力的準(zhǔn)直流成分充分接近；1.4 該施力裝置的控制為反饋閉環(huán)控制；其控制方式是這樣1.41 給音圈(2)串接一采樣電阻Rs、讓音圈電流is在Rs上產(chǎn)生一個(gè)電壓；1.42 經(jīng)電壓放大及低通濾波得到音圈電流的準(zhǔn)直流成分；1.43 使取得的準(zhǔn)直流信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算、再經(jīng)功率放大；1.44 放大了的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)施力裝置；1.45 使施力裝置的動(dòng)作經(jīng)施力彈簧加到音圈(2)上去影響音圈電流的變化。
2.一種使用權(quán)利要求1所述的方法而專門設(shè)計(jì)的數(shù)控刀架，包括由勵(lì)磁體(1)、音圈(2)及機(jī)體構(gòu)成的音圈電機(jī)；由刀桿(3)刀具(9)及固定支承架構(gòu)成的伺服刀架，其特征是該勵(lì)磁體(1)是通以直流的勵(lì)磁線圈；刀桿及刀具固定在“山”字形片簧支承架(4、5)上；帶有刀具端的刀桿(3)上接一施力裝置，該施力裝置與音圈(2)構(gòu)成一閉環(huán)控制回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)控刀架，其特征是該施力裝置是由施力電機(jī)(10)與施力彈簧(11)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)控刀架，其特征是該音圈電機(jī)的機(jī)體(16)上設(shè)有勵(lì)磁線圈冷卻液進(jìn)出口(13、14)、機(jī)體內(nèi)設(shè)有短路環(huán)和密封冷卻液的銅隔板(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)控刀架，其特征是該音圈電機(jī)及施力電機(jī)都固定在基座(12)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用數(shù)控刀架加工活塞異形曲面的控制方法及數(shù)控刀架。它是采用音圈電機(jī)的直流勵(lì)磁方式增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，另外對(duì)刀架增設(shè)一施力裝置，使輸出力與切削抗力反相，而施力裝置的控制為閉環(huán)控制，采用檢測(cè)音圈在工作過程中流過電流的準(zhǔn)直流成分作為反饋量并以此驅(qū)動(dòng)施力裝置。該數(shù)控刀架包括由直流勵(lì)磁線圈和音圈等構(gòu)成的音圈電機(jī)；由刀具、刀桿和支承架構(gòu)成的伺服刀架及施力裝置所組成，它體積小，輸出力大、壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G05B19/19GK1126851SQ9411638
公開日1996年7月17日 申請(qǐng)日期1994年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月26日
發(fā)明者李黎川 申請(qǐng)人:西安百科實(shí)業(yè)公司, 西安交通大學(xué)