加工活塞用数控刀架的控制方法及数控刀架技术

本发明专利技术公开了一种用数控刀架加工活塞异形曲面的控制方法及数控刀架。它是采用音圈电机的直流励磁方式增强磁场强度，另外对刀架增设一施力装置，使输出力与切削抗力反相，而施力装置的控制为闭环控制，采用检测音圈在工作过程中流过电流的准直流成分作为反馈量并以此驱动施力装置。该数控刀架包括由直流励磁线圈和音圈等构成的音圈电机；由刀具、刀杆和支承架构成的伺服刀架及施力装置所组成，它体积小，输出力大、寿命长。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

Method for controlling numerically controlled tool holder for processing piston and numerical control tool holder

The invention discloses a method for controlling a special-shaped surface of a piston by using a numerical control tool carrier and a numerical control tool post. It is the strength of the magnetic field of DC excitation by voice coil motor is enhanced, in addition to the creation of a knife force device to make the output force and cutting force and resistance of RP, control device for closed loop control, the detection coil as the feedback and the driving force device in the working process of quasi DC current flowing through the component. The numerical control tool rack comprises a coil motor composed of a DC exciting coil and a sound coil, etc. the utility model is composed of a cutter, a knife rod and a support knife frame which is composed of a knife rod and a support frame, and the utility model has the advantages of small volume, large output force and long service life.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种高速数控伺服定位系统，可用于中凸变椭圆活塞的型面精加工，属于机床数控技术。关于中凸变椭圆活塞型面的加工，传统的方法是采用靠模、仿形等纯机械方式。这种方式有许多缺点，如柔性低、费用高、周期长、精度较低等。要全面克服这些缺点唯有数控加工方式能够做到。数控方式加工活塞异形曲面的研究已近有二十年历史，至今已取得很大发展，八十年代末、日本的IZUMI公司、英国的AE集团及美国的CROSS公司都分别推出了各具特色的数控活塞车床。在国内，近几年已有少数单位开展了这方面的研究，如国防科技大学、清华大学及西安交通大学。数控方式加工中凸变椭圆活塞的关键技术是其中的数控伺服刀架为了在车床上加工出椭圆截面，必须采用某种方式使车刀与主轴按预定轨迹作精确的同步运动，由于要求速度非常高，通常的滚珠丝杆加伺服电机的方式是无法胜任的。目前在所有已有的活塞异型曲面加工设备中，都采用了数控伺服刀架，其中驱动原理可分为两大类1、电磁衔铁方式；2、音圈电机方式、如日本IZUMI公司和中国国防科技大学采用的是电磁衔铁方式，美国CROSS公司采用的则是音圈电机方式。这两种方式比较、音圈电机的综合性能更为优越。但音圈电机的输出力与电磁衔铁相比，在电机体积相当的情况下要小得多，同时功耗也大得多。因此如何缩小体积以及解决电机的发热问题是采用音圈电机驱动刀架之前要解决的技术难题，这一问题至今还未得以彻底解决。本专利技术的目的是提出了一种可行的加工活塞用数控刀架的控制方法及设计出使用该控制方法的数控刀架，来解决音圈电机的体积及功耗问题，使音圈电机的体积缩小到普通车床刀架的尺寸，同时使音圈的温升在没有冷却液冷却的情况下不超过允许的限度。本专利技术的目的是通过下述的方法和相应的结构来实现的一种加工活塞用数控刀架的控制方法，它具有采用音圈电机方式来驱动伺服刀架作往复运动，这里的音圈电机是使用直流励磁线圈在音圈2处产生一个静态磁场，同时给伺服刀架的刀杆通过一个施力装置施加一个力，该力的方向与车削时切深抗力相反；该力的大小与切深抗力的准直流成分充分接近；该施力装置的控制为反馈闭环控制，其控制方式是这样；给音圈串接一采样电阻Rs、让音圈电流is在Rs上产生一个电压；经电压放大及低通滤波得到音圈电流的准直流成分；使取得的准直流信号经调节运算、再经功率放大；放大了的信号去驱动施力装置；使施力装置的动作经施力弹簧加到音圈2上去影响音圈电流的变化。使用该控制方法而设计的数控刀架，包括由励磁体1、音圈2及机体构成的音圈电机；由刀杆3、刀具9及固定支承架构成的伺服刀架，所采用的励磁体1是通以直流的励磁线圈；刀杆及刀具固定在“山”字形片簧4和5支承架上；带有刀具端的刀杆上接一施力装置，该施力装置与音圈构成一闭环控制回路。本专利技术所采用的方法涉及到的两方面，即采用电磁铁取代永久磁铁、另外，外设施力装置——施力电机及其控制方法并实现该方法的具体装置与已有的方法和相应的装置相比具有以下优点和具体效果(1)可使音圈所处位置的磁感应强度提高到1.8特斯拉，从而使音圈的功耗降低到采用永久磁铁的大约四分之一，减少了音圈的温升，延长其工作寿命。(2)采用电磁铁，磁感应强度将会更稳定，不受温度和老化的影响，从而使系统的性能更加稳定，这在精密加工中特别重要。(3)采用电磁铁，可使磁路铁磁材料接近饱和磁化，从而可以减小音圈的电感、提高刀架的响应速度，有利于高速精加工。(4)引入施力电机及其相应的控制方法，可以进一步减少音圈的功耗，降低其温升并同时提高刀杆的轴向输出力，这对于提高刀架系统的性能、缩小其体积是非常重要的。(5)在对施力电机的控制方法中以音圈电流中的准直流成份作为检测的反馈量，使施力电机的控制成为闭环反馈控制，同时省去了通常情况下应配有的力传感器，这样大幅度降低了刀架的制造成本，对于整个刀架系统来讲性能更加可靠。本专利技术一旦实施，对于活塞专用数控车床的活塞加工水平将会提高到一个新台阶。本专利技术的附图说明图1为本专利技术数控刀架的整体结构主视图。图2为数控刀架左视图。图3为数控刀架右视图。图4.a为切削力f的坐标示意图、b为音圈电流i的坐标示意图、c为电流的准直流成分i的坐标示意图。图5是对施力装置的控制线路原理框图。结合附图对本专利技术的构成原理及其在工作过程中的控制方法作进一步描述如图1～3所示，励磁线圈1在工作时通以直流电流并在音圈2处产生静态磁场，场强为1.8特斯拉，音圈2连同刀杆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，这样，刀杆可在片簧的支承和导向之下由音圈驱动作水平方向的往复运动，这里采用“山”字形片簧支承使刀杆没有侧向位移，另外片簧根部应力较小，不易疲劳 由于车削过程切深抗力不改变方向，总是在一个平均值上下波动，因此本专利技术在刀杆的一端引入一个施力装置，这里指的是施力电机10与施力弹簧11。施力电机通过施力弹簧对刀杆及固定于其上的刀具9施加一个与切深抗力方向相反的力。这部力在控制系统的控制下可作相对缓慢的变化，以抵消车削过程中的切深抗力，所以、音圈只需要产生切深抗力的波动部分及刀杆等运动部件的惯性力。由于惯性力和切深抗力的波动部分相位差180°，因此，引入施力电机后，音圈的功耗至少又可以减少到没有施力电机时的三分之一(推导过程从略)。依照上述两个措施，即直流励磁和引入施力装置系统，可使音圈电机的功耗减少到目前的十二分之一，这不仅使音圈电机体积缩小许多，而且不需要对音圈作任何散热措施。施力电机10由微型直流伺服电机、减速齿轮及丝杆构成是普通应用设备，使其将旋转运动转换为丝杆的平动，从而带动施力弹簧对刀杆给以作用力。对施力电机的控制为闭环控制，不是位置控制。所采用的方式是检测音圈在工作过程中流过电流的准直流成份(如图4C所示)，以此作为驱动施力电机的依据，其控制目标是使音圈电流的准直流成份i始终保持在零附近。前所述，本专利技术的控制方法主要指的是对施力装置的控制、下面就其实施例对该方法作进一步说明首先说明的是引入施力装置的目的是产生一个与切削抗力方向相反的力，去抵消切削抗力中的准直流成份，引入施力装置的最终目的则是减少音圈中的电流的准直流成份，降低功耗从而降低音圈的温升。如图4～5所示该施力装置即施力电机10的控制方法是通过串联在音圈上的采样电阻Rs，得到通过音圈的电流is图4b及图5所示、经过电压放大及低通滤波环节后，可得到音圈电流的准直流成份i如图4c所示，然后再送入调节器，经调节器运算后得到控制信号，这个信号经功率放大器放大后送入施力电机作为它的驱动信号。这里的调节器可以是通常的PID调节器或者是具有死区的继电非线性调节器。由于施力电机通过一弹簧与刀杆乃至音圈相连，施力电机的动作将引起音圈电流的变化，因此这种方法是一种反馈闭环控制方法。图1中的位置传感器8与音圈2及刀杆构成另一闭环回路，用位置传感器来检测刀杆的实际位置，供伺刀架的位置伺服控制用。权利要求1.一种加工活塞用数控刀架的控制方法，它具有1.1采用音圈电机方式来驱动伺服刀架作往复运动，其特征是1.2音圈电机是使用直流励磁线圈在音圈(2)处产生一个静态磁场，同时1.3 给伺服刀架的刀杆通过一个施力装置施加一个力，1.3.1该力的方向与车削时切深抗力相反；1.3.3该力的大小与切深抗力的准直流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加工活塞用数控刀架的控制方法，它具有：１．１采用音圈电机方式来驱动伺服刀架作往复运动，其特征是：１．２音圈电机是使用直流励磁线圈在音圈（２）处产生一个静态磁场，同时１．３给伺服刀架的刀杆通过一个施力装置施加一个力，１．３ ．１该力的方向与车削时切深抗力相反；１．３．２该力的大小与切深抗力的准直流成分充分接近；１．４该施力装置的控制为反馈闭环控制；其控制方式是这样：１．４１给音圈（２）串接一采样电阻Ｒ↓［Ｓ］、让音圈电流ｉｓ在Ｒ↓［Ｓ］上产生一个电 压；１．４２经电压放大及低通滤波得到音圈电流的准直流成分；１．４３使取得的准直流信号经调节运算、再经功率放大；１．４４放大了的信号去驱动施力装置；１．４５使施力装置的动作经施力弹簧加到音圈（２）上去影响音圈电流的变化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李黎川，
申请(专利权)人：西安百科实业公司，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：61[中国|陕西]