1. 引 言
非圓數(shù)控車削是實(shí)現(xiàn)非圓截面零件高效率、高柔性、高精度加工的有效方法。非圓數(shù)控車削的核心是驅(qū)動(dòng)刀具做徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的高頻響高精度直線伺服單元，它是一種典型的位置隨動(dòng)系統(tǒng)。由于直線伺服單元中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)總有一定的響應(yīng)速度，因此，刀具不可避免地產(chǎn)生相對(duì)于目標(biāo)位置的偏移，即：刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡表現(xiàn)為低頻理想振動(dòng)和高頻噪聲振動(dòng)的疊加。高頻噪聲振動(dòng)反映了非圓車削過(guò)程的穩(wěn)定性，其幅度直接影響了非圓零件截面輪廓的尺寸精度。提高非圓截面零件的加工精度，就是要提高非圓車削穩(wěn)定性，降低高頻噪聲振動(dòng)幅度。
變速加工(Variable Spindle Speed Machining, VSM)概念是德國(guó)Stoferle, T.教授于1972年最早提出并用來(lái)改善車削加工的穩(wěn)定性。變速加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速在一個(gè)基本轉(zhuǎn)速上以一定頻率和幅度做連續(xù)的周期性變化。變速加工研究主要從機(jī)理和應(yīng)用兩方面進(jìn)行。在應(yīng)用研究方面，將變速加工分別應(yīng)用于車削、磨削和銑削中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段討論變速切削參數(shù)的選取和優(yōu)化。在機(jī)理研究方面，著重從理論角度討論變速加工抑制振動(dòng)、提高加工穩(wěn)定性的原因和條件。通過(guò)建立加工過(guò)程的數(shù)學(xué)建模，用仿真、實(shí)驗(yàn)等方法來(lái)驗(yàn)證其理論的正確性。
將變速加工引入非圓車削形成變速非圓車削，其目的就是要提供一種新的提高非圓車削穩(wěn)定性的途徑，以滿足不斷提高的非圓零件截面輪廓精度要求。本文著重對(duì)變速非圓車削的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、。主軸變速特性描述與實(shí)現(xiàn)、直線伺服單元設(shè)計(jì)和變速加工提高穩(wěn)定性的機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
2. 變速非圓車削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變速非圓車削是在非圓數(shù)控車削系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加主軸的連續(xù)變速驅(qū)動(dòng)功能而形成的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
變速非圓車削系統(tǒng)由機(jī)床本體、通用數(shù)控伺服單元、直線伺服單元、主軸驅(qū)動(dòng)單元和控制計(jì)算機(jī)5部分組成。
機(jī)床采用 一般臥式車床結(jié)構(gòu)，但對(duì)床身和主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，以保證機(jī)床具有很好的結(jié)構(gòu)剛度和主軸回轉(zhuǎn)精度。
通用數(shù)控伺服單元采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制板，在數(shù)控軟件的控制下實(shí)現(xiàn)車床沿X向和Z向的數(shù)控運(yùn)動(dòng)。
直線伺服單元采用高頻響直線電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，直線電機(jī)安裝在車床的橫拖板上，刀具安裝在電機(jī)的輸出軸上。直線伺服單元驅(qū)動(dòng)刀具實(shí)現(xiàn)刀具沿X向的精密往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以加工出零件的非圓截面輪廓。在直線電機(jī)輸出軸的另一端留有光柵傳感器實(shí)時(shí)反饋直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置，在專用控制器的支持下實(shí)現(xiàn)直線伺服單元的閉環(huán)隨動(dòng)控制。
主軸驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)變速加工要求的主軸的變速頻率和幅度，通過(guò)控制軟件和主軸變速驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)使它按預(yù)定要求轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸電機(jī)后端的主軸編碼器實(shí)時(shí)提供主軸轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)給直線電機(jī)專用控制器和多軸運(yùn)動(dòng)控制器，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分之間的動(dòng)作。
變速非圓車削系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)，加工出不同截面形狀和不同精度要求的非圓零件。
3. 主軸變速特性描述與實(shí)現(xiàn)
3.1 主軸變速定量描述的數(shù)學(xué)模型和特征參數(shù)
在變速非圓車削過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速在一個(gè)基本轉(zhuǎn)速上周期性波動(dòng)，如圖2所示。主軸變速特性與周期性波動(dòng)函數(shù)的類型和特征參數(shù)有關(guān)。
主軸周期性變化的角速度可用下式表示:
w(t)=w0+Afunction(2筬t)， (1)
式中，w0為主軸的基本角速度，A為主軸角速度變化的幅度，f為角速度變化的頻率，function為任意一個(gè)周期性函數(shù)，例如：正弦波函數(shù)、三角波函數(shù)、方波函數(shù)等。
該速度變化的無(wú)量綱表達(dá)式為:
w(t)=w0(1+RVAfunction(RVFw0t)， (2)
式中，RVA=A/w0表示速度變化的相對(duì)幅度，RVF=2筬/w0表示速度變化的相對(duì)頻率。由上式可知，RVA和RVF定量描述了主軸速度相對(duì)于基本轉(zhuǎn)速變化的幅度和頻率，是主軸變速的特征參數(shù)。
3.2 主軸變速的實(shí)現(xiàn)
由前述可知，主軸驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)函數(shù)是一個(gè)周期函數(shù)，以此來(lái)改變主軸速度。但為了得到可控主軸電機(jī)變速性能，應(yīng)分析確定激勵(lì)函數(shù)的類型和特征參數(shù)。
通常具有簡(jiǎn)單輪廓的速度軌跡激勵(lì)函數(shù)有正弦波、三角波和方波3種。若電機(jī)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)函數(shù)采用正弦波，那么電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度和角推力變化都是正弦或余弦函數(shù)，是連續(xù)變化的：而激勵(lì)函數(shù)采用三角波時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度是方波變化，但角推力變化為無(wú)窮大:若激勵(lì)函數(shù)采用方波，那么電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)<
