1 活塞外圆数控车削系统的技术难点

1. 活塞外形的输入 如果采用一般数控程序描述活塞外形，数控程序将十分庞大和复杂。把垂直于活塞轴线、距活塞止口处的距离为Z的横截面的最大直径(一般垂直于销孔轴线)D称为截面的大径，最小直径(一般平行于销孔轴线)d称为该截面的小径，E=D-d称为该截面的椭圆度，形状描述P称为截面形式。活塞图纸上用列表型值点的形式或数学公式的形式给出上述三组数据或函数为 D=f₁(Z)； E=f₂(Z)； P=f₃(Z，f)式中：f表示横截面外圆轮廓线上任意点P的向径与大径方向间的夹角。这些描述以分段形式给出，每段区间连续光滑，区间连接处为跳变断点。在我们的系统中，如果图纸给出的是数学公式，则用户可在函数列表中选择或直接输入函数公式，控制系统接受并检查函数表达式的正确性、分段区间的完整性和函数值域的合理性：如果给出的是型值点，则检查型值的合理性、分段区间的完整性和拟合函数值域的合理性，并根据型值点处于区间内部的情况将拟合曲线向区间端点延伸。拟合函数采用两端点自由形式的三次样条，延伸段采用与首尾型值点斜率相同的两直线段。最后将处理结果转换为数控数据，必要时与传统数控指令进行融合，并将数控数据以图形方式输出。输出图形与传统活塞图纸的表达形式相一致，便于用户检查与校对。
2. 实现高频响的途径 普通数控系统的X轴的频响为1Hz左右，加速度为1g(重力加速度)左右，且受到机械爬行和反向间隙的影响。由于活塞为异型截面，要求X轴的频响为120Hz以上，加速度为9g以上，因此必须增加一个与X轴平行的高频响的第二个X轴，我们称此轴为直线轴。我们采用音圈式直线电动机及直线伺服部件作为直线轴的无间隙传动执行机构，频响高于135Hz，加速度大于13g，满足了车削异型截面的要求。
3. 高分辨率的实现方法 普通数控系统的X轴的控制精度为微米级，而活塞横截面大径附近的控制精度要求在亚微米级，采用传统的控制方法不能满足要求。由于活塞横截面上直线轴的相对位移小于±0.5mm，所以我们采用12或16位数模转换器来控制直线轴相对X轴的位移，满足了控制精度要求。
4. 高频响四轴联动的控制方法 如果采用普通具有伺服主轴的四轴联动数控系统，不仅成本太高，而且不能满足控制的实时性要求。如主轴每转过1°对直线轴控制1次，则控制频率应高于15kHz，普通数控是无法达到的。我们对X轴和Z轴采用了通用数控系统的控制方法，而主轴转角和直线轴的联动采用了转角为主，双轴联动的方法。主轴上安装有主轴编码器，计算机通过中断方式检测主轴的转角，中断处理程序根据主轴转角、Z轴和X轴的当前位置控制直线轴。这样既满足了四轴联动和实时性要求，又可以使用一般主轴而不必采用伺服主轴。在这种思想指导下，控制系统还可以进一步简化：由于活塞外轮廓表面的最大直径和最小直径之差一般小于2mm，活塞的加工为流水线大批量生产，可以用手动X轴调整一批活塞的最大直径，用直线轴控制刀尖相对于最大直径的相对位移，而在加工过程中不控制X轴，就可满足绝大部分活塞的加工要求。这样，在通用车床的Z轴上再安装一位置检测编码器，由计算机根据主轴转角和Z轴位置控制直线轴，就可完成对活塞外轮廓的加工。在这种情况下，主轴和Z轴都可以采用普通交流电动机驱动，X轴通过手柄调整，系统成本可大幅度降低。
5. 直线轴控制参数的调整方法 对于直线轴，经扫频和系统辨识可得到其动力学模型为一个近似的二阶系统，用传递函数表示为 y(s)=ku(s)T²s²+2Tzs+1式中：u为加在控制端的输入电压，y为直线轴的位移，k为静刚度，T为时间常数，Z为阻尼比。对直线轴的机械结构进行精细设计，合理选择伺服部件的静刚度和运动部分的质量，可以得到满足使用要求的时间常数T和静刚度k。由于阻尼系数的动态性能有决定性影响，所以如果z过小，则其阶跃响应振荡次数多，超调量大，影响工件的轮廓度和表面粗糙度。机械部件调整阻尼比难于实现，我们通过在直线轴的运动件上安装速度传感器，由电子线路为系统提供适当的阻尼比。这样不仅容易实现，而且调整范围宽，阻尼比稳定，调整方法简单。
6. 解决光电隔离的时间延迟与高控制频率间的矛盾 由于数控系统要工作在工业生产线上，我们对所有输入输出信号都进行了光电隔离。但由于系统控制频率高，简单地采用普通光电隔离器件不能满足使用要求。我们采用了脉冲展宽(通过74LS221)、高速光耦(6N137)、时间片复用、可重入中断处理程序等一系列技术措施，保证了对控制的实时性要求。

2 系统的硬件结构

3 系统的软件结构