1. 引 言
非圓數(shù)控車削是實現(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)動刀具做徑向往復(fù)運動的高頻響高精度直線伺服單元，它是一種典型的位置隨動系統(tǒng)。由于直線伺服單元中的執(zhí)行機構(gòu)總有一定的響應(yīng)速度，因此，刀具不可避免地產(chǎn)生相對于目標位置的偏移，即：刀具實際運動軌跡表現(xiàn)為低頻理想振動和高頻噪聲振動的疊加。高頻噪聲振動反映了非圓車削過程的穩(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，降低高頻噪聲振動幅度。
變速加工(Variable Spindle Speed Machining, VSM)概念是德國Stoferle, T.教授于1972年最早提出并用來改善車削加工的穩(wěn)定性。變速加工時，主軸轉(zhuǎn)速在一個基本轉(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理和應(yīng)用兩方面進行。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，通過實驗手段討論變速切削參數(shù)的選取和優(yōu)化。在機理研究方面，著重從理論角度討論變速加工抑制振動、提高加工穩(wěn)定性的原因和條件。通過建立加工過程的數(shù)學(xué)建模，用仿真、實驗等方法來驗證其理論的正確性。
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。本文著重對變速非圓車削的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、。主軸變速特性描述與實現(xiàn)、直線伺服單元設(shè)計和變速加工提高穩(wěn)定性的機理等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。
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)由機床本體、通用數(shù)控伺服單元、直線伺服單元、主軸驅(qū)動單元和控制計算機5部分組成。
機床采用 一般臥式車床結(jié)構(gòu)，但對床身和主軸結(jié)構(gòu)進行了專門設(shè)計，以保證機床具有很好的結(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驅(qū)動，并配基于DSP的多軸運動控制板，在數(shù)控軟件的控制下實現(xiàn)車床沿X向和Z向的數(shù)控運動。
直線伺服單元采用高頻響直線電機為驅(qū)動元件，直線電機安裝在車床的橫拖板上，刀具安裝在電機的輸出軸上。直線伺服單元驅(qū)動刀具實現(xiàn)刀具沿X向的精密往復(fù)運動，以加工出零件的非圓截面輪廓。在直線電機輸出軸的另一端留有光柵傳感器實時反饋直線電機的運動位置，在專用控制器的支持下實現(xiàn)直線伺服單元的閉環(huán)隨動控制。
主軸驅(qū)動單元根據(jù)變速加工要求的主軸的變速頻率和幅度，通過控制軟件和主軸變速驅(qū)動器來驅(qū)動主軸電機使它按預(yù)定要求轉(zhuǎn)動。主軸電機后端的主軸編碼器實時提供主軸轉(zhuǎn)動信號給直線電機專用控制器和多軸運動控制器，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分之間的動作。
變速非圓車削系統(tǒng)在計算機的控制下實現(xiàn)刀具和工件之間準確、協(xié)調(diào)的運動，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)
在變速非圓車削過程中，主軸轉(zhuǎn)速在一個基本轉(zhuǎn)速上周期性波動，如圖2所示。主軸變速特性與周期性波動函數(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。
該速度變化的無量綱表達式為:
w(t)=w0(1+RVAfunction(RVFw0t)， (2)
式中，RVA=A/w0表示速度變化的相對幅度，RVF=2筬/w0表示速度變化的相對頻率。由上式可知，RVA和RVF定量描述了主軸速度相對于基本轉(zhuǎn)速變化的幅度和頻率，是主軸變速的特征參數(shù)。
3.2 主軸變速的實現(xiàn)
由前述可知，主軸驅(qū)動的激勵函數(shù)是一個周期函數(shù)，以此來改變主軸速度。但為了得到可控主軸電機變速性能，應(yīng)分析確定激勵函數(shù)的類型和特征參數(shù)。
通常具有簡單輪廓的速度軌跡激勵函數(shù)有正弦波、三角波和方波3種。若電機驅(qū)動激勵函數(shù)采用正弦波，那么電機轉(zhuǎn)動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：而激勵函數(shù)采用三角波時，電機轉(zhuǎn)動的角加速度是方波變化，但角推力變化為無窮大:若激勵函數(shù)采用方波，那么電機轉(zhuǎn)動<
