基于活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

摘要：本文將著重介紹活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將主要的是以具體的數(shù)學(xué)方法和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)活塞環(huán)參數(shù)與計(jì)算模型自動(dòng)生成活塞環(huán)全數(shù)控機(jī)床數(shù)控加工所需要的接口數(shù)據(jù)，并且要求能夠形成壓力分布圖、數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)性能圖、活塞壞的外形曲線及其其他有關(guān)的工藝文件，使操作更為系統(tǒng)、簡(jiǎn)便。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán)；數(shù)控加工；CAD系統(tǒng)；設(shè)計(jì)研究

作為內(nèi)燃機(jī)最關(guān)鍵的零件，活塞環(huán)有著極強(qiáng)的密封、傳熱以及刮油的作用。活塞環(huán)質(zhì)量的好壞以及工作運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常將從根本上影響到汽車(chē)的功率、噪音和缸體壽命等性能。

根據(jù)現(xiàn)代活塞的設(shè)計(jì)理論來(lái)看，對(duì)參數(shù)的選擇要基于性能，選擇合適的徑向壓力分布模型，然后才能通過(guò)力學(xué)與數(shù)學(xué)的科學(xué)計(jì)算方式算出于其相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)型線數(shù)據(jù)后用于成型加工工作。

CAD系統(tǒng)是活塞環(huán)全數(shù)控CAD/CAM系統(tǒng)當(dāng)中一個(gè)重要的組成部分，它對(duì)于活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)的計(jì)算并生成符合加工要求的接口數(shù)據(jù)及其他相關(guān)文件起著決定性作用。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種環(huán)應(yīng)運(yùn)而生，有了更多的產(chǎn)品就會(huì)有更多的選擇，因此，要求本系統(tǒng)具備多種設(shè)計(jì)方法直接輸入離散點(diǎn)值的方式來(lái)供用戶選擇，快速生成數(shù)控機(jī)床所必須的加工數(shù)據(jù)，以便能夠達(dá)到更加快速的更換產(chǎn)品型號(hào)的目的。

1.系統(tǒng)的需要與相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則

由于CAD系統(tǒng)是CAD/CAM系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，所以其設(shè)計(jì)原則不能主觀的脫離整體，應(yīng)當(dāng)以滿足系統(tǒng)整體要求來(lái)進(jìn)行；具體如下：

（1）根據(jù)國(guó)內(nèi)通用的環(huán)周徑向壓力曲線設(shè)計(jì)方法，來(lái)計(jì)算出活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)活塞環(huán)開(kāi)口區(qū)自由型線的工作則應(yīng)該根據(jù)交流伺服系統(tǒng)性能的要求。

（2）系統(tǒng)具備提供各種壓力分布理論的函數(shù)表達(dá)式的能力，以便能夠簡(jiǎn)便的計(jì)算出不同壓力分布的自由型線，這樣也就能夠更快、更好的滿足更換產(chǎn)品型號(hào)的要求。

（3）系統(tǒng)必須具備提供直觀圖以顯示活塞環(huán)自由型線和壓力分布圖的能力，這樣能夠確保參數(shù)的修正，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)的目的。

（4）系統(tǒng)應(yīng)該具備提供加工所需控制數(shù)據(jù)的能力，從基本上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的一體化。

（5）具體操作不能過(guò)于復(fù)雜。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其流程

考慮到活塞環(huán)曲率半徑的變化相對(duì)比較大，即便是通過(guò)高性能的步進(jìn)電機(jī)也無(wú)法完全達(dá)到其大加速度高頻響的伺服性能。本活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD/CAM系統(tǒng)將采用美國(guó)BD55前饋式全閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)自制的高性能微位移伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)來(lái)完成車(chē)型的車(chē)削；然后，在省城接口控制數(shù)據(jù)以及和BD55系統(tǒng)進(jìn)行接口控制將采用EVOC工業(yè)控制機(jī)。本CAD系統(tǒng)將以Windows操作系統(tǒng)為平臺(tái)，并對(duì)面向Visual Basic編程語(yǔ)言加以運(yùn)用。此外，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的方法，使得本系統(tǒng)可以在Windows95以上中文環(huán)境486以上的微機(jī)使用。

3.系統(tǒng)功能的變成實(shí)現(xiàn)

3.1壓力方程管理

活塞環(huán)自由型線計(jì)算的基本依據(jù)就是壓力方程，就國(guó)內(nèi)來(lái)看，采用的比較廣泛的是壓力分布函數(shù)為余弦的表達(dá)式，以及在相對(duì)情況下須特殊處理的壓力分布非僅為余弦函數(shù)的表達(dá)式。

3.2計(jì)算活塞環(huán)半徑增量

根據(jù)《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用》一書(shū)可以看到，對(duì)阿諾爾德法、張吉天式、卡崗式等可以采用統(tǒng)一的公式計(jì)算活塞環(huán)半徑增量。還要特別提到一點(diǎn)的是對(duì)等壓分布環(huán)與卡崗法及壓力分布非僅為余弦函數(shù)的公式可利用相應(yīng)的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

3.3計(jì)算數(shù)據(jù)后的處理

在相對(duì)自由的狀態(tài)下，活塞環(huán)會(huì)形成一個(gè)開(kāi)口區(qū)，在這個(gè)區(qū)域是無(wú)法根據(jù)公式來(lái)得到相應(yīng)數(shù)據(jù)的。因此，為了在數(shù)控加工機(jī)床上加工出活塞環(huán)就必須要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)補(bǔ)充。對(duì)于開(kāi)口區(qū)數(shù)據(jù)補(bǔ)充的原則，大致有以下幾點(diǎn)：

（1）與非開(kāi)口區(qū)曲線平滑相連時(shí)，我們認(rèn)定其不會(huì)出現(xiàn)半徑增量的突變以及一階導(dǎo)數(shù)突變的情況。

（2）半徑量具有盡可能小的一階導(dǎo)數(shù)，這就需要當(dāng)出現(xiàn)在滿足加工要求的基礎(chǔ)下伺服電機(jī)的加速度應(yīng)該盡可能小的局面，這樣做能夠最大限度的降低加工工作的難度，進(jìn)而確保加工的精確度。

3.4離散數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理

為了滿足用戶相應(yīng)的其他需求，系統(tǒng)還提供了離散數(shù)據(jù)輸入處理功能，當(dāng)用戶一旦輸入離散數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便會(huì)自主的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的檢查，檢查后，再通過(guò)三次樣條插值等方法，計(jì)算出活塞環(huán)曲線數(shù)據(jù)。

3.5數(shù)據(jù)查閱與圖形顯示

活塞環(huán)的參數(shù)選定后，用戶根據(jù)壓力分布計(jì)算模型計(jì)算出活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)以及伺服電機(jī)性能數(shù)據(jù)，并且根據(jù)用戶的主觀意圖可對(duì)活塞環(huán)半徑增量圖、伺服電機(jī)性能曲線圖和壓力分布曲線等進(jìn)行查看。

對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理后，壓力分布曲線以外的直觀圖示都能輕松得到，用戶可交互地堆離散數(shù)據(jù)值進(jìn)行修改，以便得到最為滿意的結(jié)果。

4.結(jié)束語(yǔ)

在過(guò)去我國(guó)的活塞環(huán)加工的發(fā)展過(guò)程中，如何選擇活塞環(huán)的自由形狀以及如何加工出所需要的形狀這兩個(gè)問(wèn)題一直是比較讓我們頭疼的?，F(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步高精度活塞環(huán)數(shù)據(jù)車(chē)床可以加工任何活塞環(huán)

對(duì)于活塞環(huán)全數(shù)控加工CAD系統(tǒng)中的其他問(wèn)題和還有待提高的環(huán)節(jié)；首先，應(yīng)該通過(guò)大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證并解決；其次，做好相應(yīng)的人才培養(yǎng)工作和理論知識(shí)的開(kāi)發(fā)工作；做到了這些無(wú)疑會(huì)更進(jìn)一步提高我國(guó)活塞環(huán)加工水平。

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作者簡(jiǎn)介：姜誠(chéng)君，女（1978.2-）漢族，籍貫：山東威海，碩士，講師，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)、CAD/CAM。