CN101885079A - 凸轮驱动设备及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凸轮驱动设备及加工方法。一种用于加工设备的凸轮驱动设备，该加工设备包括：圆柱状构件(25)；设置在圆柱状构件中并且在其外周面上形成有安装孔(111)的旋转轴(11、12)；设置于旋转轴的凸轮(121)；以及工具(13)，其安装在旋转轴的安装孔中使得工具根据凸轮的轮廓在旋转轴的径向方向通过安装孔突出和缩回，圆柱状构件和旋转轴轴向地往复运动，以加工非圆形镗孔，所述凸轮驱动设备包括：存储单元(91)，其用于存储表示凸轮的旋转角和所述工具的基于凸轮的旋转角提供的突出量之间的关联关系的数据表(90)；和控制器(41)，用于根据存储单元中存储的数据表使旋转轴相对于圆柱状构件的旋转角提前或延迟。

Description

凸轮驱动设备及加工方法

技术领域

本发明涉及一种凸轮驱动设备及加工方法，并且尤其涉及一种适于用于加工非圆形镗孔(bore)的内周面的加工设备使用的凸轮驱动设备和加工方法。

背景技术

通常，在车辆的制造过程中，通过切割工作形成引擎的汽缸体的镗孔，并且然后在汽缸体中安装汽缸盖、曲轴箱等。而且，活塞也安装在该镗孔中。当驱动现行引擎时，引擎中的燃料燃烧，并且活塞通过燃烧气体加热并且伸展。此时，活塞的形状在截面上接近于理想的圆形，因此活塞具有基本上理想的圆形截面。因此，当活塞安装在汽缸体的镗孔中时，活塞具有椭圆形状，其中长轴稍微地长于短轴。在某些情况下，期望镗孔的截面形状是期望的椭圆形状，该椭圆形状相对于活塞的截面的轮廓具有向外的固定空隙。因此，期望执行切割工作以使得镗孔的截面形状接近于这样一种状态，在镗孔的截面和活塞之间形成固定范围的空隙，并且还期望在装配引擎之后，当驱动引擎时，镗孔具有基本理想的圆形截面。

到目前为止，难以高速地以包含期望的椭圆形状的非圆形形状加工镗孔，并且因此，到目前为止，以基本理想的圆形形状加工镗孔。即使汽缸体的镗孔被加工成具有期望的椭圆截面，当汽缸盖、曲轴箱等装配到汽缸体时，镗孔的形状变形。当镗孔如上述那样变形时，它增加了当使用引擎时镗孔和活塞之间的滑动阻力，并且因此存在引擎不能实行期望行为的风险。

因此，在加工汽缸体的镗孔的过程中，当附接了模拟汽缸盖的仿真盖的同时执行镗孔加工，并且当镗孔加工完成时，拆下仿真盖。然而，在每当执行汽缸体的镗孔的加工时执行仿真盖(dummy head)的附接和拆下工作等的情况下，大大地降低了生产率。

为了解决该问题，已提出了以下方法(参见日本专利公开JP-A-2007-313619)。即，仿真盖安装在汽缸体中，并且加工镗孔以在截面中具有包含期望的椭圆形状的非圆形形状，或者在截面中具有包含基本完美的圆形形状的理想圆形形状。随后，从汽缸体拆下仿真盖。此时，安装仿真盖所造成的应力被释放，并且因此镗孔的形状变形并且在截面中变成非圆形形状。测量具有非圆形截面的镗孔的总体形状以生成NC数据。具体地，测量点沿着由于仿真盖的拆下已变形为具有非圆形截面的镗孔的轴线以预定间隔设置，并且测量镗孔在各个测量点处的截面形状，由此生成上述的NC数据。

其后，在未安装任何仿真盖的情况下，基于生成的NC数据在未加工的汽缸体上执行镗削加工，来形成非圆形的镗孔。根据该方法，即使在镗孔是在未将仿真盖固定到汽缸体的条件下加工的情况下，当安装汽缸时，镗孔具有这样的三维形状，该三维形状具有期望的理想椭圆截面。

然而，当从汽缸体拆下仿真盖时镗孔的变形量不是必须均匀的，并且因此镗孔在各个测量点处的截面形状彼此不同。因此，为了在汽缸体中形成非圆形镗孔，必须沿着轴线执行与在每个测量点处的截面形状相对应的切割工作。在切割工具突出到镗孔的内周面的同时执行切割工作。为了加工镗孔以使得镗孔在各个测量点处具有不同的截面形状，需要精确地设置切割工具在每个测量点处的突出量。当突出量的控制不精确时，镗孔的截面在汽缸盖装配到汽缸体时不具有期望的理想椭圆形状，并且这使得当使用引擎时镗孔和活塞之间的滑动阻力增加。

发明内容

考虑到上述问题实施了本发明，并且本发明的目的是提供一种可高精确度地加工非圆形镗孔的内周面的凸轮驱动设备和加工方法。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种用于加工设备的凸轮驱动设备，该加工设备包括：圆柱状构件25；旋转轴11、12，该旋转轴设置在圆柱状构件中并且在该旋转轴的外周面上形成有安装孔111；设置于旋转轴的凸轮121；以及工具13，该工具安装在旋转轴的安装孔中使得该工具能够根据凸轮的轮廓在旋转轴的径向方向通过安装孔突出和缩回，圆柱形构件和旋转轴轴向地往复运动以加工非圆形镗孔，特征在于，所述凸轮驱动设备包括：存储单元91，其用于存储表示凸轮的旋转角和工具的基于凸轮的旋转角提供的突出量之间的关联关系的数据表90；和控制器41，其用于根据存储单元中存储的数据表使旋转轴相关于圆柱状构件的旋转角提前或延迟。

根据凸轮驱动设备，凸轮用作使工具突出的机构，并且因此可便于构造。另外，存储将凸轮的旋转角和工具的基于旋转角获得的突出量相互关联的数据(数据表)，并且根据相关数据(数据表)，使旋转轴在相对于圆柱状构件的旋转角方面提前或延迟。因此，当使用具有任何凸轮轮廓的凸轮时，可适当地调整设置在安装孔中的工具的突出量。因此，可高精确度地加工非圆形镗孔。

而且，在上面的凸轮驱动设备中，旋转轴包括第一旋转轴11和设置在第一旋转轴中的第二旋转轴12，安装孔形成在第一旋转轴的外周面上，凸轮设置于第二旋转轴，并且控制器根据存储单元中存储的数据表，使第二旋转轴的旋转角的相位相对于第一旋转轴的旋转角的相位提前或延迟。

根据凸轮驱动设备，凸轮用作使工具突出的机构，并且因此可便于构造。另外，存储将凸轮的旋转角和工具的基于旋转角获得的突出量相互关联的数据(数据表)，并且根据相关数据(数据表)，使第二旋转轴的相位相对于第一旋转轴的相位提前或延迟。因此，当使用具有任何凸轮轮廓的凸轮时，可适当地调整设置在安装孔中的工具的突出量。因此，可高精确度地加工非圆形镗孔。

上述的凸轮驱动设备还可包括用于检测第一旋转轴的旋转速度的第一旋转检测单元252，和用于检测第二旋转轴的旋转速度的第二旋转检测单元241，其中第一旋转轴和第二旋转轴在旋转速度上相互同步，第一旋转轴的旋转速度乘以第二旋转检测单元的分辨率以获得第一乘积值，第二旋转轴的旋转速度乘以第一旋转检测单元的分辨率以获得第二乘积值，根据第一乘积值和第二乘积值的差，来计算速度误差，并且把所计算出的速度误差与第一或第二旋转轴的旋转速度的指示值相加以控制旋转。

根据凸轮驱动设备，即使当第一旋转检测单元的分辨率不同于第二旋转检测单元的分辨率时，考虑了分辨率之比，这些分辨率可相互匹配。基于第一旋转和第二旋转轴的分辨率相互匹配的旋转速度之间的差，来计算速度误差，由此可精确地确定第一旋转轴和第二旋转轴之间的速度误差，并且两个旋转轴可精确地相互同步。

在上述的凸轮驱动设备中，可以完美的圆形形状设计凸轮。根据该结构，可抑制凸轮的制造成本。

根据本发明的第二方面，提供了一种加工设备中加工非圆形镗孔的方法，所述加工设备包括在其外周面上具有安装孔13的第一旋转轴11、设置在第一旋转轴中的第二旋转轴12、设置于第二旋转轴的凸轮121、和安装在第一旋转轴的安装孔中的工具13，该方法包括以下步骤：在第一旋转轴和第二旋转轴轴向地往复运动的同时，使所述工具根据凸轮的轮廓在第一旋转轴的径向方向通过安装孔突出和缩回；以及根据表示凸轮的旋转角和工具的基于凸轮的旋转角提供的突出量之间的关联关系的数据表90，使第二旋转轴的旋转角的相位相对于第一旋转轴的旋转角的相位提前或延迟。

该加工方法与本发明的凸轮驱动设备具有相同的效果。即，凸轮用作使工具突出的机构，并且因此可便于构造。另外，存储将凸轮的旋转角和工具的基于旋转角获得的突出量相互关联的数据(数据表)，并且根据相关数据(数据表)，旋转轴的相对于圆柱状构件的旋转角提前或延迟。因此，当使用具有任何凸轮轮廓的凸轮时，可适当地调整设置在安装孔中的工具的突出量。因此，可高精确度地处理非圆形镗孔。

在上面的处理方法中，当工具从安装孔突出以加工非圆形镗孔时，可基于用于控制加工设备的加工信息来加工非圆形镗孔，并且可基于以如下模拟为基础获得的形状数据来创建加工信息，在所述模拟中，在装配构件装配到具有期望的理想截面形状的镗孔的装配目标构件的情况下，在CAE系统中在计算机上的虚拟空间中模拟了装配之后镗孔如何变形并且因此镗孔具有什么形状。

根据该加工方法，可通过模拟获得当装配构件装配到装配目标构件时具有期望的理想截面形状的镗孔的形状数据，既不用实际地在装配构件所要装配的装配目标构件中加工具有期望的理想截面形状的镗孔，也不用在拆下装配构件之后测量镗孔的形状。

附图说明

图1是示出了根据本发明的实施方式的非圆形镗孔加工设备的结构的图；

图2A和图2B是示出了根据该实施方式的非圆形镗孔加工设备的凸轮的突出量的示意图；

图3是示出了根据该实施方式的非圆形镗孔加工设备中凸轮角和切割刀的突出量的关系的图；

图4是示出了根据本发明的非圆形镗孔加工设备的同步控制器的操作的框图：

图5是示出了通过使用根据该实施方式的非圆形镗孔加工设备对汽缸体的镗孔执行镗削加工的过程的流程图；

图6A、图6B和图6C是示出了经过了使用根据该实施方式的非圆形镗孔加工设备的镗削加工的汽缸体的截面图；

图7A、图7B和图7C是示出了根据实施方式的汽缸体的变形状态的图；

图8是示出了在根据该实施方式的非圆形镗孔加工设备中的、从测量镗孔的内部形状直到镗削加工的详细过程的流程图；

图9是示出了根据该实施方式在汽缸体的测量点处测得的镗孔的内部形状的示意图；

图10是示出了根据该实施方式在汽缸体的一个测量点处测得的镗孔的内部形状的截面图；

图11是示出了在将镗孔的旋转轴设置为横坐标轴时，根据该实施方式的在汽缸体的一个测量点处测得的镗孔的内部形状的图；

图12是根据该实施方式的非圆形镗孔加工设备的波特图；

图13是示出了根据实施方式的构成汽缸体的镗孔的内部形状的频率分量的图；

图14是示出了当把频率分量组合并反转时，根据该实施方式的构成汽缸体的内部形状的频率分量的图；以及

图15A和图15B是示出了根据该实施方式的使用非圆形镗孔加工设备生成的突出量映射图的成比例内插处理的图。

具体实施方式

现在参照附图描述根据本发明的实施方式。

图1是示出了根据本发明的实施方式的非圆形镗孔加工设备1的结构的图。

非圆形镗孔加工设备1将加工头10插入到作为工件的车辆引擎的汽缸体的镗孔中，并且执行镗削加工。非圆形镗孔加工设备1包括用于旋转加工头10的旋转驱动机构20、用于使旋转驱动机构20前进或后退的往复机构30、用于控制上述部件的控制器(凸轮驱动设备)40、用于测量工件的镗孔的内部形状的圆度测量单元51、以及分析圆度测量单元51的测量结果并且将分析结果输出给控制器40的主(高级)计算机52。

旋转驱动机构20具有圆柱状柄轴21、安装在柄轴21中的轴22、用于旋转地驱动柄轴21的柄轴电动机23、用于旋转地驱动轴22的轴电动机24、和其内安装有柄轴电动机23的壳体25。这里，柄轴21的可旋转轴(第一旋转轴)和轴22的可旋转轴(第二旋转轴)彼此同轴。

在壳体25中，不仅安装有柄轴电动机23，而且安装有用于旋转地保持柄轴21的轴承251、用于检测柄轴21的旋转速度和旋转角的第一旋转编码器252、和与往复机构30螺接的螺母部253。轴电动机24配备有用于检测轴22的旋转速度和旋转角的第二旋转编码器241。

往复机构30是进给螺杆机构，并且具有螺纹轴部31、用于旋转地驱动轴部31的往复电动机32、和用于检测轴部31的旋转速度和旋转角的第三旋转编码器33。轴部31与壳体25的螺母部253螺接。

根据往复机构30，通过驱动往复电动机32来旋转轴部31，由此旋转驱动机构20可往复运动(前进和后退)。

加工头10具有一体地连接到柄轴21的圆柱状柄轴11、安装在柄轴11中并且一体地连接到轴22的轴12、以及设置在柄轴11的外周面的、以便从柄轴11突出以及缩入柄轴11的切割刀13。

在与柄轴11的旋转轴相交的方向延伸的穿入孔111形成在柄轴11的尖端。切割刀13以类-杆状形状形成，并且它插入到作为安装孔的穿入孔111内，在该安装孔内安装有切割刀13并且通过推进单元(未示出)朝向轴12推进切割刀13。

如图2A和图2B中所示，轴12配备有凸轮121，凸轮121用于以突出方向按压切割刀13，沿着该突出方向切割刀13从柄轴11的外周面突出。例如，凸轮121被设计为完美的圆形形状(以下仅仅称作为“圆形形状”)，并且轴12设置在偏离该圆的中心的位置处。因此，从轴12的旋转中心到凸轮121的周缘距离的距离连续地变化。凸轮121的形状不限于圆形形状，然而，优选地为圆形形状，因为可以降低成本。

切割刀13的底端边缘与凸轮121的周缘邻接。因此，通过改变轴12相对于柄轴11的角，凸轮121的周缘中邻接切割刀13的邻接部分变化，并且因此切割刀13从柄轴11的外周面突出的突出量变化。

图2A示意性地示出了凸轮121的突出量等于t的状态，图2B示意性地示出了切割刀13的突出量等于零的状态。

在图2A和图2B中，从凸轮121的旋转中心延伸到凸轮121的周缘中离轴12最远的部分的线设置为凸轮121的基准线Q，并且通过切割刀13的中心轴的线设置为切割刀13的基准线R。凸轮121的基准线Q和切割刀13的基准线R之间的相交角设置为凸轮角。

在切割刀13的突出量等于t的状态下，凸轮角等于α。该角度α设置为初始角度。在切割刀13的突出量等于零的状态下，凸轮角等于(α+β)。

当凸轮121的半径由Cr表示并且从凸轮121的中心到凸轮121的旋转中心的偏离量大小由Co表示时，从凸轮121的旋转中心到切割刀13的底端边缘的最大尺寸L1和最小尺寸L2由以下数学表达式(1)和(2)表示。

L1＝Co×cos(α)+Cr…(1)

L2＝Co×cos(α+β)+Cr…(2)

如上所述，凸轮角的行程等于β(旋角)，并且切割刀13的突出量的行程等于t，并且满足以下数学表达式(3)。

t＝L1-L2＝Co×{(cos(α)-cos(α+β)}…(3)

图3中示出了基于该数学表达式(3)凸轮角和切割刀的突出量之间的关系。

如图3中实线所示，切割刀13的突出量非线性地变化，即，相对于凸轮角的变化呈弧形。另一方面，如图3中虚线所示，切割刀13的突出量在理想凸轮的情况下线性地变化。因此，与切割刀的突出量线性变化的情况相比，切割刀13的突出量的误差在凸轮角α(初始角)和凸轮角(α+β)之间的中值附近变得最大。

因此，当切割刀13必须仅突出Δt时，对应于该突出量(Δt)的凸轮角(α+Δβ)设置为凸轮角的指示值。因此，突出量可容易地线性变化。

具体而言，用于将突出量(Δt)和凸轮角的指示值(α+Δβ)相关联的突出量/凸轮角关联表90(参见图1)预先生成并且存储在主控制器41的存储器91中，以使得随后描述的同步控制器42能够调出该指示值(α+Δβ)。突出量/凸轮角关联表90可存储在同步控制器42中，而不存储在主控制器41的存储器91。而且，它可从主计算机52输入。

返回图1，控制器40使柄轴21和轴22同步地旋转，并且使轴22的旋转角的相位相对于柄轴21的旋转角的相位提前或延迟，进而切割刀13从柄轴11的外周面突出的突出量。

该控制器40具有主控制器41、同步控制器42、第一伺服放大器43、第二伺服放大器44和第三伺服放大器45。

根据来自主计算机的输出，主控制器41通过第一伺服放大器43和第三伺服放大器45驱动柄轴电动机23和往复电动机32，以控制切割刀13对工件的切割速度和在轴线上的位置。即，主控制器41是用于执行与所谓的NC(数字控制)控制器相同的操作的设备。

同步控制器42根据切割刀13相对于工件镗孔的方位(即，柄轴12的旋转角)和切割刀13相对于工件镗孔在轴线上的位置(即，往复机构30的轴部31的旋转角)输出指示信号。因此，通过第二伺服放大器44来驱动轴电动机24，并且调整切割刀13的突出大小(即，切割刀13从柄轴11的外周面突出的突出量)。

具体而言，基于来自主计算机的输出，生成表示柄轴21的旋转角和加工头10在往复运动方向的位置(即，切割刀13相对于工件镗孔在轴线上的位置)二者与切割刀13的突出量之间关系的映射图。同步控制器42将该映射图存储到其存储器内。

映射图代表参数的设置。即，在加工头10的往复运动方向上的每个位置(即，切割刀13相对于工件镗孔在轴线上的位置)确定表示柄轴21的旋转角和切割刀13的突出量的关系的、涉及镗孔截面的二维数据，并且镗孔的这些截面的二维数据在轴线方向上布置。

同步控制器42基于第一旋转编码器252检测到的柄轴22的旋转速度和旋转角(具体而言，每单位时间旋转编码器生成的脉冲数，即用于采样时间的脉冲数)、和第三旋转编码器检测到的轴部31的旋转角(具体而言，每单位时间旋转编码器生成的脉冲数，即用于采样时间的脉冲数)查阅同步控制器42的存储器中存储的、表示切割刀13的突出量的关系的映射图，并且通过第二伺服放大器44驱动轴电动机24。

在此时，第二伺服放大器44根据第二旋转编码器241检测到的轴22的旋转速度和旋转角(具体而言，每单位时间旋转编码器生成的脉冲数，即用于采样时间的脉冲数)对轴电动机24执行反馈控制。

接下来，将参考图4描述同步控制器42对轴22的控制。

图4是示出了同步控制器42的操作的框图。

当柄轴21和轴22相互完美地同步时，柄轴21的旋转速度首先与用于检测轴22的旋转速度的第二旋转编码器241的分辨率(PG2)相乘，轴22的旋转速度也与用于检测柄轴21的旋转速度的第一旋转编码器252的分辨率(PG1)相乘，并且然后计算两个乘积结果之间的差。

执行上面的乘法，因为第一旋转编码器252的分辨率(PG1)和第二旋转编码器241的分辨率(PG2)彼此不同，并且因此，把这些分辨率之比考虑在内，使分辨率相互匹配。

接下来，所计算出的误差计算为速度误差，对如此计算的速度误差进行积分并且把积分结果设置为位置误差。

随后，根据柄轴21的旋转速度确定前馈量，将速度误差和位置误差彼此相加，并且相加的结果设置为给轴电动机24的速度指示。在该情况下，保持柄轴和凸轮之间的相位差，并且固定切割刀13的突出量。

在柄轴21和轴22的相位彼此偏移的情况下，当获得了用于使加工头10往复运动的轴部31的旋转角时，控制器40计算加工头10在往复运动方向的位置(即，切割刀13相对于镗孔在轴线上的位置)，并且根据映射图切换单元计算出的加工头10在往复运动方向上的位置来切换表示上述柄轴21的旋转角和切割刀13的突出量(镗孔的二维截面数据)的关系的映射图。

而且，当获得了柄轴21的旋转速度和旋转角时，映射图地址转换器确定柄轴21的旋转位置。

随后，映射图地址转换器查阅上面的映射图，以调出切割刀13的与柄轴21的旋转角相对应的突出量数据，提取调出的突出量数据和之前调出的突出量数据之间的差，并且然后将所提取的差作为变化(即速度)与轴电动机24的旋转速度指示相加。

接下来，将参照图5的流程图描述通过使用如此构造的非圆形镗孔加工设备1来对车辆引擎的汽缸体镗孔执行镗削加工的过程。

首先，在步骤S1，如图6A所示，仿真盖70由螺栓固定到作为汽缸体原料的汽缸体60。仿真盖70的形状和材料设置为模拟汽缸盖产品，并且在仿真盖70的中心部分形成有非圆形镗孔加工设备1的加工头10可插入的孔。

随后，在步骤S2，汽缸体60位于预定位置，并且通过非圆形镗孔加工设备1把镗孔61加工成具有期望的圆度。

随后，在步骤S3，基于螺栓71的紧固件从汽缸体60松开，并且拆下仿真盖70。在此时，如图6B中所示，汽缸体60的镗孔的内径(截面形状)相对于图6A的状态稍微变形。这是因为释放了装配仿真盖70造成的应力。

具体而言，如图7A中所示，在汽缸体60中形成四个镗孔61使得相互成直线排列。在每个镗孔61周围形成螺栓孔72，螺栓71螺接到该螺栓孔72。

当从汽缸体60拆下仿真盖时，仿真盖70的压力被释放，因此镗孔61的仿真盖侧的内径形状(即，截面的轮廓)变形为椭圆形，如图7B所示。而且，作用在螺栓孔72的螺纹和螺栓71的螺纹之间的间隙上的应力也消除了，因此镗孔61在曲柄轴侧的内径形状(镗孔截面形状)也变形为矩形形状，如图7C中所示。

因此，在该实施方式中，在对镗孔的内径形状执行频率分析的步骤中(计算内径形状分析参数的步骤)，执行频率分析直到第四阶。这是因为通过直到第四阶的频率分析可以基本上再现汽缸体镗孔的变形。即，四次(第四阶)分量代表矩形分量，三次(第三阶)分量代表三角形分量，并且二次(第二阶)分量代表椭圆分量。因此，执行从零阶直到第四阶的频率分析，以用余弦波表示内径形状(截面形状)，并且组合这些余弦波，由此可再现汽缸体镗孔的变形，并且可去除更高阶的噪声。

而且，如果以标准NC数据格式将截面二维形状(X_I，Y_I)存储为点集(X_I，Y_I)，数据量是巨大的。然而，如在本发明的情况下，通过使用余弦波以曲线数据格式存储截面二维形状，数据量可显著地减少，使得数据处理速度升高。

换言之，为了形成截面非圆形镗孔，以便补偿汽缸体镗孔在汽缸盖装配到汽缸体时的变形，可执行仅仅从零阶到第四阶的频率分析，因此可减少数据量。

在该实施方式中，执行频率分析直到第四阶。然而，根据镗孔形状，可执行频率分析直到第五十阶、第一百阶或者更高的阶。例如，当截面非圆形镗孔的一圈的形状(one round shape)以每1°的标准NC数据格式表示时，需要720个参数。然而，当它以50阶的曲线数据格式表示时，可使用101个参数。即，需要半径误差(零阶)、50个n阶幅度和50个n阶相位。如上所述，即使当执行频率分析直到第50阶时，通过以曲线数据格式存储数据，数据量可减少，并且数据处理速度可提高。

在上面的实施方式中，在仿真盖安装在汽缸体上的情况下执行镗削加工，然后拆下仿真盖以测量镗孔的内径形状。代替该方法，可采用以下方法。即，如图1中所示，通过CAD系统53，在计算机上的虚拟空间中创建汽缸体镗孔形成为具有期望的截面椭圆形的三维模型。其后，在CAE系统54中，三维模型的汽缸盖装配到通过CAD系统53在计算机上的虚拟空间中创建的、包含具有期望的截面椭圆形的镗孔的三维模型的汽缸体。在CAE系统54中模拟通过将三维模型的汽缸盖装配到三维模型的汽缸体涉及的镗孔的期望截面椭圆形发生怎样的变形、以及在装配之后镗孔具有什么形状。即，该方法可用于代替下述方法，当在汽缸体上实际安装仿真盖的情况下执行镗削加工，从汽缸体拆下仿真盖然后实际测量内径形状(镗孔截面形状)。

因此，在步骤S4，在拆下仿真盖70之后，在镗孔61的轴线上以预定间隔测量汽缸体的镗孔61的内径形状，并且测量结果作为内径形状数据存储在主计算机52中。当在CAE系统54中执行模拟时，在CAE系统54中模拟出的、镗孔在装配之后的形状直接作为内径形状数据存储在主计算机52中。

在步骤S5，基于内径形状数据执行频率分析，并且计算内径形状分析参数。

随后，在步骤S6，所计算出的内径形状分析参数被输入到非圆形镗孔加工设备1的同步控制器42，以生成综合的内径形状映射图。

在步骤S7，与已经过镗削加工的汽缸体60不同的新汽缸体原料的汽缸体60A放置在预定位置。随后，在同步控制器42的控制下，在汽缸体60A上执行基于所生成的综合内径形状映射图的镗削加工。

在步骤S9，准备不同于仿真盖70并且用作为实际产品的成品汽缸盖80，并且通过使用螺栓81，成品汽缸盖80安装在已经过镗削加工的新汽缸体60A上，如图6C中所示。在此时，汽缸体60A的镗孔61A的内径形状设置为与汽缸体60的镗孔61相同的期望的截面椭圆形。

接下来，将参照图8的流程图描述从步骤S4的测量镗孔内径形状直到步骤S7的镗削加工的详细过程。

在步骤S11(S4)中，例如，通过圆度测量单元51对于所有汽缸引擎在镗孔的轴线上以预定间隔设置四个测量点M1到M4，并且在各个测量点M1到M4测量镗孔的内径形状。

具体而言，对于所有汽缸引擎，把例如空气微传感器、接近度传感器、激光传感器等这样的传感器插入到镗孔内并且沿着轴线旋转地移动。测量在各测量点处镗孔的内径形状，并且将其设置为内径形状数据。

在该示例中，以预定间隔执行测量。然而，可以不等的间隔执行测量，例如在汽缸体的汽缸盖侧的几个位置，或者相反地，在汽缸体的曲柄轴侧的几个位置处。

图9是示出了在各个测量点M1到M4处测得的镗孔内径形状R1到R4的示意图。

如图9中所示，在各个测量点M1到M4处的镗孔内径形状R1到R4彼此不同，并且它们是非圆形形状，例如椭圆形、三角形、矩形、偏心圆形状等。

图10是示出了在测量点M1到M4中一个处测得的镗孔内径形状的截面图，例如，在测量点M2处测得的镗孔内径形状R2。图11是示出了当旋转角设置为横坐标轴时图10的镗孔内径形状R2的图。

在图10和图11中，把镗孔的内周面上镗孔的变形量设置为零时的位置设置为基准线L0。位于基准线L0的内侧仅仅ΔL的内向位置由L1表示，并且位于基准线L0的外侧仅仅ΔL的外向位置由L2表示。如图10和图11所示，明显地，测得的镗孔内径形状具有大约ΔL的不均匀度，并且还包含更高阶的噪声。

在步骤S12，在各个测量点M1到M4处的镗孔内径形状由主计算机52进行频率分析，以提取相对于完美圆形的误差的n阶分量，确定其幅度和相位，并且生成针对幅度和相位的内径形状分析参数(A_n，P_n)。

具体而言，根据以下数学表达式(4)到(7)，相对于基准线L0的突出量表示为角度θ的函数x(θ)，并且根据以下数学表达式执行傅立叶(Fourier)变换，以确定n阶分量的幅度A_n和相位P_n。

这里，幅度A₀由相对于作为基准线的理想圆形的半径误差表示，幅度A₁表示相对于作为基准线的理想圆形的离心率，幅度A₂表示椭圆分量，幅度A₃表示三角形分量，并且幅度A₄表示矩形分量。不需要P₀。

$\mathrm{Inc}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}x\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{n\θ}\right)\mathrm{d\θ}...\left(4\right)$

$\mathrm{Isn}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}x\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)\mathrm{d\θ}...\left(5\right)$

A_n＝2(Icn²+Isn²)^1/2    …(6)

P_n＝tan^-1(Icn/Isn)     …(7)

当这些n阶分量的内径形状分析参数(A_n，P_n)经过傅立叶变换并且相对于基准线L0的突出量由角度θ的函数T(θ)表示时，得到以下数学表达式(8)：

$\mathrm{T\θ}=-(A_0+A_1\cos (\mathrm{\θ}+P_1)+A_2\cos (2\mathrm{\θ}+P_2)+A_3\cos (3\mathrm{\θ}+P_3)+....+A_k\cos (\mathrm{k\θ}+P_k))$

$=-(A_0+\underset{n=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos (\mathrm{n\θ}+P_n))...\left(8\right)$

接下来，根据图12中示出的非圆形镗孔加工设备1的波特(Bode)图，按照以下过程计算数学表达式(8)中的k值。

波特图表示基于从轴电动机24直到切割刀13尖端的扭转刚性的特征，并且根据以下过程创建波特图。

即，具有固定频率和幅度的正弦波信号施加到轴电动机24。通过第二旋转编码器241检测在轴22底端侧的旋转角，并且通过传感器(未示出)检测切割刀13的尖端的位移。这两个输出经过傅立叶变换，使得确定并绘制在切割刀13的尖端处与在轴电动机24处的幅度比和相位差。

根据图12的波特图，明显地，在500Hz附近存在共振频率，相位极大地偏移并且行为不稳定。因此，可意识到，可用频率范围限于从200Hz到300Hz的范围。因此，考虑到驱动机构的响应性的限制，要理解，作为切割工作所需的最小值，k＝4是实际的。

因此，当在数学表达式(8)中，k设置为4并且绘制四个频率的波形A₁×cos(θ+P₁)、A₂×cos(2θ+P₂)、A₃×cos(3θ+P₃)和A₄×cos(4θ+P₄)，得到图13中示出的图形。

接下来，将这四个频率波形组合并且在反转极性以校正形状的情况下绘制时，得到图14中示出的图形。

在步骤S13，通过主计算机52基于图12的波特图创建涉及增益和相位的增益/相位映射图，并且所创建的增益/相位映射图输出给同步控制器42。在步骤S14，用于一个汽缸引擎的内径形状分析参数(A_n，P_n)输出给同步控制器42。

在步骤S15，同步控制器42查阅增益/相位映射图并且确定与正在使用的转数相对应的误差参数(Δa_n，Δp_n)。

即，如图12的波特图所示，即使在可用区域内驱动轴电动机24时，增益和相位偏移，并且出现加工误差(processing error)。因此，确定正在使用的旋转区域中的n阶频率，并且根据所确定的n阶频率确定增益和相位延迟，以获得误差参数(Δa_n，Δp_n)。

例如，在图12中，当轴电动机24的转数设置为3000rpm时，第四阶分量的频率等于3000/60×4＝200Hz，并且因此增益和相位分别读出为大约+6dB和大约-27°。因此，在该情况下，切割刀的突出量被延迟大约27°，并且切割刀以大约双倍幅度操作(10^6/20≈2，20Log₁₀(2)≈6dB)。因此，通过将幅度校正Δa₄设置为0.5并且将相位校正Δp₄设置为+27来校正第四阶内径形状分析参数。同样，校正第三阶到第一阶的内径形状分析参数。

在步骤S16，通过同步控制器42用误差参数(Δa_n，Δp_n)校正内径形状分析参数(A_n，P_n)，并且内径形状分析参数(A_n，P_n)经过傅立叶逆变换。

在步骤S17，在同步控制器42的控制下，基于图3的凸轮误差映射图校正已经过傅立叶逆变换的数据并且将该数据转换为切割刀13的突出量，由此创建表示旋转角和切割刀13的突出量之间关系的突出量映射图(综合内径形状映射图)。

在步骤S18，在同步控制器42的控制下，基于切割刀13的突出量映射图通过成比例内插处理，来创建用于镗削加工的详细突出量。

当突出量映射图中的切割刀13的尖端轨迹由如图15A所示的R1A到R4A表示时，切割刀13的实际轨迹S是螺旋形的，并且实际轨迹S的间隔(节距)小于轨迹R1A到R4A之间的间隔。因此，需要详细的突出量映射图。

具体而言，例如，如图15B所示，确定位于在垂直方向上相互邻近的轨迹R1A和R2A之间的轨迹S上的点S1的位置。画出通过点S1的线V，并且线V与各轨迹R1A和R2A的交点由点V1和V2表示。而且，点V1和点V2之间在高度方向上的间隔由ΔZ表示，点V1和点V2之间在水平方向上的间隔由ΔR表示，点V2和点S1之间在高度方向上的间隔由δz表示，点V2和点S1之间在水平方向上的间隔由δr表示，并且根据以下数学表达式(9)来确定点S1的位置。

ΔR：δr＝ΔZ：δz  …(9)

在步骤S19，在同步控制器42的控制下，根据所存储的映射图基于柄轴21的旋转角和加工头10在往复运动方向的位置，来确定切割刀13的突出量。

在步骤S20，在同步控制器42的控制下，当基于上述的突出量/凸轮角关联表使得在角度上轴12、22的相位相对于柄轴21提前或延迟时，根据切割刀13的突出量执行非圆形加工，其中在上述的突出量/凸轮角关联表中突出量(Δt)和凸轮角的指示值(α+Δβ)相互关联。

在步骤S21，判定是否已完成了对所有汽缸引擎的加工。当步骤S21的判定为“是”时，处理结束。当步骤S21的判定为“否”时，处理返回到步骤S14。

如上所述，根据该实施方式，根据凸轮121的旋转角和切割刀13的基于该旋转角获得的突出量相互关联的突出量/凸轮角关联表90，使轴22的旋转角的相位相对于柄轴11的旋转角的相位提前或延迟。因此，当使用具有任何凸轮轮廓的凸轮121时，可适当地调整切割刀13的突出量。因此，可以高精确度地加工非圆形镗孔的内周面。而且，采用了通过凸轮121的旋转来调整切割刀13的突出量的机构，因此可简化加工头10的构造。

根据该实施方式，当柄轴11的旋转速度和轴22的旋转速度相互同步时，柄轴21的旋转速度乘以用于检测轴22的旋转速度的第二旋转编码器241的分辨率，轴22的旋转速度乘以用于检测柄轴21的旋转速度的第一旋转编码器252的分辨率，并且根据两个乘法结果之间的差计算速度误差。而且，计算出的速度误差与根据柄轴11的旋转速度确定的前馈量中相加，并且相加的结果用作为轴22的旋转速度的速度指示，以执行旋转控制。

根据该构造，即使当第一旋转编码器252的分辨率和第二旋转编码器241的分辨率彼此不同时，把分辨率的比考虑在内，这些分辨率可相互组合。因此，可精确地确定柄轴11和轴22之间的速度误差，并且这两种旋转彼此可精确地同步。

代替基于速度误差控制轴22的旋转速度的方法，速度误差可以与根据轴22的旋转速度确定的前馈量相加，并且可基于作为柄轴11的旋转速度的速度指示的相加结果，来控制柄轴11的旋转。

而且，根据该实施方式，可通过以理想的圆形形状设计凸轮121来抑制凸轮121的制造成本。

本发明不限于上面的实施方式，并且各种修改、改进等包含在本发明中，只要它们可实现本发明的目的。

例如，非圆形镗孔加工设备1配备有切割刀13工具，并且非圆形镗孔的内周面经过切割工作。然而，工具类型不限于该实施方式。即，本发明可应用于例如抛光工具等的任何工具和任何加工，只要工具是在镗孔的径向方向上突出和缩回的加工工具。

而且，上面的实施方式应用于非旋转工件的镗孔的加工处理，例如汽缸体等。然而，即使当工件是非旋转工件和非圆形镗孔加工设备1中的在其外周具有安装孔的固定的圆柱状构件时，只要通过在镗孔的径向方向上突出和缩回工具来执行加工处理，都可以应用本发明。

Claims (6)

1.一种用于加工设备的凸轮驱动设备，该加工设备包括：圆柱状构件(25)；旋转轴(11、12)，该旋转轴设置在所述圆柱状构件中并且在该旋转轴的外周面上形成有安装孔(111)；设置于所述旋转轴的凸轮(121)；以及工具(13)，该工具安装在所述旋转轴的所述安装孔中使得该工具能够根据所述凸轮的轮廓在所述旋转轴的径向方向通过所述安装孔突出和缩回，并且所述圆柱状构件和所述旋转轴轴向地往复运动以加工非圆形的镗孔，所述凸轮驱动设备的特征在于，包括：

存储单元(91)，该存储单元用于存储表示所述凸轮的旋转角和所述工具的基于所述凸轮的所述旋转角提供的突出量之间的关联关系的数据表(90)；以及

控制器(41)，该控制器用于根据所述存储单元中存储的所述数据表使所述旋转轴相对于所述圆柱状构件的旋转角提前或延迟。

2.根据权利要求1所述的凸轮驱动设备，其中，所述旋转轴包括第一旋转轴(11)和设置在所述第一旋转轴中的第二旋转轴(12)，所述安装孔形成在所述第一旋转轴的外周面上，所述凸轮设置于所述第二旋转轴，并且所述控制器根据所述存储单元中存储的所述数据表，使所述第二旋转轴的旋转角的相位相对于所述第一旋转轴的旋转角的相位提前或延迟。

3.根据权利要求1所述的凸轮驱动设备，该凸轮驱动设备还包括用于检测所述第一旋转轴的旋转速度的第一旋转检测单元(252)，以及用于检测所述第二旋转轴的旋转速度的第二旋转检测单元(241)，其中，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴在旋转速度上相互同步，所述第一旋转轴的所述旋转速度乘以所述第二旋转检测单元的分辨率以获得第一乘积值，所述第二旋转轴的所述旋转速度乘以所述第一旋转检测单元的分辨率以获得第二乘积值，根据所述第一乘积值和所述第二乘积值的差来计算速度误差，并且计算出的速度误差与所述第一旋转轴或所述第二旋转轴的所述旋转速度的指示值相加以控制旋转。

4.根据权利要求1所述的凸轮驱动设备，其中，所述凸轮被设计成圆形形状。

5.一种加工设备中加工非圆形镗孔的方法，所述加工设备包括：第一旋转轴(11)，在该第一旋转轴(11)的外周面上具有安装孔(13)；设置在所述第一旋转轴中的第二旋转轴(12)；设置于所述第二旋转轴的凸轮(121)；以及安装在所述第一旋转轴的所述安装孔中的工具(13)，所述方法包括以下步骤：

在所述第一旋转轴和所述第二旋转轴轴向地往复运动的同时，使所述工具根据所述凸轮的轮廓在所述第一旋转轴的径向方向通过所述安装孔突出和缩回；和

根据表示所述凸轮的旋转角和所述工具的基于所述凸轮的所述旋转角提供的突出量之间的关联关系的数据表(90)，使所述第二旋转轴的所述旋转角的相位相对于所述第一旋转轴的所述旋转角的相位提前或延迟。

6.根据权利要求5所述的加工非圆形镗孔的方法，其中，当所述工具从所述安装孔突出以加工所述非圆形镗孔时，基于用于控制所述加工设备的加工信息来加工所述非圆形镗孔，并且所述加工信息是基于以如下模拟为基础获得的形状数据所创建的，在所述模拟中，在装配构件装配到具有期望的理想截面形状的镗孔的装配目标构件的情况下，在CAE系统中在计算机上的虚拟空间中模拟了在所述装配之后所述镗孔如何变形并且因此所述镗孔具有什么形状。

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