CN1040162A

CN1040162A - 加工非圆横截面工件的切削装置

Info

Publication number: CN1040162A
Application number: CN89103327A
Authority: CN
Inventors: ..口俊郎; 泉肇; 田中实
Original assignee: Izumi Industries Ltd
Current assignee: Mahle Engine Components Japan Corp
Priority date: 1988-08-09
Filing date: 1989-05-13
Publication date: 1990-03-07
Also published as: EP0354639A3; KR900002879A; DE68926700D1; EP0354639A2; AU605689B2; US5022294A; AU3321089A; DE68926700T2; KR930002408B1; EP0354639B1; CN1016240B; BR8902811A; CA1315576C; ES2088892T3; MX172388B

Abstract

本发明是一种加工非圆横截面工件的切削装置，它具有一个刀具进退装置，它包括与主轴相垂直设置的中心轴；支撑中心轴装置，该支撑装置最好具有弹簧如板簧或螺旋弹簧；装在中心轴上的可动板；相互对置的电磁铁；检测主轴旋转角度装置；检测中心轴位移和速度的位移传感器和速度传感器。控制电磁铁电流装置。该切削装置可解决传统仿形加工装置的随动特性问题，工件能高速旋转、高速切削，加工时间短，适应性强，可长时间保持加工精度。

Description

本发明涉及一种加工非圆横截面工件的切削装置，例如用于加工内燃机的活塞，其外圆周面具有非圆横截面。

迄今，为了加工具有非圆横截面的工件，经常采用范成凸轮的仿形加工工艺。这种仿形加工工艺有几个缺点，例如，它必须使用范成凸轮，而凸轮的制造既费时又费钱。进一步说，因为制造范成凸轮特有的问题，能够制出的范成凸轮的外形是限制在某一许可的范围内的。因此，把工件制成任意形状是不可能的。

此外，因为仿形加工装置的随动特性受到限制，工件要增加相对速度也受到限制。因此，该装置不可能高速驱动，所以要缩短生产周期是困难的。

部分地说，由数控不用范成凸轮的外径切削工艺进行实验，这个工艺在低速时是可行的，然而，它不可能高速。因为在液压伺服系统中，伺服阀的响应特性是低的，因此，液压缸的响应速度不能增加。进一步说，油温的控制也是困难的，因此油缸的响应特性由于油温的变化而改变。另一方面，在利用伺服马达的系统中，伺服马达频繁地变换旋转方向或反转。因此，由于各种因素例如马达的惯性、滚珠丝杠和进给工作台的弹性变形等等，伺服马达的响应特性不能改善。

因此，本发明的目的是，提供一种加工非圆横截面工件的切削装置，可消除上述现有技术的各种缺点，即，可消除传统仿形加工装置中随动特性的问题。工件能以高速迴转，可经受高速切削，加工周期时间大量减少，任何形状的工件均可加工，该装置能易适应工件外形的改变，能长时间保持加工的高精度。

上述目的可通过一种加工非圆横截面工件的切削装置获得，其特征在于该装置具有一个刀具进退装置，该装置包括：

（a）一个中心轴，垂直于安装工件的主轴设置，刀具适于固定到该中心轴的一端;

（b）支撑该中心轴的支撑装置，使该中心轴能够在轴向方向上移动或位移，而不旋转;

（c）固定在该中心轴上的一个可动板;

（d）相互对置的电磁铁，使该可动板以予定间隙插置在该电磁铁之间;

（e）检测该主轴旋转角度的装置;

（f）一个检测该中心轴纵向位移的位移传感器;

（g）一个检测该中心轴纵向位移速度的速度传感器;

（h）根据来自该旋转角度检测装置、该位移传感器和速度传感器的输出信号，控制通过该电磁铁电流装置;该支撑装置最好是具有弹簧，例如板簧或螺旋弹簧。

根据本发明的具有上述结构的用于加工非圆横截面工件的具有刀具进退装置的切削装置的操作如下：

装有工件的主轴的旋转使该旋转角度检测装置与其同步旋转，该旋转角度检测装置检测出该主轴的一转数和一转角。因此，通过该控制装置相应于该转数和转角来控制通过该电磁铁的电流。控制电流利用所控制的电磁铁产生一吸引力作用在该可动板上，使该可动板和固定的该中心轴纵向移动。

这移动状况可利用发出各自输出信号的该位移传感器和该速度传感器进行检测，在此基础上对装在中心轴上的刀具向工件进或退时进行反馈控制，结果使工件能被切削或被加工成具有非圆横截面的工件。

附图详细说明。

通过和附图联系在一起的实例能更详细地说明本发明，其中：

图1是一简略的俯视图，表示根据本发明的一个加工非圆横截面工件的切削装置的实例。

图2是一在该加工非圆横截面工件的切削装置中具有刀具进退装置的局部剖开的俯视图。

图3是图2的一个侧视图。

图4是一个透视图，表示用于支撑刀具进退装置的中心轴的板簧的支撑装置的最佳实施例。

图5是一个具有图4中所示的板簧型支撑装置的刀具进退装置的局部剖开的俯视图。

图6是利用螺旋弹簧型的支撑装置的刀具进退装置的一个局部剖开的俯视图。

图7是一个表示利用电磁铁和弹簧控制装在刀具进退装置上的刀具位置的原理的简图。

图8是一个表示当支撑装置不具有弹簧时，稳定这装置所必需的控制系统的传输特性的简图。

图9是一个表示当弹簧加到支撑装置上时，控制系统的传输特性的简图。

图10是一个表示可动板的位置的曲线图，和，

图11是一个表示通过电磁铁的电流变化的曲线图。

本发明的最佳实施例。

现参照图1至图3;参照号1指的是具有工件夹紧装置的主轴;2指的是主轴箱;3指的是驱动主轴的伺服马达;4指的是旋转角度检测装置;5指的是进给工作台;它适于在平行于主轴的方向上移动;6指的是进给工作台，它适于在垂直于主轴的方向上移动;7指的是驱动进给工作台5的伺服马达;8指的是用于驱动进给2工作台6的伺服马达;9指的是安装在进给工作台6上的刀具进退装置;10指的是一个床身;11指的是一个架子;12指的是一个可动板;13a，13a和13b，13b指的是相互对置的电磁铁，可动板以予定间隙插置在电磁铁之间;14指的是中心轴;15指的是位移测量板;16指的是位移传感器;17指的是速度传感器;18指的是刀具;19指的是滚珠花键（即花键在滚动的滚珠之间）;20指的是衬套;21指的是支撑底座。

如图1所示，具有用于夹持工件W的工件夹持器的主轴1由主轴箱可迴转地支撑;并适于利用伺服马达3驱动。旋转角度检测装置4是由一个编码器等所组成，装在主轴箱2的背面，它也适于与工件W同步旋转。

进给工作台5可滑动地装在床身10上，工作台5能够在平行于主轴1的方向上滑动，（即x轴方向）即，进给工作台5适于通过由伺服马达7驱动的丝杠进给机构控制其进给。进一步说，另一进给工作台6滑动地安装在该进给工作台5上，进给工作台6能够在垂直于该x轴方向（即y轴方向）上滑动。即，进给工作台6适于通过由另一伺服马达8驱动的另一丝杠进给机构控制其进给。刀具进退装置9安装在进给工作台6上，以便在y轴方向（即工件W的径向）上进退刀具18。

在图2和图3中，详细表示了该刀具进退装置9。图2是一个俯视图，图3是一个侧视图。相互对置的电磁铁13a、13a和13b、13b（例如4个）装到架子11上，可动板以予定间隙插置在电磁铁之间。可动板12牢固地装在中心轴14上。中心轴14轴向可移动但不能旋转，在靠近中心轴14上装有刀具18的一端，中心轴由滚珠花键19支撑，而在中心轴14的另一端是可轴向移动地由衬套20支撑。

通过电磁铁13a、13a或13b、13b的电流使可动板12在电流通过时吸向电磁铁13a、13a、13b、13b，与此同时，中心轴14与可动板12一起纵向移动。

刀具18装到中心轴14的一端上，并可适于在垂直于旋转轴即装有工作W的主轴1的方向上前后移动，由此工件W能被加工成其垂直于主轴1轴线的横截面具有所要求的非圆形状。

换句话说，利用控制装置（设画出），根据主轴1的检测旋转角度并与主轴1旋转同步的装置4的输出信号，作用通过电磁铁13a、13a、13b、13b的电流，使刀具18能够在工件一转中在垂直于主轴1的方向上以予定角度位置进退一小距离。因此工件W能够被加工成具有垂直于主轴1的轴线的非圆横截面。

进一步说，在中心轴14的一端装有一个位移测量板15，它的位移量通过装在支撑底座21上的位移传感器16来检测。

在中心轴14的另一端，装有一速度传感器17，它适于检测可动板14的位移速度。

由位移传感器16和速度传感器17分别测得的值做为反馈数据输入数控装置（没画出）而且被利用来控制吸引力和电磁铁13a、13a和13b、13b的频率响应特性。

因此，当工件W被加工成具有垂直于主轴1的轴线的非圆横截面时，同时控制伺服马达7和8，以同时控制进给工作台5和6的进给，所以工件W外形表面的母线能够沿轴线方向变化。

在图2所示的刀具进退装置9中，滚珠花键19被用来支撑中心轴14的一端，因为花键19中的滚珠经长时间使用，可能对加工精度有不好的影响。

进一步说，当仅仅通过电磁铁来控制中心轴14的轴向运动，如下面所述，为稳定轴向运动，电磁铁中要通过过量的电流。因此，降低了电磁铁的响应特性，浪费了所用的电能。

中心轴14的支撑装置24为消除上述问题的一种改进的实例由图4所示。相应这个支撑装置24的刀具进退装置由图5所示。

在图4中所示的支撑装置24中，一端适于装有刀具的中心轴14通过由很多具有十字形状的挠性薄板弹簧22制成的层压制品固定到支架23上。板簧22通过中心孔固定到中心轴上，并通过中心孔向外延伸的腿的外端部固定到支架23上。在图5中，中心轴14是由支撑装置24来支撑的，而不是图2实例中的滚珠花键19和衬套20。支撑装置24的支架23通过螺钉装置等固定到架子11上。

因此，当可动板12被电磁铁13a、13a或13b、13b吸引，使中心轴14与其一起在轴向方向上移动时，挠性簧板22弯曲允许中心轴14的这种轴向运动或位移，而且它固定到支架23上制止了中心轴14旋转，因此中心轴14能够充分支持切削工件W的刀具18上所受到的切削作用力。

图6表示了本发明的另一实施例。一对螺旋弹簧25、26绕中心轴14设置，适于减弱中心轴14的轴向运动。可动板最好由层压硅钢板所组成，但需要具有刚度或刚性，使它不受这个装置中电磁铁吸引力的影响或不被弯曲。因此所用的钢板，在被电磁铁吸引时，产生一旋涡流，它降低了频率响应特性。为避免旋涡流的损耗，在板上可制出一狭长缝，其他构件与图2中所示的相同。

当可动板12或这样的工具12通过电磁铁的吸引力来控制定位时，在大约能成线性关系的范围内这个力正比于可动板12的位移。这个吸引力类似于由具有负的弹簧常数的弹簧产生的力。而且接受这个力的系统是不稳定的。因此，为了稳定这个系统，推荐如图8所示的进给反馈或者通过图5或图6所示的具有正的弹簧常数的弹簧的力消除或抵消负的弹簧常数。

一般来说，为了稳定这样一个系统，可使用具有反馈可动板12的位移信号的方法。但这个方法为稳定需要超量的电流和降低了电磁铁的响应特性。

这个问题可以如此克服：把具有一般正弹簧常数的弹簧装到可动板上，以此用正的弹簧常数来消除或抵消负的弹簧常数。

首先，要考虑所涉及的电磁吸引力的控制问题。

假定相互关系以下列公式（1）表示：

F=K· (I²)/(d²) …（1）

其中：

F是作用到一个被电磁铁吸引的物体上的电磁吸引力;

I是通过电磁铁的电流;

d是电磁铁和该物体之间的距离;

K是取决于或由电磁铁决定的常数。

首先，要考虑图7中所示的控制系统，在这个控制系统中，若没有弹簧25或26，可动板12的运动方程由下列从公式（1）得到的公式（2）来表示：

其中：

m是可动板12的质量;

X是可动板12离开基点的位移，可动板12位于该基点处，离电磁铁13a和13b为同等的距离d₀。从可动板12朝向电磁铁13a的X方向表示为“+”号;

i是控制电流。

在图7中，参照号27指的是一控制回路;参照号28和29分别指的是恒定电流放大器。

在公式（2）中，d₀、X和i₀、i是设定值，假定X＝0和i＝0代表平衡点，公式（2）大致成线性，公式（2）能表示成下列公式（3）：

公式（3）中右边第一项由于负弹簧常数，它是一个不稳定因素。

当可动板12所要达到的目标运动由公式提供时;

X＝a·Sin ωt控制电流i的振幅ia能够用下列公式（4）表示：

i_a= (ad_o ²)/(4Ki₀) ·mω²+ (a)/(d₀) ·i₀…（4）

公式（4）右边第一项是为获得使可动板移动所必需的外力的电流，第二项是抵消由负弹簧常数产生的不稳定力所必需的电流。

换句话说，因为公式（3）的右边第二项所代表的不稳定因素的存在，所需控制电流大于移动可动板所需要的电流。

特别是当由公式（4）右边第一项所代表的电流值相当大而且必须控制接近于电磁铁可允许的最大频率时，由第二项所表示的电流值和振幅ia也增加。此外，需要可动板具有更大的刚度。

换句话说，由于公式（3）所表示的系统是不稳定的，需要把可动板12的位移信号反馈来稳定这个系统。在这种情况下，可动板的静态刚度利用下列公式（5）由位置反馈增益f1所决定。

(f)/(x) = (4Ki_O)/(do³) (f₁d_o-i₀) …（5）

鉴于公式（5），需要过量增益通过电磁铁以有效地消除或抵消电磁铁的负刚度（负的弹簧常数）。

以这种方式，通过反馈试图稳定采用电磁吸引力的控制系统时，过量的电流必须通过电磁铁，因此降低了系统的性能。进一步说，因为稳定控制系统的结构不得不事先设置，使控制系统的设计受到上述情况的限制。

在图7中，在有弹簧25、26时，可动板12的运动方程由下列公式（6）表示：

当公式（6）大致成线性时，可获得下列公式（7）：

在这种情况下，控制电流i的振幅ia由公式（8）所表示：

i_a= (ad_o ²)/(4Ki₀) ·mω²+ (ad₀ ²)/(4Ki_o) ( (4Ki₀ ²)/(d₀ ³) - k) …（8）

在公式（8）中，若确定的弹簧常数K使公式（8）右边第二项为零，振幅ia可以仅是相应于移动可动板12所需的电流。因此所需电流可以减少。而且静态刚度也由公式（9）表示为：

(f)/(x) = (4Ki_O)/(d_o ³) ·f₁…（9）

因此，最需要提供过增益。

为了使所加弹簧的作用具体化，每个参数都由具体值替代，根据非线性模式进行模拟，结果表示在图10和图11中。

控制系统构成如图9所示。目标输入γ（t）是由γ（t）＝0.25Sin200t（mm）表示。此外，图9中K表示可动板位移与通过电磁铁电流之间的比率，即“增益”。假定此构件中的恒定电流放大器的特性在这个模拟中，对这系统起理想作用，图9中参数值如下：

K＝23000，k＝5.5×10^-4Nm²/A²，

m＝10Kg，d₀＝1.5mm i₀＝2.0A

模拟的结果表示在图10和图11中。图10是一个表示可动板位移（mm）或定位和时间（秒）关系的曲线图。图11是一个表示通过电磁铁电流（A）和时间（秒）关系的曲线图。在图10和图11两图中：（1）表示了不具有弹簧情况下的结果;（2）表示了具有公式（8）所确定的弹簧常数的弹簧情况下的结果。目标输入是γ（t）＝0.25Sin200t（mm）。诸参数值如下：

在（1）的情况下：K₁＝0.8，K₂＝0.005，K＝0（N/m）

在（2）的情况下：K₁＝1，K₂＝0.01，K＝2.6×10⁶

从图10和图11可显而易见地看出，若适当确定增益K₁和增益K₃，可动板能在情况（1）和情况（2）下都能以相似的精度进行定位，但在情况（2）下定位所需电流比在情况（1）下定位电流少大约40%，这就是弹簧的作用。

以这种方式，在采用电磁铁的电磁吸引力作为驱动力的定位机构中，若以通过增设稳定弹簧，来消除或抵消控制系统中存在的负弹簧常数。通过电磁铁的电流能够受到限制，因此可改进控制特性。

图5和图6表示的是利用这种作用的实施例。

除了限制所需电流这种作用之外，这种方法能够构成一个稳定和大致成线性的系统。因此，线性控制容易使用，并且也可能改进可动板定位精度。进一步说，当利用这种机构进行可动板定位时，可动板受到一外力例如工作力，若能够抵抗该外力的增压力需施加到可动板上，可以进行电流控制而不受任何外来干扰的影响。

进一步说，使用弹簧具有防止振动作用。当工件在本装置中旋转时，由各种构件例如马达、皮带、轴承引起产生机构的振动，结果这种机构振动降低了工件加工的精度。在本机构中，当使用弹簧支撑这刀具时，所产生的振动可以减弱或吸收，在精密加工中产生优异的效果。

因为本发明如上述所构成，根据本发明，在传统仿形加工中的随动特性的问题可以消除。由于利用了电磁铁产生吸引力的简单机构，工件能以高速旋转;经受高速切削;加工周期时间能大大减少;任何形状的工件都能加工。本发明的装置能适应工件形状的变化，而且能长时间保持加工的高精度。

应当认识到本发明不限于上述实施例，应延伸到包括本发明所属技术领域中具有普遍技术水平人员容易想到的所有变化出的实例。

勘误表

CPME894195

Claims

1、一种用于加工非圆横截面工作的切削装置，其特征在于：该装置具有一个刀具进退装置(a)，它包括：

(a)一个中心轴(14)，它垂直于适于装有工件的主轴(10)设置，一个刀具适于固定在该中心轴(14)的一端上；

(b)支撑该中心轴(14)的支撑装置，使该中心轴能够在轴向方向上位移，但不能旋转；

(c)固定在该中心轴(14)上的一个可动板；

(d)相互对置的电磁铁(13a，13b)，使该可动板以予定间隙插置在电磁铁之间；

(e)检测该主轴旋转角度的装置(4)；

(f)检测该中心轴纵向位移的一个位移传感器(16)；

(g)检测该中心轴的纵向位移速度的一个速度传感器(17)；

(h)根据分别来自旋转角度检测装置(4)、该位移传感器(16)和该速度传感器(17)的输出信号控制通过电磁铁的电流的装置。

2、根据权利要求1所述的一种用于加工非圆横截面工件的切削装置，其特征在于：用于支撑中心轴的该支撑装置包括板簧（22），该板簧中心部位固定安装到该中心轴上，该板簧的外边缘通过支架（23）安装到架子（11）上。

3、根据权利要求2所述的一种用于加工非圆横截面工件的切削装置，其特征在于：该板簧（22）是十字形板簧。

4、根据权利要求1所述的一种用于加工非圆横截面工件的切削装置，其特征在于：用于支撑中心轴的该支撑装置包括一用以支撑该中心轴（14）的滚珠花键（19），以此方式允许该中心轴仅做轴向位移;和与中心轴同轴设置的螺旋弹簧，以此方式使该螺旋弹簧在中心轴的方向上在中心轴（14）和该架子（11）之间施加其弹簧力。