非圆截面开放式数控车削系统的研究

1 前言

中凸变椭圆型面是应用最广的非圆型面，也是活塞部件的型面特征，车削时要求刀
具在轴向移动的同时能在径向作高频振动，以加工出椭圆截面和中凸曲线。非圆截面
零件(例如内燃机活塞)除具有中凸变椭圆型面外，还有环槽、圆锥面和倒角等，有的
铝制活塞还内嵌有铁环。实际生产中，为了提高效率和加工精度，要求所有型面的加
工能一次走刀完成。一般的通用 CNC 系统不能满足车削非圆截面零件的要求，必须将
通用数控功能与非圆截面的加工有机地结合起来。
目前出现的非圆截面车削数控系统都为专用数控系统结构，其部件都是由某一公司

“

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批量生产，其内部结构对于用户或第三方来说是一个 黑匣子 ，存在着系统的售价
和维修成本都比较高及不能实现一般通用数控功能的缺点。我们用工控机作为非圆截
面数控系统的硬件平台，开发出面向用户的非圆截面加工的开放式数控系统。该系统
把非圆截面车削的特种数控与通用 CNC 统一起来，除具有自动车削非圆截面的功能
外，还具有通用的 CNC 功能，例如:MST 功能、I/O 功能、快进快退、直线圆弧插补等。 
2 

 

非圆截面车削开放式体系结构

图 1 直线伺服单元框图

图 2 开放式非圆截面数控系统特征

 

非圆截面车削专用数控功能模块
完成非圆截面自动车削的伺服单元是以直线电动机为执行机构的闭环系统，其结构
如图 1 所示。直线电动机是专门为加工非圆截面而设计的高频响、大行程、精密微进给
装置，也是刀具的驱动机构。它的最大行程为 2mm，最大切削力可达 300N。其直线伺
服单元可以独立完成对直线电动机的闭环控制，并通过串行口与外界通信。该非圆截
面车削功能模块采用光栅传感器和 DSP 信号处理器，可以大大提高系统的控制精度
和稳定性。

 

非圆截面车削开放式体系结构特征
基于工控机硬件平台的开放式非圆截面数控系统特征如图 2 所示。该系统的设计思想
是:①

 

以车削非圆截面的特种数控模块即直线伺服单元为核心，向上派生出主机 (工

控机)，它们之间通过串行口进行通信。②以工控机为主控模块，向下派生出各种通用
CNC 功能。各功能模块与主机通过计算机总线进行通信。③各数控功能模块相对独立，