1 前言
中凸變橢圓型面是應用最廣的非圓型面，也是活塞部件的型面特征，車削時要求刀具在軸向移動的同時能在徑向作高頻振動，以加工出橢圓截面和中凸曲線。非圓截面零件(例如內燃機活塞)除具有中凸變橢圓型面外，還有環槽、圓錐面和倒角等，有的鋁制活塞還內嵌有鐵環。實際生產中，為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系統不能滿足車削非圓截面零件的要求，必須將通用數控功能與非圓截面的加工有機地結合起來。
目前出現的非圓截面車削數控系統都為專用數控系統結構，其部件都是由某一公司批量生產，其內部結構對于用戶或第三方來說是一個“黑匣子”，存在著系統的售價和維修成本都比較高及不能實現一般通用數控功能的缺點。我們用工控機作為非圓截面數控系統的硬件平臺，開發出面向用戶的非圓截面加工的開放式數控系統。該系統把非圓截面車削的特種數控與通用CNC統一起來，除具有自動車削非圓截面的功能外，還具有通用的CNC功能，例如:MST功能、I/O功能、快進快退、直線圓弧插補等。
2 非圓截面車削開放式體系結構
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圖1 直線伺服單元框圖
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圖2 開放式非圓截面數控系統特征
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非圓截面車削專用數控功能模塊
完成非圓截面自動車削的伺服單元是以直線電動機為執行機構的閉環系統，其結構如圖1所示。直線電動機是專門為加工非圓截面而設計的高頻響、大行程、精密微進給裝置，也是刀具的驅動機構。它的最大行程為2mm，最大切削力可達300N。其直線伺服單元可以獨立完成對直線電動機的閉環控制，并通過串行口與外界通信。該非圓截面車削功能模塊采用光柵傳感器和DSP信號處理器，可以大大提高系統的控制精度和穩定性。
非圓截面車削開放式體系結構特征
基于工控機硬件平臺的開放式非圓截面數控系統特征如圖2所示。該系統的設計思想是:①以車削非圓截面的特種數控模塊即直線伺服單元為核心，向上派生出主機 (工控機)，它們之間通過串行口進行通信。②以工控機為主控模塊，向下派生出各種通用CNC功能。各功能模塊與主機通過計算機總線進行通信。③各數控功能模塊相對獨立，且與主機的接口是開放的，但其內部結構可以是封閉的。
該系統與專用型非圓截面數控系統的本質區別在于其各數控模塊的接口對用戶是開放的，其外設功能采用插件的形式，這種體系結構不依賴于子系統的具體結構，只要在主機中留出地址和中斷向量就能滿足主機與各單元的通信要求。也就是說，直線伺服單元的內部結構對用戶或第三方來說可以是“黑箱”。
開放式非圓截面數控系統有以下特點:①通用數控功能模塊可以采用廉價的基于PC機的功能卡，這不但降低了系統成本，便于用戶或第三方維修，而且也使研制者可以集中力量進行非圓截面特種數控的研究：②可以很容易地根據用戶的需要而改變系統的具體配置，滿足面向用戶的設計要求。
所謂面向用戶，就是使用戶可以參與到系統的設計中來，并能自己 (或第三方)進行維修。在開放式非圓截面數控系統中，所有的數控功能模塊都是基于工控機硬件平臺的，而且各模塊與主機的接口是開放的，因此它可以根據用戶的需要在車削非圓截面零件的特種數控功能上派生出各種通用數控功能來，例如:MST、直線插補、圓弧插補、I/O功能等。如果在使用中，某一功能模塊出現故障，用戶(或第三方)可以單獨將這一模塊換掉，而不會影響系統的其它部分。
3 開放式非圓截面數控系統的實現
以工控機硬件為平臺，以中凸變橢圓數控切削模塊為核心派生出豐富的通用CNC 功能，以實現車倒角、圓錐(柱)面、端面、切槽等功能，其結構如圖3所示。圖中的非圓截面數控系統由主控模塊、直線伺服單元、主軸控制單元、位置伺服單元、在位測量系統等部分組成。主控模塊是以工控機為核心，包括硬盤、軟驅、鍵盤、顯示器、打印機等。它是整個數控系統核心部分，負責系統管理和信息處理功能。除了和各子功能模塊通信外，它還直接控制系統的I/O功能。工控機與各功能模塊的信息通路可分為七條:①微機通過接口電路、子CPU控制直線電動機，實現中凸變橢圓型面的加工：②微機通過專用控制卡控制位置伺服，實現插補、快進快退等通用CNC 功能：③微機通過接口電路、變頻器或刀架盒，實現對主軸起停、轉速及刀架的控制：④主軸通過編碼器、接口電路把角位置信息傳給微機：⑤微機通過I/O板、光耦板控制按鈕、顯示燈等輸入輸出量：⑥微機通過A/D轉換、測微儀對加工完的工件進行在位檢測，并顯示測量結果：⑦報警通道，變頻器、油路、油壓等故障通過中間繼電器、接口電路傳給計算機。
