活塞是內燃機的心臟，它與缸套的配合直接決定了內燃機的運轉性能，間隙的不合適可能造成抱缸或敲缸等現象。為了改善活塞與缸套的良好貼合，活塞的橫向截面通常設計為橢圓形，而且沿著軸向不同高度的截面橢圓是變化的，軸向截面型線一般設計成中凸桶形高次曲線。

　　活塞的這種異型設計為加工帶來了難度。傳統的活塞車削方法主要是仿形加工，但是對于多品種、小批量的生產方式，這種加工方式需要頻繁地更換靠模，調整非常復雜，造成更換周期長。另外由于靠模、仿形觸點的磨損以及傳動機構間的誤差積累，極易造成仿形失真，影響加工精度。

　　于是世界上很多的機床制造商和活塞制造廠紛紛研制數控中凸變橢圓型面車床，主要采用的有直線電動機驅動式、液壓伺服驅動式和傳統絲杠驅動三種方式。目前國內也有很多的院校和科研院所及活賽制造廠研制數控中凸變橢圓型面車床，主要以直線電動機驅動為主。

下面對這三種主要的數控中凸變橢圓型面加工技術進行分析。

1 數控中凸橢圓型面車床的控制軟件

　　當前的數控中凸橢圓型面車床控制軟件有兩種:一種是全面集成式，即數控車床X, Z軸的伺服控制、橢圓的伺服控制及其他的輔助功能集成在一個軟件包中;另外一種是橢圓伺服控制獨立式，數控車床X,Z軸的伺服控制、顯示、液壓及其他的輔助功能集成在一個軟件包中，橢圓的伺服控制軟件單獨進行處理。兩種方式的軟件各有優缺點，第一種方式，適用于獨立開發的單位，對操作用戶來說可能會更簡單;第二種方式，適用于機床改造的單位，買一臺通用的數控車床，然后附加獨立的橢圓數控加工系統，對操作用戶來說可能會復雜一點。

　　不論集成的還是獨立的控制軟件，此類數控車床的控制軟件的總框架基本是相同的。一般包括主控程序、輸入輸出處理、用戶界面、用戶程序的輸入及編譯、插補運算、坐標軸的伺服控制、加工監控、輔助指令的處理等模塊。獨立控制軟件是將橢圓伺服控制從其他坐標軸的伺服控制中獨立出來進行處理。

　　如果自行開發數控軟件，可以采用f;語言進行編寫。上述模塊程序一般的數控系統都有成熟的軟件可以參考。下面主要對橢圓加工控制相關的模塊進行介紹。

　　(1)活塞中凸變橢圓的數據編輯和插補編譯程序

　　活塞中凸變橢圓立體型面可以用一組空間的離散點來定義，這些點在空間由三個坐標所確定，分別是X.Z.θ，這三個坐標在加工時分別代表X,Z向導軌的進給值和主軸的轉位。三維坐標的原點就是X.Z向的加工起始點和主軸的零位點，主軸的零位點在控制系統內可以通過主軸編碼器和電子開關來確定。

　　用戶如何編輯中凸變橢圓程序一般分解為三部分。

　　第一部分是活塞橫向截面的橢圓程序。

　　式中:刀為修正橢圓的修正系數，由活塞設計者給出。

　　用戶可以根據實際需求參照公式輸入相應的參數，通過軟件自動地進行編譯。部分特殊截面形狀不符合上述公式，用戶可以在不同的處輸入不同的△值，的間隔一般按1插補編譯即可，中間插補可以按直線或圓弧處理。

　　第二部分是活塞的縱向型線。一般情況，型線在設計完成經過發動機的臺架試驗后根據實驗結果進行修改，很難給出一個比較準確的統一的函數曲線，設計者給出的是間隔高度上的收縮量△。用戶可以直接按要求輸入間隔高度上的收縮量即可，然后通過軟件按照高次曲線或樣條曲線逼近來進行插補編譯，插補精度根據型線精度確定，一般0.1 mm的間隔即可滿足要求。

　　第三部分是插補截面間的函數關系。一般變化橢圓的橢圓度都是按照線性變化的，這樣用戶只要輸入一個變化系數即可。如果不是線性變化，用戶則需要輸入較多的截面，每截面之間用近似線性來處理。軟件通過這些變化系數來插補形成所有截面的數據。

　　通過上述三部分用戶數據的輸入，中凸橢圓的數據處理程序便可生成一個數據表描述的活塞數學立體模型。這些數據可以存儲在計算機的專用區域，為了適應計算機的處理速度，在加工時調入計算機的專用內存供適時存取。

　　(2)中凸變橢圓機構的伺服控制程序

　　伺服控制程序的主要功能是從已生成的專用數據區讀取相應的數據，井根據反饋回來的數據進行綜合運算，最后生成當前應該發送出的信號值。該值通過D/A轉換控制功放回路來控制電動機的轉動或直線位移，這個軟件模塊與硬件電路關聯非常強。

2 數控系統的硬件構成

　　前面已敘述了活塞中凸變橢圓車床控制系統的兩種方式，全面集成或者橢圓加工系統獨立式。不論那種系統，數控控制的原理是相同的，一部分是車床總控系統，還有一部分是橢圓控制系統，可以通過原理圖來設計每一部分的具體硬件，從而實現系統的組裝。

3 機床中凸變橢圓加工機械機構的構成

　　中凸變橢圓三種加工方式的數控原理基本相同，不同的部分主要在于機械機構的實現。

　　當活塞在主軸上高速旋轉時，因為橢圓截面，刀具必須在每轉中進行兩次反復運動。假設工件轉速為1 200 r/min，則刀具必須按40 Hz的頻率線性振動。一些進口設備，活塞的加工轉速達到3 000r/min，則振動頻率增高一倍以上。為了得到相應的振動頻率和振幅，振動機構的質量必須小。振動機構在車削時還會受到旋轉工件產生的抗力，這樣還需要在機械機構設計時設計相應的裝置來避免或減小切削抗力帶來的不利影響，以免使理論數據和實際數據存在大的偏差。

　　(1)現在最普遍采用的機械機構是線性電動機，線性電動機又稱為音圈電動機。線性電動機的結構示意圖如圖6所示，一般由定子永久性磁鐵、動子線圈、導軌及支撐機構組成。為了達到相應的頻率和減小吃刀抗力的影響，導軌支撐機構有兩種方式，一種滾動導軌加載式;一種板簧加載式。板簧結構中板簧的彈性系數和材料非常重要。采用第一種方式可以得到較大的行程，第二種方式的位移行程較小。不論哪一種結構，為了獲得高的位移控制精度，線性電動機都必須采用速度環、位置環進行閉環控制。

　　(2)液壓伺服驅動式的原理結構的線性電動機結構有點類似，只是對板簧的控制改為兩個高精度的電液伺服閥，通過控制兩個伺服閥的進退來實現對橢圓截面的跟蹤。另外板簧也可以通過專用的杠桿機構來代替。

　　(3)滾珠絲杠驅動式和普通的車床驅動相類似，只不過對絲杠的精度和材料要求特別高，一段時間的運行后，要通過系統參數的校準來調整絲杠間隙，以保證跟隨精度。這種結構的最大優勢在于較高的吃刀抗力。

　　上述三種中凸變橢圓的車削機構各有優缺點，通過多年的應用實踐，對三種方式的優缺點比較。

　　由表中可以看出，線性電動機的加工方式在中凸變橢圓加工中綜合性能最好，也是目前應用最普遍的方式。而液壓伺服由于液壓隨溫度的變化而變化導致穩定性較差，所以目前實際應用較少。