新型活塞异形销孔加工方法

　第37卷增刊　2003年11月

上海交通大学学报

JO U RN A L O F SHAN G HAI JI AO T ON G U N IV ERSI T Y

Vol. 37Su p. 　Nov. 2003　

　　文章编号:1006-2467(2003) S 1-0029-04

新型活塞异形销孔加工方法

张　凯, 　胡德金, 　马浩全

(上海交通大学机械与动力工程学院, 上海200030)

摘　要:提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法, 采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链放大

机构来实现镗刀的径向微位移. 分析了放大机构的工作原理, 提出了一种查表与实时检测相结合的控制方法. 建立了消除压电陶瓷驱动器磁滞特性的数学模型, 分析了柔性铰链刚度参数的设计方法及柔性铰链机构的动态特性.

关键词:活塞; 异形销孔; 柔性铰链; 压电驱动中图分类号:TH 134. 3　　　文献标识码:A

Theoretical Analysis on Boring Mechanism for

Piston Noncircular Pin Hole

ZH AN G Kai , 　HU De -jin , 　M A Hao -quan

(Schoo l of Mechanical Eng . , Shanghai J iao tong Univ . , Shang hai 200030, China )

Abstract :The pa per presented a new w ay fo r pisto n no ncircular pin hole bo ring w hich uses a piezodriv en displacement m echa nism. In order to attain desired displacem ent of boring bar, the piezo actuato r is m ounted radially in the middle o f the ro ta ting bar o f the mechanism . The w o rking principle of the mecha-nism w as analy zed, the model to com pensate the hy steresis of the pie zo actuator was established. A kind o f co ntrol metho d co mbining the adv antag e of real tim e mo nito ring co ntrol and looking up a table co ntrol w as propo sed , the design method of ro tating rigidity fo r one -axis flex ure hinge w as illustra ted . A dy namic m odel of the m echa nism w as set up , the dy namic performance demo nstra tes tha t the initial conditions do no t affect th e stable output of the m echa nism , w hich indicates that the piezodriven bo ring bar ca n g et sta-ble o utput a nd high displacement accuracy. The theo retical analy sis co nfirms the v alidity of the proposed m echa nism .

Key words :pisto n; noncircular pin hole; flex ure hinge; piezodriv en

　　内燃机工作过程中, 活塞承受燃气压力和惯性力. 活塞销作为支撑元件, 其受力产生弯曲, 由此造成载荷向活塞销孔内侧应力集中, 销座内侧材料已接近疲劳极限. 为此需要采取一切可能采用的方法来提高活塞销孔的承载能力. 采用压铸法生产毛胚和对加工表面进行滚压加工是最早采用的方法, 其

收稿日期:2002-10-14

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175072)

次是利用直径较大的活塞销和较长的销座来提高承载能力. 但在许多情况下, 这种方法的应用受到限制, 并且由于接触应力不均匀, 使这种方法的有效性大打折扣. 另外通过调整销孔与销轴之间的载荷分布, 也可以使销孔的承载能力得到提高. 调整方法一般是将靠近销座处的销孔加工成锥形或者喇叭形,

作者简介:张　凯(1965-) , 男, 博士生, 主要研究方向为机械装备自动化及精密加工控制. 胡德金(联系人) , 男, 教授, 博士生导师,

电话(Tel. ) 021-62932360; E-mail :djhu@s jtu. ed u. cn.

　　　　上　海　交　通　大　学　学　报

第37卷　

即形成所谓异形销孔. 当发动机普遍采用高压缩比和高爆发力时, 活塞采用异形销孔是惟一有效且普遍采用的方法.

同活塞裙部的加工相类似, 活塞异形销孔的加工也经历了靠模加工和数控加工两个阶段. 德国KS 公司最早进行了活塞异形销孔承载能力的对比试验, 并开发出用于异形销孔大批量生产的专用镗床

[1]

加工. 静压主轴前端连接一柔性铰链变形机构. 该机构由具有一定厚度的整体弹簧钢经电火花精密加工而成, 在其2个转动臂上均匀对称地加工出8个圆弧槽, 形成4个完全对称柔性铰链. 压电陶瓷驱动器放置在变形机构转动铰链臂的中间, 当驱动器伸长变形时, 可以使镗杆获得较大的径向微位移. 当驱动器的驱动电压为零时, 镗杆中心与静压主轴同心, 可以进行圆柱孔的加工. 随着驱动电压的加大, 驱动器伸长增加, 柔性铰链转动臂的转角相应增大, 带动镗杆径向微位移不断增加, 从而进行微小锥度表面的加工. 1. 1　误差补偿方法

　　镗杆径向位置误差直接影响工件表面加工精度, 而造成误差的主要原因是压电陶瓷驱动器的磁滞特性. 压电陶瓷的微位移特性曲线如图2所示, 可见其具有明显的磁滞现象. 为了消除升降压行程中的磁滞对刀具位置精度的影响, 可以建立升降压曲线数学模型, 然后用此模型实现刀具的精确位移控制

[7]

. 该机床采用靠模加工方法, 可以将销孔的加工

误差控制在5μm 之内. 这种机床的缺陷是产品转型时, 需要重新制作靠模, 并且转速较低, 一般不超过1800r /min.随着微计算机的广泛使用, 制造技术飞速发展, 发达国家相继研制成功异形销孔数控加工机床. 采用数控技术加工异形销孔, 不但可以采用高达3000r /min 的转速, 而且可以加工出更为理想的异形销孔, 以最大限度地提高活塞销孔的承载能力.

刘炳云等在国内较早进行异形销孔数控加工技术的研究, 并研制成功异形销孔数控加工机床. 该技术的关键是在空心镗轴的前端安装一个径向变形机构. 该机构具有很大的传动比, 可以带动镗杆作径向微位移, 完成异形销孔的加工. 由于变形机构结构复杂, 致使其制作困难. 滨州活塞厂发明了一种由偏心轴套与偏心刀杆组成的镗主轴进行精密异形孔的加工[3]. 为了保证加工精度, 轴套与刀杆的偏心量应相等且需精密装配. 本文采用基于压电陶瓷驱动的柔性铰链变形机构进行异形孔加工, 并就驱动器磁滞的补偿方法、柔性铰链的刚度计算及变形机构动力特性等问题进行了分析.

[2]

图2　压电陶瓷升降压曲线

　PZ T displacement v alue v ersus driving v oltag e Fig . 2

1　异形销孔的加工原理

在分析现有微位移机构技术特点的基础上

[4～6]

　　压电陶瓷的驱动电压V 从零开始, 沿曲线1至升压结束, 产生最大饱和状态位移, 其升压曲线是惟一确定的, 用多项式表示为

, 采用图1所示的结构实现异形销

孔的数控

u f =

∑h V

k =0

(1)

k 为由实式中:u f 为压电陶瓷驱动器升压时的位移; h

验确定的多项式系数; m 为阶数. 当降压过程是从饱

和状态开始时, 降压曲线2也是惟一确定的, 用多项式表示为

u r =

∑d V

k =0

(2)

式中:u r 为压电陶瓷刀具降压时的位移; d k 为由实验确定的多项式系数. 当降压过程不是从饱和状态开始时, 各降压曲线是不同的. 对某一未饱和升压与

图1　异形销孔加工原理图

　Schematic o f the noncircular pin hole bo ring Fig . 1

降压曲线, 其折返点处补偿量Δu max (实际位移偏离饱和降压曲线之差) 为最大, 并且降压曲线上不同点Δmax :

　增刊

张　凯, 等:新型活塞异形销孔加工方法

Δu /Δu max =

∑J

k =0

[(V 1-V ) /V 1]

(3)

式中:J k 为由实验确定的多项式系数; V 1为该降压曲线的折返点处的电压. 利用式(1) ～(3) , 便可以消除压电陶瓷的磁滞影响, 实现降压时的精确控制. 1. 2　系统控制方法

异形销孔的母线数值离散后, 存储在微计算机中. 为了实现异形销孔的加工, 需要径向与轴向两个切削运动的合成. 控制系统的任务是使径向切削运动与轴向切削运动保持协调. 实现上述控制的具体方法有两种:一种是切削运动的控制完全根据预先销孔母线的离散数值, 这种方法的优点是控制速度快, 但是刀具轨迹都是预先计算好的, 并不是根据实际工作台的轴向尺寸确定的, 因而工作台的轴向进给误差将直接影响表面的加工精度; 另一种是在加工过程中进行实时计算与控制, 这种方法的缺点是加工表面的数学模型应比较简单. 当加工表面的数学模型比较复杂时, 计算机的计算时间就较长, 从而影响加工精度.

本文采用的控制方法是将上述两种方法结合起来, 控制原理如图3所示. 首先对加工表面母线进行数值离散, 形成关于加工表面的大量数据. 加工过程中, 实时检测工作台的轴向位移, 通过查表的方法, 确定刀具的径向微位移控制信号, 从而实现异形销孔的精密加工

图4　柔性铰链结构图

Fig. 4　S ing le-a xis flexible hing e and co or dina te sy stem

　　在研究微段变形时, 可以认为微段是长度为d x 的等截面矩形梁, 而且作用于微段两侧面的弯矩也是相同的. 根据材料力学理论可以得到柔性铰链中性面的曲率半径:

=(5) d EJ (x )

式中:M (x ) 为作用于微段d x 上的弯矩; E 为材料的弹性模量; J (x ) 为截面对中心轴的惯性矩. 由于柔性铰链全长较结构中其他尺寸小得多, 因此柔性铰链上的弯矩变化不大, 可以把M (x ) 看作常数. 铰链曲率半径与坐标之间的关系为

1+d y /d3/2

(6)

　　由于行程很小, 所以柔性铰链弯曲变形时, 挠度大大小于柔性铰链的全长, 即d y /dx 1, 因此式(6) 通常可以简化为

d d x 2

(7)

　　当转角很小时, θ≈tan θ=d y /dx , 将式(7) 代入式(5) , 并把直角坐标系转换成极坐标系, 可以得出柔性铰链的转角:

图3　控制系统原理图

Fig. 3　Block diag ram o f the contr ol system

θ=

d T

0Eb (2R +t -2R sin T ) (8)

2　柔性铰链的刚度计算

柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移, 它的特点是无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高. 由于柔性铰链的位移较小, 一般控制在数十μm, 因此从微位移机构的实际情况出发, 对设计方法和理论

计算进行简化. 柔性铰链转角刚度的计算简图如图4所示. 柔性铰链的转角变形实际上是由许多微段弯曲变形累积的结果, 设第i 个微段产生的转角为i , 产生的挠度为Δy i , 则整个柔性铰链的转角θ和Δθ

挠度y 分别为

式中:b 为变形机构厚度; R 为铰链圆弧半径; t 为铰

链最小厚度. 用Ro mberg 数值积分的方法对式(8) 进行积分, 可以求得不同R 与t 值时柔性铰链转角刚度M /θ的值. 实验证明, 当t ≤0. 1h 时, 利用式(8) 得到的计算结果与实测结果的误差小于1%

[8]

3　镗杆的动态特性分析

压电陶瓷驱动的镗杆微位移机构可以简化为如图5所示的模型. 图中:k t 为压电驱动器的刚度; k 为柔性变形机构的刚度; m 为镗杆和变形机构的简化质量; c 为阻尼系数. 当驱动器产生的微位移为x 时, 镗杆的径向偏移量y 0可由下式确定:

y 0=(1+k t /k ) x

(9)

θ=

∑Δθ, 　y =∑Δy

i =1

(

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第37卷　

研究. 建立了消除压电陶瓷驱动器磁滞特性的数学模型, 分析了柔性铰链刚度参数的设计方法. 讨论了影响柔性铰链变形机构动态性能的因素, 分析了镗杆变形机构的位移传递与放大作用, 并就提高镗杆变形机构运动精度的方法进行了说明. 研究表明, 本文采用的镗杆变形机构具有稳定的位移传递与放大

图5　镗杆变形机构的运动模型

　Fig. 5　Simplified mo del of pie zodriv en flex ure hinge

a mplifier

作用, 能够满足精密异形孔加工要求. 参考文献:

[1]　Sander W , Kelm W.

For mgedr eh te boh rungen zur

　　由于变形机构利用受力后的弹性变形实现微位移, 仅存在金属材料分子之间的内摩擦且没有间隙, 因此可以达到很高的分辨率. 由于驱动器的驱动激

励, 加之柔性机构自身的特性, 使得镗杆在径向偏移的基础上产生一定的微动位移y , 其振动可用以下方程描述:

-x ) +m y +c (y

t (y -x ) =P 　(10) k t +k

bolze nlage rung hochbelastete r kolben [J ].MTZ Mo -tortechnische Zeitschrif t , 1981, 42(10):409-412. [2]　刘炳运. 异形销孔镗削装置[P ].中国专利:

CN 1232732A, 1999.

[3]　山东活塞厂. 异形孔镗床[P ].发明专利:

CN 1064428A, 1992.

[4]　Zhu Wen-ho ng , J un M B, Altinta s Y. A fast too l de-sig n fo r precisio n tur ning of sha fts o n co nv entio nal CN C la th es [J ].Int J Mach Tools &Manuf act , 2001, 41(7):953-965.

t 　　设k e =, 变形机构的传递函数为

k t +k

2a k n S +k n

G (S ) =22

S +2Y k n S +k n

式中:系统固有频率k n =

(11)

[5]　Ry u J , Gw eon D, M oo n K. O ptimal desig n of a flex -ure hinge based X Y θwa ferstag e [J ].Precision Eng ,

1997, 21(1):18-28.

[6]　Fujita H. Futur e of actua tor s and micro system [J].

Sensors and Actuators A , 1996, 56(1-2):105-111. [7]　张元良, 刘　欣, 方加宝, 等. 非轴对称光学表面超精密

加工若干关键技术[J ].大连理工大学学报, 1999, 39(6):766-770.

ZHAN G Y ua n-lia ng , L IU Xin, F AN G J ia-bao , et al . K ey machining tech no lo gies fo r no nro tatio na lly sy m-metric sur fa ces [J ].Journal of Dalian University of Technology , 1999, 39(6):766-770.

[8]　薛实福, 李庆祥. 精密仪器设计[M ].北京:清华大学出

版社, 1991.

k e /m ; 阻尼比Y =

. 根据传递函数G (S ) , 可以求出变形机构在

2k e

阶跃位移x 输入时的响应:

-a k t

y (t ) =e sin(k n

1-a

1-a t ) (12)

　　从式(12) 可以看出, 镗杆的微动位移为一瞬态分量, 因此可以通过机构优化的方法, 在保持较高的位移分辨率前提下, 提高系统固有频率, 减少系统振荡对镗杆变形机构的影响, 保证镗杆的位移精度.

4　结　语

本文就一种新型活塞异形销孔加工方法进行了

　第37卷增刊　2003年11月

上海交通大学学报

JO U RN A L O F SHAN G HAI JI AO T ON G U N IV ERSI T Y

Vol. 37Su p. 　Nov. 2003　

　　文章编号:1006-2467(2003) S 1-0029-04

新型活塞异形销孔加工方法

张　凯, 　胡德金, 　马浩全

(上海交通大学机械与动力工程学院, 上海200030)

摘　要:提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法, 采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链放大

关键词:活塞; 异形销孔; 柔性铰链; 压电驱动中图分类号:TH 134. 3　　　文献标识码:A

Theoretical Analysis on Boring Mechanism for

Piston Noncircular Pin Hole

ZH AN G Kai , 　HU De -jin , 　M A Hao -quan

(Schoo l of Mechanical Eng . , Shanghai J iao tong Univ . , Shang hai 200030, China )

Key words :pisto n; noncircular pin hole; flex ure hinge; piezodriv en

收稿日期:2002-10-14

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175072)

作者简介:张　凯(1965-) , 男, 博士生, 主要研究方向为机械装备自动化及精密加工控制. 胡德金(联系人) , 男, 教授, 博士生导师,

电话(Tel. ) 021-62932360; E-mail :djhu@s jtu. ed u. cn.

　　　　上　海　交　通　大　学　学　报

第37卷　

即形成所谓异形销孔. 当发动机普遍采用高压缩比和高爆发力时, 活塞采用异形销孔是惟一有效且普遍采用的方法.

[1]

[7]

. 该机床采用靠模加工方法, 可以将销孔的加工

[2]

图2　压电陶瓷升降压曲线

　PZ T displacement v alue v ersus driving v oltag e Fig . 2

1　异形销孔的加工原理

在分析现有微位移机构技术特点的基础上

[4～6]

　　压电陶瓷的驱动电压V 从零开始, 沿曲线1至升压结束, 产生最大饱和状态位移, 其升压曲线是惟一确定的, 用多项式表示为

, 采用图1所示的结构实现异形销

孔的数控

u f =

∑h V

k =0

(1)

k 为由实式中:u f 为压电陶瓷驱动器升压时的位移; h

验确定的多项式系数; m 为阶数. 当降压过程是从饱

和状态开始时, 降压曲线2也是惟一确定的, 用多项式表示为

u r =

∑d V

k =0

(2)

式中:u r 为压电陶瓷刀具降压时的位移; d k 为由实验确定的多项式系数. 当降压过程不是从饱和状态开始时, 各降压曲线是不同的. 对某一未饱和升压与

图1　异形销孔加工原理图

　Schematic o f the noncircular pin hole bo ring Fig . 1

降压曲线, 其折返点处补偿量Δu max (实际位移偏离饱和降压曲线之差) 为最大, 并且降压曲线上不同点Δmax :

　增刊

张　凯, 等:新型活塞异形销孔加工方法

Δu /Δu max =

∑J

k =0

[(V 1-V ) /V 1]

(3)

图4　柔性铰链结构图

Fig. 4　S ing le-a xis flexible hing e and co or dina te sy stem

=(5) d EJ (x )

1+d y /d3/2

(6)

　　由于行程很小, 所以柔性铰链弯曲变形时, 挠度大大小于柔性铰链的全长, 即d y /dx 1, 因此式(6) 通常可以简化为

d d x 2

(7)

　　当转角很小时, θ≈tan θ=d y /dx , 将式(7) 代入式(5) , 并把直角坐标系转换成极坐标系, 可以得出柔性铰链的转角:

图3　控制系统原理图

Fig. 3　Block diag ram o f the contr ol system

θ=

d T

0Eb (2R +t -2R sin T ) (8)

2　柔性铰链的刚度计算

挠度y 分别为

式中:b 为变形机构厚度; R 为铰链圆弧半径; t 为铰

[8]

3　镗杆的动态特性分析

y 0=(1+k t /k ) x

(9)

θ=

∑Δθ, 　y =∑Δy

i =1

(

　　　　上　海　交　通　大　学　学　报

第37卷　

图5　镗杆变形机构的运动模型

　Fig. 5　Simplified mo del of pie zodriv en flex ure hinge

a mplifier

作用, 能够满足精密异形孔加工要求. 参考文献:

[1]　Sander W , Kelm W.

For mgedr eh te boh rungen zur

　　由于变形机构利用受力后的弹性变形实现微位移, 仅存在金属材料分子之间的内摩擦且没有间隙, 因此可以达到很高的分辨率. 由于驱动器的驱动激

励, 加之柔性机构自身的特性, 使得镗杆在径向偏移的基础上产生一定的微动位移y , 其振动可用以下方程描述:

-x ) +m y +c (y

t (y -x ) =P 　(10) k t +k

bolze nlage rung hochbelastete r kolben [J ].MTZ Mo -tortechnische Zeitschrif t , 1981, 42(10):409-412. [2]　刘炳运. 异形销孔镗削装置[P ].中国专利:

CN 1232732A, 1999.

[3]　山东活塞厂. 异形孔镗床[P ].发明专利:

CN 1064428A, 1992.

[4]　Zhu Wen-ho ng , J un M B, Altinta s Y. A fast too l de-sig n fo r precisio n tur ning of sha fts o n co nv entio nal CN C la th es [J ].Int J Mach Tools &Manuf act , 2001, 41(7):953-965.

t 　　设k e =, 变形机构的传递函数为

k t +k

2a k n S +k n

G (S ) =22

S +2Y k n S +k n

式中:系统固有频率k n =

(11)

[5]　Ry u J , Gw eon D, M oo n K. O ptimal desig n of a flex -ure hinge based X Y θwa ferstag e [J ].Precision Eng ,

1997, 21(1):18-28.

[6]　Fujita H. Futur e of actua tor s and micro system [J].

Sensors and Actuators A , 1996, 56(1-2):105-111. [7]　张元良, 刘　欣, 方加宝, 等. 非轴对称光学表面超精密

加工若干关键技术[J ].大连理工大学学报, 1999, 39(6):766-770.

[8]　薛实福, 李庆祥. 精密仪器设计[M ].北京:清华大学出

版社, 1991.

k e /m ; 阻尼比Y =

. 根据传递函数G (S ) , 可以求出变形机构在

2k e

阶跃位移x 输入时的响应:

-a k t

y (t ) =e sin(k n

1-a

1-a t ) (12)

4　结　语

本文就一种新型活塞异形销孔加工方法进行了

新型活塞异形销孔加工方法

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