“ECK2150A数控活塞变椭圆车床” 课题，以长沙一派数控机床有限公司为课题责任单位，陕西柴油机重工有限公司、武汉华中数控股份有限公司和华中科技大学为课题合作单位，其总体目标是：针对国外对大功率船用柴油机的垄断和封锁，通过“产、学、研、用”相结合，开发一种专用于大功率船用柴油机变椭圆活塞加工的数控车床，建立我国完全自主的大功率船用柴油机变椭圆活塞加工车床研发基地，以及完善的技术开发体系和生产制造体系，提升满足φ500mm及以上活塞加工的变椭圆车床的研发制造能力，为我国国防建设和远洋船舶的发展打下坚实的基础。

根据船用柴油机变椭圆活塞加工的工艺特点及难点，需要研制新一代高频响音圈式直线伺服电动机及驱动器，完善变椭圆活塞加工的数学模型，以使整机的主要技术参数、可靠性和精度稳定性达到国际先进水平。同时，还要研发变椭圆活塞外圆型面车削加工的专用数控系统。为此，本课题采用高频响音圈式直线伺服电动机，以实现X2/a+Y2/b=1等变椭圆异形截面的加工，同时，采用并联横滑板安装8工位刀塔，以在一次装夹中完成活塞外圆型面、环槽及顶面的高精度加工。

经过课题承担单位的共同努力，本课题研制出了用于大功率船用柴油机变椭圆活塞加工的变椭圆车床2台，其主要技术指标对照结果见表所示，实现了在陕西柴油机重工有限公司等单位的应用。

图1 ECK2150A数控活塞变椭圆车床

本课题的主要创新点是：

1.优化了机床整体布局，满足了活塞高精度加工要求。

开发了一种适用于大功率发动机用活塞变椭圆车削加工的专用特种机床，满足了大功率船用柴油机活塞加工精度高的要求。该机床采用卧式斜床身结构，在Z轴上平行布置X1和X2轴，其中，X1轴上安装专用直线伺服电动机，用于活塞外圆变椭圆加工，X2轴上安装八工位液压刀塔，用于活塞环槽及顶面加工，从而可在一次装夹中完成活塞变椭圆型面、环槽及顶面的精加工，保证了加工精度，提高了加工效率。

2. 开发了新一代高频响高精度直线伺服系统。

开发了一种专用于大直径变椭圆活塞加工的直线伺服电动机和驱动器，提高了直线伺服系统的频率响应特性，增加了直线伺服系统的刚性。

（1）直线伺服电动机与刀架系统的一体化设计，减少了零件之间的连接件，减轻了可动部分的质量，减少了连接件带来的刚性损失。

（2）直线电动机线圈骨架采用更优质的轻型复合材料制作而成，并对结构进行了优化，减轻了可动部分的质量，减少了反电动势带来的损耗，提升了动态特性。

（3）直线伺服电动机动圈及刀架系统可动部件采用新型的弹性膜片支承方式，从而将有助于消除原产品的直线轴承支撑方式带来的摩擦损失，高频特性也将明显改善。本课题对弹性膜片的材料、尺寸和形状做了大量研究和试验。

通过以上措施，直线伺服系统的响应频率从200Hz（-3dB）提高到450Hz(-3dB)以上，静刚度从80N/μm提高到100N/μm，并满足了其他技术指标要求。

图2 ECK2150A数控活塞变椭圆车床加工区域布局图

3. 优化活塞变椭圆加工数学模型，并能根据加工要求进行实时处理。

优化了一种适用于大直径变椭圆活塞加工用的活塞曲面数据处理数学模型，该数学模型处理的活塞范围大，处理数据量大，并能对活塞型面超大数据量进行实时处理。

对于大功率船用柴油机活塞（直径φ500mm，长1000mm），每一横截面数据需按4096线的标准进行细分（小活塞仅需360线），其中，1000mm长的活塞，其纵截面按0.01mm细分则需要100000个数据截面。因此一个超大活塞的型面数据量约为390M，比一个中小活塞的数据量大100倍。同时，模型应能够处理一次椭圆X2/a+Y2/b=1、二次椭圆、偏心椭圆、组合椭圆、椭圆叠加偏心圆、梅花椭圆和离散数据等复杂的活塞横截面数据及纵截面形线离散数据。

图3 高频响高精度直线伺服电动机

为解决400M左右的活塞变椭圆型面数据，并以小于0.02ms的节拍完成每个数据的实时交换，本课题将400M的活塞数据压缩到数控系统8M的SRAM中。在活塞加工过程中，数控系统根据采样反馈的加工位置，实时进行二次细分插补，从而保证活塞的轮廓精度。

根据当今最先进的“数字靠模”技术，根据大直径变椭圆活塞加工建立的数学模型开发的活塞数据处理软件，为中凸变椭圆活塞外圆加工提供了三维曲面数据的计算公式、方法及编辑平台，满足了已有活塞品种所出现的各种复杂图形设计要求。其主要功能为：

（1）输入活塞基本参数（高度、形线和椭圆度等），程序可对数据进行自动插值计算。

（2）显示活塞任一纵向截面或横截面的曲线效果并进行分析，包括任一截面形状和任一角度的形线。

（3）自动分析非圆截面车削加工时的动态响应特性，并实施数据补偿。

（4）为活塞的数控加工直接提供加工数据。

4. 在通用数控系统基础上进行二次开发，并开发专用的直线伺服电动机控制卡，满足活塞变椭圆的加工要求。

图4 驱动器

按照工件转速500r/min、主轴编码器4096线计算，要求控制系统完成一次数据交换处理的周期为0.029ms，而通用标准数控系统一般处理能力在1ms左右，远远无法满足本课题的要求。目前，国内数控活塞变椭圆车床的控制系统主要由工业控制计算机来完成，国内尚无数控系统能够控制高频响直线电动机并完成非圆零件的加工(进口数控系统中，Siemens 840D能够允许用户二次开发实现上述功能)。

本课题应用“G代码+工艺卡”方式，即活塞型面数据作为“工艺卡”，实时跟随控制二维网格数据链表，而其他所有的控制由数控系统的G代码完成。此外，本课题研制开发的支持PCI总线、数据交换频率大于40K的直线伺服电动机控制板卡也是创新点之一。

直线伺服电动机控制卡的主要功能是，通过数控系统编辑活塞曲面数据文件，然后下载至直线伺服电动机控制卡的FLASH存储器中，直线伺服电动机控制卡的I/O接收编码器传送位置信号，DSP根据位置信号输出对应的活塞曲面数据给DA芯片，DA芯片转换成电压信号输出给直线伺服系统的驱动器，使直线伺服电动机按照给定的数据工作。