活塞是内燃机的心脏，它与缸套的配合直接决定了内燃机的运转性能，间隙的不合适可能造成抱缸或敲缸等现象。为了改善活塞与缸套的良好贴合，活塞的横向截面通常设计为椭圆形，而且沿着轴向不同高度的截面椭圆是变化的，轴向截面型线一般设计成中凸桶形高次曲线。
活塞的这种异型设计为加工带来了难度。传统的活塞车削方法主要是仿形加工，但是对于多品种、小批量的生产方式，这种加工方式需要频繁地更换靠模，调整非常复杂，造成更换周期长。另外由于靠模、仿形触点的磨损以及传动机构间的误差积累，极易造成仿形失真，影响加工精度。
于是世界上很多的机床制造商和活塞制造厂纷纷研制数控中凸变椭圆型面车床，主要采用的有直线电动机驱动式、液压伺服驱动式和传统丝杠驱动三种方式。目前国内也有很多的院校和科研院所及活赛制造厂研制数控中凸变椭圆型面车床，主要以直线电动机驱动为主。
下面对这三种主要的数控中凸变椭圆型面加工技术进行分析。
1 数控中凸椭圆型面车床的控制软件
当前的数控中凸椭圆型面车床控制软件有两种:一种是全面集成式，即数控车床X, Z轴的伺服控制、椭圆的伺服控制及其他的辅助功能集成在一个软件包中;另外一种是椭圆伺服控制独立式，数控车床X,Z轴的伺服控制、显示、液压及其他的辅助功能集成在一个软件包中，椭圆的伺服控制软件单独进行处理。两种方式的软件各有优缺点，第一种方式，适用于独立开发的单位，对操作用户来说可能会更简单;第二种方式，适用于机床改造的单位，买一台通用的数控车床，然后附加独立的椭圆数控加工系统，对操作用户来说可能会复杂一点。
不论集成的还是独立的控制软件，此类数控车床的控制软件的总框架基本是相同的。一般包括主控程序、输入输出处理、用户界面、用户程序的输入及编译、插补运算、坐标轴的伺服控制、加工监控、辅助指令的处理等模块。独立控制软件是将椭圆伺服控制从其他坐标轴的伺服控制中独立出来进行处理。
如果自行开发数控软件，可以采用f;语言进行编写。上述模块程序一般的数控系统都有成熟的软件可以参考。下面主要对椭圆加工控制相关的模块进行介绍。
(1)活塞中凸变椭圆的数据编辑和插补编译程序
活塞中凸变椭圆立体型面可以用一组空间的离散点来定义，这些点在空间由三个坐标所确定，分别是X.Z.θ，这三个坐标在加工时分别代表X,Z向导轨的进给值和主轴的转位。三维坐标的原点就是X.Z向的加工起始点和主轴的零位点，主轴的零位点在控制系统内可以通过主轴编码器和电子开关来确定。
用户如何编辑中凸变椭圆程序一般分解为三部分。
第一部分是活塞横向截面的椭圆程序。
式中:刀为修正椭圆的修正系数，由活塞设计者给出。
用户可以根据实际需求参照公式输入相应的参数，通过软件自动地进行编译。部分特殊截面形状不符合上述公式，用户可以在不同的处输入不同的△值，的间隔一般按1插补编译即可，中间插补可以按直线或圆弧处理。
第二部分是活塞的纵向型线。一般情况，型线在设计完成经过发动机的台架试验后根据实验结果进行修改，很难给出一个比较准确的统一的函数曲线，设计者给出的是间隔高度上的收缩量△。用户可以直接按要求输入间隔高度上的收缩量即可，然后通过软件按照高次曲线或样条曲线逼近来进行插补编译，插补精度根据型线精度确定，一般0.1 mm的间隔即可满足要求。
第三部分是插补截面间的函数关系。一般变化椭圆的椭圆度都是按照线性变化的，这样用户只要输入一个变化系数即可。如果不是线性变化，用户则需要输入较多的截面，每截面之间用近似线性来处理。软件通过这些变化系数来插补形成所有截面的数据。
通过上述三部分用户数据的输入，中凸椭圆的数据处理程序便可生成一个数据表描述的活塞数学立体模型。这些数据可以存储在计算机的专用区域，为了适应计算机的处理速度，在加工时调入计算机的专用内存供适时存取。
(2)中凸变椭圆机构的伺服控制程序
伺服控制程序的主要功能是从已生成的专用数据区读取相应的数据，井根据反馈回来的数据进行综合运算，最后生成当前应该发送出的信号值。该值通过D/A转换控制功放回路来控制电动机的转动或直线位移，这个软件模块与硬件电路关联非常强。
2 数控系统的硬件构成
前面已叙述了活塞中凸变椭圆车床控制系统的两种方式，全面集成或者椭圆加工系统独立式。不论那种系统，数控控制的原理是相同的，一部分是车床总控系统，还有一部分是椭圆控制系统，可以通过原理图来设计每一部分的具体硬件，从而实现系统的组装。
3 机床中凸变椭圆加工机械机构的构成
中凸变椭圆三种加工方式的数控原理基本相同，不同的部分主要在于机械机构的实现。
当活塞在主轴上高速旋转时，因为椭圆截面，刀具必须在每转中进行两次反复运动。假设工件转速为1 200 r/min，则刀具必须按40 Hz的频率线性振动。一些进口设备，活塞的加工转速达到3 000r/min，则振动频率增高一倍以上。为了得到相应的振动频率和振幅，振动机构的质量必须小。振动机构在车削时还会受到旋转工件产生的抗力，这样还需要在机械机构设计时设计相应的装置来避免或减小切削抗力带来的不利影响，以免使理论数据和实际数据存在大的偏差。
(1)现在最普遍采用的机械机构是线性电动机，线性电动机又称为音圈电动机。线性电动机的结构示意图如图6所示，一般由定子永久性磁铁、动子线圈、导轨及支撑机构组成。为了达到相应的频率和减小吃刀抗力的影响，导轨支撑机构有两种方式，一种滚动导轨加载式;一种板簧加载式。板簧结构中板簧的弹性系数和材料非常重要。采用第一种方式可以得到较大的行程，第二种方式的位移行程较小。不论哪一种结构，为了获得高的位移控制精度，线性电动机都必须采用速度环、位置环进行闭环控制。
(2)液压伺服驱动式的原理结构的线性电动机结构有点类似，只是对板簧的控制改为两个高精度的电液伺服阀，通过控制两个伺服阀的进退来实现对椭圆截面的跟踪。另外板簧也可以通过专用的杠杆机构来代替。
(3)滚珠丝杠驱动式和普通的车床驱动相类似，只不过对丝杠的精度和材料要求特别高，一段时间的运行后，要通过系统参数的校准来调整丝杠间隙，以保证跟随精度。这种结构的最大优势在于较高的吃刀抗力。
上述三种中凸变椭圆的车削机构各有优缺点，通过多年的应用实践，对三种方式的优缺点比较。
由表中可以看出，线性电动机的加工方式在中凸变椭圆加工中综合性能最好，也是目前应用最普遍的方式。而液压伺服由于液压随温度的变化而变化导致稳定性较差，所以目前实际应用较少。
(审核编辑: 智汇张瑜)
