CN103092130B - 一种活塞外圆建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种活塞外圆建模方法。该方法采用螺旋取点建模，建摸方法和加工路径吻合，在建摸时更符合人的思维习惯；建摸精确高，其椭圆度在整个螺旋线上线性变化；加工时，机床直线电机响应连续性好。从而提高了活塞的精度和光洁度。

Description

一种活塞外圆建模方法

技术领域

本发明属于活塞领域，尤其涉及一种活塞外圆建模方法。

背景技术

随着科技水平的进步，活塞数控车削技术的研究和应用领域均取得了突飞猛进的发展，出现了形式多样的数控活塞车床。但是由于活塞的设计日趋复杂，以及对异形外圆的加工精度、光洁度和加工效率的要求越来越高，不断地对活塞的制造技术提出新的挑战。

活塞外圆型面形式复杂多样，在横截面方向有一次椭圆、二次椭圆、偏心椭圆、不对称椭圆、梅花椭圆、其它类椭圆等等；在纵截面方向为中凸鼓形，图1所示为中凸鼓形一次椭圆型面活塞裙部，其横截面如图2所示。在精车活塞外圆时，首先把各种复杂的活塞外圆型面建立一个三维空间数学模型，再结合直线伺服刀架***的特性把三维模型经过网格化，只要网格足够密（即调整图3中θ、t的值），那么就能模拟出一定精度的活塞外圆型面。加工中，对应点的坐标值即代表刀具加工点的位置。

目前，活塞外圆型面建立一个三维空间数学模型采用图4所示的原理，即先进行环形取点，每一环对应一个截面，然后再进行环形插值加工数据点。

数学建模时，第n个截面、第i个角度处的总半径缩减量为横截面半径缩减量加上纵截面半径缩减量，即：

${\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}}={\mathrm{\Δr}}_{\mathrm{ni}}+{\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{ni}}=\frac{E_n}{4}[1-\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_i\right)]+{\mathrm{\Δd}}_n/2---\left(1\right)$

其中式（1）中，

ΔR_ni为第n个截面、第i个角度处总半径缩减量；

Δr_ni为第n个截面、第i个角度处横截面半径缩减量；

Δd_ni为第n个截面、第i个角度处纵截面半径缩减量；

Δd_n为第n个截面纵截面半径缩减量；

θ_i为第i个角度的角度值；

$E_n=\frac{e_n-e_1}{h_n-h_1}\×h_n+e_1---\left(2\right)$

其中式（2）中

h₁第1个截面的高度；

h_n第n个截面的高度；

e₁第1个截面的椭圆度；

e_n第n个截面的椭圆度。

由式（1）结合式（2）得出该型面网格点的笛卡尔坐标值为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ y_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_n\end{array}\right\}---\left(3\right)$

其中式（3）中，

ΔR_ni为第n个截面、第i个角度处总半径缩减量；

x_ni为第n个截面、第i个角度处x轴坐标值；

y_ni为第n个截面、第i个角度处y轴坐标值；

z_ni为第n个截面、第i个角度处z轴坐标值；

h_n为第n个截面的高度；

θ_i为第i个角度的角度值；

D_n为截面半径减量为0时的直径。

最后，产生网格效果图如图5所示（总减量放大100倍）。该数学建模方案，第n环与第n+1个环之间截面的椭圆度与第n个截面的高度h_n成线性关系。而在实际加工过程中，由于刀具是呈螺旋方向进刀，其在一个截面上的实际高度是在h_n与h_n+1之间递增的，当t值要求比较大时，如果继续按照该模型加工的话，那么加工出活塞精度以及光洁度都无法达到使用要求。

因此，如何发明一种提高活塞加工精度以及光洁度的活塞外圆建模方法，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种活塞外圆建模方法，以减提高活塞加工精度以及光洁度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种活塞外圆建模方法，该方法采用螺旋取点建模。

优选的，在上述活塞外圆建模方法中，所述螺旋取点建模为：

第n圈上第i个螺旋角高度处的半径减量ΔR_ni为：

${\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}}={\mathrm{\Δr}}_{\mathrm{ni}}+{\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{ni}}=\frac{E_{\mathrm{ni}}}{4}\left\{\right[1-\cos \left({2\mathrm{\θ}}_i\right)]+k[1-\cos \left({4\mathrm{\θ}}_i\right)\left]\right\}+{\mathrm{\Δd}}_n/2$

其中式中，

k为系数，k的取值范围为（-0.5，0.5）；

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

Δr_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的横截面半径缩减量；

Δd_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的纵截面半径缩减量；

Δd_n为第n个截面纵截面半径缩减量；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

E_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的椭圆度值，满足：

$E_{\mathrm{ni}}=\frac{e_n-e_1}{h_n-h_1}\×(h_n+\frac{t\×{\mathrm{\θ}}_i}{2\mathrm{\π}})+e_1$

式中：

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

t为刀具的进刀量；

h₁为第1圈起点处的高度值；

h_n为第n圈起点处的高度值；

e_n为高度h_n处的椭圆度；

e₁为高度h₁处的椭圆度；

该型面网格点的笛卡尔坐标值为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ y_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

ΔR_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的半径减量；

D_n为外圆半径减量为0时的直径；

x_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的x轴坐标值；

y_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的y轴坐标值；

z_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的z轴坐标值；

h_ni为第n圈上第i个螺旋角处的高度值。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的活塞外圆建模方法采用螺旋取点建模，建摸方法和加工路径吻合，在建摸时更符合人的思维习惯；建摸精确高，其椭圆度在整个螺旋线上线性变化；加工时，机床直线电机响应连续性好。从而提高了活塞的精度和光洁度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中活塞裙部纵截面图；

图2为现有技术中活塞裙部横截面图；

图3为现有技术中活塞型面数学模型图；

图4为现有技术中环形取点图；

图5为现有技术中为环形扫描点建模效果图；

图6为本发明实施例提供的螺旋取点图；

图7为本发明实施例提供的螺旋扫描点建模图；

图8为本发明实施例提供的螺旋扫描点建模加密效果图；

图9为环形取点与螺旋取点的比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种活塞外圆建模方法，以减提高活塞加工精度以及光洁度。

该活塞外圆建模方法采用螺旋取点建模，如图6所示，将活塞外圆型面建立一个三维空间数学模型，即先呈螺旋状进行取点，然后再进行螺旋插值加工数据点。本发明提供的活塞外圆建模方法与现有技术中的建模环形取点的方法完全不同，如图9所示，本发明的建摸方法和加工路径吻合，在建摸时更符合人的思维习惯；建摸精确高，其椭圆度在整个螺旋线上线性变化；加工时，机床直线电机响应连续性好，从而提高了活塞的精度和光洁度。

数学建模时，第n圈上第i个螺旋角高度处的半径减量ΔR_ni为：

${\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}}={\mathrm{\Δr}}_{\mathrm{ni}}+{\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{ni}}=\frac{E_{\mathrm{ni}}}{4}\left\{\right[1-\cos \left({2\mathrm{\θ}}_i\right)]+k[1-\cos \left({4\mathrm{\θ}}_i\right)\left]\right\}+{\mathrm{\Δd}}_n/2---\left(4\right)$

其中式（4）中，

k为系数，k的取值范围为（-0.5，0.5）；

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

Δr_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的横截面半径缩减量；

Δd_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的纵截面半径缩减量；

Δd_n为第n个截面纵截面半径缩减量；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

E_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的椭圆度值，满足：

$E_{\mathrm{ni}}=\frac{e_n-e_1}{h_n-h_1}\×(h_n+\frac{t\×{\mathrm{\θ}}_i}{2\mathrm{\π}})+e_1---\left(5\right)$

其中式（5）中：

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

t为刀具的进刀量；

h₁为第1圈起点处的高度值；

h_n为第n圈起点处的高度值；

e_n为高度h_n处的椭圆度；

e₁为高度h₁处的椭圆度；

该型面网格点的笛卡尔坐标值为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ y_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

其中式（6）中：

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

ΔR_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的半径减量；

D_n为外圆半径减量为0时的直径；

x_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的x轴坐标值；

y_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的y轴坐标值；

z_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的z轴坐标值；

h_ni为第n圈上第i个螺旋角处的高度值。。

产生网格效果图如图7和图8所示（总减量放大100倍）与现有技术相比起精度更高。该数学建模方案和刀具的加工路径吻合，在建摸时更符合人的思维习惯；建摸精确高，其椭圆度在整个螺旋线上线性变化；加工时，机床直线电机响应连续性好，从而提高了活塞的精度和光洁度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种活塞外圆建模方法，其特征在于，该方法采用螺旋取点建模，所述螺旋取点建模得到：

第n圈上第i个螺旋角高度处的半径减量ΔR_ni为：

${\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}}={\mathrm{\Δr}}_{\mathrm{ni}}+{\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{ni}}=\frac{E_{\mathrm{ni}}}{4}\left\{\right[1-\cos \left({2\mathrm{\θ}}_i\right)]+k[1-\cos \left({4\mathrm{\θ}}_i\right)\left]\right\}+{\mathrm{\Δd}}_n/2$

其中式中，

k为系数，k的取值范围为(-0.5，0.5)；

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

Δr_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的横截面半径缩减量；

Δd_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的纵截面半径缩减量；

Δd_n为第n个截面纵截面半径缩减量；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

E_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的椭圆度值，满足：

$E_{\mathrm{ni}}=\frac{e_n-e_1}{h_n-h_1}\×(h_n+\frac{t\×{\mathrm{\θ}}_i}{2\mathrm{\π}})+e_1$

式中：

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

t为刀具的进刀量；

h₁为第1圈起点处的高度值；

h_n为第n圈起点处的高度值；

e_n为高度h_n处的椭圆度；

e₁为高度h₁处的椭圆度；

该型面网格点的笛卡尔坐标值为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ y_{\mathrm{ni}}=(\frac{D_n}{2}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ni}})*\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

n为活塞外圆型面螺旋圈数；

θ_i为横截面第i个螺旋角的弧度；

ΔR_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的半径减量；

D_n为外圆半径减量为0时的直径；

h_ni为第n圈上第i个螺旋角高度值；

x_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的x轴坐标值；

y_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的y轴坐标值；

z_ni为第n圈上第i个螺旋角高度处的z轴坐标值。