1. 引  言

非圆数控车削是实现非圆截面零件高效率、高柔性、高精度加工的有效方法。非圆数控车削的核心是驱动刀具做径向往复运动的高频响高精度直线伺服单元，它是一种典型的位置随动系统。由于直线伺服单元中的执行机构总有一定的响应速度，因此，刀具不可避免地产生相对于目标位置的偏移，即：刀具实际运动轨迹表现为低频理想振动和高频噪声振动的叠加。高频噪声振动反映了非圆车削过程的稳定性，其幅度直接影响了非圆零件截面轮廓的尺寸精度。提高非圆截面零件的加工精度，就是要提高非圆车削稳定性，降低高频噪声振动幅度。
变速加工(Variable Spindle Speed Machining, VSM)概念是德国Stoferle, T.教授于1972年最早提出并用来改善车削加工的稳定性。变速加工时，主轴转速在一个基本转速上以一定频率和幅度做连续的周期性变化。变速加工研究主要从机理和应用两方面进行。在应用研究方面，将变速加工分别应用于车削、磨削和铣削中，通过实验手段讨论变速切削参数的选取和优化。在机理研究方面，着重从理论角度讨论变速加工抑制振动、提高加工稳定性的原因和条件。通过建立加工过程的数学建模，用仿真、实验等方法来验证其理论的正确性。
将变速加工引入非圆车削形成变速非圆车削，其目的就是要提供一种新的提高非圆车削稳定性的途径，以满足不断提高的非圆零件截面轮廓精度要求。本文着重对变速非圆车削的系统结构、。主轴变速特性描述与实现、直线伺服单元设计和变速加工提高稳定性的机理等关键技术进行了研究。

2. 变速非圆车削系统结构

变速非圆车削是在非圆数控车削系统的基础上，增加主轴的连续变速驱动功能而形成的。其系统结构如图1所示。
变速非圆车削系统由机床本体、通用数控伺服单元、直线伺服单元、主轴驱动单元和控制计算机5部分组成。
机床采用 一般卧式车床结构，但对床身和主轴结构进行了专门设计，以保证机床具有很好的结构刚度和主轴回转精度。
通用数控伺服单元采用交流伺服电机驱动，并配基于DSP的多轴运动控制板，在数控软件的控制下实现车床沿X向和Z向的数控运动。
直线伺服单元采用高频响直线电机为驱动元件，直线电机安装在车床的横拖板上，刀具安装在电机的输出轴上。直线伺服单元驱动刀具实现刀具沿X向的精密往复运动，以加工出零件的非圆截面轮廓。在直线电机输出轴的另一端留有光栅传感器实时反馈直线电机的运动位置，在专用控制器的支持下实现直线伺服单元的闭环随动控制。
主轴驱动单元根据变速加工要求的主轴的变速频率和幅度，通过控制软件和主轴变速驱动器来驱动主轴电机使它按预定要求转动。主轴电机后端的主轴编码器实时提供主轴转动信号给直线电机专用控制器和多轴运动控制器，以协调系统各部分之间的动作。
变速非圆车削系统在计算机的控制下实现刀具和工件之间准确、协调的运动，加工出不同截面形状和不同精度要求的非圆零件。

3. 主轴变速特性描述与实现

3.1 主轴变速定量描述的数学模型和特征参数
在变速非圆车削过程中，主轴转速在一个基本转速上周期性波动，如图2所示。主轴变速特性与周期性波动函数的类型和特征参数有关。
主轴周期性变化的角速度可用下式表示:
w(t)=w0+Afunction(2筬t)，                          (1)
式中，w0为主轴的基本角速度，A为主轴角速度变化的幅度，f为角速度变化的频率，function为任意一个周期性函数，例如：正弦波函数、三角波函数、方波函数等。
该速度变化的无量纲表达式为:
w(t)=w0(1+RVAfunction(RVFw0t)，                                                                (2)
式中，RVA=A/w0表示速度变化的相对幅度，RVF=2筬/w0表示速度变化的相对频率。由上式可知，RVA和RVF定量描述了主轴速度相对于基本转速变化的幅度和频率，是主轴变速的特征参数。

3.2 主轴变速的实现
由前述可知，主轴驱动的激励函数是一个周期函数，以此来改变主轴速度。但为了得到可控主轴电机变速性能，应分析确定激励函数的类型和特征参数。
通常具有简单轮廓的速度轨迹激励函数有正弦波、三角波和方波3种。若电机驱动激励函数采用正弦波，那么电机转动的角加速度和角推力变化都是正弦或余弦函数，是连续变化的：而激励函数采用三角波时，电机转动的角加速度是方波变化，但角推力变化为无穷大:若激励函数采用方波，那么电机转动<