基于ARM全自動鍛鋼球閥芯車床的控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 林 燁

近些年來，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革，網(wǎng)絡(luò)化控制成為工業(yè)控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向，基于嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)開始興起并廣泛應(yīng)用。在制造企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場，多個設(shè)備分布于廠房，其中許多設(shè)備的運行完全依靠人工控制，生產(chǎn)信息的統(tǒng)計依賴于人工統(tǒng)計，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)技術(shù)水平都很低。許多勞動密集型的生產(chǎn)行業(yè)開始采用先進的電子信息技術(shù)來裝備和改裝傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備，采用先進的自動化控制方式替代原有的手工操作?，F(xiàn)場總線技術(shù)是為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)自動化發(fā)展而出現(xiàn)的?，F(xiàn)場總線將網(wǎng)絡(luò)通信、網(wǎng)絡(luò)控制與管理的概念引入工業(yè)控制領(lǐng)域，將自動化底層的控制設(shè)備與服務(wù)器互聯(lián)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)控制?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議簡單、易于實現(xiàn)，在工業(yè)現(xiàn)場有著廣闊的發(fā)展前景。

溫州地處“中國閥門城”——龍灣濱海是一家從事金屬硬密封球閥、軟密封球閥、升降式止回閥等產(chǎn)品生產(chǎn)銷售的閥門企業(yè)。該企業(yè)擁有超音速熱噴涂技術(shù)和設(shè)備，使其在硬密封球閥芯方面具有較強的市場競爭力，但在球閥芯車削、研磨工序仍采用傳統(tǒng)人工上料、操作、下料的作業(yè)方式，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率較低。該企業(yè)有較強的機械加工能力，希望通過與我校的產(chǎn)研合作，研制一款適合該企業(yè)和溫州中小型閥門生產(chǎn)企業(yè)實際需要，價格適中，性能穩(wěn)定可靠的球閥芯自動車床，實現(xiàn)毛胚自動上料、車削加工、下料、檢測、分揀等工序，并能通過上位機進行車間的生產(chǎn)管理和控制。

數(shù)控加工系統(tǒng)是數(shù)字信號對機器的運動及加工過程進行控制的一種方法。由于數(shù)控系統(tǒng)的核心是工業(yè)計算。通常數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控單元(NCU)、人機通信、伺服系統(tǒng)、可編程邏輯控制器(PLC)等部分。最典型的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用就是數(shù)控機床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床等，還有一些數(shù)控組合機床及專用機床。若在此基礎(chǔ)上再增加刀庫、附件庫及自動換刀附件裝置，實現(xiàn)一機多能，則稱為數(shù)控加工中心。

二十一世紀的機械制造業(yè)的競爭，其實質(zhì)就是數(shù)控技術(shù)的競爭。我國從1958年開始數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展研究，于1966年成功研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，并將樣機用于生產(chǎn)，有些品種已經(jīng)小批量生產(chǎn)，例如線切割機、非圓齒輪機等，并于1972年成功研制集成電路數(shù)控系統(tǒng)。80年代開始，我國向后從日本和德國引進數(shù)控制造技術(shù)，使我國的數(shù)控技術(shù)獲得了質(zhì)的飛躍，開發(fā)出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中高檔數(shù)控系統(tǒng)。其中有代表性的有華中理工大學(xué)開發(fā)的華中Ⅰ型(NHCI)以32位工控機為硬件主機，配置了具有曲面造型與自動編程的CAD軟件功能，能進行復(fù)雜曲面的造型、數(shù)控加工規(guī)劃、NC程序生成、干涉檢驗和加工仿真，并實現(xiàn)了曲面直接插補功能。

球閥是用來改變管路斷面和介質(zhì)流動方向、控制輸送介質(zhì)的壓力、流量和溫度的一種裝置。球閥借助流體壓力、彈性元件作用力或預(yù)壓力產(chǎn)生的作用使密封副(球體與閥座)相互靠緊、接觸或嵌入，以減小或消除密封面之間的間隙，達到密封的接觸型密封。金屬密封球閥的密封副性能主要受其球體圓度及球體與閥座密封面的粗糙度影響。球體的圓度影響球體與閥座的吻合度，如果吻合度高，則增加流體沿密封面運動的阻力，因而提高密封性。粗糙度對密封性的影響也很大。當粗糙度高而比壓小時，滲漏量增加。當比壓大時，密封面上的微觀鋸齒狀尖峰受壓變形，粗糙度對滲漏量影響顯著減小。若密封副表面粗糙度及球體圓度偏差較大，則保證密封所需的比壓就大，殘余變形也大。

球閥是以球體作為關(guān)閉件，可借助手柄或其它驅(qū)動裝置驅(qū)動球體旋轉(zhuǎn)90°，使球體通孔與閥體通道中心線重合或垂直，實現(xiàn)全開或全閉動作的閥門，常用的球閥從結(jié)構(gòu)上可分為浮動球球閥與固定球球閥，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。浮動球球閥球體無支撐軸支撐，僅依靠兩個閥座予以支撐，閥桿與球體活動連接，球體呈“浮動”狀態(tài)。關(guān)閉時，流體壓力在球體上產(chǎn)生的作用力全部傳遞給閥座，流體壓力越大浮動球球閥越容易密封。但是通徑變大時，球體自重也變大，自重在閥座上所產(chǎn)生的壓力分布不均勻性也變大，因此浮動球球閥的通徑有一定的限制，其通徑一般不大于200mm。浮動球球閥由于結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低，在工業(yè)和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。固定球球閥的球體與上、下軸連為一體，可沿與閥門通道相垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動，但不能沿通道軸線移動。固定球球閥工作時，流體壓力在球體上產(chǎn)生的作用力全部通過上下軸傳遞給閥體，不會使球體向閥后座移動，因此閥座不會承受過大的作用力，適合高壓和大口徑的場合。

圖1 浮動球球閥示意圖

圖2 固定球球閥示意圖

依據(jù)球閥閥座使用的材料的不同，球閥可分為軟密封球閥和硬密封球閥。軟密封球閥閥座常用的材料是聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯等，其溫度一般不超過200℃。硬密封球閥的閥座材料采用金屬或者陶瓷，高溫閥座基本上采用硬密封形式。球閥閥芯的制造工序為：模鍛——內(nèi)孔掏料——車削——檢驗——研磨——檢驗——(高溫超音速噴涂等表面處理)——拋光——檢驗。硬密封球閥一般會采用超音速火焰噴涂技術(shù)處理球體，使球體表面形成碳化物金屬陶瓷涂層，達到耐腐蝕、耐高溫以及良好的機械力學(xué)性能。本課題研制的球閥芯自動車床是完成制造工序中“車削——檢驗”工序，并能夠完成自動上料、下料、檢驗后自動分揀的工作，并利用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)各生產(chǎn)設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)、用戶交流界面的數(shù)據(jù)連接和管理控制。項目首先需要研發(fā)自動車床的機械結(jié)構(gòu)機器驅(qū)動裝置，鍛鋼球閥芯全自動車床的機械結(jié)構(gòu)包括主軸機器傳動變速機構(gòu)，圓盤及其轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置，上、下料及其液壓驅(qū)動裝置。自動車床的機械結(jié)構(gòu)本體如圖3所示：

圖3 數(shù)控車床本體圖

為了實現(xiàn)靈活的伺服電機控制、控制器網(wǎng)絡(luò)鏈接和數(shù)據(jù)傳送，系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32控制器作為控制節(jié)點的主控芯片，利用CAN現(xiàn)場總線連接各個控制器和傳感網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)需要研發(fā)以下幾個關(guān)鍵部分的內(nèi)容：

(1)基于ARM Cortex M3的控制器設(shè)計

機床自動化一般采用PLC作為控制器，優(yōu)勢是編程簡單、運行可靠，適合從事電氣工程技術(shù)員的需求，但是對于較為復(fù)雜的算法和功能軟件的編寫較復(fù)雜和難實現(xiàn)，對于大批量的應(yīng)用價格也偏高。本系統(tǒng)采用嵌入式ARM技術(shù)作為控制核心，實現(xiàn)機床工作步驟的在線編程與存儲功能，實現(xiàn)對電磁閥、異步電機、步進電機和伺服電機的精確控制與調(diào)節(jié)，提高和實現(xiàn)車床的自動化?？刂破魍ㄟ^CAN總線與用戶界面系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)框圖

(2)基于CAN工業(yè)現(xiàn)場總線的控制器、傳感器、和用戶界面的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

CAN即控制器局域網(wǎng)，它是一種支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。目前CAN在國內(nèi)外擁有廣泛的用戶的現(xiàn)場總線之一，同時也被認為是最有發(fā)展前景的總線之一。CAN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)層次少，非常有利于系統(tǒng)中實時控制信號的傳送。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、電梯、工具機床、樓宇自動化等。

根據(jù)本課題的控制與設(shè)計要求，系統(tǒng)結(jié)合CAN-Bus現(xiàn)場總線的特點，設(shè)計了基于CAN總線、級聯(lián)了PC上位機、控制節(jié)點、用戶界面、傳感器的控制網(wǎng)絡(luò)。其機構(gòu)圖如圖5所示。上位工控機與基于CAN的ARM控制器以及傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成典型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

圖5 基于CAN總線的控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

(3)改善球閥芯光潔度的算法設(shè)計

車削球形工件時，主軸恒速轉(zhuǎn)動，車刀在主軸平面沿球心做半圓周轉(zhuǎn)動，如果車刀的圓周運動也恒速，由于車刀轉(zhuǎn)動時，車刀與主軸中心的距離在改變，車刀相對工件表面的線速度也在改變，會使工件便面留下車痕，降低表面光潔度。增加后段工序研磨的難度。本系統(tǒng)車刀的圓周轉(zhuǎn)動由伺服電機驅(qū)動，控制器通過伺服電機控制車刀圓周運動的角速度。通過算法設(shè)計，根據(jù)車刀的角度計算出車刀的角速度，可以改善車削后工件的表面光潔度。

總結(jié)：研發(fā)鍛鋼球閥芯全自動車床的機械結(jié)構(gòu)包括機架、主軸及電機驅(qū)動裝置，轉(zhuǎn)盤及伺服驅(qū)動裝置，上下料及液壓驅(qū)動裝置等。研發(fā)一款基于ARM Cortex M3內(nèi)核，具有邏輯信號輸入輸出功能、模擬信號輸入功能、PWM輸出功能、實時時鐘功能、支持CAN、USB、RS485、RS232、MODBUS等通訊協(xié)議方便與其他系統(tǒng)比如工控屏等進行通訊的嵌入式控制器。電源采用24-3.3V隔離電源方案，輸入輸出均采用快速光耦隔離，感性負載比如電磁閥等還要采用中間繼電器進行隔離。研發(fā)一款基于ARM Cortex M3內(nèi)核的嵌入式信號采集和顯示系統(tǒng)，采集車床各部件傳感器和用戶輸入輸出交流界面。該裝置通過CAN現(xiàn)場總線同PC機和控制器進行通訊。最后利用CAN總線將各個控制節(jié)點、用戶交流節(jié)點、傳感器網(wǎng)絡(luò)、管理PC機連接一起，實現(xiàn)靈活、統(tǒng)一的自動控制并通過PC機上位機軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和生產(chǎn)管理。

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