基于ARM全自动锻钢球阀芯车床的控制系统研发与应用

浙江工贸职业技术学院 林 烨

近些年来，随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，网络化控制成为工业控制系统的一个发展方向，基于嵌入式技术和现场总线技术的控制系统开始兴起并广泛应用。在制造企业的生产现场，多个设备分布于厂房，其中许多设备的运行完全依靠人工控制，生产信息的统计依赖于人工统计，生产效率和生产技术水平都很低。许多劳动密集型的生产行业开始采用先进的电子信息技术来装备和改装传统的生产设备，采用先进的自动化控制方式替代原有的手工操作。现场总线技术是为了适应现代工业自动化发展而出现的。现场总线将网络通信、网络控制与管理的概念引入工业控制领域，将自动化底层的控制设备与服务器互联，实现生产过程监控的网络控制。现场总线通信协议简单、易于实现，在工业现场有着广阔的发展前景。

温州地处“中国阀门城”——龙湾滨海是一家从事金属硬密封球阀、软密封球阀、升降式止回阀等产品生产销售的阀门企业。该企业拥有超音速热喷涂技术和设备，使其在硬密封球阀芯方面具有较强的市场竞争力，但在球阀芯车削、研磨工序仍采用传统人工上料、操作、下料的作业方式，产品质量和生产效率较低。该企业有较强的机械加工能力，希望通过与我校的产研合作，研制一款适合该企业和温州中小型阀门生产企业实际需要，价格适中，性能稳定可靠的球阀芯自动车床，实现毛胚自动上料、车削加工、下料、检测、分拣等工序，并能通过上位机进行车间的生产管理和控制。

数控加工系统是数字信号对机器的运动及加工过程进行控制的一种方法。由于数控系统的核心是工业计算。通常数控系统包括数控单元(NCU)、人机通信、伺服系统、可编程逻辑控制器(PLC)等部分。最典型的数控系统应用就是数控机床，如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床等，还有一些数控组合机床及专用机床。若在此基础上再增加刀库、附件库及自动换刀附件装置，实现一机多能，则称为数控加工中心。

二十一世纪的机械制造业的竞争，其实质就是数控技术的竞争。我国从1958年开始数控系统的发展研究，于1966年成功研制晶体管数控系统，并将样机用于生产，有些品种已经小批量生产，例如线切割机、非圆齿轮机等，并于1972年成功研制集成电路数控系统。80年代开始，我国向后从日本和德国引进数控制造技术，使我国的数控技术获得了质的飞跃，开发出一批具有自主知识产权的中高档数控系统。其中有代表性的有华中理工大学开发的华中Ⅰ型(NHCI)以32位工控机为硬件主机，配置了具有曲面造型与自动编程的CAD软件功能，能进行复杂曲面的造型、数控加工规划、NC程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现了曲面直接插补功能。

球阀是用来改变管路断面和介质流动方向、控制输送介质的压力、流量和温度的一种装置。球阀借助流体压力、弹性元件作用力或预压力产生的作用使密封副(球体与阀座)相互靠紧、接触或嵌入，以减小或消除密封面之间的间隙，达到密封的接触型密封。金属密封球阀的密封副性能主要受其球体圆度及球体与阀座密封面的粗糙度影响。球体的圆度影响球体与阀座的吻合度，如果吻合度高，则增加流体沿密封面运动的阻力，因而提高密封性。粗糙度对密封性的影响也很大。当粗糙度高而比压小时，渗漏量增加。当比压大时，密封面上的微观锯齿状尖峰受压变形，粗糙度对渗漏量影响显著减小。若密封副表面粗糙度及球体圆度偏差较大，则保证密封所需的比压就大，残余变形也大。

球阀是以球体作为关闭件，可借助手柄或其它驱动装置驱动球体旋转90°，使球体通孔与阀体通道中心线重合或垂直，实现全开或全闭动作的阀门，常用的球阀从结构上可分为浮动球球阀与固定球球阀，其结构如图1和图2所示。浮动球球阀球体无支撑轴支撑，仅依靠两个阀座予以支撑，阀杆与球体活动连接，球体呈“浮动”状态。关闭时，流体压力在球体上产生的作用力全部传递给阀座，流体压力越大浮动球球阀越容易密封。但是通径变大时，球体自重也变大，自重在阀座上所产生的压力分布不均匀性也变大，因此浮动球球阀的通径有一定的限制，其通径一般不大于200mm。浮动球球阀由于结构简单，制造方便，成本低，在工业和民用领域得到广泛应用。固定球球阀的球体与上、下轴连为一体，可沿与阀门通道相垂直的轴线自由转动，但不能沿通道轴线移动。固定球球阀工作时，流体压力在球体上产生的作用力全部通过上下轴传递给阀体，不会使球体向阀后座移动，因此阀座不会承受过大的作用力，适合高压和大口径的场合。

图1 浮动球球阀示意图

图2 固定球球阀示意图

依据球阀阀座使用的材料的不同，球阀可分为软密封球阀和硬密封球阀。软密封球阀阀座常用的材料是聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯等，其温度一般不超过200℃。硬密封球阀的阀座材料采用金属或者陶瓷，高温阀座基本上采用硬密封形式。球阀阀芯的制造工序为：模锻——内孔掏料——车削——检验——研磨——检验——(高温超音速喷涂等表面处理)——抛光——检验。硬密封球阀一般会采用超音速火焰喷涂技术处理球体，使球体表面形成碳化物金属陶瓷涂层，达到耐腐蚀、耐高温以及良好的机械力学性能。本课题研制的球阀芯自动车床是完成制造工序中“车削——检验”工序，并能够完成自动上料、下料、检验后自动分拣的工作，并利用现场总线技术实现各生产设备和传感器网络、用户交流界面的数据连接和管理控制。项目首先需要研发自动车床的机械结构机器驱动装置，锻钢球阀芯全自动车床的机械结构包括主轴机器传动变速机构，圆盘及其转动驱动装置，上、下料及其液压驱动装置。自动车床的机械结构本体如图3所示：

图3 数控车床本体图

为了实现灵活的伺服电机控制、控制器网络链接和数据传送，系统采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32控制器作为控制节点的主控芯片，利用CAN现场总线连接各个控制器和传感网络。本系统需要研发以下几个关键部分的内容：

(1)基于ARM Cortex M3的控制器设计

机床自动化一般采用PLC作为控制器，优势是编程简单、运行可靠，适合从事电气工程技术员的需求，但是对于较为复杂的算法和功能软件的编写较复杂和难实现，对于大批量的应用价格也偏高。本系统采用嵌入式ARM技术作为控制核心，实现机床工作步骤的在线编程与存储功能，实现对电磁阀、异步电机、步进电机和伺服电机的精确控制与调节，提高和实现车床的自动化。控制器通过CAN总线与用户界面系统和传感器网络相连接，控制器的系统结构如图4所示。

图4 控制器结构框图

(2)基于CAN工业现场总线的控制器、传感器、和用户界面的控制网络设计

CAN即控制器局域网，它是一种支持分布式控制或实时控制的串行数据通讯协议。目前CAN在国内外拥有广泛的用户的现场总线之一，同时也被认为是最有发展前景的总线之一。CAN数据结构简单，结构层次少，非常有利于系统中实时控制信号的传送。其主要应用领域有汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、电梯、工具机床、楼宇自动化等。

根据本课题的控制与设计要求，系统结合CAN-Bus现场总线的特点，设计了基于CAN总线、级联了PC上位机、控制节点、用户界面、传感器的控制网络。其机构图如图5所示。上位工控机与基于CAN的ARM控制器以及传感器网络构成典型的现场总线控制系统。

图5 基于CAN总线的控制器网络结构框图

(3)改善球阀芯光洁度的算法设计

车削球形工件时，主轴恒速转动，车刀在主轴平面沿球心做半圆周转动，如果车刀的圆周运动也恒速，由于车刀转动时，车刀与主轴中心的距离在改变，车刀相对工件表面的线速度也在改变，会使工件便面留下车痕，降低表面光洁度。增加后段工序研磨的难度。本系统车刀的圆周转动由伺服电机驱动，控制器通过伺服电机控制车刀圆周运动的角速度。通过算法设计，根据车刀的角度计算出车刀的角速度，可以改善车削后工件的表面光洁度。

总结：研发锻钢球阀芯全自动车床的机械结构包括机架、主轴及电机驱动装置，转盘及伺服驱动装置，上下料及液压驱动装置等。研发一款基于ARM Cortex M3内核，具有逻辑信号输入输出功能、模拟信号输入功能、PWM输出功能、实时时钟功能、支持CAN、USB、RS485、RS232、MODBUS等通讯协议方便与其他系统比如工控屏等进行通讯的嵌入式控制器。电源采用24-3.3V隔离电源方案，输入输出均采用快速光耦隔离，感性负载比如电磁阀等还要采用中间继电器进行隔离。研发一款基于ARM Cortex M3内核的嵌入式信号采集和显示系统，采集车床各部件传感器和用户输入输出交流界面。该装置通过CAN现场总线同PC机和控制器进行通讯。最后利用CAN总线将各个控制节点、用户交流节点、传感器网络、管理PC机连接一起，实现灵活、统一的自动控制并通过PC机上位机软件实现数据统计和生产管理。

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