阀芯套专用高精度内孔磨床电控系统的设计与研究

祝水琴

摘 要：本文以加工阀芯套零件内孔磨床的电控系统为研究对象，专用高精度内孔磨床对内孔进行高精度磨削的加工技术是近些年快速发展的一类现代化制造技术.数控机床是高精度内孔磨床的大脑，也是发挥其最大作用的保障.本文以阀芯套零件加工工艺特点及机床的数控系统为研究对象，结合当前开放式数控系统的发展趋势，针对数控系统的总体方案进行硬件和软件方面的研究，根据模拟工况条件对专用高精度内孔磨床的数控系统进行可靠性设计，将设计后的电控系统应用于阀芯套内孔磨床中，取得良好的经济效率。

关键词：阀芯套;高精度内孔磨床;系统设计

中图分类号：TH6          文献标志码：B

在当今世界经济高速发展的推动下，汽车的保有量在不断地呈现上升趋势，阀芯套零件作为汽车的关键零件，为了推进汽车工业技术进步，对汽车关键零部件的生产的加工设备提出了更高的要求。本文以阀芯套零件的加工精度要为依据，把阀芯套专用高精度内孔磨床电控系统作为研究对象。在工况条件下，采用近似磨床模型的电控系统设计与方法进行多方面的设计与研究[1]。高速磨床电控系统对零件加工的表面质量、零件同轴度和精度要求以及整个磨床性能有很大的影响，如何提高阀芯套专用高精度磨床电控系统的可靠性和主轴的回转精度、提高磨床刚度以及降低生产制造成本，这些都是在磨床电控系统设计中所需要研究的问题。

1阀芯套零件的加工特性

项目拟研制的高精度内孔磨床应用到氢能源汽车阀芯套的内孔加工，用于氢能源汽车的工业生产。阀芯套制造同轴度要求极高，制造工艺十分复杂、难度极大。其超精密加工孔径约为Φ4mm，公差要求为0.001mm，内孔的研磨精度要求极高。

2高精度内孔磨床控制系统的设计

根据前面分析阀芯套零件的加工工艺特点，所需设备需要有较高的转速和同轴度要求。主轴刀架系统是数控机床系统的核心部件，其主要作用是进行数控机床各部件的直接控制，利用软件来分析和应用程序。工控机在读取输入信息的过程中，向运动控制器传输准确的信息，运动控制器根據这些信息来控制电动机模块，从而控制整个高精度内孔磨床的工作区。电机模块主要负责将通过的电流转变成与电动机使用要求相符合的交流电[2]。电气控制模块是数控机床的关键部位。其中，运动控制器是电气控制系统的核心，其主要负责控制主体工作系统的运行和技术，来确保电气控制系统的正常运行，操作者通过对数控系统中相关程序的设定，从而实现阀芯套零件的生产与加工。

高精度内孔磨床的数控操作系统不仅可以进行多坐标轴的控制，还可以实现主轴多程序的同步运行，提高阀芯套零件的加工质量与生产效率。同时对高精度内孔磨床操作系统做到智能化的碰撞判断，提升了设备的安全性。高精度内孔磨床的控制系统主要由PMAC II运动控制器构成了控制系统。

阀芯套高精度磨床的数控系统采用开放式控制系统，其原理是结合阀芯套零件加工的实际需求，由工业机传输特定的控制指令。在获取指令后，把它与反馈信号进行对比，获取所得的差值在经过反馈处理以后，输出相应的控制指令。进而控制磨床主轴开始运动，加工出满足加工技术要求的阀芯套。

3硬件系统设计

阀芯套高精度磨床砂轮主轴具有高刚性、高精度、低震动及低摩擦的特性，自动调心功能。所以主轴与刀架系统对于磨床的运动速度、稳定性及刚度有较高的要求。对于阀芯套高精度磨床的冷却系统及过滤机构，由于其要满足清除残余切屑、降低切削温度并进行工件与刀具之间的润滑等要求。在进行精密磨削时，可启用纸质过滤器，冷却介质精度可达到18um，能减少阀芯套内孔表面划伤，充分满足阀芯套内孔表面的质量和同轴度要求。在切削加工过程中，对内孔磨削冷却作业时，由工作台的回水孔及机架内回流通道将磨削的切削液进行回流，进而实现磨削液的循环作用。阀芯套高精度内孔磨床采用高压液冷及气冷相结合的冷却形式，在磨床主体中有多条冷却管的构架，其多角度的构建方式满足了阀芯套零件在实际加工环节中对于冷却的需求。

磨床的主轴与刀架系统是阀芯套高精度磨床的主体，为了提高机床刚性床身采用铸件。组成阀芯套高精度内孔磨床数控系统的硬件框架，主要包括工业PC机、运动控制卡和伺服系统。本数控系统硬件主要采用可控制的运动控制器，另外的硬件都选择常规硬件，可构成结构科学而合理的开放式数控系统。

3.1工业PC机

工业PC机总线作为基础，可以在多种不良环境中稳定地工作。它能够与PMAC运动控制器进行高效的通讯，并能够进行多元化的操作，其中比较主要的功能包括调度管理、程序编辑等。工业PC机作为数控系统的核心，它担负着阀芯套高精度磨床运动轨迹的计算（粗插补）以及对整个系统管理的任务。

3.2 PMAC运动控制器

对数控系统而言，最为关键的是对主轴电机的运动进行调控，通过接收的指令对主轴电机展开调节，进而进行高效加工。

运动控制器主要包括译码电路、振荡电路、I/O端口电路、光电隔离输入输出电路等。阀芯套高精度磨床采用开放性的运动控制器，它是开放式数控系统非常重要的部分。本研究根据实际需要选择工业PC机平台上的开放式可编程主轴运动控制器。其中译码电路为运动控制器提供一个接口地址段，通过拨码开关可以更改该地址段的范围;振荡电路为运动控制器上的脉冲控制电路提供一个固定频率的脉冲源;I/O端口电路由两片并行口芯片组成，其主要作用是输出气源控制信号及输入机床按钮信号;光电隔离输出输入电路将工业PC机电源和外界电源隔离，减少外界电源对计算机的干扰。

PMAC控制器是现阶段功能最为全面、性能最优良的运动控制器。它具有DSP技术的各项功能，灵活性能好，系统开发者可非常便捷地添加硬件和软件，结合客观需求对功能进行拓展，进而满足自动控制领域中各类应用的需求。