CN101758445A - 用于气囊抛光的脉动控制系统 - Google Patents
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Abstract
用于气囊抛光的脉动控制系统，包括气囊抛光机构、气源、驱动器；气囊抛光机构包括气体容腔、橡胶气囊、保持架，保持架与直流电机连动，橡胶气囊上设有检测气囊内实际压力的压力传感器；驱动器包括将气源和气体容腔连通的第一电磁阀，将气体容腔和大气连通的第二电磁阀，第一电磁阀和第二电磁阀受控于驱动器的能产生控制方波以控制两个电磁阀开、闭的定时器；气源与一阀口面积呈周期性变化、使橡胶气囊的充气压力呈周期性变化的2D阀连接，2D阀与气体容腔连接，2D阀受控于一中央处理器；压力传感器感应的压力信号传输至中央处理器。本发明具有能快速提高模具的表面质量，抛光用时短的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于气囊抛光的脉动控制系统。
技术背景
气囊抛光工艺方法是20世纪90年代伦敦光学实验室提出的一种新的非球面抛光方法，其工作原理是，将充有气的橡胶气囊与电机连动，将橡胶气囊与模具表面接触、且气囊高速旋转，从而达到抛光的目的。但是传统的气囊抛光工艺中，橡胶气囊内部的充气压力为恒定值，抛光时间和工艺参数保持一致，气囊与模具表面间的接触应力不会发生变化，抛光用时长。
发明内容
为克服现有技术的抛光用时长的缺点，本发明提供了一种使橡胶气囊内部充气压力呈周期性变化，气囊与模具表面间的接触特性出现往复变化，能快速提高模具的表面质量，抛光用时短的用于气囊抛光的脉动控制系统。
用于气囊抛光的脉动控制系统，包括气囊抛光机构、气源、驱动所述的气囊抛光机构对模具进行抛光的驱动器；所述的气囊抛光机构包括与气源连通的气体容腔、对工件抛光的橡胶气囊，所述的橡胶气囊固定于一保持架上，所述的保持架通过主轴与一直流电机连动，所述的主轴上设有连通气体容腔与橡胶气囊的气道，所述的橡胶气囊上设有检测气囊内实际压力的压力传感器；
所述的驱动器包括将气源和气体容腔连通的第一电磁阀，将气体容腔和大气连通的第二电磁阀，所述的第一电磁阀和第二电磁阀受控于所述的驱动器的能产生控制方波以控制两个电磁阀开、闭的定时器；
所述的气源与一阀口面积呈周期性变化、使橡胶气囊的充气压力呈周期性变化的2D阀连接，所述的2D阀与所述的气体容腔连接，所述的2D阀受控于一中央处理器；所述的压力传感器感应的压力信号传输至所述的中央处理器。
进一步，所述的2D阀包括阀体、多极交流伺服电机、力矩放大机构、阀芯和阀套，所述多极交流伺服电机安装在阀体上，所述多极交流伺服电机的输出轴与所述力矩放大机构输入端连接，所述力矩放大机构的输出端与所述阀芯的前端固定连接，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动地安装在阀套内，所述阀芯的左端、阀套和后盖板构成敏感腔，所述敏感腔内的阀芯台肩表面分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压孔，所述高压孔和低压孔均呈满弓形，所述高压孔的弓弦和低压孔的弓弦平行，所述敏感腔外的阀套的内表面设有一对轴对称的螺旋槽，所述螺旋槽的一端与所述敏感腔连通，所述螺旋槽的另一端覆盖相邻的高压孔弓弦和低压孔弓弦之间的区域；中央处理器连接至2D阀步进电机控制端，控制步进电机的旋转角度，以控制2D阀的开口大小。
进一步，所述力矩放大机构包括齿轮和摆轮，所述齿轮安装在多极交流伺服电机的输出轴上，所述摆轮的上端与所述齿轮啮合，所述摆轮的下端与阀芯固定连接。
再进一步，所述多极交流伺服电机与电机安装板固定连接，所述输出轴穿过所述电机安装板，所述电机安装板上设有限位销，所述齿轮上开有扇形的限位槽，所述限位销位于所述限位槽内。
更进一步，相邻的高压孔的中心和低压孔的中心之间的径向夹角为90度；所述阀芯上安装同心环，所述阀芯的右端安装右塞环。
进一步，所述的主轴与一监测主轴转速的红外对管连接，所述的红外对管感应到的主轴转速传送至所述的中央控制器中，所述的中央控制器中设有将红外对管感应到的主轴转速信号调理为方波信号的调理模块，将方波信号与代表主轴预设转速的预设方波进行比较的比较模块。
进一步，所述的气体容腔与一显示容腔内部压力的压力表连接。
进一步，所述的第一电磁阀为常通型两位三通电磁阀，接通电源时关闭；所述的第二电磁阀为常闭型两位三通电磁阀，接通电源时导通。
进一步，所述的中央处理器可手动调节直流电机转速和控制方波占空比的手动调节模块，所述的手动调节模块包括代表0-9的数字键，与定时器连接、设置控制方波占空比的占空比设置按钮，与直流电机连接、设置电机输出转速的转速设置按钮，实时显示压力传感器感应的实际压力和红外对管感应到的实际主轴转速的显示模块，和将中央处理器恢复为初始状态的复位键。
本发明的技术构思是：通过驱动器的定时器产生控制方波，即PWM脉冲，当PWM脉冲处于低电平状态时，第一电磁阀导通、第二电磁阀关闭，气源向气体容腔内充气，使气体容腔内的压力与气源的输出压力相一致；当PWM脉冲处于高电平状态时，第一电磁阀关闭、第二电磁阀导通，气体容腔向大气放气；两个电磁阀根据脉冲信号不断地导通、闭合从而实现气体容腔内的压力出现周期性变化，橡胶气囊与气体容腔连通，橡胶气囊中的压力也出现周期性变化，橡胶气囊与抛光工件之间的接触应力呈周期性变化。
为使气体容腔内的压力保持呈规律的周期性变化，中央处理器将压力传感器感应到的气体容腔内的实际压力与一预设压力值比较，当气体容腔内的实际压力大于预设压力值时，通过中央处理器控制连接至大气的2D阀，使之对大气进行放气，从而逐步减少气体容腔内的实际压力，至预设压力，此时关闭此2D阀；当气体容腔内的实际压力小于预设压力值时，通过中央处理器控制连接至气源的2D阀，使之对气源对其充气，从而逐步增加气体容腔内的实际压力至预设压力，此时关闭此2D阀。
抛光过程中，直流电机会因主轴负载而产生速度损失，影响气囊与待抛光工件的接触区的速度，为保持抛光工艺所需要的旋转速度，中央处理器将红外对管监测到的主轴转速与一设定转速比较，当主轴转速高于设定转速时，通过设置中央处理器内部定时器的值，减少控制电机的PWM占空比，使得电机输入端的平均电压减少，从而使得转速降低；当主轴转速低于设定转速时，通过设置中央处理器内部定时器的值，增加控制电机的PWM占空比，使得电机输入端的平均电压加大，从而使得转速升高。
当需要手动改变控制方波的占空比时，先按下占空比设置按钮，并通过数字键输入相应数值以调节控制方波的占空比。
当需要手动改变直流电机的转速时，先按下转速设置按钮，再通过数字键输入相应数值即可调整直流电机的转速。
本发明的有益效果在于：利用脉冲宽度调制技术控制两个电磁阀周期性工作，实现对橡胶气囊内部充气压力的脉冲性调控；同时跟踪和保持抛光工具直流电机的旋转速度，实现对橡胶气囊转速的闭环控制。橡胶气囊内部充气压力随脉冲周期和占空比的改变出现一定幅度的规律性振荡，使气囊与模具表面间的接触出现往复变化，有利于提高磨粒的有效参与性和材料去除率。本发明能快速提高模具的表面质量。
附图说明
图1为本发明的示意图
图2为本发明的流程图
图3为气囊抛光机构的示意图
图4为2D数字伺服阀的结构原理示意图
图5是敏感腔的放大示意图
图6为阀芯结构示意图
图7为满弓形高低压孔的结构示意图
图8是图7的D-D剖面图
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
用于气囊抛光的脉动控制系统，包括气囊抛光机构31、气源32、驱动所述的气囊抛光机构31对模具进行抛光的驱动器33；所述的气囊抛光机构31包括与气源连通的气体容腔311、对工件抛光的橡胶气囊312、所述的橡胶气囊312固定于一保持架313上，所述的保持架313通过主轴与一直流电机连动，所述的主轴上设有连通气体容腔与橡胶气囊312的气道，所述的橡胶气囊312上设有检测气囊内实际压力的压力传感器34；
所述的驱动器33包括将气源32和气体容腔311连通的第一电磁阀35，将气体容腔311和大气连通的第二电磁阀36，所述的第一电磁阀35和第二电磁阀36受控于所述的驱动器33的能产生控制方波以控制两个电磁阀35、36开、闭的定时器；
所述的气源32与一阀口面积呈周期性变化、使橡胶气囊的充气压力呈周期性变化的2D阀37连接，所述的2D阀37与所述的气体容腔311连接，所述的2D阀37受控于一中央处理器38；所述的压力传感器34感应的压力信号传输至所述的中央处理器38。
所述的2D阀37包括多极交流伺服电机27、力矩放大机构、伺服螺旋机构、限位销3、阀体26、后盖板20、盒盖6、右塞环8、同心环9、电机安装板1、O型密封圈14、15、16、17、18、22和螺钉4、10、11、12、13、19、23、25、28、29、30。
所述多极交流伺服电机27作为驱动数字阀的电-机械转换器，位于阀体26上端，通过螺钉28、29、30与电机安装板1相连接。盒盖6通过螺钉4、11、12连接到电机安装板1上。
力矩放大机构包括齿轮2和摆轮5，齿轮2被压配在多极交流伺服电机27的外伸轴上，与摆轮5相啮合构成定传动比的力矩放大机构，其结构简单，工作可靠，有效降低了对多极交流伺服电机27的输出力矩要求；为防止伺服电机旋转角位移过大，在齿轮上开有扇形的限位槽，与装在电机安装板1上的限位销3一起构成伺服阀的限位机构。摆轮5下端与阀芯24相连，通过螺钉10固定。
伺服螺旋机构是实现伺服阀阀芯转角与轴向直线位移(主阀开口)转换的导控结构，其包括阀芯24和阀套21等，阀芯24与阀套21、后盖板20配合构成敏感腔d，靠近敏感腔d端的阀芯24台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔f和c。根据伺服阀的流量要求，高低压孔为满弓形的高低压孔f和c，如图4所示，满弓形高低压孔的弓弦对准螺旋槽，以加大面积梯度。阀芯24装于阀套21中，两者之间通过O型密封圈15、16、17、18和22密封，阀芯24上装有同心环9和右塞环8以保证阀芯24、阀套21和阀体26之间的定位。阀套21的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽，该槽的一端和敏感腔d相通，另一端与高低压孔f和c构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽控制敏感腔d内的压力。
2D伺服阀的结构特点决定了其敏感腔d可以设计的很小(基本没有死容腔)，因而其液压固有频率很高，大约在104～105Hz的范围，如此高的液压固有频率使得二阶振荡环节对阀芯24的动态响应几乎不产生影响，阀芯24的轴向位移对其旋转角位移之间的响应不产生振荡，可简化为一惯性环节。
高低压孔与螺旋槽之间可以取为零遮盖即可保证稳定。因为零遮盖阀使零位导控流量泄漏几乎为零，并使阀芯24的静态轴向刚度很大，阀芯24的转角位移与轴向直线位移(主阀开口)之间的转换精度很高。
所述的主轴与一监测主轴转速的红外对管39连接，所述的红外对管39感应到的主轴转速传送至所述的中央控制器38中，所述的中央控制器38中设有将红外对管39感应到的主轴转速信号调理为方波信号的调理模块，将方波信号与代表主轴预设转速的预设方波进行比较的比较模块。
所述的气体容腔311与一显示容腔内部压力的压力表40连接。
所述的第一电磁阀35为常通型两位三通电磁阀，接通电源时关闭；所述的第二电磁阀36为常闭型两位三通电磁阀，接通电源时导通。
所述的中央处理器38可手动调节直流电机转速和控制方波占空比的手动调节模块，所述的手动调节模块包括代表0-9的数字键，与定时器连接、设置控制方波占空比的占空比设置按钮，与直流电机连接、设置电机输出转速的转速设置按钮，实时显示压力传感器感应的实际压力和红外对管感应到的实际主轴转速的显示模块，和将中央处理器恢复为初始状态的复位键。
本发明的技术构思是：通过驱动器33的定时器产生控制方波，即PWM脉冲，当PWM脉冲处于低电平状态时，第一电磁阀35导通、第二电磁阀36关闭，气源32向气体容腔311内充气，使气体容腔311内的压力与气源的输出压力相一致；当PWM脉冲处于高电平状态时，第一电磁阀35关闭、第二电磁阀36导通，气体容腔311向大气放气；两个电磁阀35、36根据脉冲信号不断地导通、闭合从而实现气体容腔311内的压力出现周期性变化，橡胶气囊312与气体容腔311连通，橡胶气囊312中的压力也出现周期性变化，橡胶气囊312与抛光工件之间的接触应力呈周期性变化。
为使气体容腔311内的压力保持呈规律的周期性变化，中央处理器38将压力传感器34感应到的气体容腔311内的实际压力与一预设压力值比较，当气体容腔311内的实际压力大于预设压力值时，通过中央处理器38控制连接至大气的2D阀37，使之对大气进行放气，从而逐步减少气体容腔311内的实际压力，至预设压力，此时关闭此2D阀37；当气体容腔311内的实际压力小于预设压力值时，通过中央处理器38控制连接至气源的2D阀37，使之对气源32对其充气，从而逐步增加气体容腔311内的实际压力至预设压力，此时关闭此2D阀37。
抛光过程中，直流电机会因主轴负载而产生速度损失，影响气囊312与待抛光工件的接触区的速度，为保持抛光工艺所需要的旋转速度，中央处理器38将红外对管39监测到的主轴转速与一设定转速比较，当主轴转速高于设定转速时，通过设置中央处理器38内部定时器的值，减少控制电机的PWM占空比，使得电机输入端的平均电压减少，从而使得转速降低；当主轴转速低于设定转速时，通过设置中央处理器38内部定时器的值，增加控制电机的PWM占空比，使得电机输入端的平均电压加大，从而使得转速升高。
当需要手动改变控制方波的占空比时，先按下占空比设置按钮，并通过数字键输入相应数值以调节控制方波的占空比。
当需要手动改变直流电机的转速时，先按下转速设置按钮，再通过数字键输入相应数值即可调整直流电机的转速。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：包括气囊抛光机构、气源、驱动所述的气囊抛光机构对模具进行抛光的驱动器；所述的气囊抛光机构包括与气源连通的气体容腔、对工件抛光的橡胶气囊，所述的橡胶气囊固定于一保持架上，所述的保持架通过主轴与一直流电机连动，所述的主轴上设有连通气体容腔与橡胶气囊的气道，所述的橡胶气囊上设有检测气囊内实际压力的压力传感器；
所述的驱动器包括将气源和气体容腔连通的第一电磁阀，将气体容腔和大气连通的第二电磁阀，所述的第一电磁阀和第二电磁阀受控于所述的驱动器的能产生控制方波以控制两个电磁阀开、闭的定时器；
所述的气源与一阀口面积呈周期性变化、使橡胶气囊的充气压力呈周期性变化的2D阀连接，所述的2D阀与所述的气体容腔连接，所述的2D阀受控于一中央处理器；所述的压力传感器感应的压力信号传输至所述的中央处理器。
2.如权利要求1所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述的2D阀包括阀体、多极交流伺服电机、力矩放大机构、阀芯和阀套，所述多极交流伺服电机安装在阀体上，所述多极交流伺服电机的输出轴与所述力矩放大机构输入端连接，所述力矩放大机构的输出端与所述阀芯的前端固定连接，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动地安装在阀套内，所述阀芯的左端、阀套和后盖板构成敏感腔，所述敏感腔内的阀芯台肩表面分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压孔，所述高压孔和低压孔均呈满弓形，所述高压孔的弓弦和低压孔的弓弦平行，所述敏感腔外的阀套的内表面设有一对轴对称的螺旋槽，所述螺旋槽的一端与所述敏感腔连通，所述螺旋槽的另一端覆盖相邻的高压孔弓弦和低压孔弓弦之间的区域；中央处理器连接至2D阀步进电机控制端，控制步进电机的旋转角度，以控制2D阀的开口大小。
3.如权利要求2所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述力矩放大机构包括齿轮和摆轮，所述齿轮安装在多极交流伺服电机的输出轴上，所述摆轮的上端与所述齿轮啮合，所述摆轮的下端与阀芯固定连接。
4.如权利要求3所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述多极交流伺服电机与电机安装板固定连接，所述输出轴穿过所述电机安装板，所述电机安装板上设有限位销，所述齿轮上开有扇形的限位槽，所述限位销位于所述限位槽内。
5.如权利要求4所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：相邻的高压孔的中心和低压孔的中心之间的径向夹角为90度；所述阀芯上安装同心环，所述阀芯的右端安装右塞环。
6.如权利要求5所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述的主轴与一监测主轴转速的红外对管连接，所述的红外对管感应到的主轴转速传送至所述的中央控制器中，所述的中央控制器中设有将红外对管感应到的主轴转速信号调理为方波信号的调理模块，将方波信号与代表主轴预设转速的预设方波进行比较的比较模块。
7.如权利要求6所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述的气体容腔与一显示容腔内部压力的压力表连接。
8.如权利要求7所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述的第一电磁阀为常通型两位三通电磁阀，接通电源时关闭；所述的第二电磁阀为常闭型两位三通电磁阀，接通电源时导通。
9.如权利要求1-8之一所述的用于气囊抛光的脉动控制系统，其特征在于：所述的中央处理器可手动调节直流电机转速和控制方波占空比的手动调节模块，所述的手动调节模块包括代表0-9的数字键，与定时器连接、设置控制方波占空比的占空比设置按钮，与直流电机连接、设置电机输出转速的转速设置按钮，实时显示压力传感器感应的实际压力和红外对管感应到的实际主轴转速的显示模块，和将中央处理器恢复为初始状态的复位键。
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