多股簧數控機床設計及其張力控制系統的研究*

王時龍 田志鋒 彭玉鑫 周 杰 康 玲

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

多股簧數控機床設計及其張力控制系統的研究*

王時龍 田志鋒 彭玉鑫 周 杰 康 玲

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

分析了多股簧成型原理，并設計出新型的多股簧機床，同時，利用pro/e對其進行了仿真分析。針對鋼絲張力控制系統特點，設計了一套自適應模糊控制器。通過在simulink中的仿真，證明了該系統響應迅速，控制精確的特性。運用該張力控制系統，實現了在多股螺旋彈簧加工過程中對張力的實時精確控制，達到了加工工藝要求。

多股簧數控機床 設計仿真 張力控制系統 自適應模糊控制

* 國家杰出青年科學基金（50925518）；國家自然科學基金（50775226）；國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項（2009ZX04001－081和2009ZX04011－041）；教育部科學技術研究重點項目（109129）；重慶市科技攻關計劃項目（CSTC2009AC3049）

多股螺旋彈簧（簡稱多股簧）是由多根鋼絲繞成鋼索后卷制而成的圓柱螺旋彈簧（圖1），與單股彈簧相比，吸收沖擊能力強，有更好的強度及獨特的吸振、減振效果。因而它是航空發動機和大口徑自動武器等產品的關鍵零件。

由于多股簧結構復雜、結構參數多，加工工藝復雜，故針對其結構及成型特點，我單位研發了第一代多股簧數控機床。但在實際加工過程中，原機床暴露出許多缺點。如人工穿鋼絲時間較長，約為加工時間的3～5倍。同時，鋼絲張力控制結構不合理，在加工過程中，經常出現張力控制滯后、鋼絲張力不均甚至鋼絲擰斷的現象，因此，廢品率較高，影響了多股簧的產品質量。

為進一步提高多股簧加工精度和產品質量，減少人工穿絲勞動量，實現多股簧加工的自動控制，開發出一種新型多股簧數控機床，以滿足多股簧的加工要求。

1 多股簧數控加工機床的加工工藝分析

1.1 多股簧成型過程原理

目前，根據多股簧的結構特點及成型原理，多股簧的加工方法一般有兩種：一種是擰鋼索與卷彈簧同時進行；另一種是先擰成鋼索再卷繞成簧。第一種卷制方法，可在經適當改裝的普通車床上進行，具有卷制質量較好、生產效率高等特點，因此是國內外常用的一種方法。

多股螺旋彈簧的加工方法如圖2，左端擰索機構以ω1旋轉，將多股鋼絲擰成鋼索（簡稱為簧桿），繞簧軸以角速度ω旋轉并以恒速度v移動將鋼索繞成圓柱螺旋彈簧。

1.2 多股簧四軸聯動的速度匹配

圖2中擰索與繞簧同時進行的卷制方式，要求擰索軸與繞簧軸之間的速度進行精確匹配。各股鋼絲在被擰成鋼索的過程中，鋼絲產生了一次螺旋成型，而在卷簧過程中，鋼索則被繞制成彈簧形狀又一次發生了螺旋成型，可見，鋼絲在經過擰索和繞簧后共發生了兩次螺旋成型，可以看成是雙螺旋線的疊加。

由圖3可計算出鋼索中心線展開長度：

若假設繞簧主軸的轉速為n，那么根據多股簧卷制過程中各軸的聯動關系可以得出如下計算公式：

外層擰索軸轉速n1：

中層擰索軸轉速n2：

縱向進給軸轉速n3：

式中：S1為外層鋼索的索距；S2為中層鋼索的索距；L為縱向進給軸的絲桿螺距。

根據以上參數關系，即可實現多股簧繞簧過程中的四軸聯動的速度匹配。

2 多股簧數控機床設計與三維實體建模

2.1 多股簧機床總體方案設計

根據以上所述多股簧加工原理，設計出新型多股簧機床如圖4所示。其包括機床架、擰索裝置、繞簧裝置和自動控制系統。

擰索裝置包括擰索架、內層供絲裝置、中層供絲裝置和外層供絲裝置。擰索架的設置位置與內層供絲裝置、中層供絲裝置和外層供絲裝置出索端部對應。

內層供絲裝置為中心供絲套管，中心供絲套管沿中心線穿過中空主軸，其進絲端設置內層鋼絲張力控制器，內層鋼絲通過內層鋼絲張力控制器引出并穿過中心供絲套管至擰索架。

中層供絲裝置包括中空主軸、中層供絲支座和用于驅動中空主軸轉動的中層伺服電動機。中空主軸兩端支撐于機床架并與其轉動配合。中層供絲支座與中空主軸在圓周方向固定配合。中層供絲支座上設置中層鋼絲張力控制器，每根中層鋼絲通過一個中層鋼絲張力控制器引出，經中層供絲支座的法蘭孔引出并穿過中層供絲套管至擰索架。

外層供絲裝置包括外層供絲支座和用于驅動外層供絲支座轉動的外層伺服電動機。外層供絲支座位于中層供絲裝置轉動軌跡外圓周并與中空主軸轉動配合。外層供絲支座上設置外層鋼絲張力控制器，每根外層鋼絲通過一個外層鋼絲張力控制器引出至擰索架。

以上擰索裝置每個張力控制器抽絲軸線與主軸軸線的夾角相應與多股簧的內、中、外層各鋼索螺旋角相等，保證了鋼絲在抽絲、擰索，多股簧繞制的整個過程中能夠使鋼絲處于與鋼絲軸向重合的拉力作用。

2.2 機床三維實體建模

在加工過程中，生產具有三層結構的有芯多股簧（內層為單股鋼絲），要求機床須具備四個加工軸，即：中層擰索軸、外層擰索軸、繞簧主軸及用于控制彈簧節距的縱向進給軸。運動方式是實現四軸精密聯動，同時由于其結構復雜、部件多，平面圖難以檢查其結構、運動的干涉、運動軌跡的正確性和數學模型的準確性。本文運用Pro/E軟件強大的三維實體建模、虛擬裝配和運動仿真模塊對機床進行設計。建立三維實體如圖5所示。

3 張力控制系統的研究

多股簧是由多股鋼絲擰成的鋼索纏繞而成的，其性能的好壞在很大程度上取決于鋼索的索距是否均勻。因為如果其索距不均勻，在多股簧工作時，各股鋼絲之間的受力不均會使個別受力較大的鋼絲發生早期磨損或斷裂。因此，為了讓鋼索的索距均勻，采取何種張力控制方案來保證各股鋼絲張力的穩定性和一致性作為關鍵技術，對多股螺旋彈簧的質量起著至關重要的作用。

3.1 張力控制系統結構設計

張力控制方案如圖6所示。虛線部分為鋼絲，繞簧過程中，繞簧主軸轉動，經制動盤7后，繞過傳感器5上的滾輪9出絲到工作路徑中，其中檢測機構為傳感器5，控制調節機構為磁粉制動器3，其調節原理為：利用磁粉磁化時所產生的剪力來制動，磁粉鏈抗剪力與磁粉磁化程度成正比，即制動轉矩的大小與繞組中的激磁電流的大小成正比，故可通過改變磁粉制動器中的激磁電流即可調節其扭矩。

3.2 張力控制系統工作原理分析

為保證各股鋼絲受到恒定張力，本文采用臺灣研華公司的ADAM－5510數據采集控制器對張力大小進行嚴格控制。該系統由PC機、ADAM5510、ADAM5017輸入模塊、ADAM5024輸出模塊、張力傳感器及其控制器、磁粉制動器及其變送器、藍牙設備等組成。圖7為其張力控制系統原理圖。

鋼絲經由鋼絲盒抽出后，其張力大小由磁粉制動器恒定。在其進入擰索加工之前，由張力傳感器檢測其實際張力，并將檢測信號輸入ADAM5017輸入模塊，經ADAM－5510控制器處理后，將控制信號反饋給ADAM5024輸出模塊，從而控制磁粉制動器補償張力差值，形成一個負反饋閉環系統。

4 張力控制算法的研究

結合各種控制算法優缺點及多股簧加工的實際特點，本文采用了帶自調整因子的張力模糊控制方案。該控制方案不僅具有一般模糊控制器的優點，還可以體現在全論域范圍內，根據誤差大小自動調整誤差對控制作用的權重，模仿人的控制思維，使控制效果更平穩，更精確。

4.1 基于多股簧張力控制系統的自適應模糊控制器設計

結合張力控制設備的動態特性研究所得的數據，設計了基于多股簧張力控制系統的自適應模糊控制器。表1為其自調整因子的模糊控制表。

表1 自調整因子的模糊控制表

4.2 對自適應模糊控制算法仿真

為驗證帶自調整因子的模糊控制器對多股螺旋彈簧各股鋼絲張力的控制效果，課題組以外層一股鋼絲的張力控制為例，利用MATLAB/simulink軟件進行了自適應控制仿真，控制過程如圖8所示。并和傳統PID算法和普通模糊控制算法進行比較，根據仿真的結果驗證了帶自調整因子的模糊控制器的性能優勢且能夠實現對鋼絲張力的精確實時控制。

控制效果如圖9所示。其仿真結果表明，各股鋼絲張力能夠在11 s內得到穩定并接近于張力理想值。由此驗證了該控制方案的可行性，并具有控制穩定及響應迅速的特點。

4.3 基于自適應模糊控制算法的控制程序

基于多股簧張力控制的自適應模糊控制規則，編寫了新的研華5510程序。其流程圖如圖10所示。

5 張力模糊控制系統的運用

將這股鋼絲的模糊控制系統按照相同方法推廣到其他各股鋼絲張力控制機構，即可實現對各股鋼絲張力的精確控制，達到極好的控制效果。圖11是在PC機上通過C++builder開發的張力監控界面，從圖上可以看出12股受控鋼絲（外層#1－#9，中層#2、#4、#6）的所受張力滿足控制要求，穩定在期望值的（ －20 N+20 N）內。

6 結語

對現有的多股螺旋彈簧的加工設備進行全新設計，全面實現自動化生產，能夠實現各裝置之間精確的轉速匹配，精確控制鋼索鋼絲索距和彈簧螺距，生產過程中還能嚴格地保證各股鋼絲的張力互相均勻以及大小互相一致，保證多股簧加工完成之后的回彈量，從而保證成品多股螺旋彈簧的質量和延長使用壽命。

設計了鋼絲的自適應模糊張力控制器。仿真實驗及多股螺旋彈簧繞制實踐過程中，實現了對張力的精確實時控制，達到多股螺旋彈簧的加工工藝要求。

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Design and Study on Tension Control System of Stranded Wires Helical Spring Machine Tool

WANG Shilong，TIAN Zhifeng，PENG Yuxin，ZHOU Jie，KANG Ling
（State Key Lab of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，CHN）

王時龍，男，1966年生，博士、教授、博士生導師，院長，主要研究方向：制造自動化、機械設計及理論等，已發表論文70余篇。

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2010－01－16）

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