具有彈簧CAD功能的五軸卷簧機數(shù)控系統(tǒng)研制*

張 耀 黃文廣 程文鋒 葛惠民

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310053）

卷簧機是彈簧生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，卷簧機繞制彈簧是在外力的作用下，使鋼絲彎曲成形，是塑性變形和彈性變形的綜合過程。當(dāng)彈簧繞制好去掉外力后，彈簧在徑向、軸向?qū)a(chǎn)生回彈量，回彈量與彈簧的旋繞比、鋼絲直徑、鋼絲牌號（材質(zhì)）等有關(guān)，彈簧外形越復(fù)雜，回彈量就越難控制。由于彈簧卷繞成形的特點和卷繞設(shè)備工作方式的特殊性，一般數(shù)控卷簧機在使用過程中存在對操作人員經(jīng)驗的依賴性強、操作不方便等缺陷，特別是每更換一款新的品種，需要花費大量的時間反復(fù)加工、測量和調(diào)整機器，有時還甚至要更換一些部件，很不方便。鑒于此，通過與某卷簧機生產(chǎn)廠合作，在對國內(nèi)外卷簧機在彈簧卷繞過程中存在的問題和制約因素分析基礎(chǔ)上，將數(shù)字化制造等先進技術(shù)應(yīng)用于彈簧卷制領(lǐng)域，將相關(guān)工藝融入到CAD、運動控制程序中，研制出具有彈簧CAD功能的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動化程度高的特點。實際運行結(jié)果表明，該設(shè)備能生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的高端彈簧，適合多品種、小批量的彈簧加工。

1 彈簧成形原理與工藝分析

彈簧成形機構(gòu)如圖1所示，利用一對或幾對送線滾輪壓住鋼絲并旋轉(zhuǎn)，推動鋼絲向右運動，依靠上、下圈徑桿的限位及導(dǎo)向作用使鋼絲成形;上、下圈徑桿可在各自的滑槽中移動，通過控制上、下圈徑桿的位置，就可控制彈簧圈徑的大小;節(jié)距桿為垂直紙面的運動，其作用是使卷繞的鋼絲形成螺紋升角，通過控制節(jié)距桿的位置，就可控制彈簧節(jié)距的大小;當(dāng)卷繞完畢時，用切刀將鋼絲切斷，此時芯軸作為切刀切鋼絲時的一個支承。通過控制送線滾輪，上、下圈徑桿，節(jié)距桿及切刀的組合運動，就可卷繞等距等徑、變徑、變節(jié)距等各種形狀的彈簧。

彈簧（冷卷）生產(chǎn)工藝過程主要包含如下過程:

備料—卷繞—回火—端面磨平—拋丸—涂層—動、靜壓試驗—修整。

彈簧的繞制工藝是彈簧制造的關(guān)鍵工序，對彈簧整個制造精度起著重要的作用，決定彈簧的幾何尺寸精度、特性以及材料的利用率。在進行卷簧加工時，整卷盤料通過卷簧機的送絲裝置進行材料進給。在送料過程中，卷簧機的送絲滾輪、上下圈徑桿、節(jié)距桿和切刀按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進行運動，不斷調(diào)整節(jié)距和外徑，彈簧卷制成形，最后切刀在適當(dāng)位置將彈簧切斷，一個彈簧的卷制過程完成。

繞制彈簧是在外力的作用下，使鋼絲彎曲成形，為保證繞制后彈簧的尺寸精度，繞制彈簧必須考慮回彈量。目前回彈量的大小完全靠經(jīng)驗并通過調(diào)試確定。在實際生產(chǎn)中，考慮回彈量，彈簧繞制節(jié)距設(shè)定值是要求節(jié)距的K1倍，彈簧繞制直徑設(shè)定值取彈簧要求直徑的K2倍，一般按經(jīng)驗預(yù)選K1，K2初值，經(jīng)調(diào)試確定K1，K2值。首件試制合格后，方可批量生產(chǎn)。

2 具有彈簧CAD功能的數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

根據(jù)彈簧成形原理與加工工藝，確定卷簧機數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)采用“IPC+運動控制器”構(gòu)成，屬主從式控制結(jié)構(gòu)。IPC采用研華一體機TPC－1070H，運行內(nèi)嵌彈簧CAD的上位機軟件，系統(tǒng)自動將彈簧CAD設(shè)計好的彈簧與彈簧卷繞工藝結(jié)合生成加工程序，并自動將該程序下載到運動控制器中;完成數(shù)控系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)參數(shù)與加工參數(shù)的輸入，完成系統(tǒng)管理和控制系統(tǒng)的監(jiān)控等非實時信息處理。運動控制器選擇ACS的 SPiiPlus SAR－LT－8－E－C，它可控制8個獨立伺服軸，也可通過軟件實現(xiàn)聯(lián)動，內(nèi)含PVT三次樣條插補，完成系統(tǒng)加減速控制、插補處理、伺服系統(tǒng)控制、PLC等實時性任務(wù)，根據(jù)IPC下載的彈簧加工程序，自動解析并優(yōu)化彈簧加工運動軌跡，從而保證各伺服電動機協(xié)調(diào)工作加工出所需彈簧。IPCTPC－1070H 與 ACS SPiiPlus SAR－LT－8－E－C 之間的數(shù)據(jù)傳輸采用以太網(wǎng)方式通信，確保數(shù)據(jù)通信的實時性。各軸選用SANMOTION R ADVANCED MODEL系列伺服放大器和伺服電動機，伺服系統(tǒng)通過總線與運動控制器連接。本系統(tǒng)具有通用性好，實時性強，開發(fā)周期短，控制精度高等特點。

本系統(tǒng)控制對象是5個伺服電動機，分別控制彈簧加工的送絲長度（Z軸）、彈簧的螺距（Y軸）、變徑（X軸）和上下切斷（A、B軸）。設(shè)定彈簧的送絲長度值、螺距、外徑等數(shù)據(jù)，然后啟動系統(tǒng)工作，X、Y、Z、A、B五軸電動機聯(lián)動運行。當(dāng)Z軸送絲電動機走完一個彈簧的長度值，X、Y軸電動機也剛好走完螺距、外徑值，A或B軸完成一個彈簧切斷，緊接著開始下一個彈簧的生產(chǎn)。等節(jié)距平頭圓柱彈簧及其繞制時軸電動機聯(lián)動運動軌跡如圖3所示。

在圖3b中，從彈簧的起始外徑和初始螺距開始，1段軌跡完成前端密著圈到彈簧工作圈過渡軌跡的卷繞，彈簧直徑隨著螺距的變大而進行微調(diào)，以保證彈簧的形狀精度，階段3完成從彈簧工作圈到后端密著圈過渡軌跡的卷繞。彈簧直徑隨著螺距的減小而進行微調(diào)，以保證彈簧的形狀精度;在圖3c中，1段主要完成前端密著圈數(shù)的卷繞，在節(jié)距為0等情況下完成T彈簧圈卷繞，2－5段主要完成前端密著圈到彈簧工作圈過渡軌跡的卷繞，在2－5段中，在一圈的送絲距離中變距軸從O走到正常節(jié)距的位置，6段完成正常彈簧工作圈數(shù)的卷繞，節(jié)距保持不變，7－10段完成從彈簧工作圈到后端密著圈過渡軌跡的卷繞，在一圈的送絲距離中變距軸從正常節(jié)距走到0的位置，11段完成后端密著圈數(shù)的卷繞，然后在節(jié)距為0的前提下完成E彈簧圈卷繞;在圖3d中，1段完成前端密著圈的卷繞，在初始直徑A下送絲完成T的卷繞，2段完成前端密著圈到彈簧工作圈過渡軌跡的卷繞，隨著送絲的進行彈簧直徑進行微調(diào)，保證彈簧螺旋升角的正確性，3段完成正常彈簧工作圈數(shù)的卷繞，4段從彈簧工作圈到后端密著圈過渡軌跡的卷繞，隨著送絲的進行彈簧直徑進行微調(diào)，保證彈簧螺旋升角的正確性，5段完成后端密著圈數(shù)的卷繞，然后在節(jié)距為0的前提下完成E彈簧圈卷繞。根據(jù)彈簧的工藝要求，各軸的增益應(yīng)保持一致，以消除彈簧的輪廓誤差。

送絲軸采用雙反饋的策略，速度反饋通過裝在伺服電動機上的光電編碼器來實現(xiàn);位置反饋利用安裝在最后的輸出輪盤上的第二編碼器實現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)具有雙閉環(huán)控制良好的軌跡控制功能，快的動態(tài)響應(yīng)，高的定位精度，能滿足數(shù)控卷簧機的控制需求。

3 軟件設(shè)計

5軸數(shù)控卷黃機的軟件包含內(nèi)嵌彈簧CAD的上位機軟件、運動控制軟件兩大部分，具體如圖4所示，它采用多CPU前后臺式軟件結(jié)構(gòu)，即整個軟件分為前臺程序和后臺程序。

前臺程序即運動控制軟件主要完成加減速度控制、伺服驅(qū)動、多軸聯(lián)動運行、現(xiàn)場控制量的采集與邏輯控制等功能，使用專用的運動控制語言ACSPL+，采用SPIIPLUSCOM650_X86來完成軟件開發(fā)，并在ACS控制器中運行;后臺程序即上位機軟件主要完成信息處理與管理、彈簧CAD、插補預(yù)處理、人機界面處理等功能，采用C++設(shè)計，在IPC上運行。因文章篇幅關(guān)系，內(nèi)嵌彈簧CAD的上位機軟件設(shè)計略。

3.1 運動控制軟件設(shè)計

該部分軟件采用ACS專用的運動控制語言ACSPL+，并使用ACS提供的組件，完成各運動控制功能的開發(fā)。該控制器提供以下幾個功能:（1）提供CANOPEN、ETHERNET、PCIBUS等多種通訊方式實現(xiàn)運動控制器和IPC、伺服系統(tǒng)之間的通訊。（2）ACS控制器支持10個程序區(qū)（buffer），10個程序可并行運行，是一種多線程的構(gòu)架，即對于同一個應(yīng)用可以同時通過10個路徑進行運動控制。（3）將控制軟件所發(fā)出的每個指令發(fā)給運動控制卡進行動作。（4）有多種方法可以使控制軟件進行運動控制卡參數(shù)設(shè)置和讀取，具有多種高級運動控制方式，具有程序管理、IO處理及安全功能等。（5）提供豐富的調(diào)試工具用于用戶應(yīng)用程序調(diào)試。

3.1.1 S 曲線加減速控制

加減速控制技術(shù)是高速、高精度數(shù)控卷簧機的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用是保證卷簧機運動平穩(wěn)的前提下，實現(xiàn)以過渡過程時間最短為目標(biāo)的最優(yōu)加減速控制。

（1）加減速控制模式

加減速控制在CNC的應(yīng)用中通常有前加減速控制和后加減速控制兩種模式，如圖5。前加減速控制是指加減速控制位于插補之前、插補預(yù)處理之后，加減速控制的對象是指令進給速度，即加減速控制直接應(yīng)用于速度指令，而不影響插補指令;后加減速控制是指加減速控制位于插補指令之后、伺服控制器之前，控制各運動軸的進給速度等，即加減速算法根據(jù)速度指令直接應(yīng)用于插補指令。后加減速控制無需計算減速點，算法相對簡單，如果每個運動軸的伺服增益不同，容易造成較大的軌跡輪廓誤差，影響運動精度;前加減速控制能夠事先知道插補運動的開始和結(jié)束，而且不影響插補指令，從而有更高的跟隨誤差精度，并能根據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，事先進行加減速度規(guī)劃。因此，前加減速控制更能滿足卷簧機高速加工的加減速特性要求。

（2）簡化對稱S曲線加減速方法

S曲線加減速控制方法是指在加減速時，使其加速度的導(dǎo)數(shù)（加加速度）為常數(shù)，通過對加加速度控制來限制對機床的沖擊和振動，并通過加速度和加加速度2個物理量的參數(shù)設(shè)定或編程設(shè)定來實現(xiàn)柔性加減速控制，以適應(yīng)機床不同的工況。一個完整的S曲線加減速過程由7個階段組成，它的加減速控制算法參數(shù)較多，計算相對復(fù)雜，程序運行時間長，影響到數(shù)控機床的加工效率。本項目采用一種簡化對稱S曲線加減速模型如圖6所示，該模型是由加速段、勻速段和減速段組成。該算法參數(shù)少，運行時間短，可控性強，滿足卷簧機運動的平穩(wěn)性和軌跡精度需求。

（3）簡化對稱S曲線加減速算法

假設(shè)條件:

則有

其中:Sa、Sd、Sm分別為加速段、減速段、勻速段的距離;Vs、Ve、Vm分別為加速段的起點速度、減速段的終點速度、給定的進給速度;aa、ad、a分別為加速段加速度、減速段減加速度和系統(tǒng)設(shè)定加速度。

由式（4）、（5）可知，只要給定加速度a，就可以確定S曲線加減速模型。實際應(yīng)用時，事先設(shè)定初始速度v（0）、最大速度vmax、最大加速度amax和總位移s等，通過迭代計算，即可完成相關(guān)量的計算。該S曲線加減速的數(shù)學(xué)表達式參數(shù)少，算法簡單，易于編程。

3.1.2 由CAD直接生成G代碼運動程序

本系統(tǒng)的G代碼程序由彈簧CAD圖形直接自動生成，經(jīng)用戶修訂確認(rèn)后，直接下載到ACS運動控制器中運行。在彈簧CAD中，只需在界面上選擇彈簧類型，用鼠標(biāo)拖拉彈簧圖形，相應(yīng)幾何參數(shù)會自動調(diào)整，當(dāng)然幾何參數(shù)也可在CAD中直接輸入，然后再輸入加工彈簧的工藝參數(shù)，上位軟件就能自動生成加工程序，用戶確認(rèn)后自動下載到運動控制器中。該運動控制程序協(xié)調(diào)控制各運動機構(gòu)的動作，卷繞出所需要的彈簧。內(nèi)嵌彈簧CAD的操作界面如圖7所示。

以等節(jié)距平頭圓柱彈簧圖為例:鋼絲直徑D=5.000 mm，彈簧外徑A=35.000 mm，彈簧長度L=60.000 mm，彈簧卷數(shù)N=5.000，外徑修正系數(shù)K=1.035，切刀切斷角度B=0.00，切刀返回起始角度C=0.00，前端密著卷數(shù)T=0.200，結(jié)束密著卷數(shù)E=0.350。用彈簧CAD設(shè)計好彈簧如圖7中，然后輸入相關(guān)工藝參數(shù)，就能自動生成如下G代碼程序，用戶確認(rèn)后，即可自動下載到ACS運動控制器中運行。

G代碼程序:

3.2 PLC程序設(shè)計

采用軟PLC技術(shù)，編程軟件InfoteamOpenPCS符合IEC61131－3。PLC程序是負(fù)責(zé)設(shè)備開關(guān)量的邏輯控制。當(dāng)運動程序在前臺有序運行時，ACS在后臺可以同時運行多個PLC程序（最多可達10個），這些程序控制ACS運動控制器對現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送或接收信號。PLC程序采用ACS提供的命令語言ACSPL+編寫，PLC以5 ms甚至更高的循環(huán)速度對PLC程序進行反復(fù)掃描，能滿足系統(tǒng)的需要。在卷簧機數(shù)控系統(tǒng)中，PLC程序由系統(tǒng)I/0端口映射、回基準(zhǔn)點、行程到位與限位控制、伺服控制器使能、自動工作方式/手動工作方式選擇及X、Y、Z等軸電動機啟、停等控制子程序組成。

PLC與監(jiān)控模塊是經(jīng)I/O接口的輸入輸出實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中，送入PLC的輸入信號主要有:軟操作面板上的控制按鈕、選擇開關(guān)等信號，各軸的行程開關(guān)、機械零點開關(guān)、設(shè)備上的電器動作、限位、報警及各伺服模塊工作狀態(tài)等信號。PLC輸出的信號主要有:軟硬指示燈信號、繼電器動作信號、伺服模塊的驅(qū)動使能和速度使能信號等。在ACS中，PLC程序以一定的時間間隔運行，并及時將相關(guān)數(shù)據(jù)與上位機交換。

4 結(jié)語

將彈簧CAD與五軸數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)成的卷簧機數(shù)控系統(tǒng)極大地方便了用戶，使其具有好的應(yīng)用前景。現(xiàn)場測試表明:送線運動機構(gòu)采用獨立控制后，可方便實現(xiàn)送線長度無限的要求，送絲精度為0.01 mm;上、下圈徑桿及節(jié)距桿分別采用獨立控制后，使軸向、經(jīng)向回彈量關(guān)聯(lián)度降低，在彈簧CAD支持下，更換加工品種時，新品調(diào)試過程大為簡化，對調(diào)試人員的經(jīng)驗要求降低，調(diào)試時間縮短25%以上;切斷運動機構(gòu)獨立控制后，除進行一般的剪切方式外，還可匹配上下切刀進行扭切，解決大線徑、小旋繞比的彈簧剪切難題。

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