三軸數控彈簧機電氣控制系統的設計

周永強

（洛陽職業技術學院//洛陽高級技工學校，河南洛陽 471000）

三軸數控彈簧機電氣控制系統的設計

周永強

（洛陽職業技術學院//洛陽高級技工學校，河南洛陽 471000）

隨著工業的發展，高質量彈簧用量的增加，彈簧機本身的精度直接影響制作出來的彈簧的精度。以三軸數控彈簧機為例，從彈簧機的結構原理入手，介紹其電氣控制系統的設計與實現過程。

數控彈簧機；電氣控制；系統設計

彈簧是工業中常用的元件，大到航空母艦，小到手機相機等各種產品都離不了彈簧。隨著工業的發展，彈簧的用量會大量增加。作為加工彈簧的專用設備——彈簧機，將起到越來越重要的作用，彈簧機本身的精度直接影響制作出來的彈簧的精度。當彈簧機機械本體精度滿足之后，電氣控制系統的設計就顯得尤為重要。本文作者以三軸數控彈簧機為例，介紹其電氣控制系統的設計。

數控彈簧機一般由主機和控制系統組成。

1 數控彈簧機主機的結構與工作原理

數控彈簧機主機是用于完成各種彈簧線材加工的機械部件，與機械彈簧機一樣，主要由校直機構、送料機構、變徑機構、節距變更機構和切斷機構五個部分組成。

（1）校直機構位于送線架與送料滾輪之間，采用多輪擠壓校正原理，作用是消除鋼絲原有的彎曲變形，使鋼絲能挺直的進入送料機構，以提高卷簧的精度。

（2）送料機構是靠兩對送料輪壓緊鋼絲，以送料輪的旋轉帶動鋼絲直線前進的裝置。

（3）變徑機構是卷繞彈簧時，彈簧外徑的控制機構，由兩個頂桿和驅動頂桿的變徑凸輪組成。

（4）節距變更機構是控制彈簧節距的機構，由節距桿和變距凸輪組成。

（5）切斷機構是卷繞成形后，切斷鋼絲使彈簧落下的最后一個加工動作，切斷時通過切刀和芯軸來完成。

彈簧的種類很多，這里以應用最多的壓簧為例，說明其在彈簧機上的加工原理。

當制作彈簧的鋼絲經過校直機構和送料機構，順著導向板1上的槽向右前進，如圖1所示，碰上變徑機構頂桿3前端的圓弧槽時，依靠上、下頂桿的限位及導向作用使鋼絲成形。兩頂桿可在各自的滑槽中移動，通過變徑凸輪控制上、下頂桿的位置，就可控制彈簧圈徑的大小[1]。在鋼絲彎曲成簧圈的過程中，鋼絲接觸到節距變更機構上節距桿5的斜面，節距桿為垂直紙面的運動，即沿著彈簧卷繞成形的軸線方向移動，其作用是使卷繞的鋼絲形成螺紋升角。通過控制節距桿的位置，就可控制彈簧節距的大小，卷簧時，后一圈簧圈靠著已卷好的前一卷而成形。當一只彈簧卷繞完畢時，送料機構停止送料[2]，切斷機構用切刀4將鋼絲切斷，芯軸2則作為切刀切鋼絲時的一個支承。如此往復運轉就實現了彈簧的自動成形。通過送線滾輪，上、下頂桿，節距桿及切刀的組合運動，可卷繞變圈徑、變節距等各種形狀的圓形壓簧。

2 數控彈簧機的電氣控制系統

數控彈簧機與傳統的機械彈簧機相比，應當效率更高，所生產彈簧精度更高，質量更穩定，有效降低對操作工的技術要求，需要加工不同品種的彈簧時，只需操作工在計算機上填入相應的參數，通過程序控制協調各機構的動作，就可圈繞出所需要的彈簧。本文所指三軸數控彈簧機，可以制作彈簧規格為0.6～3.0 mm的線型材柱形、塔形、腰形簧等，最大外徑50 mm，送線精度要求±0.1mm，整機功率不大于8.5 kW，自重不大于1 500 kg，具有良好的人機界面，安全性能符合國家標準。

為了滿足以上功能要求，數控彈簧機的電氣控制系統主要由電腦控制器系統和伺服驅動系統組成。系統總體控制如圖2所示。

（1）電腦控制器系統

電腦控制器系統由彈簧機專用電腦控制器、顯示裝置、操作面板、鍵盤、手搖輪以及起輸入輸出控制作用的I板和O板組成。電腦控制器是整個電氣控制系統的核心。

為使數控彈簧機工作穩定可靠，維修更換方便，選用現成的數控系統，即采用彈簧機專用三軸電腦控制器。具有以下主要特點：（1）采用閉環控制方式，使控制精度更高；（2）系統硬件高度集成化，使故障率降到最低，穩定性大大提升；（3）不用停機可以修改加工程式，可以隨時通過轉手搖輪改變機器速度；（4）全面的安全設計：1）急停時切斷伺服馬達Servo On信號；2）電機過速系統提前報警；3）安全門保護；4）無料斷料、線架異常有停機保護；5）故障報警自動停機；6）線架隨動。

（2）伺服驅動系統

通過分析彈簧加工原理，知道送料機構只是一個簡單的齒輪傳動，變徑機構中上、下頂桿是由變徑凸輪來驅動的，節距變更機構中的節距桿可直接采用電機連接滾珠絲桿來驅動，而切斷機構也只是一個簡單的凸輪傳動[3]，且與變徑機構不會同時工作，只是在一只彈簧卷繞完成時，變徑結束，上下頂桿歸位的同時將彈簧絲切斷的，所以可與變徑機構共用一個電機，通過曲軸連桿去帶動切刀運動來實現。因此采用伺服控制技術，通過伺服系統驅動使這幾個機構獨立運動，取代傳統的機械型彈簧機靠一個原動力拖動各機構機械聯動的驅動方式，達到各機構的高運動精度要求。

綜上所述，要對X，Y，Z三軸的運動進行精確的控制，其中，X軸為變徑機構凸輪軸，控制兩個頂桿的位置；Y軸為送料機構齒輪軸，送線長度可以無限；Z軸為節距變更機構轉芯軸，為垂直紙面的運動，即沿著彈簧卷繞成形的軸線方向移動，Z軸上有三個接近開關，分別代表節距桿的前限位、原位和后限位。凸輪軸X和轉芯軸Z開機后都必須歸零，送線軸Y不需要回零。彈簧加工程序結束后右旋彈簧由X軸伺服電機帶動凸輪、連桿傳動至上切刀連接軸，切刀下行切斷。

為配套數控彈簧機需專門設計自動送線架，以將彈簧鋼絲順利送入彈簧機校直機構。自動送線架在工作過程中會點動送線、手動勻速送線和自動調節送線速度并且能夠正反轉，使彈簧機和送線架的送線速度保持同步，當料盤上發生鋼絲纏線或斷線時，會發出報警信號并自動停機。由于對送線架的運動精度要求相對低一些，同時為了降低設備整機成本，驅動送線架可用普通的三相異步電動機，由變頻器進行模擬量控制。自動料架送線速度利用一個擺桿來調節。在擺桿的擺動范圍內放置三個接近開關，即擺桿的初始位置，中間位置和極限位置。當擺桿在初始位置時，對應速度為零；中間位置對應變頻器的由低到高兩個速度；若料盤上的鋼絲纏住時，料盤電機拖動鋼絲使擺桿達到極限位置，則極限開關斷開主機控制料架電機的使能信號，同時發出報警信號。故障解除后，從原中斷處繼續卷繞，使該段彈簧鋼絲不被浪費。

經過計算分析，選用以下四臺電動機拖動：

1）X軸（凸輪軸）伺服電機M3(2.9 kW)；

2）Y軸（送線軸）伺服電機M4(4.4 kW)；

3）Z軸（轉芯軸）伺服電機M5(0.85 kW)；

4）料盤電機M6(1.5 kW)。

X、Y、Z三軸伺服電動機分別由X、Y、Z伺服驅動單元控制。

M6用于拖動送線架，為普通三相交流異步電動機，由變頻器控制。

（3）根據要求繪制控制電路圖

本設備控制電路部分采用單相交流電。由于設備在長時間工作的過程中，會出現發熱和運動副之間的摩擦，故在設備上要增加風扇M2和油泵M1用于冷卻和潤滑。這兩臺電機均為0.75 kW，直接在控制電路上工作。為了表示彈簧機控制系統啟動與否，用紅色HL1和綠色HL2兩個指示燈分別表示系統停止和系統啟動兩種狀態。SB1是系統啟動按鈕，SB2是系統停止按鈕。KM1是系統啟動電源接觸器，KM2是伺服驅動系統電源接觸器。CNC控制器電源采用開關電源24 V供電。當夜晚或光線不好環境下工作時，可以手動打開工作指示燈H1。

圖3 系統控制電路原理圖

根據設計要求可設計出控制電路原理圖。如圖3所示。

全自動送線架由專門的線架電機驅動，受變頻器控制。變頻器通過I板向CNC控制器發送斷線等線架故障信號。其控制電路如圖4所示。

凸輪軸X和轉芯軸Z開機后都必須歸零，送線軸Y不需要回零。X軸原點、Z軸原點和Z軸前后限位用四個接近開關去檢測，位置檢測信號通過I板送到CNC控制器中。I板接線如圖5所示。CNC控制器通過O板發出凸輪軸X，送線軸Y，轉芯軸Z的伺服驅動信號（方向和速度），系統報警信號以及線架啟動信號。O板接線如圖6所示。

圖5 I板電路圖

（4）控制電路原理分析（見圖3-6）

在操作面板上，按下啟動按鈕SB1，KM1接觸器和KA中間繼電器線圈同時得電，KM1自鎖觸點閉合自鎖，主電路中KM1主觸點閉合，X、Y、Z交流伺服驅動器通電準備。同時KA常閉觸點斷開，常開觸點閉合，HL1系統停止指示燈（紅色）熄滅，系統啟動指示燈（綠色）亮起，如果之前電氣控制柜中的QF1、QF2、QF3已經閉合，那么此時油泵電機好M1，風扇電機M2就會啟動運行，對設備進行潤滑和冷卻；同時數控彈簧機電腦控制器得電啟動；開關電源工作，將單相220 V的交流電變成直流24 V供給用于輸入輸出控制的I板和O板單元。控制器通過接口電路數據線與I板和O板進行通信，采集I板上的X軸和Z軸的原點和前后限位信號，變頻器輸出給I板的斷線故障信號以及系統急停按鈕信號，經過控制器系統運算處理，輸出給O板，發出X、Y、Z三軸的伺服驅動信號分別給三個交流伺服驅動器，此時若沒有送線架報警信號，O板010端就輸出，使中間繼電器KA線圈得電，從而使串在變頻器控制電路正轉端的KA常開觸點閉合，變頻器輸出正轉信號給送線架電機，料盤啟動運轉，送線至機械部分的校直機構進行校直，送線架也可以手動操作使料盤啟動，通過SQ1，SQ2，SQ3三個行程開關輸入給變頻器端子輸入端，使料盤可以選擇高速或低速運轉，配合主機的彈簧送絲速度。當料盤上無料或是斷線時，行程開關檢測到后，變頻器立即輸出RA和RC線架報警信號給I板，控制器檢測到后立即發出急停信號并在顯示屏上顯示相應報警信息。

圖6 O板電路圖

3 結束語

數控彈簧機電氣控制系統除了上述硬件部分，還有軟件部分。實踐證明，在不同的彈簧加工環境中，只要編制工藝合理的加工程序，設置合適的系統參數、伺服驅動器參數和變頻器參數，就能穩定高效的生產出高質量的彈簧產品。

［1］葛惠民，張耀，黃文廣，等.五軸數控卷簧機控制系統［J］.輕工機械，2011，29（6）：59-62.

［2］王克，庫祥臣，李濟順.專家系統在編制彈簧卷繞工藝中的應用［J］.機床與液壓，2010，38（6）：4-6.

［3］丁士德.五軸數控卷簧機控制系統設計與實現［J］.電子工程師，2002，28（4）：34-37.

The Design of the Electrical Control System in the Three-Axis CNC Spring Machine

ZHOU Yong-qiang
（Luoyang Senior Technical School//Luoyang Vocational and Technical College，Luoyang471000，China）

With the development of industry and the increasing use of the high-quality spring，the accuracy of the spring machine itself has a direct impact on the accuracy of the spring it makes.In this paper，through an example of the three-axis CNC spring machine，starting with its structure principle，the author introduces the design and implementation of the electrical control system in the three-axis CNC spring machine.

CNC spring machine；electrical control；system design

TP273

A

1009－9492(2014)09－0114－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.031

周永強，男，1982年生，河南洛陽人，碩士研究生，講師。研究領域：數控維修及PLC應用。已發表論文2篇。 (編輯：向飛)

2014－04－01