集成化數控系統在高速六軸數控卷簧機的開發應用

穆鍵，顏夕秋

(南京林業大學，江蘇 南京 210037)

0 前言

我國彈簧設備的研制和生產，已有一定的歷史，早期生產的彈簧設備大多為機械傳動、機械式控制，產品的整體品質和精度都受到限制。近些年來，隨著數控技術的應用領域不斷擴大發展，已有多種數控卷簧機問世。目前數控卷簧機的控制系統主要采用數控銑床或數控加工中心的五軸系統。控制電路，數據處理單元與卷簧機械的執行部件結合尚不理想，不僅存在著價格昂貴、功能不全等缺陷，而且操作界面復雜，使用不便。本項目與相關企業合作，通過研制集成于數控系統內部的多功能接口功能模塊，將CAD/CAPP/CAM 軟件集成于數控系統內部，研制出六軸卷簧機數控系統，其操作性和功能性優良，不僅能滿足高速卷簧機數控化的需要，且具有高性價比。

1 技術原理

1.1 機器工作原理

卷簧機成形機構部分包括送料、上、下、側圈徑桿、節距桿、切斷、芯軸等運動軸，如圖1 所示。既可加工等直徑、等節距，也可加工變直徑彈簧。送料長度與圈徑和節距軸之間有確定的位置關系。等直徑時，彈簧直徑由圈徑保持恒定，彈簧螺距的控制由節距軸向前移動位置與送料長度協調來實現，變徑彈簧同時還要協調控制圈徑軸的位置，切斷軸的移動位置的精確控制可保證彈簧長度的精度。而目前的數控卷簧機采用的是數控銑床或加工中心的控制系統，雖然解決了變換產品規格的凸輪調整問題(五軸數控卷簧機需要保留一套凸輪調整機構)，但產品數據更新較困難，操作不便。工作前，根據彈簧的線徑、外徑、長度、螺距等，先進行彈簧特征數據編輯，輸入的彈簧特征數據計算出各軸間的相互關系，在運行時由各伺服系統分別實現各自的位置實時控制。

1.2 本項目主要研究、解決以下幾個問題

1)配置了性能優良的數控系統包括專用工業控制器和一體化板卡及控制接口卡;

2)研制了集成于數控系統內部的CAD/CAPP/CAM一體化軟件及相互連接的接口功能模塊;

圖1 卷簧機工作原理圖

3)實現了數控系統間雙向互交式數據交換和通信傳輸;

4)移植了實時多任務操作系統;

5)建立了卷簧工藝數據庫和產品模型數據庫;

6)改造了現有的數控五軸卷簧機，增加了一個控制軸，實現六軸數控，增加了機械原點的設定，提高了卷簧機綜合技術性能。

2 關鍵技術的研究

1)面向制造的CAD 技術。包括智能識別、圖像矢量化、CAD 與CAPP 集成技術等。

2)面向制造的CAPP 技術。包括路徑優化、步驟優化、CAPP 與CAM 集成、工藝數據庫的建立和管理技術等。

3)基于CAD 與CAPP 信息集成的CNC 技術，主要是與CAD/CAPP 集成系統的接口和互交的技術(基于STEP標準擴展的接口和互交技術)、一體式數控系統設備的研制技術和實時技術等。

4)本項目開發的INC 系統的整體工作流程如圖2 所示，可分為6 個子部件模塊:輔助設計(CAD)、輔助工藝(CAPP)、優化決策、數控加工(CNC)、系統監控和數據庫。

圖2 數控系統工作流程圖

5)選用具有網絡化功能的一體式數控系統，并成功地移植到高速六軸數控卷簧機。

6)開發卷簧機產品的數字模塊，實現在零件實體模型上直接進行數控編程，并實現圖形模擬仿真，使編程操作簡單、直觀，易學易用。

7)對現有的數控五軸卷簧機進行改造，增加機械坐標原點的設定，對實際送線長度進行測控和自動補償，提高卷簧機整體防護等，有效地提升產品的綜合性能。

3 項目的研制情況

3.1 項目主要實施的內容

1)本項目開發出基于STEP2NC 標準的數據模型，其中包含了加工工件的所有任務，基本原理是基于制造特征進行編程，而不是直接對卷簧的成型部件與工件之間的相對運動進行編程。這樣，CNC 系統可以直接從CAD 系統讀取STEP 數據文件，避免了由于數據類型轉換而可能導致的精度降低問題。

2)網絡化一體式數控系統以中央處理器為控制單元，并在其基礎搭建伺服控制單元、PLC 單元、通信單元、顯示單元、數據鍵入單元等模塊。通信部分包含數控系統內CNC 主控單元與伺服驅動及I/O 邏輯控制等各單元間通訊。

3)卷簧機的數控系統與上層管理PC 之間的通信，方便快捷地與數控卷簧機進行信息交換和控制。

4)解決機械結構設計與數控系統設計的關聯，處理好整體設計的優化問題。

5)驅動單元的設計。為提高系統的可靠性和穩定性，設計相應的驅動電路，保證可靠的動力加載和產品的精度。

6)彈簧的參數化輸入與人機操縱界面設計。

3.2 設計路線

篩選最佳的一體數控系統→開發各功能模塊的接口技術→研制互交式通信接口→移植實時多任務操作系統→設計卷簧機用數據庫→數控卷簧機改進設計→集成化系統的測試和檢驗。

傳統數控系統與CAD/CAPP 之間的數據是單向傳輸，現場對NC 程序的任何修改都無法直接反饋到CAD/CAPP 系統。生產NC 程序是記錄最初加工需求的信息容易丟失。而使用STEP2NC 可減少加工信息容易丟失的問題，實現雙向數據流動，能夠保存所做的修改，使零件程序和優化的加工描述及時地反饋到設計部門(CAD)，設計部門能清楚地了解到加工實況，獲得完整、連貫的加工過程數據，以便及時進行數據的調整和更新，生產效率將得到極大的提高，如圖3 所示。

圖3 加工過程的數據交換

為了適合數字控制，對卷簧機的機械結構進行了改造。將各運動機構獨立，各采用一個伺服電機控制，操作者需要加工不同品種的彈簧時，對數控卷簧機而言，只需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。

3.3 控制系統的硬件構成

一個好的機電系統，應該是整機造價便宜、指標分配合理、工作運轉可靠、維護更換方便，并在這些約束條件下達到性能最優。卷簧機系統控制部分的硬件由電氣控制的強電和計算機控制的弱電兩個部分，以及伺服系統、電氣控制柜和操作臺組成。硬件系統的功能模塊如圖4所示。

圖4 硬件系統的功能模塊

3.4 數控系統

數控系統包括專用工業控制器和一體化卡及控制接口卡。

3.4.1 處理單元

奔騰級處理器，各存儲器皆為固態器件，無可動器件;內插兩塊板卡，SIO 母卡(40 輸入/32 輸出);SCSI68Pin 連接線;標準操作面板;標準轉接板;繼電器板(20 輸入/16輸出)。

3.4.2 位置控制板及檢測板、軸控卡

1)5Pulse/6Vcmd 控制(Ver 2.0 以上);

2)主軸控制界面Pulse/Vcmd(Encoder Feedback);

3)類比輸出提供6 通道(±15Bits);

4)I/O 最高支援到256 輸入/256 輸出(使用串列傳輸);

5)提供4 軸原點檢測;

6)提供1 軸手輪+/－ 31Bits 控制信號;

7)最大提供6 軸斷線檢查(Ver 2.0 以上)。

位置控制板用于完成伺服系統位置環路的閉環控制，見圖5。其中，上圈徑板、下圈徑板、側圈徑板、節距板的硬件構成完全一樣，與工控擴展接口為24 位數據通道及中斷等控制信號，編碼器信號檢測和一些I/O 控制信號，如伺服準備好、使能、速度到、故障報警等。送線和切斷位置檢測板的主要作用是測量各自編碼器信號，經變換處理后送入主機端口。由于送線和切斷不會同時進行，故該端口可以復用。

圖5 閉環連接的位置控制板

3.5 伺服系統

為了提高整機性能及可靠性，伺服系統采用交流伺服驅動器和伺服電機。由于在控制環路的設計上，位置環路的控制在伺服系統中實現。

3.6 軟件設計

對于工業控制來說，一個好的軟件設計應該是操作界面簡潔，資源利用合理，控制功能完備，一切都以適應機器的特點和需要為設計原則。在軟件設計過程中始終遵循這樣的一個原則，就是盡量發揮計算機的作用，減輕人的負擔，提高機器的工作效率。具體功能要求為:

1)窗口式操作，整個編輯、調試、運行過程都有漢字提示，如:位移修正、回原點、單軸運行、單件加工、連續運轉、無料、料架故障、伺服超差、電機驅動器故障等;

2)提供人工輸入、編輯、修改、刪除、儲存彈簧特征數據功能，參數表格輸入方式、菜單顯示;

3)加工過程實時顯示各軸的位置、速度、加工個數、時間及實時運行狀況等;

4)手動運行功能，快速點動各軸進給、回機械原點;

5)自動(步進、連續)加工工作形式;

6)六軸聯動功能;

7)自動診斷保護功能;

8)用戶服務功能，如文件管理、在線幫助。

3.6.1 合理利用硬件資源

根據彈簧成形的過程特點，采取了主從控制方式，即送線軸為主動軸，其余為跟隨軸，并在硬件的設計上構成二級控制。主計算機主要用于數據的運算和處理，單片機則完成相應軸的位置閉環控制。在每一插補周期，主機通過檢測出送線長度，實時地計算出各運動機構對應的幾何位置，同時根據鋼絲材料的機械性能，算出鋼絲在該圈徑和節距處對應的彈性恢復量。最后，得出各軸的實際位移量，再將這些位移數據送到各端口，并發出同步信號，通知各軸取得數據。各軸的控制器定時取出新的位置數據，與檢測出實際位置進行比較，經過運算后，將控制量送入伺服系統。由于軸控制器采用獨立處理單元，具有較強的處理和控制功能，在進行多種算法實驗后，采用變比例系數同時進行積分處理的控制算法，使伺服系統具有快速的跟蹤性能和較高的定位精度。

3.6.2 完善的操作及控制功能

1)操作者在輸入彈簧的參數時，計算機均給予提示，并給出數據范圍，而且依照輸入參數自動形成的彈簧圖形直觀地幫助操作者盡快查出錯誤的數據。同時，自動形成的加工數據和補償量降低了對操作者技術水平的要求。

2)無論是在彈簧的調試過程中還是在連續卷繞過程中，計算機針對各種情況都給予提示。

3)系統設計靈活，可根據用戶需要進行選擇，而不需要變更硬件或軟件。例如，主機可通過聯機開關建立與輔助送料及分選等系統信號聯鎖關系，構成一個完整的加工系統。亦可獨立地進行卷簧機的單機加工。這樣做的好處是，既可采用其他廠家的輔助設備，又可在自己的輔助系統發生故障時，輕松地將其隔離，而不影響主機的工作。

3.6.3 主機系統框圖

整個軟件設計是按前后類型來考慮的。前臺軟件是一個中斷服務程序，用于計算各機構幾何位置及鋼絲及鋼絲材料的變形補償，以實現位控及相關邏輯功能。送線輪每走一個步長，即啟動一次中斷信號。后臺軟件則實現人機界面，數據處理及監控管理等功能。整個程序框圖如圖7 所示。

圖7 主機系統軟件框圖

4 應用前景

我國彈簧行業的多數廠家所用的設備還比較落后，尤其國營老企業設備陳舊落后現象更為嚴重，生產出來的彈簧各項指標差異性很大，與工業發達國家的差距較為明顯。

彈簧制造技術直接影響彈簧品質。隨著科技的不斷進步和機械設備性能的不斷提高，對產品的要求越來越高。但是目前國內的生產設備不夠齊全，跟不上當前彈簧生產的需要，影響了彈簧產品品質。

據行業統計，目前國內有規模的彈簧企業約500 家以上。本項目的成功，將會有較大的市場需要，僅鹽城海旭彈簧廠的年需求量就有80～100 套。通過在行業中推廣，力爭產品的覆蓋面達到50%以上。采用本系統，可以提高工效，增加產品的經濟價值和市場競爭力，可實現新增產值5 000 萬元，利稅1 000 萬元的預期目標。

5 結語

彈簧行業在中國的整個制造業中雖然是一個小行業，但其所起到的作用絕對不可低估的，作為基礎件、零部件制造業之一的彈簧行業就更加需要有一個發展的超前期，才能適應國家工業整體快速發展。彈簧產品規模品種的擴大、品質的提高，也是機械設備更新換代的需要和配套主機性能提高的需要。因此，在國家工業的發展中，彈簧產品品質的提高占有不可忽視的地位。隨著我國的火車、汽車、拖拉機、摩托車、助力車及電氣工業的不斷發展，彈簧的品種也在逐漸增多，數量在不斷增加。

本項目擬在今后對人機界面進一步優化，采用3D 圖形，增強視覺效果，并改進操作縱面板的設計，不僅使其操作更加便捷、實用、而且美觀。進一步拓展系統的網絡通訊功能。

［1］汪曾祥，魏先英，劉祥至.彈簧設計手冊［M］.上海:上海科學技術文獻出版社，1986.

［2］臺灣寶元數控新代系統SYNTEC CNC 應用手冊V10.1［S］.新代科技，2006.

［3］臺灣新代系統PLC 編輯手冊OpenCNC_PLC 發展工具操作手冊［S］.新代科技，2006.