淺談卷簧機(jī)自動(dòng)卷制設(shè)計(jì)改造

（中車貴陽(yáng)車輛有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550017）

中車貴陽(yáng)車輛有限公司彈簧事業(yè)部第四卷簧生產(chǎn)線卷簧機(jī)均為20多年前事業(yè)部自行設(shè)計(jì)制造，一直沿用至今。主要是通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)、減速齒輪箱輸出，帶動(dòng)卷簧工裝（芯軸、導(dǎo)軌）旋轉(zhuǎn)，凸輪控制器與變阻器調(diào)速及旋向控制進(jìn)行彈簧卷制，手動(dòng)換向閥控制氣缸進(jìn)行退芯動(dòng)作，取出彈簧。基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，卷簧機(jī)的控制受到局限，操作方式一直是專人人工操作，人工操作頻繁且定位準(zhǔn)確性難以保證，對(duì)工作的連續(xù)性和產(chǎn)品一致性都有影響，難以適應(yīng)今后產(chǎn)量、質(zhì)量要求的不斷提升，以及減少人員，提高勞動(dòng)效率的要求，此外，開機(jī)操作者與卷簧操作者必須配合協(xié)調(diào)，否則，容易造成廢品甚至出現(xiàn)工傷事故。

1 現(xiàn)狀分析

老式卷簧機(jī)由機(jī)架、三相異步電動(dòng)機(jī)（功率15kW）、皮帶輪（外徑φ350）、齒輪箱（速比15：1）、氣缸（缸徑320mm，行程500mm）、變阻器、凸輪控制器等組成，主要是通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)、減速齒輪箱輸出，帶動(dòng)卷簧工裝（芯軸、導(dǎo)軌）旋轉(zhuǎn)，凸輪控制器與變阻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及旋向進(jìn)行彈卷制。

2 改造要求

設(shè)備主體結(jié)構(gòu)和工作原理不變，對(duì)控制系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)不用人工操作，卷簧操作工將棒料放入鉗口處，踩下啟動(dòng)信號(hào)、卷簧過(guò)程、退簧過(guò)程，定位過(guò)程全部自動(dòng)完成。

3 改造方案

3．1 機(jī)械部分

（1）氣缸狀態(tài)良好且滿足設(shè)計(jì)要求不做改造，沿用原設(shè)備。（2）保留原有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝位置，重新設(shè)計(jì)加工與伺服電機(jī)匹配的電機(jī)座。伺服電機(jī)安裝支架采用垂直方式，方便上下調(diào)節(jié)同步帶松緊。（3）原驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與齒輪箱之間的傳動(dòng)輪及皮帶更換為同步帶輪和同步帶做動(dòng)力傳遞。（4）更換齒輪箱輸入軸，以便安裝同步帶輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接。

3．2 電氣部分

（1）將原有的普通三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為15KW伺服電機(jī)配套伺服驅(qū)動(dòng)器，電控系統(tǒng)采用可編程控制器配套人機(jī)交互式觸摸屏。卷簧過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)均可通過(guò)觸控屏進(jìn)行修改調(diào)整且見面清晰易控，易于操作。（2）卷簧過(guò)程中芯軸啟動(dòng)、進(jìn)退、回原點(diǎn)等動(dòng)作由卷簧操作工人通過(guò)腳踏開關(guān)配合電磁閥、感應(yīng)式接近開關(guān)完成。

4 部件選型

（1）此次改造的關(guān)鍵部件為可編程控制器（PLC），伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、人機(jī)觸摸屏以及外圍的感應(yīng)式接近開關(guān)、電磁閥、同步帶輪、同步帶。伺服電機(jī)（型號(hào)200STM90015HFB）米格產(chǎn)品、驅(qū)動(dòng)器（型號(hào)DO-1000）采用歐德、可編程控制器（型號(hào)XDM-32T4）和人機(jī)互動(dòng)觸控屏（型號(hào)：TGA63-MT）采用信捷產(chǎn)品，均為國(guó)產(chǎn)品牌，性價(jià)比高、生產(chǎn)周期短、售后服務(wù)方便。

（2）感應(yīng)式接近開關(guān)主要控制卷簧芯軸的啟動(dòng)與退芯，一旦出現(xiàn)異常，則會(huì)卷制彈簧報(bào)廢，因此，采用歐姆龍產(chǎn)品，保證設(shè)備可靠性和耐用性。

（3）根據(jù)伺服電機(jī)功率15kW，扭矩96NM，選擇中心距8mm同步帶輪，主動(dòng)輪外徑φ120（電機(jī)端），被動(dòng)輪外徑φ304（齒輪箱端）。

（4）配電柜采用1700mm制式，加裝強(qiáng)制散熱風(fēng)扇，進(jìn)一步提升設(shè)備可靠性。

5 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

此次改造使用米格15kW伺服電機(jī)與DO-1000型伺服驅(qū)動(dòng)器配套使用電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接完畢，上位機(jī)（PLC）與驅(qū)動(dòng)器連接完畢后即可上電進(jìn)行設(shè)置驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)椴捎梦恢每刂疲}沖式）工作方式，屬于典型接線方式，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，具體如下：

圖1 同步帶輪主動(dòng)輪

圖2 同步帶輪被動(dòng)輪

PA5速度比例增益，主要調(diào)整電機(jī)剛性，直觀表現(xiàn)為取值過(guò)大，電機(jī)在靜態(tài)時(shí)會(huì)抖動(dòng)，設(shè)置值：300。

PA12位置指令脈沖分頻分子，設(shè)置值：3528。

PA13位置指令脈沖分頻分母，設(shè)置值：345。

這兩個(gè)參數(shù)取得方式主要是根據(jù)電機(jī)軸到卷簧軸之間的所有齒輪，以主動(dòng)輪和被動(dòng)輪齒數(shù)乘積取公約數(shù)而得出，該參數(shù)決定了卷簧芯軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的準(zhǔn)確性。

本次改造為例：三個(gè)被動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為：28、84、120；三個(gè)主動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為：23、25、48；被動(dòng)齒數(shù)相乘：28×84×120=282240；主動(dòng)齒數(shù)相乘：23×25×48=27600。

求取282240和27600兩數(shù)的最大公約數(shù)得出3528和345因此PA12設(shè)置值為3528，PA13設(shè)置值為345。

PA15位置指令取反，通過(guò)位置來(lái)確定電機(jī)正反轉(zhuǎn)，設(shè)置值：1。

PA41減速時(shí)間常數(shù)，通過(guò)設(shè)置可以減小從第一速度到第二速度時(shí)對(duì)電機(jī)的沖擊，設(shè)置值：400。

6 操作步驟

（1）如圖3所示，設(shè)備上電后，操作觸控屏上的“手動(dòng)正轉(zhuǎn)”或“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”，使主軸停留在正確的上料起始點(diǎn)。

圖3 觸摸屏操作按鈕

（2）如圖4所示，調(diào)整機(jī)體上原點(diǎn)接近開關(guān)的感應(yīng)金屬片，使原點(diǎn)接近開關(guān)燈亮，并固定好感應(yīng)金屬片，即原點(diǎn)設(shè)置完成。

（3）根據(jù)待卷彈簧的要求在觸控屏上設(shè)置好“繞簧圈數(shù)”“頭尾速度”“中間速度”“頭圈圈數(shù)”“尾圈圈數(shù)”，即參數(shù)設(shè)置完成。（4）啟動(dòng)腳踏開關(guān)，使設(shè)備在程序控制下空轉(zhuǎn)一兩個(gè)程序，如有需要時(shí)進(jìn)行某個(gè)卷制參數(shù)的修改與調(diào)整并確認(rèn)整個(gè)卷簧流程動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤。（5）正式上料生產(chǎn)。

圖4 主軸原點(diǎn)調(diào)整處

7 改造后的效果

（1）采用伺服系統(tǒng)控制后，設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卷制功能，生產(chǎn)線每班次減少一名開機(jī)人員，每年可節(jié)約人工成本14萬(wàn)元。（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改為伺服電機(jī)后，電機(jī)的速度可控性好，再配以人機(jī)界面，方便卷簧操作者進(jìn)行參數(shù)輸入，可以根據(jù)不同品種控制卷簧速度，同時(shí)卷簧過(guò)程中的速度也是可控的。此外，伺服電機(jī)的定位的精確性，可以大大提高工作起點(diǎn)的精度，使彈簧一致性得到提升。進(jìn)行一次交驗(yàn)合格率提升1.42%。（3）整個(gè)卷簧過(guò)程均由卷簧操作者一人執(zhí)行，不再需要與開機(jī)人員進(jìn)行配合作業(yè)，降低了操作過(guò)程中的配合失誤而造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，消除了安全隱患。（4）本次改造中采用的可編程數(shù)控系統(tǒng)中，預(yù)留了控制單元，為今后的生產(chǎn)線自動(dòng)化改造提供基礎(chǔ)，例如：自動(dòng)上料架改造等，整條生產(chǎn)線均可由該套數(shù)控系統(tǒng)完全控制，減少后期技改的費(fèi)用。（5）本次改造并沒有對(duì)原有手動(dòng)電控部件進(jìn)行拆除，而是對(duì)原控制設(shè)備進(jìn)行斷電斷氣處理，原三相異步電動(dòng)機(jī)保留在機(jī)體上，作為備用系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)一時(shí)難以修復(fù)的故障時(shí)，通過(guò)更換皮帶輪、原有三相異步電動(dòng)機(jī)接線，便可在20分鐘內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)，為生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。

8 建議

本次改造并未對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行全部更換，風(fēng)缸、芯軸連接軸、芯軸冷卻水套及軌道由于使用多年，都存在不同程度磨損，導(dǎo)致機(jī)械動(dòng)作執(zhí)行精度存在偏差。此外，伺服控制系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)能力較強(qiáng)，當(dāng)操作者對(duì)卷制工裝調(diào)試不到位時(shí)（例如，收尾間隙過(guò)小，棒料強(qiáng)行通過(guò)），系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，導(dǎo)致卷簧動(dòng)作無(wú)法執(zhí)行。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，建議逐步加工機(jī)械部件，利用節(jié)假日期間對(duì)機(jī)械部分實(shí)施改造，減少機(jī)械磨損造成的卷制誤差，進(jìn)一步提升彈簧的一次交驗(yàn)合格率。卷簧操作者也應(yīng)進(jìn)一步提升工裝的調(diào)試技能，降低伺服系統(tǒng)的過(guò)載報(bào)警次數(shù)，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。