五軸數控卷簧機控制系統設計與實(shí)現

1　引　言

彈簧是機械行業(yè)的通用零部件，用途十分廣泛。工業(yè)的發(fā)展，刺激了彈簧的需求，同時(shí)也對彈簧加工設備提出了更高的要求。以往的加工設備多為純機械式卷簧機，構造復雜，而功能卻較單一，調試繁瑣，加工精度又難以提高。因此，開(kāi)發(fā)新的卷簧機產(chǎn)品，刻不容緩。

計算機技術(shù)的發(fā)展為改造傳統產(chǎn)業(yè)提供了有效手段，我們與某彈簧公司合作開(kāi)發(fā)的8 mm五軸數控卷簧機，填補了國內空白，替代了進(jìn)口產(chǎn)品。該產(chǎn)品榮獲了江蘇省科技進(jìn)步獎、全國新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會(huì )金獎等獎項。

2　機器工作原理

彈簧的種類(lèi)較多，如壓簧、拉簧、扭簧等，這里我們只介紹用途最廣泛的壓簧成形機的工作原理。

成形機構如圖1所示。利用一對或幾對滾輪壓住鋼絲并旋轉，推動(dòng)鋼絲向右運動(dòng)，依靠上、下圈徑桿的限位及導向作用使鋼絲成形。上、下圈徑桿可在各自的滑槽中移動(dòng)，通過(guò)控制上、下圈徑桿的位置，就可控制彈簧圈徑的大小。節距桿為垂直紙面的運動(dòng)，其作用是使卷繞的鋼絲形成螺紋升角。通過(guò)控制節距桿的位置，就可控制彈簧節距的大小。當卷繞完畢時(shí)，用切刀將鋼絲切斷。芯軸則作為切刀切鋼絲時(shí)的一個(gè)支承。

通過(guò)送線(xiàn)滾輪，上、下圈徑桿，節距桿及切刀的組合運動(dòng)，可卷繞變圈徑、變節距等各種形狀的圓形壓簧。對機械卷簧機來(lái)說(shuō)，因只有一個(gè)動(dòng)力，各作用桿完全靠齒輪、凸輪、離合器等機構實(shí)現聯(lián)動(dòng)，結構復雜，調整費時(shí)。每更換一個(gè)品種，都經(jīng)常需要修整凸輪形狀，對操作工的技術(shù)水平要求高，特別是，送線(xiàn)長(cháng)度的調整范圍依賴(lài)于一個(gè)扇形齒輪的大小，這就限制了彈簧的展長(cháng)。在扇形齒輪回行時(shí)，還需采用離合器脫開(kāi)送線(xiàn)滾輪，不僅增加了噪音，還降低了送線(xiàn)精度。 為了宜于電腦控制，我們對卷簧機的機械結構進(jìn)行了徹底改造。首先，將各運動(dòng)機構獨立，各采用一個(gè)伺服電機控制，如送線(xiàn)機構只是一個(gè)簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)，送線(xiàn)長(cháng)度可以無(wú)限；上、下圈徑桿及節距桿直接采用電機連接滾珠絲桿來(lái)驅動(dòng)；切斷機構也只是一個(gè)簡(jiǎn)單的凸輪傳動(dòng)，除進(jìn)行一般的剪切外，還可匹配上下切刀進(jìn)行扭切，以解決大線(xiàn)徑、小旋繞比的彈簧剪切。 操作者需要加工不同品種的彈簧時(shí)，對數控卷簧機而言，只需在計算機上填入相應的參數，通過(guò)程序控制協(xié)調各機構的動(dòng)作，就可圈繞出所需要的彈簧。

3　控制系統的硬件構成

一個(gè)好的機電系統，應該是整機造價(jià)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(yōu)。把這種設計思想落實(shí)到具體的硬件設計上，就是盡量選用現成的系統和板卡，必須自行設計的線(xiàn)路板則使之功能化和模塊化，以提高整機的可靠性和可維護性。通過(guò)工程實(shí)踐，我們感到，這對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。硬件系統的功能模塊如圖2所示。

3．1　數控系統

數控系統包括pc總線(xiàn)工業(yè)控制計算機、外購板卡及自行設計的控制和接口卡。

3．1．1　工控機

主機采用了最早進(jìn)入大陸的臺灣研華公司的80486／100主板與機箱，內插兩塊板卡，一塊是144位數字量i／o卡，分成六個(gè)主端口，每個(gè)端口仿真一個(gè)8255可編程外設接口，但能提供比8255更好的驅動(dòng)能力；另一塊是兩路隔離的12位d／a輸出卡，提供±10v的驅動(dòng)電壓，用來(lái)控制送線(xiàn)系統及切斷系統的電機速度。

3．1．2　位置控制板及檢測板

位置控制板用于完成伺服系統位置環(huán)路的閉環(huán)控制，見(jiàn)圖3。其中，上圈徑板、下圈徑板、節距板的硬件構成完全一樣，采用十六位單片機8096作為處理及控制器，與工控機擴展接口為24位數據通道及中斷等控制信號，與伺服驅動(dòng)器的接口為±10v模擬輸出、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(xiàn)和切斷位置檢測板的主要作用是測量各自的編碼器信號，經(jīng)變換處理后送入主機端口。由于送線(xiàn)和切斷不會(huì )同時(shí)進(jìn)行，故該端口可以復用。

3．2　伺服系統

伺服系統包括伺服驅動(dòng)器和伺服電機。為了提高整機性能及可靠性，我們采用了德國西門(mén)子公司許可證生產(chǎn)的交流伺服系統。由于在控制環(huán)路的設計上，位置環(huán)路的控制在伺服系統中完成（這樣做可靈活地選擇一些算法，適應整機對控制系統的要求），為了降低成本，我們選擇了只有電流環(huán)和速度環(huán)的晶體管脈寬調制變頻器和矩形波電流驅動(dòng)的永磁交流伺服電機。系統的調速比為1：10000，反應時(shí)間20毫秒。

3．3　分選系統

分選系統的作用有兩個(gè)，一個(gè)是鋼絲缺陷剔除，一個(gè)是彈簧自由高度分選。系統框圖如圖4所示。

3．3．1　鋼絲缺陷剔除

鋼絲從送料盤(pán)送出后，先進(jìn)入磁探傷機，利用渦流原理檢測鋼絲有無(wú)缺陷。探傷機檢測點(diǎn)與卷簧機切斷點(diǎn)的位置是固定的。探傷機檢測到鋼絲缺陷后，向分選系統發(fā)出一中斷請求信號，分選系統立即啟動(dòng)計數器，對安裝在主機送線(xiàn)滾輪上的旋轉編碼器進(jìn)行計數，一旦超過(guò)規定的長(cháng)度，切下的彈簧將視為廢品。在實(shí)際過(guò)程中，考慮到探傷機檢測點(diǎn)與卷簧機切斷點(diǎn)之間的長(cháng)度內會(huì )出現數個(gè)缺陷，因此在處理器內預留了一組單元，機器運轉時(shí)，每切下一個(gè)彈簧，就將各缺陷的位置處理刷新。

3．3．2　彈簧自由高度分選

在主機卷繞彈簧時(shí)，分選機控制氣缸將探針推至需要的位置，當彈簧接觸到探針時(shí)，分選機立即通知主機停止送線(xiàn)，同時(shí)將該彈簧鋼絲展長(cháng)與標準值比較，只有在偏差范圍內才為合格產(chǎn)品，否則為超長(cháng)或超短，并將結果通知分選系統。操作者可以根據所加工彈簧要求的精度來(lái)設定偏差范圍，若主機設定成自動(dòng)修正，則數控系統根據前一個(gè)彈簧的加工結果，自動(dòng)修正進(jìn)刀量，使得彈簧的自由高度滿(mǎn)足要求。亦可設定成手工修正，由操作者改變彈簧的加工參數。若連續加工幾個(gè)彈簧均不合格，主機停機并告警。

分選系統的控制器為8051系列單片機，采用薄膜鍵來(lái)設定工作參數，通過(guò)控制步進(jìn)電機旋轉不同的角度，把彈簧送入不同的料倉，如合格、超長(cháng)、超短、材料缺陷等四個(gè)位置，以達到分選目的，并將各自統計的結果用數碼管顯示出來(lái)。

3．4　輔助送料系統

輔助送料系統框圖如圖5所示。

普通的料架是利用主機送線(xiàn)滾輪拖動(dòng)鋼絲使料盤(pán)轉動(dòng)進(jìn)行送料的，這增加了主機的負擔，容易使滾輪打滑，影響送線(xiàn)精度。而自動(dòng)料架則利用一個(gè)擺桿來(lái)調節送線(xiàn)速度。我們在擺桿的擺動(dòng)范圍內放置四個(gè)接近開(kāi)關(guān)，即擺桿的初始位置，二個(gè)中間位置和一個(gè)極限位置。當擺桿在初始位置時(shí)，對應速度為零，二個(gè)中間位置對應變頻器的三個(gè)速度，由慢到快，若盤(pán)圓上的鋼絲纏住時(shí)，主機拖動(dòng)鋼絲使擺桿達到極限位置，則極限開(kāi)關(guān)斷開(kāi)主機伺服電機的使能信號，同時(shí)發(fā)出報警信號。故障解除后，主機從原中斷處繼續卷繞，使該彈簧不被浪費。4　軟件設計

對于工業(yè)控制來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的軟件設計應該是操作界面簡(jiǎn)潔，資源利用合理，控制功能完備，一切都以適應機器的特點(diǎn)和需要為設計原則。

4．1　簡(jiǎn)便直觀(guān)的操作界面

進(jìn)口的數控卷簧機大都采用通用機床的數控系統，不僅操作復雜，而且軟件資源的配置不甚合理。我們則根據卷簧機的加工特點(diǎn)，界面設計力求簡(jiǎn)潔明了，全部采用中文提示下的表格輸入方式，操作者只須根據每項名目填入相關(guān)參數即可。

工作主畫(huà)面的布局如圖6所示，總共分五個(gè)區，下面對各區內容分別加以介紹。

（1）綜合參數區
包括彈簧代號、材料種類(lèi)、鋼絲直徑、送線(xiàn)速度、生產(chǎn)數量、總產(chǎn)量等。
（2）彈簧尺寸參數區
包括旋向、圈徑、節距、有效圈數、總圈數。對于異形彈簧，圈徑、節距需要分段輸入。
（3）彈簧圖形顯示區
當彈簧的參數被輸入好后，自動(dòng)生成彈簧圖形，操作者可通過(guò)彈簧的形狀來(lái)判斷輸入數據的正確性。
（4）機器調整參數區
上圈徑、下圈徑、節距等各軸偏移量設置及各軸累計偏移量的顯示。
（5）提示區包括參數輸入錯誤提示、操作步驟提示、機器工作狀態(tài)提示、故障告警提示等。

4．2　合理利用硬件資源

根據彈簧成形的過(guò)程特點(diǎn)，我們采取了主從控制方式，即送線(xiàn)軸為主動(dòng)軸，其余軸為跟隨軸，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(huán)控制。在每一插補周期，主機通過(guò)檢測出送線(xiàn)長(cháng)度，實(shí)時(shí)地計算出各運動(dòng)機構對應的幾何位置，同時(shí)根據鋼絲材料的機械性能算出鋼絲在該圈徑和節距處所對應的彈性恢復量。最后，得出各軸的實(shí)際位移量，再將這些位移數據送到各端口，并發(fā)出同步信號，通知各軸取走。各軸的控制器定時(shí)取出新的位置數據，同時(shí)與檢測出的實(shí)際位置進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)運算后，將控制量送入伺服系統。由于軸控制器采用8096單片機，具有較強的處理和控制功能，我們在進(jìn)行多種算法實(shí)驗后，采用變比例系數同時(shí)進(jìn)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。

4．3　完善的操作及控制功能

我們在軟件設計過(guò)程中始終遵循這樣一個(gè)原則，就是盡量發(fā)揮計算機的作用，減輕人的負擔，提高機器的工作效率。

首先，操作者在輸入彈簧參數時(shí)，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(dòng)形成的彈簧圖形直觀(guān)地幫助操作者盡快查出錯誤的數據。同時(shí)，自動(dòng)形成的加工數據和補償量降低了對操作者技術(shù)水平的要求。

其次，無(wú)論是在彈簧的調試過(guò)程中還是在連續卷繞過(guò)程中，計算機針對各種情況都給予提示。在調試階段給出調試步驟，如滾輪加壓、齒輪換檔、位移修正、零點(diǎn)搜索、單軸運行、單件加工、連續運轉等。正常加工時(shí)，機器遇特殊情況停機，也給出相應提示，如產(chǎn)量完成、無(wú)料、料架故障、無(wú)潤滑油、伺服超差、電機過(guò)熱、廢品過(guò)多等，使操作者縮短調試和解決問(wèn)題的時(shí)間。

第三，系統設計靈活，可根據用戶(hù)需要進(jìn)行選擇，而不需變更硬件或軟件。例如，主機可通過(guò)聯(lián)機開(kāi)關(guān)建立與輔助送料及分選等系統的信號聯(lián)鎖關(guān)系，構成一個(gè)完整的加工系統。亦可獨立地進(jìn)行卷簧機的單機加工。這樣做的好處是，既可采用其他廠(chǎng)家的輔助設備，又可在自己的輔助系統發(fā)生故障時(shí)，輕松地將其隔離，而不致影響主機的工作。

4．4　主機系統軟件框圖

整個(gè)軟件設計是按前后臺類(lèi)型來(lái)考慮的。前臺軟件是一個(gè)中斷服務(wù)程序，用于計算各機構幾何位置及鋼絲材料的變形補償，以實(shí)現位控及相關(guān)邏輯功能。這里，送線(xiàn)輪每走一個(gè)步長(cháng)，即啟動(dòng)一次中斷信號。后臺軟件則實(shí)現人機界面，數據處理及監控管理等功能。整個(gè)程序框圖如圖7所示。

5　結束語(yǔ)

由于數控卷簧機具有普通機械卷簧機不可比擬的優(yōu)越性，使得越來(lái)越多的彈簧加工企業(yè)愿意采用它，但目前該領(lǐng)域卻是國外及臺灣的產(chǎn)品一統天下。因此，希望本文能起到拋磚引玉的作用，引起行家們的興趣，共同為振興民族工業(yè)而努力。