五軸數(shù)控卷簧機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引　言

彈簧是機(jī)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(duì)彈簧加工設(shè)備提出了更高的要求。以往的加工設(shè)備多為純機(jī)械式卷簧機(jī)，構(gòu)造復(fù)雜，而功能卻較單一，調(diào)試繁瑣，加工精度又難以提高。因此，開(kāi)發(fā)新的卷簧機(jī)產(chǎn)品，刻不容緩。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為改造傳統(tǒng)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(shù)控卷簧機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)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(jiǎng)、全國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會(huì)金獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

2　機(jī)器工作原理

彈簧的種類較多，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(jī)的工作原理。

成形機(jī)構(gòu)如圖1所示。利用一對(duì)或幾對(duì)滾輪壓住鋼絲并旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)鋼絲向右運(yùn)動(dòng)，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(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(jié)距桿為垂直紙面的運(yùn)動(dòng)，其作用是使卷繞的鋼絲形成螺紋升角。通過(guò)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(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)送線滾輪，上、下圈徑桿，節(jié)距桿及切刀的組合運(yùn)動(dòng)，可卷繞變?nèi)健⒆児?jié)距等各種形狀的圓形壓簧。對(duì)機(jī)械卷簧機(jī)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整費(fèi)時(shí)。每更換一個(gè)品種，都經(jīng)常需要修整凸輪形狀，對(duì)操作工的技術(shù)水平要求高，特別是，送線長(zhǎng)度的調(diào)整范圍依賴于一個(gè)扇形齒輪的大小，這就限制了彈簧的展長(zhǎng)。在扇形齒輪回行時(shí)，還需采用離合器脫開(kāi)送線滾輪，不僅增加了噪音，還降低了送線精度。 為了宜于電腦控制，我們對(duì)卷簧機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了徹底改造。首先，將各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)獨(dú)立，各采用一個(gè)伺服電機(jī)控制，如送線機(jī)構(gòu)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)，送線長(zhǎng)度可以無(wú)限；上、下圈徑桿及節(jié)距桿直接采用電機(jī)連接滾珠絲桿來(lái)驅(qū)動(dòng)；切斷機(jī)構(gòu)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(duì)數(shù)控卷簧機(jī)而言，只需在計(jì)算機(jī)上填入相應(yīng)的參數(shù)，通過(guò)程序控制協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，就可圈繞出所需要的彈簧。

3　控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

一個(gè)好的機(jī)電系統(tǒng)，應(yīng)該是整機(jī)造價(jià)便宜、指標(biāo)分配合理、工作運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、維護(hù)更換方便，并在這些約束條件下達(dá)到性能最優(yōu)。把這種設(shè)計(jì)思想落實(shí)到具體的硬件設(shè)計(jì)上，就是盡量選用現(xiàn)成的系統(tǒng)和板卡，必須自行設(shè)計(jì)的線路板則使之功能化和模塊化，以提高整機(jī)的可靠性和可維護(hù)性。通過(guò)工程實(shí)踐，我們感到，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。硬件系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示。

3．1　數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)包括pc總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、外購(gòu)板卡及自行設(shè)計(jì)的控制和接口卡。

3．1．1　工控機(jī)

主機(jī)采用了最早進(jìn)入大陸的臺(tái)灣研華公司的80486／100主板與機(jī)箱，內(nèi)插兩塊板卡，一塊是144位數(shù)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(shè)接口，但能提供比8255更好的驅(qū)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(qū)動(dòng)電壓，用來(lái)控制送線系統(tǒng)及切斷系統(tǒng)的電機(jī)速度。

3．1．2　位置控制板及檢測(cè)板

位置控制板用于完成伺服系統(tǒng)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(jié)距板的硬件構(gòu)成完全一樣，采用十六位單片機(jī)8096作為處理及控制器，與工控機(jī)擴(kuò)展接口為24位數(shù)據(jù)通道及中斷等控制信號(hào)，與伺服驅(qū)動(dòng)器的接口為±10v模擬輸出、編碼器信號(hào)檢測(cè)和一些i／o控制信號(hào)，如伺服準(zhǔn)備好、使能、速度到、故障報(bào)警等。

送線和切斷位置檢測(cè)板的主要作用是測(cè)量各自的編碼器信號(hào)，經(jīng)變換處理后送入主機(jī)端口。由于送線和切斷不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故該端口可以復(fù)用。

3．2　伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。為了提高整機(jī)性能及可靠性，我們采用了德國(guó)西門子公司許可證生產(chǎn)的交流伺服系統(tǒng)。由于在控制環(huán)路的設(shè)計(jì)上，位置環(huán)路的控制在伺服系統(tǒng)中完成（這樣做可靈活地選擇一些算法，適應(yīng)整機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)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(diào)制變頻器和矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電機(jī)。系統(tǒng)的調(diào)速比為1：10000，反應(yīng)時(shí)間20毫秒。

3．3　分選系統(tǒng)

分選系統(tǒng)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(tǒng)框圖如圖4所示。

3．3．1　鋼絲缺陷剔除

鋼絲從送料盤送出后，先進(jìn)入磁探傷機(jī)，利用渦流原理檢測(cè)鋼絲有無(wú)缺陷。探傷機(jī)檢測(cè)點(diǎn)與卷簧機(jī)切斷點(diǎn)的位置是固定的。探傷機(jī)檢測(cè)到鋼絲缺陷后，向分選系統(tǒng)發(fā)出一中斷請(qǐng)求信號(hào)，分選系統(tǒng)立即啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，對(duì)安裝在主機(jī)送線滾輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，一旦超過(guò)規(guī)定的長(zhǎng)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(jī)檢測(cè)點(diǎn)與卷簧機(jī)切斷點(diǎn)之間的長(zhǎng)度內(nèi)會(huì)出現(xiàn)數(shù)個(gè)缺陷，因此在處理器內(nèi)預(yù)留了一組單元，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)卷繞彈簧時(shí)，分選機(jī)控制氣缸將探針推至需要的位置，當(dāng)彈簧接觸到探針時(shí)，分選機(jī)立即通知主機(jī)停止送線，同時(shí)將該彈簧鋼絲展長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)值比較，只有在偏差范圍內(nèi)才為合格產(chǎn)品，否則為超長(zhǎng)或超短，并將結(jié)果通知分選系統(tǒng)。操作者可以根據(jù)所加工彈簧要求的精度來(lái)設(shè)定偏差范圍，若主機(jī)設(shè)定成自動(dòng)修正，則數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)前一個(gè)彈簧的加工結(jié)果，自動(dòng)修正進(jìn)刀量，使得彈簧的自由高度滿足要求。亦可設(shè)定成手工修正，由操作者改變彈簧的加工參數(shù)。若連續(xù)加工幾個(gè)彈簧均不合格，主機(jī)停機(jī)并告警。

分選系統(tǒng)的控制器為8051系列單片機(jī)，采用薄膜鍵來(lái)設(shè)定工作參數(shù)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同的角度，把彈簧送入不同的料倉(cāng)，如合格、超長(zhǎng)、超短、材料缺陷等四個(gè)位置，以達(dá)到分選目的，并將各自統(tǒng)計(jì)的結(jié)果用數(shù)碼管顯示出來(lái)。

3．4　輔助送料系統(tǒng)

輔助送料系統(tǒng)框圖如圖5所示。

普通的料架是利用主機(jī)送線滾輪拖動(dòng)鋼絲使料盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行送料的，這增加了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，容易使?jié)L輪打滑，影響送線精度。而自動(dòng)料架則利用一個(gè)擺桿來(lái)調(diào)節(jié)送線速度。我們?cè)跀[桿的擺動(dòng)范圍內(nèi)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(dāng)擺桿在初始位置時(shí)，對(duì)應(yīng)速度為零，二個(gè)中間位置對(duì)應(yīng)變頻器的三個(gè)速度，由慢到快，若盤圓上的鋼絲纏住時(shí)，主機(jī)拖動(dòng)鋼絲使擺桿達(dá)到極限位置，則極限開(kāi)關(guān)斷開(kāi)主機(jī)伺服電機(jī)的使能信號(hào)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。故障解除后，主機(jī)從原中斷處繼續(xù)卷繞，使該彈簧不被浪費(fèi)。4　軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于工業(yè)控制來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)機(jī)器的特點(diǎn)和需要為設(shè)計(jì)原則。

4．1　簡(jiǎn)便直觀的操作界面

進(jìn)口的數(shù)控卷簧機(jī)大都采用通用機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，不僅操作復(fù)雜，而且軟件資源的配置不甚合理。我們則根據(jù)卷簧機(jī)的加工特點(diǎn)，界面設(shè)計(jì)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(jù)每項(xiàng)名目填入相關(guān)參數(shù)即可。

工作主畫面的布局如圖6所示，總共分五個(gè)區(qū)，下面對(duì)各區(qū)內(nèi)容分別加以介紹。

（1）綜合參數(shù)區(qū)
包括彈簧代號(hào)、材料種類、鋼絲直徑、送線速度、生產(chǎn)數(shù)量、總產(chǎn)量等。
（2）彈簧尺寸參數(shù)區(qū)
包括旋向、圈徑、節(jié)距、有效圈數(shù)、總?cè)?shù)。對(duì)于異形彈簧，圈徑、節(jié)距需要分段輸入。
（3）彈簧圖形顯示區(qū)
當(dāng)彈簧的參數(shù)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(shù)據(jù)的正確性。
（4）機(jī)器調(diào)整參數(shù)區(qū)
上圈徑、下圈徑、節(jié)距等各軸偏移量設(shè)置及各軸累計(jì)偏移量的顯示。
（5）提示區(qū)包括參數(shù)輸入錯(cuò)誤提示、操作步驟提示、機(jī)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(jù)彈簧成形的過(guò)程特點(diǎn)，我們采取了主從控制方式，即送線軸為主動(dòng)軸，其余軸為跟隨軸，并在硬件的設(shè)計(jì)上構(gòu)成二級(jí)控制。主計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，單片機(jī)則完成相應(yīng)軸的位置閉環(huán)控制。在每一插補(bǔ)周期，主機(jī)通過(guò)檢測(cè)出送線長(zhǎng)度，實(shí)時(shí)地計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的幾何位置，同時(shí)根據(jù)鋼絲材料的機(jī)械性能算出鋼絲在該圈徑和節(jié)距處所對(duì)應(yīng)的彈性恢復(fù)量。最后，得出各軸的實(shí)際位移量，再將這些位移數(shù)據(jù)送到各端口，并發(fā)出同步信號(hào)，通知各軸取走。各軸的控制器定時(shí)取出新的位置數(shù)據(jù)，同時(shí)與檢測(cè)出的實(shí)際位置進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，將控制量送入伺服系統(tǒng)。由于軸控制器采用8096單片機(jī)，具有較強(qiáng)的處理和控制功能，我們?cè)谶M(jìn)行多種算法實(shí)驗(yàn)后，采用變比例系數(shù)同時(shí)進(jìn)行積分處理的控制算法，使伺服系統(tǒng)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?cè)谲浖O(shè)計(jì)過(guò)程中始終遵循這樣一個(gè)原則，就是盡量發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，減輕人的負(fù)擔(dān)，提高機(jī)器的工作效率。

首先，操作者在輸入彈簧參數(shù)時(shí)，計(jì)算機(jī)均給予提示，并給出數(shù)據(jù)范圍，而且依照輸入?yún)?shù)自動(dòng)形成的彈簧圖形直觀地幫助操作者盡快查出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。同時(shí)，自動(dòng)形成的加工數(shù)據(jù)和補(bǔ)償量降低了對(duì)操作者技術(shù)水平的要求。

其次，無(wú)論是在彈簧的調(diào)試過(guò)程中還是在連續(xù)卷繞過(guò)程中，計(jì)算機(jī)針對(duì)各種情況都給予提示。在調(diào)試階段給出調(diào)試步驟，如滾輪加壓、齒輪換檔、位移修正、零點(diǎn)搜索、單軸運(yùn)行、單件加工、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等。正常加工時(shí)，機(jī)器遇特殊情況停機(jī)，也給出相應(yīng)提示，如產(chǎn)量完成、無(wú)料、料架故障、無(wú)潤(rùn)滑油、伺服超差、電機(jī)過(guò)熱、廢品過(guò)多等，使操作者縮短調(diào)試和解決問(wèn)題的時(shí)間。

第三，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，可根據(jù)用戶需要進(jìn)行選擇，而不需變更硬件或軟件。例如，主機(jī)可通過(guò)聯(lián)機(jī)開(kāi)關(guān)建立與輔助送料及分選等系統(tǒng)的信號(hào)聯(lián)鎖關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)完整的加工系統(tǒng)。亦可獨(dú)立地進(jìn)行卷簧機(jī)的單機(jī)加工。這樣做的好處是，既可采用其他廠家的輔助設(shè)備，又可在自己的輔助系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，輕松地將其隔離，而不致影響主機(jī)的工作。

4．4　主機(jī)系統(tǒng)軟件框圖

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)是按前后臺(tái)類型來(lái)考慮的。前臺(tái)軟件是一個(gè)中斷服務(wù)程序，用于計(jì)算各機(jī)構(gòu)幾何位置及鋼絲材料的變形補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)位控及相關(guān)邏輯功能。這里，送線輪每走一個(gè)步長(zhǎng)，即啟動(dòng)一次中斷信號(hào)。后臺(tái)軟件則實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控管理等功能。整個(gè)程序框圖如圖7所示。

5　結(jié)束語(yǔ)

由于數(shù)控卷簧機(jī)具有普通機(jī)械卷簧機(jī)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(guó)外及臺(tái)灣的產(chǎn)品一統(tǒng)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。