五軸數(shù)控卷簧機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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，開發(fā)新的卷簧機產(chǎn)品，刻不容緩。

計算機技術的發(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發(fā)的8 mm五軸數(shù)控卷簧機，填補了國內空白，替代了進口產(chǎn)品。該產(chǎn)品榮獲了江蘇省科技進步獎、全國新技術新產(chǎn)品博覽會金獎等獎項。

2　機器工作原理

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，推動鋼絲向右運動，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，通過控制上、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動，其作用是使卷繞的鋼絲形成螺紋升角。通過控制節(jié)距桿的位置，就可控制彈簧節(jié)距的大小。當卷繞完畢時，用切刀將鋼絲切斷。芯軸則作為切刀切鋼絲時的一個支承。

通過送線滾輪，上、下圈徑桿，節(jié)距桿及切刀的組合運動，可卷繞變圈徑、變節(jié)距等各種形狀的圓形壓簧。對機械卷簧機來說，因只有一個動力，各作用桿完全靠齒輪、凸輪、離合器等機構實現(xiàn)聯(lián)動，結構復雜，調整費時。每更換一個品種，都經(jīng)常需要修整凸輪形狀，對操作工的技術水平要求高，特別是，送線長度的調整范圍依賴于一個扇形齒輪的大小，這就限制了彈簧的展長。在扇形齒輪回行時，還需采用離合器脫開送線滾輪，不僅增加了噪音，還降低了送線精度。 為了宜于電腦控制，我們對卷簧機的機械結構進行了徹底改造。首先，將各運動機構獨立，各采用一個伺服電機控制，如送線機構只是一個簡單的齒輪傳動，送線長度可以無限；上、下圈徑桿及節(jié)距桿直接采用電機連接滾珠絲桿來驅動；切斷機構也只是一個簡單的凸輪傳動，除進行一般的剪切外，還可匹配上下切刀進行扭切，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，對數(shù)控卷簧機而言，只需在計算機上填入相應的參數(shù)，通過程序控制協(xié)調各機構的動作，就可圈繞出所需要的彈簧。

3　控制系統(tǒng)的硬件構成

一個好的機電系統(tǒng)，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(yōu)。把這種設計思想落實到具體的硬件設計上，就是盡量選用現(xiàn)成的系統(tǒng)和板卡，必須自行設計的線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。通過工程實踐，我們感到，這對用戶來說是至關重要的。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(shù)字量i／o卡，分成六個主端口，每個端口仿真一個8255可編程外設接口，但能提供比8255更好的驅動能力；另一塊是兩路隔離的12位d／a輸出卡，提供±10v的驅動電壓，用來控制送線系統(tǒng)及切斷系統(tǒng)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(tǒng)位置環(huán)路的閉環(huán)控制，見圖3。其中，上圈徑板、下圈徑板、節(jié)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(shù)據(jù)通道及中斷等控制信號，與伺服驅動器的接口為±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。由于送線和切斷不會同時進行，故該端口可以復用。

3．2　伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)包括伺服驅動器和伺服電機。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)路的設計上，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，適應整機對控制系統(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)的晶體管脈寬調制變頻器和矩形波電流驅動的永磁交流伺服電機。系統(tǒng)的調速比為1：10000，反應時間20毫秒。

3．3　分選系統(tǒng)

分選系統(tǒng)的作用有兩個，一個是鋼絲缺陷剔除，一個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，先進入磁探傷機，利用渦流原理檢測鋼絲有無缺陷。探傷機檢測點與卷簧機切斷點的位置是固定的。探傷機檢測到鋼絲缺陷后，向分選系統(tǒng)發(fā)出一中斷請求信號，分選系統(tǒng)立即啟動計數(shù)器，對安裝在主機送線滾輪上的旋轉編碼器進行計數(shù)，一旦超過規(guī)定的長度，切下的彈簧將視為廢品。在實際過程中，考慮到探傷機檢測點與卷簧機切斷點之間的長度內會出現(xiàn)數(shù)個缺陷，因此在處理器內預留了一組單元，機器運轉時，每切下一個彈簧，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，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，分選機立即通知主機停止送線，同時將該彈簧鋼絲展長與標準值比較，只有在偏差范圍內才為合格產(chǎn)品，否則為超長或超短，并將結果通知分選系統(tǒng)。操作者可以根據(jù)所加工彈簧要求的精度來設定偏差范圍，若主機設定成自動修正，則數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)前一個彈簧的加工結果，自動修正進刀量，使得彈簧的自由高度滿足要求。亦可設定成手工修正，由操作者改變彈簧的加工參數(shù)。若連續(xù)加工幾個彈簧均不合格，主機停機并告警。

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

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送線滾輪拖動鋼絲使料盤轉動進行送料的，這增加了主機的負擔，容易使?jié)L輪打滑，影響送線精度。而自動料架則利用一個擺桿來調節(jié)送線速度。我們在擺桿的擺動范圍內放置四個接近開關，即擺桿的初始位置，二個中間位置和一個極限位置。當擺桿在初始位置時，對應速度為零，二個中間位置對應變頻器的三個速度，由慢到快，若盤圓上的鋼絲纏住時，主機拖動鋼絲使擺桿達到極限位置，則極限開關斷開主機伺服電機的使能信號，同時發(fā)出報警信號。故障解除后，主機從原中斷處繼續(xù)卷繞，使該彈簧不被浪費。4　軟件設計

對于工業(yè)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。

4．1　簡便直觀的操作界面

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

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

（1）綜合參數(shù)區(qū)
包括彈簧代號、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)、總圈數(shù)。對于異形彈簧，圈徑、節(jié)距需要分段輸入。
（3）彈簧圖形顯示區(qū)
當彈簧的參數(shù)被輸入好后，自動生成彈簧圖形，操作者可通過彈簧的形狀來判斷輸入數(shù)據(jù)的正確性。
（4）機器調整參數(shù)區(qū)
上圈徑、下圈徑、節(jié)距等各軸偏移量設置及各軸累計偏移量的顯示。
（5）提示區(qū)包括參數(shù)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(jù)彈簧成形的過程特點，我們采取了主從控制方式，即送線軸為主動軸，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(shù)據(jù)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(jù)鋼絲材料的機械性能算出鋼絲在該圈徑和節(jié)距處所對應的彈性恢復量。最后，得出各軸的實際位移量，再將這些位移數(shù)據(jù)送到各端口，并發(fā)出同步信號，通知各軸取走。各軸的控制器定時取出新的位置數(shù)據(jù)，同時與檢測出的實際位置進行比較，經(jīng)過運算后，將控制量送入伺服系統(tǒng)。由于軸控制器采用8096單片機，具有較強的處理和控制功能，我們在進行多種算法實驗后，采用變比例系數(shù)同時進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

我們在軟件設計過程中始終遵循這樣一個原則，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(shù)時，計算機均給予提示，并給出數(shù)據(jù)范圍，而且依照輸入?yún)?shù)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(shù)據(jù)。同時，自動形成的加工數(shù)據(jù)和補償量降低了對操作者技術水平的要求。

其次，無論是在彈簧的調試過程中還是在連續(xù)卷繞過程中，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、零點搜索、單軸運行、單件加工、連續(xù)運轉等。正常加工時，機器遇特殊情況停機，也給出相應提示，如產(chǎn)量完成、無料、料架故障、無潤滑油、伺服超差、電機過熱、廢品過多等，使操作者縮短調試和解決問題的時間。

第三，系統(tǒng)設計靈活，可根據(jù)用戶需要進行選擇，而不需變更硬件或軟件。例如，主機可通過聯(lián)機開關建立與輔助送料及分選等系統(tǒng)的信號聯(lián)鎖關系，構成一個完整的加工系統(tǒng)。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(tǒng)發(fā)生故障時，輕松地將其隔離，而不致影響主機的工作。

4．4　主機系統(tǒng)軟件框圖

整個軟件設計是按前后臺類型來考慮的。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材料的變形補償，以實現(xiàn)位控及相關邏輯功能。這里，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(xiàn)人機界面，數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控管理等功能。整個程序框圖如圖7所示。

5　結束語

由于數(shù)控卷簧機具有普通機械卷簧機不可比擬的優(yōu)越性，使得越來越多的彈簧加工企業(yè)愿意采用它，但目前該領域卻是國外及臺灣的產(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。