多股簧數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)及其張力控制系統(tǒng)的研究*

王時(shí)龍 田志鋒 彭玉鑫 周 杰 康 玲

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

多股簧數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)及其張力控制系統(tǒng)的研究*

王時(shí)龍 田志鋒 彭玉鑫 周 杰 康 玲

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

分析了多股簧成型原理，并設(shè)計(jì)出新型的多股簧機(jī)床，同時(shí)，利用pro/e對其進(jìn)行了仿真分析。針對鋼絲張力控制系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)模糊控制器。通過在simulink中的仿真，證明了該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，控制精確的特性。運(yùn)用該張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在多股螺旋彈簧加工過程中對張力的實(shí)時(shí)精確控制，達(dá)到了加工工藝要求。

多股簧數(shù)控機(jī)床 設(shè)計(jì)仿真 張力控制系統(tǒng) 自適應(yīng)模糊控制

* 國家杰出青年科學(xué)基金（50925518）；國家自然科學(xué)基金（50775226）；國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)（2009ZX04001－081和2009ZX04011－041）；教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（109129）；重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（CSTC2009AC3049）

多股螺旋彈簧（簡稱多股簧）是由多根鋼絲繞成鋼索后卷制而成的圓柱螺旋彈簧（圖1），與單股彈簧相比，吸收沖擊能力強(qiáng)，有更好的強(qiáng)度及獨(dú)特的吸振、減振效果。因而它是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和大口徑自動(dòng)武器等產(chǎn)品的關(guān)鍵零件。

由于多股簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)參數(shù)多，加工工藝復(fù)雜，故針對其結(jié)構(gòu)及成型特點(diǎn)，我單位研發(fā)了第一代多股簧數(shù)控機(jī)床。但在實(shí)際加工過程中，原機(jī)床暴露出許多缺點(diǎn)。如人工穿鋼絲時(shí)間較長，約為加工時(shí)間的3～5倍。同時(shí)，鋼絲張力控制結(jié)構(gòu)不合理，在加工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)張力控制滯后、鋼絲張力不均甚至鋼絲擰斷的現(xiàn)象，因此，廢品率較高，影響了多股簧的產(chǎn)品質(zhì)量。

為進(jìn)一步提高多股簧加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，減少人工穿絲勞動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)多股簧加工的自動(dòng)控制，開發(fā)出一種新型多股簧數(shù)控機(jī)床，以滿足多股簧的加工要求。

1 多股簧數(shù)控加工機(jī)床的加工工藝分析

1.1 多股簧成型過程原理

目前，根據(jù)多股簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成型原理，多股簧的加工方法一般有兩種：一種是擰鋼索與卷彈簧同時(shí)進(jìn)行；另一種是先擰成鋼索再卷繞成簧。第一種卷制方法，可在經(jīng)適當(dāng)改裝的普通車床上進(jìn)行，具有卷制質(zhì)量較好、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，因此是國內(nèi)外常用的一種方法。

多股螺旋彈簧的加工方法如圖2，左端擰索機(jī)構(gòu)以ω1旋轉(zhuǎn)，將多股鋼絲擰成鋼索（簡稱為簧桿），繞簧軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)并以恒速度v移動(dòng)將鋼索繞成圓柱螺旋彈簧。

1.2 多股簧四軸聯(lián)動(dòng)的速度匹配

圖2中擰索與繞簧同時(shí)進(jìn)行的卷制方式，要求擰索軸與繞簧軸之間的速度進(jìn)行精確匹配。各股鋼絲在被擰成鋼索的過程中，鋼絲產(chǎn)生了一次螺旋成型，而在卷簧過程中，鋼索則被繞制成彈簧形狀又一次發(fā)生了螺旋成型，可見，鋼絲在經(jīng)過擰索和繞簧后共發(fā)生了兩次螺旋成型，可以看成是雙螺旋線的疊加。

由圖3可計(jì)算出鋼索中心線展開長度：

若假設(shè)繞簧主軸的轉(zhuǎn)速為n，那么根據(jù)多股簧卷制過程中各軸的聯(lián)動(dòng)關(guān)系可以得出如下計(jì)算公式：

外層擰索軸轉(zhuǎn)速n1：

中層擰索軸轉(zhuǎn)速n2：

縱向進(jìn)給軸轉(zhuǎn)速n3：

式中：S1為外層鋼索的索距；S2為中層鋼索的索距；L為縱向進(jìn)給軸的絲桿螺距。

根據(jù)以上參數(shù)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)多股簧繞簧過程中的四軸聯(lián)動(dòng)的速度匹配。

2 多股簧數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與三維實(shí)體建模

2.1 多股簧機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上所述多股簧加工原理，設(shè)計(jì)出新型多股簧機(jī)床如圖4所示。其包括機(jī)床架、擰索裝置、繞簧裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

擰索裝置包括擰索架、內(nèi)層供絲裝置、中層供絲裝置和外層供絲裝置。擰索架的設(shè)置位置與內(nèi)層供絲裝置、中層供絲裝置和外層供絲裝置出索端部對應(yīng)。

內(nèi)層供絲裝置為中心供絲套管，中心供絲套管沿中心線穿過中空主軸，其進(jìn)絲端設(shè)置內(nèi)層鋼絲張力控制器，內(nèi)層鋼絲通過內(nèi)層鋼絲張力控制器引出并穿過中心供絲套管至擰索架。

中層供絲裝置包括中空主軸、中層供絲支座和用于驅(qū)動(dòng)中空主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的中層伺服電動(dòng)機(jī)。中空主軸兩端支撐于機(jī)床架并與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合。中層供絲支座與中空主軸在圓周方向固定配合。中層供絲支座上設(shè)置中層鋼絲張力控制器，每根中層鋼絲通過一個(gè)中層鋼絲張力控制器引出，經(jīng)中層供絲支座的法蘭孔引出并穿過中層供絲套管至擰索架。

外層供絲裝置包括外層供絲支座和用于驅(qū)動(dòng)外層供絲支座轉(zhuǎn)動(dòng)的外層伺服電動(dòng)機(jī)。外層供絲支座位于中層供絲裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡外圓周并與中空主軸轉(zhuǎn)動(dòng)配合。外層供絲支座上設(shè)置外層鋼絲張力控制器，每根外層鋼絲通過一個(gè)外層鋼絲張力控制器引出至擰索架。

以上擰索裝置每個(gè)張力控制器抽絲軸線與主軸軸線的夾角相應(yīng)與多股簧的內(nèi)、中、外層各鋼索螺旋角相等，保證了鋼絲在抽絲、擰索，多股簧繞制的整個(gè)過程中能夠使鋼絲處于與鋼絲軸向重合的拉力作用。

2.2 機(jī)床三維實(shí)體建模

在加工過程中，生產(chǎn)具有三層結(jié)構(gòu)的有芯多股簧（內(nèi)層為單股鋼絲），要求機(jī)床須具備四個(gè)加工軸，即：中層擰索軸、外層擰索軸、繞簧主軸及用于控制彈簧節(jié)距的縱向進(jìn)給軸。運(yùn)動(dòng)方式是實(shí)現(xiàn)四軸精密聯(lián)動(dòng)，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多，平面圖難以檢查其結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)的干涉、運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性和數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。本文運(yùn)用Pro/E軟件強(qiáng)大的三維實(shí)體建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真模塊對機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)。建立三維實(shí)體如圖5所示。

3 張力控制系統(tǒng)的研究

多股簧是由多股鋼絲擰成的鋼索纏繞而成的，其性能的好壞在很大程度上取決于鋼索的索距是否均勻。因?yàn)槿绻渌骶嗖痪鶆?，在多股簧工作時(shí)，各股鋼絲之間的受力不均會(huì)使個(gè)別受力較大的鋼絲發(fā)生早期磨損或斷裂。因此，為了讓鋼索的索距均勻，采取何種張力控制方案來保證各股鋼絲張力的穩(wěn)定性和一致性作為關(guān)鍵技術(shù)，對多股螺旋彈簧的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

3.1 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張力控制方案如圖6所示。虛線部分為鋼絲，繞簧過程中，繞簧主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)制動(dòng)盤7后，繞過傳感器5上的滾輪9出絲到工作路徑中，其中檢測機(jī)構(gòu)為傳感器5，控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為磁粉制動(dòng)器3，其調(diào)節(jié)原理為：利用磁粉磁化時(shí)所產(chǎn)生的剪力來制動(dòng)，磁粉鏈抗剪力與磁粉磁化程度成正比，即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小與繞組中的激磁電流的大小成正比，故可通過改變磁粉制動(dòng)器中的激磁電流即可調(diào)節(jié)其扭矩。

3.2 張力控制系統(tǒng)工作原理分析

為保證各股鋼絲受到恒定張力，本文采用臺(tái)灣研華公司的ADAM－5510數(shù)據(jù)采集控制器對張力大小進(jìn)行嚴(yán)格控制。該系統(tǒng)由PC機(jī)、ADAM5510、ADAM5017輸入模塊、ADAM5024輸出模塊、張力傳感器及其控制器、磁粉制動(dòng)器及其變送器、藍(lán)牙設(shè)備等組成。圖7為其張力控制系統(tǒng)原理圖。

鋼絲經(jīng)由鋼絲盒抽出后，其張力大小由磁粉制動(dòng)器恒定。在其進(jìn)入擰索加工之前，由張力傳感器檢測其實(shí)際張力，并將檢測信號(hào)輸入ADAM5017輸入模塊，經(jīng)ADAM－5510控制器處理后，將控制信號(hào)反饋給ADAM5024輸出模塊，從而控制磁粉制動(dòng)器補(bǔ)償張力差值，形成一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。

4 張力控制算法的研究

結(jié)合各種控制算法優(yōu)缺點(diǎn)及多股簧加工的實(shí)際特點(diǎn)，本文采用了帶自調(diào)整因子的張力模糊控制方案。該控制方案不僅具有一般模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)，還可以體現(xiàn)在全論域范圍內(nèi)，根據(jù)誤差大小自動(dòng)調(diào)整誤差對控制作用的權(quán)重，模仿人的控制思維，使控制效果更平穩(wěn)，更精確。

4.1 基于多股簧張力控制系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)

結(jié)合張力控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性研究所得的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了基于多股簧張力控制系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制器。表1為其自調(diào)整因子的模糊控制表。

表1 自調(diào)整因子的模糊控制表

4.2 對自適應(yīng)模糊控制算法仿真

為驗(yàn)證帶自調(diào)整因子的模糊控制器對多股螺旋彈簧各股鋼絲張力的控制效果，課題組以外層一股鋼絲的張力控制為例，利用MATLAB/simulink軟件進(jìn)行了自適應(yīng)控制仿真，控制過程如圖8所示。并和傳統(tǒng)PID算法和普通模糊控制算法進(jìn)行比較，根據(jù)仿真的結(jié)果驗(yàn)證了帶自調(diào)整因子的模糊控制器的性能優(yōu)勢且能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼絲張力的精確實(shí)時(shí)控制。

控制效果如圖9所示。其仿真結(jié)果表明，各股鋼絲張力能夠在11 s內(nèi)得到穩(wěn)定并接近于張力理想值。由此驗(yàn)證了該控制方案的可行性，并具有控制穩(wěn)定及響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

4.3 基于自適應(yīng)模糊控制算法的控制程序

基于多股簧張力控制的自適應(yīng)模糊控制規(guī)則，編寫了新的研華5510程序。其流程圖如圖10所示。

5 張力模糊控制系統(tǒng)的運(yùn)用

將這股鋼絲的模糊控制系統(tǒng)按照相同方法推廣到其他各股鋼絲張力控制機(jī)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)對各股鋼絲張力的精確控制，達(dá)到極好的控制效果。圖11是在PC機(jī)上通過C++builder開發(fā)的張力監(jiān)控界面，從圖上可以看出12股受控鋼絲（外層#1－#9，中層#2、#4、#6）的所受張力滿足控制要求，穩(wěn)定在期望值的（ －20 N+20 N）內(nèi)。

6 結(jié)語

對現(xiàn)有的多股螺旋彈簧的加工設(shè)備進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)各裝置之間精確的轉(zhuǎn)速匹配，精確控制鋼索鋼絲索距和彈簧螺距，生產(chǎn)過程中還能嚴(yán)格地保證各股鋼絲的張力互相均勻以及大小互相一致，保證多股簧加工完成之后的回彈量，從而保證成品多股螺旋彈簧的質(zhì)量和延長使用壽命。

設(shè)計(jì)了鋼絲的自適應(yīng)模糊張力控制器。仿真實(shí)驗(yàn)及多股螺旋彈簧繞制實(shí)踐過程中，實(shí)現(xiàn)了對張力的精確實(shí)時(shí)控制，達(dá)到多股螺旋彈簧的加工工藝要求。

［1］朱驥北.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］于道文.多股螺旋彈簧的動(dòng)應(yīng)力及其有效壽命［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（3）：24 －28.

［3］張曉峰，張毅.高精度多股螺旋彈簧數(shù)控加工機(jī)床設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2006（12）：44 －45.

［4］楊建鎖，王時(shí)龍，周杰，等.多股螺旋彈簧加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007（6）：46 －48.

［5］周杰，彭玉鑫，王時(shí)龍，等.多股螺旋彈簧數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)改進(jìn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009（10）：71 －74.

［6］M.Paredes，M.Sartor，C.Masclet.An optimization process for extension spring design［J］.Computer Methods in Applied Me·chanics and Engineering，2001，191（8）：783 －797.

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號(hào)填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Design and Study on Tension Control System of Stranded Wires Helical Spring Machine Tool

WANG Shilong，TIAN Zhifeng，PENG Yuxin，ZHOU Jie，KANG Ling
（State Key Lab of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，CHN）

王時(shí)龍，男，1966年生，博士、教授、博士生導(dǎo)師，院長，主要研究方向：制造自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論等，已發(fā)表論文70余篇。

p

2010－01－16）

10920