具有彈簧CAD功能的五軸卷簧機數(shù)控系統(tǒng)研制*

張 耀 黃文廣 程文鋒 葛惠民

（浙江機電職業(yè)技術學院，浙江杭州 310053）

卷簧機是彈簧生產的關鍵設備，卷簧機繞制彈簧是在外力的作用下，使鋼絲彎曲成形，是塑性變形和彈性變形的綜合過程。當彈簧繞制好去掉外力后，彈簧在徑向、軸向將產生回彈量，回彈量與彈簧的旋繞比、鋼絲直徑、鋼絲牌號（材質）等有關，彈簧外形越復雜，回彈量就越難控制。由于彈簧卷繞成形的特點和卷繞設備工作方式的特殊性，一般數(shù)控卷簧機在使用過程中存在對操作人員經驗的依賴性強、操作不方便等缺陷，特別是每更換一款新的品種，需要花費大量的時間反復加工、測量和調整機器，有時還甚至要更換一些部件，很不方便。鑒于此，通過與某卷簧機生產廠合作，在對國內外卷簧機在彈簧卷繞過程中存在的問題和制約因素分析基礎上，將數(shù)字化制造等先進技術應用于彈簧卷制領域，將相關工藝融入到CAD、運動控制程序中，研制出具有彈簧CAD功能的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結構簡單、操作方便、自動化程度高的特點。實際運行結果表明，該設備能生產各種復雜形狀的高端彈簧，適合多品種、小批量的彈簧加工。

1 彈簧成形原理與工藝分析

彈簧成形機構如圖1所示，利用一對或幾對送線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，此時芯軸作為切刀切鋼絲時的一個支承。通過控制送線滾輪，上、下圈徑桿，節(jié)距桿及切刀的組合運動，就可卷繞等距等徑、變徑、變節(jié)距等各種形狀的彈簧。

彈簧（冷卷）生產工藝過程主要包含如下過程:

備料—卷繞—回火—端面磨平—拋丸—涂層—動、靜壓試驗—修整。

彈簧的繞制工藝是彈簧制造的關鍵工序，對彈簧整個制造精度起著重要的作用，決定彈簧的幾何尺寸精度、特性以及材料的利用率。在進行卷簧加工時，整卷盤料通過卷簧機的送絲裝置進行材料進給。在送料過程中，卷簧機的送絲滾輪、上下圈徑桿、節(jié)距桿和切刀按照預設的參數(shù)進行運動，不斷調整節(jié)距和外徑，彈簧卷制成形，最后切刀在適當位置將彈簧切斷，一個彈簧的卷制過程完成。

繞制彈簧是在外力的作用下，使鋼絲彎曲成形，為保證繞制后彈簧的尺寸精度，繞制彈簧必須考慮回彈量。目前回彈量的大小完全靠經驗并通過調試確定。在實際生產中，考慮回彈量，彈簧繞制節(jié)距設定值是要求節(jié)距的K1倍，彈簧繞制直徑設定值取彈簧要求直徑的K2倍，一般按經驗預選K1，K2初值，經調試確定K1，K2值。首件試制合格后，方可批量生產。

2 具有彈簧CAD功能的數(shù)控系統(tǒng)構成及工作原理

根據彈簧成形原理與加工工藝，確定卷簧機數(shù)控系統(tǒng)總體結構如圖2所示。該系統(tǒng)采用“IPC+運動控制器”構成，屬主從式控制結構。IPC采用研華一體機TPC－1070H，運行內嵌彈簧CAD的上位機軟件，系統(tǒng)自動將彈簧CAD設計好的彈簧與彈簧卷繞工藝結合生成加工程序，并自動將該程序下載到運動控制器中;完成數(shù)控系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)參數(shù)與加工參數(shù)的輸入，完成系統(tǒng)管理和控制系統(tǒng)的監(jiān)控等非實時信息處理。運動控制器選擇ACS的 SPiiPlus SAR－LT－8－E－C，它可控制8個獨立伺服軸，也可通過軟件實現(xiàn)聯(lián)動，內含PVT三次樣條插補，完成系統(tǒng)加減速控制、插補處理、伺服系統(tǒng)控制、PLC等實時性任務，根據IPC下載的彈簧加工程序，自動解析并優(yōu)化彈簧加工運動軌跡，從而保證各伺服電動機協(xié)調工作加工出所需彈簧。IPCTPC－1070H 與 ACS SPiiPlus SAR－LT－8－E－C 之間的數(shù)據傳輸采用以太網方式通信，確保數(shù)據通信的實時性。各軸選用SANMOTION R ADVANCED MODEL系列伺服放大器和伺服電動機，伺服系統(tǒng)通過總線與運動控制器連接。本系統(tǒng)具有通用性好，實時性強，開發(fā)周期短，控制精度高等特點。

本系統(tǒng)控制對象是5個伺服電動機，分別控制彈簧加工的送絲長度（Z軸）、彈簧的螺距（Y軸）、變徑（X軸）和上下切斷（A、B軸）。設定彈簧的送絲長度值、螺距、外徑等數(shù)據，然后啟動系統(tǒng)工作，X、Y、Z、A、B五軸電動機聯(lián)動運行。當Z軸送絲電動機走完一個彈簧的長度值，X、Y軸電動機也剛好走完螺距、外徑值，A或B軸完成一個彈簧切斷，緊接著開始下一個彈簧的生產。等節(jié)距平頭圓柱彈簧及其繞制時軸電動機聯(lián)動運動軌跡如圖3所示。

在圖3b中，從彈簧的起始外徑和初始螺距開始，1段軌跡完成前端密著圈到彈簧工作圈過渡軌跡的卷繞，彈簧直徑隨著螺距的變大而進行微調，以保證彈簧的形狀精度，階段3完成從彈簧工作圈到后端密著圈過渡軌跡的卷繞。彈簧直徑隨著螺距的減小而進行微調，以保證彈簧的形狀精度;在圖3c中，1段主要完成前端密著圈數(shù)的卷繞，在節(jié)距為0等情況下完成T彈簧圈卷繞，2－5段主要完成前端密著圈到彈簧工作圈過渡軌跡的卷繞，在2－5段中，在一圈的送絲距離中變距軸從O走到正常節(jié)距的位置，6段完成正常彈簧工作圈數(shù)的卷繞，節(jié)距保持不變，7－10段完成從彈簧工作圈到后端密著圈過渡軌跡的卷繞，在一圈的送絲距離中變距軸從正常節(jié)距走到0的位置，11段完成后端密著圈數(shù)的卷繞，然后在節(jié)距為0的前提下完成E彈簧圈卷繞;在圖3d中，1段完成前端密著圈的卷繞，在初始直徑A下送絲完成T的卷繞，2段完成前端密著圈到彈簧工作圈過渡軌跡的卷繞，隨著送絲的進行彈簧直徑進行微調，保證彈簧螺旋升角的正確性，3段完成正常彈簧工作圈數(shù)的卷繞，4段從彈簧工作圈到后端密著圈過渡軌跡的卷繞，隨著送絲的進行彈簧直徑進行微調，保證彈簧螺旋升角的正確性，5段完成后端密著圈數(shù)的卷繞，然后在節(jié)距為0的前提下完成E彈簧圈卷繞。根據彈簧的工藝要求，各軸的增益應保持一致，以消除彈簧的輪廓誤差。

送絲軸采用雙反饋的策略，速度反饋通過裝在伺服電動機上的光電編碼器來實現(xiàn);位置反饋利用安裝在最后的輸出輪盤上的第二編碼器實現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)具有雙閉環(huán)控制良好的軌跡控制功能，快的動態(tài)響應，高的定位精度，能滿足數(shù)控卷簧機的控制需求。

3 軟件設計

5軸數(shù)控卷黃機的軟件包含內嵌彈簧CAD的上位機軟件、運動控制軟件兩大部分，具體如圖4所示，它采用多CPU前后臺式軟件結構，即整個軟件分為前臺程序和后臺程序。

前臺程序即運動控制軟件主要完成加減速度控制、伺服驅動、多軸聯(lián)動運行、現(xiàn)場控制量的采集與邏輯控制等功能，使用專用的運動控制語言ACSPL+，采用SPIIPLUSCOM650_X86來完成軟件開發(fā)，并在ACS控制器中運行;后臺程序即上位機軟件主要完成信息處理與管理、彈簧CAD、插補預處理、人機界面處理等功能，采用C++設計，在IPC上運行。因文章篇幅關系，內嵌彈簧CAD的上位機軟件設計略。

3.1 運動控制軟件設計

該部分軟件采用ACS專用的運動控制語言ACSPL+，并使用ACS提供的組件，完成各運動控制功能的開發(fā)。該控制器提供以下幾個功能:（1）提供CANOPEN、ETHERNET、PCIBUS等多種通訊方式實現(xiàn)運動控制器和IPC、伺服系統(tǒng)之間的通訊。（2）ACS控制器支持10個程序區(qū)（buffer），10個程序可并行運行，是一種多線程的構架，即對于同一個應用可以同時通過10個路徑進行運動控制。（3）將控制軟件所發(fā)出的每個指令發(fā)給運動控制卡進行動作。（4）有多種方法可以使控制軟件進行運動控制卡參數(shù)設置和讀取，具有多種高級運動控制方式，具有程序管理、IO處理及安全功能等。（5）提供豐富的調試工具用于用戶應用程序調試。

3.1.1 S 曲線加減速控制

加減速控制技術是高速、高精度數(shù)控卷簧機的關鍵技術之一，其作用是保證卷簧機運動平穩(wěn)的前提下，實現(xiàn)以過渡過程時間最短為目標的最優(yōu)加減速控制。

（1）加減速控制模式

加減速控制在CNC的應用中通常有前加減速控制和后加減速控制兩種模式，如圖5。前加減速控制是指加減速控制位于插補之前、插補預處理之后，加減速控制的對象是指令進給速度，即加減速控制直接應用于速度指令，而不影響插補指令;后加減速控制是指加減速控制位于插補指令之后、伺服控制器之前，控制各運動軸的進給速度等，即加減速算法根據速度指令直接應用于插補指令。后加減速控制無需計算減速點，算法相對簡單，如果每個運動軸的伺服增益不同，容易造成較大的軌跡輪廓誤差，影響運動精度;前加減速控制能夠事先知道插補運動的開始和結束，而且不影響插補指令，從而有更高的跟隨誤差精度，并能根據緩沖區(qū)的數(shù)據，事先進行加減速度規(guī)劃。因此，前加減速控制更能滿足卷簧機高速加工的加減速特性要求。

（2）簡化對稱S曲線加減速方法

S曲線加減速控制方法是指在加減速時，使其加速度的導數(shù)（加加速度）為常數(shù)，通過對加加速度控制來限制對機床的沖擊和振動，并通過加速度和加加速度2個物理量的參數(shù)設定或編程設定來實現(xiàn)柔性加減速控制，以適應機床不同的工況。一個完整的S曲線加減速過程由7個階段組成，它的加減速控制算法參數(shù)較多，計算相對復雜，程序運行時間長，影響到數(shù)控機床的加工效率。本項目采用一種簡化對稱S曲線加減速模型如圖6所示，該模型是由加速段、勻速段和減速段組成。該算法參數(shù)少，運行時間短，可控性強，滿足卷簧機運動的平穩(wěn)性和軌跡精度需求。

（3）簡化對稱S曲線加減速算法

假設條件:

則有

其中:Sa、Sd、Sm分別為加速段、減速段、勻速段的距離;Vs、Ve、Vm分別為加速段的起點速度、減速段的終點速度、給定的進給速度;aa、ad、a分別為加速段加速度、減速段減加速度和系統(tǒng)設定加速度。

由式（4）、（5）可知，只要給定加速度a，就可以確定S曲線加減速模型。實際應用時，事先設定初始速度v（0）、最大速度vmax、最大加速度amax和總位移s等，通過迭代計算，即可完成相關量的計算。該S曲線加減速的數(shù)學表達式參數(shù)少，算法簡單，易于編程。

3.1.2 由CAD直接生成G代碼運動程序

本系統(tǒng)的G代碼程序由彈簧CAD圖形直接自動生成，經用戶修訂確認后，直接下載到ACS運動控制器中運行。在彈簧CAD中，只需在界面上選擇彈簧類型，用鼠標拖拉彈簧圖形，相應幾何參數(shù)會自動調整，當然幾何參數(shù)也可在CAD中直接輸入，然后再輸入加工彈簧的工藝參數(shù)，上位軟件就能自動生成加工程序，用戶確認后自動下載到運動控制器中。該運動控制程序協(xié)調控制各運動機構的動作，卷繞出所需要的彈簧。內嵌彈簧CAD的操作界面如圖7所示。

以等節(jié)距平頭圓柱彈簧圖為例:鋼絲直徑D=5.000 mm，彈簧外徑A=35.000 mm，彈簧長度L=60.000 mm，彈簧卷數(shù)N=5.000，外徑修正系數(shù)K=1.035，切刀切斷角度B=0.00，切刀返回起始角度C=0.00，前端密著卷數(shù)T=0.200，結束密著卷數(shù)E=0.350。用彈簧CAD設計好彈簧如圖7中，然后輸入相關工藝參數(shù)，就能自動生成如下G代碼程序，用戶確認后，即可自動下載到ACS運動控制器中運行。

G代碼程序:

3.2 PLC程序設計

采用軟PLC技術，編程軟件InfoteamOpenPCS符合IEC61131－3。PLC程序是負責設備開關量的邏輯控制。當運動程序在前臺有序運行時，ACS在后臺可以同時運行多個PLC程序（最多可達10個），這些程序控制ACS運動控制器對現(xiàn)場設備發(fā)送或接收信號。PLC程序采用ACS提供的命令語言ACSPL+編寫，PLC以5 ms甚至更高的循環(huán)速度對PLC程序進行反復掃描，能滿足系統(tǒng)的需要。在卷簧機數(shù)控系統(tǒng)中，PLC程序由系統(tǒng)I/0端口映射、回基準點、行程到位與限位控制、伺服控制器使能、自動工作方式/手動工作方式選擇及X、Y、Z等軸電動機啟、停等控制子程序組成。

PLC與監(jiān)控模塊是經I/O接口的輸入輸出實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中，送入PLC的輸入信號主要有:軟操作面板上的控制按鈕、選擇開關等信號，各軸的行程開關、機械零點開關、設備上的電器動作、限位、報警及各伺服模塊工作狀態(tài)等信號。PLC輸出的信號主要有:軟硬指示燈信號、繼電器動作信號、伺服模塊的驅動使能和速度使能信號等。在ACS中，PLC程序以一定的時間間隔運行，并及時將相關數(shù)據與上位機交換。

4 結語

將彈簧CAD與五軸數(shù)控系統(tǒng)結合構成的卷簧機數(shù)控系統(tǒng)極大地方便了用戶，使其具有好的應用前景?，F(xiàn)場測試表明:送線運動機構采用獨立控制后，可方便實現(xiàn)送線長度無限的要求，送絲精度為0.01 mm;上、下圈徑桿及節(jié)距桿分別采用獨立控制后，使軸向、經向回彈量關聯(lián)度降低，在彈簧CAD支持下，更換加工品種時，新品調試過程大為簡化，對調試人員的經驗要求降低，調試時間縮短25%以上;切斷運動機構獨立控制后，除進行一般的剪切方式外，還可匹配上下切刀進行扭切，解決大線徑、小旋繞比的彈簧剪切難題。

［1］張耀，黃文廣，程文鋒，等.卷簧機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.制造技術與機床，2007（12）:37－42.

［2］張碧陶，高偉強，沈列，等.S曲線加減速控制新算法的研究［J］.機床與液壓，2009（l0）:27－29.

［3］郝雙暉，宋芳，郝明暉，等.參數(shù)限制快速求解S曲線加減速控制算法研究［J］.制造技術與機床，2008（7）:84－86.

［4］陳先鋒.伺服控制技術自學手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［5］SPiiPlus programmer's guide version 6.50［Z］.ACS MotionControl Ltd.，2009.

［6］汪曾祥，魏先英，劉祥至.彈簧設計手冊［M］.上海:上海科技文獻出版社，1986.