基于無(wú)軸卷工藝的多股簧數(shù)控加工機(jī)床

黃騁，張其

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

基于無(wú)軸卷工藝的多股簧數(shù)控加工機(jī)床

黃騁，張其

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

為降低多股螺旋彈簧（簡(jiǎn)稱多股簧）的加工成本，研究具有批量化生產(chǎn)能力的多股簧數(shù)控加工機(jī)床成為多股簧推廣應(yīng)用的重要舉措。針對(duì)多股簧的加工特點(diǎn)，基于工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC、ADAM-5510M等運(yùn)算核，采用主從控制模式，搭建了零編程的數(shù)控系統(tǒng)。針對(duì)每股鋼絲的張力控制，設(shè)計(jì)了張力控制單元。采用無(wú)軸卷制的繞簧工藝，減少了頻繁的裝夾。增大了線盤儲(chǔ)絲量，避免了多股簧數(shù)控加工機(jī)床在批量化生產(chǎn)過程中頻繁的更換線盤，減少了加工準(zhǔn)備時(shí)間，提高了多股簧的生產(chǎn)效率。

多股螺旋彈簧；無(wú)軸卷制；數(shù)控機(jī)床

多股螺旋彈簧是由多股鋼絲卷制而成的圓柱螺旋彈簧，簡(jiǎn)稱多股簧。多股簧的制造工藝分為卷制、切斷、焊頭、彎頭、回火、強(qiáng)壓處理和表面處理。多股簧具有減震效果好、壽命長(zhǎng)、可靠性好等特性，在國(guó)防裝備中廣泛應(yīng)用，例如自動(dòng)武器發(fā)射系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減振簧等。同時(shí)也可以用于替代單股簧。以下提出了一種批量化生產(chǎn)的第三代多股簧全自動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并介紹試驗(yàn)工程機(jī)的組裝與調(diào)試。

1 多股簧數(shù)控加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)

多股簧數(shù)控加工機(jī)床主要由中心放線機(jī)構(gòu)、中層鋼絲擰索機(jī)構(gòu)、外層鋼絲擰索機(jī)構(gòu)、張力控制單元、牽引機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)、繞簧機(jī)構(gòu)以及剪切機(jī)構(gòu)組成。該機(jī)床最大可以加工由19股鋼絲組成的多股簧。相比于本課題組研制的第二代數(shù)控機(jī)床，第三代多股簧機(jī)床增大了線盤容量，簡(jiǎn)化了出絲路徑，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；另一方面，增加了剪切機(jī)構(gòu)和緩沖機(jī)構(gòu)，通過控制系統(tǒng)控制各電機(jī)以及氣動(dòng)控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床加工過程的全自動(dòng)，提高了機(jī)床的加工能力和加工效率。

1.2 無(wú)軸卷制工藝

圖1 無(wú)軸卷制原理圖

在常見的多股簧卷制工藝中，均需一根卷簧軸對(duì)鋼索進(jìn)行拉伸并繞軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)多股簧的卷繞成型。卷簧軸給多股簧的加工過程帶來諸多不便，主要表現(xiàn)為不同中徑的彈簧需更換不同直徑的卷簧軸，彈簧的加工長(zhǎng)度受到限制以及每加過完一根彈簧需重新裝夾鋼索。然而，單股簧的加工制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟，大多采用無(wú)軸的卷簧工藝。對(duì)此，基于單股簧的加工方法，改進(jìn)了多股簧的卷制工藝，如圖1所示。圖中，中心短軸按以ω0旋轉(zhuǎn)，鋼索被推送輪以速度V1向前推送，4個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)小輪對(duì)鋼索進(jìn)行擠壓卷繞成型。在卷制過程中，4個(gè)小輪為被動(dòng)輪，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而中心短軸主動(dòng)作逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 多股簧數(shù)控加工機(jī)床的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

第三代多股簧數(shù)控機(jī)床采用主從控制模式，以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，以PLC、ADAM-5510M以及伺服驅(qū)動(dòng)器為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多股簧數(shù)控機(jī)床加工過程的全自動(dòng)化。上位機(jī)主要用于搭建人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的下載與監(jiān)控；而下位機(jī)則用于控制硬件完成相應(yīng)的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)主要包括鋼絲張力控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)以及氣動(dòng)控制系統(tǒng)。通過RS-485組網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的下載與張力、電機(jī)轉(zhuǎn)速的在線監(jiān)控。其中，鋼絲張力控制系統(tǒng)根據(jù)硬件的布局，分為外層鋼絲張力控制系統(tǒng)、中層鋼絲張力控制系統(tǒng)以及內(nèi)層鋼絲張力控制系統(tǒng)。對(duì)于中層和外層鋼絲的張力控制，以ADAM-5510M為運(yùn)算核心，鋼絲張力經(jīng)稱重傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?hào)，再通過變送器放大后被ADAM-5017H采集，采集的張力值與期望值相比較，再調(diào)用預(yù)先寫入ADAM-5510M的張力偏差控制算法計(jì)算反饋值，ADAM-5024再將反饋值轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，調(diào)節(jié)磁粉離合器的電流，實(shí)現(xiàn)阻力矩的調(diào)節(jié)；而內(nèi)層只有一股鋼絲，以PLC為運(yùn)算核心來實(shí)現(xiàn)內(nèi)層鋼絲張力的調(diào)整。伺服控制系統(tǒng)主要包含伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)以及PLC。

2.2 伺服電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)序

圖2 各伺服電機(jī)的時(shí)序圖

在繞制多股簧時(shí)，完成對(duì)機(jī)床啟動(dòng)準(zhǔn)備工作后，各伺服電機(jī)按如圖2所示的時(shí)序關(guān)系運(yùn)行。其中T1時(shí)段為各伺服電機(jī)的加速啟動(dòng)階段，當(dāng)各伺服電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速后進(jìn)入恒速運(yùn)行時(shí)段。T9為機(jī)床停車后各伺服電機(jī)的減速時(shí)段。推送電機(jī)和卷簧電機(jī)在恒速運(yùn)行T2時(shí)間后，彈簧的加工長(zhǎng)度達(dá)到工藝參數(shù)要求，則進(jìn)入減速停止時(shí)段T3。在 時(shí)間段內(nèi)，卷簧停止，即推送電機(jī)和卷簧電機(jī)皆停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)緩沖裝置下行，剪切裝置剪斷多股簧，完成一根彈簧的加工。此后，推送電機(jī)和卷簧電機(jī)的加速運(yùn)行到另一參數(shù)，推送電機(jī)和卷簧電機(jī)進(jìn)入恒速時(shí)段T6，在這個(gè)時(shí)間段中，因推送電機(jī)速度大于牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速，緩沖裝置存儲(chǔ)的鋼索不斷被消耗而上行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)緩沖裝置達(dá)到上行限制位后，卷簧電機(jī)減速為T2時(shí)段的卷簧電機(jī)轉(zhuǎn)速，推送電機(jī)的轉(zhuǎn)速減速為牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)牽引與推送鋼索的速度匹配，再恒速運(yùn)行T8時(shí)間后，彈簧參數(shù)達(dá)到工藝要求，此后各電機(jī)按T4～T8的速度時(shí)序不斷重復(fù)運(yùn)動(dòng)直到機(jī)床停車。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

根據(jù)圖1中的關(guān)系，卷簧電機(jī)轉(zhuǎn)速n0為：

式中：i0為卷簧電機(jī)到卷簧短軸之間的傳遞系數(shù)；λ為鋼索與中心短軸的打滑系數(shù)；R0為中心短軸半徑。

牽引電機(jī)和推送電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

式中：n1和推送電機(jī)在T8和T6時(shí)段對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；V1為鋼索推送速度，在工藝參數(shù)面板中指彈簧的加工速度；i1為推送電機(jī)到推送輪之間的傳遞系數(shù)；R1為推送輪半徑；κ為推送電機(jī)轉(zhuǎn)速放大系數(shù)。而牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速等于推送電機(jī)轉(zhuǎn)速n1。

設(shè)擰索電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n3，鋼索的牽引速度為V2，鋼索捻距為p 。則擰索電機(jī)轉(zhuǎn)速與鋼索的牽引速度之間的關(guān)系為：

式中：i3為擰索電機(jī)到擰索主軸之間的傳動(dòng)比；在圖2中的T2和階段，V2與鋼索推送速度V1相同。

在多股簧加工過程中，需要對(duì)鋼絲進(jìn)行退扭操作，為此，在擰索機(jī)構(gòu)中，采用行星輪系實(shí)現(xiàn)了鋼索成型過程中每個(gè)線盤的翻轉(zhuǎn)，達(dá)到了鋼絲退扭的目的。該行心輪系主要包括太陽(yáng)輪、惰輪、行星輪及行星架。因行星架與行星輪之間不存在動(dòng)力的傳遞，因此，對(duì)行星架采用外接動(dòng)力的方式單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)等效于行星輪系的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)行星輪之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系有：

式中：nt—太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速；ny—行星輪的轉(zhuǎn)速，即搖籃的轉(zhuǎn)速；nr—擰索主軸的轉(zhuǎn)速，即行星機(jī)架的轉(zhuǎn)速；Zy—行星輪的齒數(shù)；Zt—太陽(yáng)輪的齒數(shù)。

由退扭率的定義有：

式中：γ—退扭百分比。

由退扭電機(jī)與搖籃之間的傳遞關(guān)系有：

式中，i4—退扭電機(jī)到行星輪之間的傳動(dòng)比。結(jié)合等式（4）-（8）得退扭電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算式為：

此外，聯(lián)動(dòng)時(shí)剪切機(jī)構(gòu)執(zhí)行的時(shí)間間隔為：

式中：nt為彈簧的加工圈數(shù)；Pt為彈簧的螺距；D為彈簧的直徑。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)多股簧加工廢品率高，成本高，以及加工裝備自動(dòng)化程度低，不能進(jìn)行大批量生產(chǎn)等問題，設(shè)計(jì)了第三代多股簧全自動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床。分析了現(xiàn)存多股簧的工藝路線存在的問題，改進(jìn)了多股簧的卷制工藝方法，并設(shè)計(jì)了張力控制單元，擴(kuò)大了線盤儲(chǔ)絲量，優(yōu)化了出絲路徑，使加工過程各股鋼絲張力控制更加穩(wěn)定可靠，具備多規(guī)格、大批量的加工能力。并基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，搭建了多股簧零編程數(shù)控操作系統(tǒng)，采用主從模式，實(shí)現(xiàn)了多股簧加工過程全自動(dòng)化，提高了多股簧的加工效率。

[1]李小勇，王時(shí)龍，周杰． 多股螺旋彈簧[M]． 北京: 科學(xué)出版社, 2011．

[2]周杰，鄒政，王時(shí)龍，等． 基于多股簧數(shù)控加工機(jī)床的多通道張力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)[J]． 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)．2009(12): 54-57．

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