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(lèi)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(xiàn)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)�、變�?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(xiàn)長(zhǎng)度的調(diào)整范圍依賴(lài)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(xiàn)滾輪，不僅增加了噪音，還降低了送線(xiàn)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(xiàn)機(jī)構(gòu)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)，送線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mén)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