周永強

（洛陽職業(yè)技術(shù)學院//洛陽高級技工學校，河南洛陽 471000）

三軸數(shù)控彈簧機電氣控制系統(tǒng)的設計

周永強

（洛陽職業(yè)技術(shù)學院//洛陽高級技工學校，河南洛陽 471000）

隨著工業(yè)的發(fā)展，高質(zhì)量彈簧用量的增加，彈簧機本身的精度直接影響制作出來的彈簧的精度。以三軸數(shù)控彈簧機為例，從彈簧機的結(jié)構(gòu)原理入手，介紹其電氣控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程。

數(shù)控彈簧機；電氣控制；系統(tǒng)設計

彈簧是工業(yè)中常用的元件，大到航空母艦，小到手機相機等各種產(chǎn)品都離不了彈簧。隨著工業(yè)的發(fā)展，彈簧的用量會大量增加。作為加工彈簧的專用設備——彈簧機，將起到越來越重要的作用，彈簧機本身的精度直接影響制作出來的彈簧的精度。當彈簧機機械本體精度滿足之后，電氣控制系統(tǒng)的設計就顯得尤為重要。本文作者以三軸數(shù)控彈簧機為例，介紹其電氣控制系統(tǒng)的設計。

數(shù)控彈簧機一般由主機和控制系統(tǒng)組成。

1 數(shù)控彈簧機主機的結(jié)構(gòu)與工作原理

數(shù)控彈簧機主機是用于完成各種彈簧線材加工的機械部件，與機械彈簧機一樣，主要由校直機構(gòu)、送料機構(gòu)、變徑機構(gòu)、節(jié)距變更機構(gòu)和切斷機構(gòu)五個部分組成。

（1）校直機構(gòu)位于送線架與送料滾輪之間，采用多輪擠壓校正原理，作用是消除鋼絲原有的彎曲變形，使鋼絲能挺直的進入送料機構(gòu)，以提高卷簧的精度。

（2）送料機構(gòu)是靠兩對送料輪壓緊鋼絲，以送料輪的旋轉(zhuǎn)帶動鋼絲直線前進的裝置。

（3）變徑機構(gòu)是卷繞彈簧時，彈簧外徑的控制機構(gòu)，由兩個頂桿和驅(qū)動頂桿的變徑凸輪組成。

（4）節(jié)距變更機構(gòu)是控制彈簧節(jié)距的機構(gòu)，由節(jié)距桿和變距凸輪組成。

（5）切斷機構(gòu)是卷繞成形后，切斷鋼絲使彈簧落下的最后一個加工動作，切斷時通過切刀和芯軸來完成。

彈簧的種類很多，這里以應用最多的壓簧為例，說明其在彈簧機上的加工原理。

當制作彈簧的鋼絲經(jīng)過校直機構(gòu)和送料機構(gòu)，順著導向板1上的槽向右前進，如圖1所示，碰上變徑機構(gòu)頂桿3前端的圓弧槽時，依靠上、下頂桿的限位及導向作用使鋼絲成形。兩頂桿可在各自的滑槽中移動，通過變徑凸輪控制上、下頂桿的位置，就可控制彈簧圈徑的大小[1]。在鋼絲彎曲成簧圈的過程中，鋼絲接觸到節(jié)距變更機構(gòu)上節(jié)距桿5的斜面，節(jié)距桿為垂直紙面的運動，即沿著彈簧卷繞成形的軸線方向移動，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，卷簧時，后一圈簧圈靠著已卷好的前一卷而成形。當一只彈簧卷繞完畢時，送料機構(gòu)停止送料[2]，切斷機構(gòu)用切刀4將鋼絲切斷，芯軸2則作為切刀切鋼絲時的一個支承。如此往復運轉(zhuǎn)就實現(xiàn)了彈簧的自動成形。通過送線滾輪，上、下頂桿，節(jié)距桿及切刀的組合運動，可卷繞變?nèi)健⒆児?jié)距等各種形狀的圓形壓簧。

2 數(shù)控彈簧機的電氣控制系統(tǒng)

數(shù)控彈簧機與傳統(tǒng)的機械彈簧機相比，應當效率更高，所生產(chǎn)彈簧精度更高，質(zhì)量更穩(wěn)定，有效降低對操作工的技術(shù)要求，需要加工不同品種的彈簧時，只需操作工在計算機上填入相應的參數(shù)，通過程序控制協(xié)調(diào)各機構(gòu)的動作，就可圈繞出所需要的彈簧。本文所指三軸數(shù)控彈簧機，可以制作彈簧規(guī)格為0.6～3.0 mm的線型材柱形、塔形、腰形簧等，最大外徑50 mm，送線精度要求±0.1mm，整機功率不大于8.5 kW，自重不大于1 500 kg，具有良好的人機界面，安全性能符合國家標準。

為了滿足以上功能要求，數(shù)控彈簧機的電氣控制系統(tǒng)主要由電腦控制器系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體控制如圖2所示。

（1）電腦控制器系統(tǒng)

電腦控制器系統(tǒng)由彈簧機專用電腦控制器、顯示裝置、操作面板、鍵盤、手搖輪以及起輸入輸出控制作用的I板和O板組成。電腦控制器是整個電氣控制系統(tǒng)的核心。

為使數(shù)控彈簧機工作穩(wěn)定可靠，維修更換方便，選用現(xiàn)成的數(shù)控系統(tǒng)，即采用彈簧機專用三軸電腦控制器。具有以下主要特點：（1）采用閉環(huán)控制方式，使控制精度更高；（2）系統(tǒng)硬件高度集成化，使故障率降到最低，穩(wěn)定性大大提升；（3）不用停機可以修改加工程式，可以隨時通過轉(zhuǎn)手搖輪改變機器速度；（4）全面的安全設計：1）急停時切斷伺服馬達Servo On信號；2）電機過速系統(tǒng)提前報警；3）安全門保護；4）無料斷料、線架異常有停機保護；5）故障報警自動停機；6）線架隨動。

（2）伺服驅(qū)動系統(tǒng)

通過分析彈簧加工原理，知道送料機構(gòu)只是一個簡單的齒輪傳動，變徑機構(gòu)中上、下頂桿是由變徑凸輪來驅(qū)動的，節(jié)距變更機構(gòu)中的節(jié)距桿可直接采用電機連接滾珠絲桿來驅(qū)動，而切斷機構(gòu)也只是一個簡單的凸輪傳動[3]，且與變徑機構(gòu)不會同時工作，只是在一只彈簧卷繞完成時，變徑結(jié)束，上下頂桿歸位的同時將彈簧絲切斷的，所以可與變徑機構(gòu)共用一個電機，通過曲軸連桿去帶動切刀運動來實現(xiàn)。因此采用伺服控制技術(shù)，通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動使這幾個機構(gòu)獨立運動，取代傳統(tǒng)的機械型彈簧機靠一個原動力拖動各機構(gòu)機械聯(lián)動的驅(qū)動方式，達到各機構(gòu)的高運動精度要求。

綜上所述，要對X，Y，Z三軸的運動進行精確的控制，其中，X軸為變徑機構(gòu)凸輪軸，控制兩個頂桿的位置；Y軸為送料機構(gòu)齒輪軸，送線長度可以無限；Z軸為節(jié)距變更機構(gòu)轉(zhuǎn)芯軸，為垂直紙面的運動，即沿著彈簧卷繞成形的軸線方向移動，Z軸上有三個接近開關，分別代表節(jié)距桿的前限位、原位和后限位。凸輪軸X和轉(zhuǎn)芯軸Z開機后都必須歸零，送線軸Y不需要回零。彈簧加工程序結(jié)束后右旋彈簧由X軸伺服電機帶動凸輪、連桿傳動至上切刀連接軸，切刀下行切斷。

為配套數(shù)控彈簧機需專門設計自動送線架，以將彈簧鋼絲順利送入彈簧機校直機構(gòu)。自動送線架在工作過程中會點動送線、手動勻速送線和自動調(diào)節(jié)送線速度并且能夠正反轉(zhuǎn)，使彈簧機和送線架的送線速度保持同步，當料盤上發(fā)生鋼絲纏線或斷線時，會發(fā)出報警信號并自動停機。由于對送線架的運動精度要求相對低一些，同時為了降低設備整機成本，驅(qū)動送線架可用普通的三相異步電動機，由變頻器進行模擬量控制。自動料架送線速度利用一個擺桿來調(diào)節(jié)。在擺桿的擺動范圍內(nèi)放置三個接近開關，即擺桿的初始位置，中間位置和極限位置。當擺桿在初始位置時，對應速度為零；中間位置對應變頻器的由低到高兩個速度；若料盤上的鋼絲纏住時，料盤電機拖動鋼絲使擺桿達到極限位置，則極限開關斷開主機控制料架電機的使能信號，同時發(fā)出報警信號。故障解除后，從原中斷處繼續(xù)卷繞，使該段彈簧鋼絲不被浪費。

經(jīng)過計算分析，選用以下四臺電動機拖動：

1）X軸（凸輪軸）伺服電機M3(2.9 kW)；

2）Y軸（送線軸）伺服電機M4(4.4 kW)；

3）Z軸（轉(zhuǎn)芯軸）伺服電機M5(0.85 kW)；

4）料盤電機M6(1.5 kW)。

X、Y、Z三軸伺服電動機分別由X、Y、Z伺服驅(qū)動單元控制。

M6用于拖動送線架，為普通三相交流異步電動機，由變頻器控制。

（3）根據(jù)要求繪制控制電路圖

本設備控制電路部分采用單相交流電。由于設備在長時間工作的過程中，會出現(xiàn)發(fā)熱和運動副之間的摩擦，故在設備上要增加風扇M2和油泵M1用于冷卻和潤滑。這兩臺電機均為0.75 kW，直接在控制電路上工作。為了表示彈簧機控制系統(tǒng)啟動與否，用紅色HL1和綠色HL2兩個指示燈分別表示系統(tǒng)停止和系統(tǒng)啟動兩種狀態(tài)。SB1是系統(tǒng)啟動按鈕，SB2是系統(tǒng)停止按鈕。KM1是系統(tǒng)啟動電源接觸器，KM2是伺服驅(qū)動系統(tǒng)電源接觸器。CNC控制器電源采用開關電源24 V供電。當夜晚或光線不好環(huán)境下工作時，可以手動打開工作指示燈H1。

圖3 系統(tǒng)控制電路原理圖

根據(jù)設計要求可設計出控制電路原理圖。如圖3所示。

全自動送線架由專門的線架電機驅(qū)動，受變頻器控制。變頻器通過I板向CNC控制器發(fā)送斷線等線架故障信號。其控制電路如圖4所示。

凸輪軸X和轉(zhuǎn)芯軸Z開機后都必須歸零，送線軸Y不需要回零。X軸原點、Z軸原點和Z軸前后限位用四個接近開關去檢測，位置檢測信號通過I板送到CNC控制器中。I板接線如圖5所示。CNC控制器通過O板發(fā)出凸輪軸X，送線軸Y，轉(zhuǎn)芯軸Z的伺服驅(qū)動信號（方向和速度），系統(tǒng)報警信號以及線架啟動信號。O板接線如圖6所示。

圖5 I板電路圖

（4）控制電路原理分析（見圖3-6）

在操作面板上，按下啟動按鈕SB1，KM1接觸器和KA中間繼電器線圈同時得電，KM1自鎖觸點閉合自鎖，主電路中KM1主觸點閉合，X、Y、Z交流伺服驅(qū)動器通電準備。同時KA常閉觸點斷開，常開觸點閉合，HL1系統(tǒng)停止指示燈（紅色）熄滅，系統(tǒng)啟動指示燈（綠色）亮起，如果之前電氣控制柜中的QF1、QF2、QF3已經(jīng)閉合，那么此時油泵電機好M1，風扇電機M2就會啟動運行，對設備進行潤滑和冷卻；同時數(shù)控彈簧機電腦控制器得電啟動；開關電源工作，將單相220 V的交流電變成直流24 V供給用于輸入輸出控制的I板和O板單元?？刂破魍ㄟ^接口電路數(shù)據(jù)線與I板和O板進行通信，采集I板上的X軸和Z軸的原點和前后限位信號，變頻器輸出給I板的斷線故障信號以及系統(tǒng)急停按鈕信號，經(jīng)過控制器系統(tǒng)運算處理，輸出給O板，發(fā)出X、Y、Z三軸的伺服驅(qū)動信號分別給三個交流伺服驅(qū)動器，此時若沒有送線架報警信號，O板010端就輸出，使中間繼電器KA線圈得電，從而使串在變頻器控制電路正轉(zhuǎn)端的KA常開觸點閉合，變頻器輸出正轉(zhuǎn)信號給送線架電機，料盤啟動運轉(zhuǎn)，送線至機械部分的校直機構(gòu)進行校直，送線架也可以手動操作使料盤啟動，通過SQ1，SQ2，SQ3三個行程開關輸入給變頻器端子輸入端，使料盤可以選擇高速或低速運轉(zhuǎn)，配合主機的彈簧送絲速度。當料盤上無料或是斷線時，行程開關檢測到后，變頻器立即輸出RA和RC線架報警信號給I板，控制器檢測到后立即發(fā)出急停信號并在顯示屏上顯示相應報警信息。

圖6 O板電路圖

3 結(jié)束語

數(shù)控彈簧機電氣控制系統(tǒng)除了上述硬件部分，還有軟件部分。實踐證明，在不同的彈簧加工環(huán)境中，只要編制工藝合理的加工程序，設置合適的系統(tǒng)參數(shù)、伺服驅(qū)動器參數(shù)和變頻器參數(shù)，就能穩(wěn)定高效的生產(chǎn)出高質(zhì)量的彈簧產(chǎn)品。

［1］葛惠民，張耀，黃文廣，等.五軸數(shù)控卷簧機控制系統(tǒng)［J］.輕工機械，2011，29（6）：59-62.

［2］王克，庫祥臣，李濟順.專家系統(tǒng)在編制彈簧卷繞工藝中的應用［J］.機床與液壓，2010，38（6）：4-6.

［3］丁士德.五軸數(shù)控卷簧機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.電子工程師，2002，28（4）：34-37.

The Design of the Electrical Control System in the Three-Axis CNC Spring Machine

ZHOU Yong-qiang
（Luoyang Senior Technical School//Luoyang Vocational and Technical College，Luoyang471000，China）

With the development of industry and the increasing use of the high-quality spring，the accuracy of the spring machine itself has a direct impact on the accuracy of the spring it makes.In this paper，through an example of the three-axis CNC spring machine，starting with its structure principle，the author introduces the design and implementation of the electrical control system in the three-axis CNC spring machine.

CNC spring machine；electrical control；system design

TP273

A

1009－9492(2014)09－0114－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.031

周永強，男，1982年生，河南洛陽人，碩士研究生，講師。研究領域：數(shù)控維修及PLC應用。已發(fā)表論文2篇。 (編輯：向飛)

2014－04－01