穆鍵，顏夕秋

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

0 前言

我國(guó)彈簧設(shè)備的研制和生產(chǎn)，已有一定的歷史，早期生產(chǎn)的彈簧設(shè)備大多為機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)械式控制，產(chǎn)品的整體品質(zhì)和精度都受到限制。近些年來(lái)，隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大發(fā)展，已有多種數(shù)控卷簧機(jī)問(wèn)世。目前數(shù)控卷簧機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用數(shù)控銑床或數(shù)控加工中心的五軸系統(tǒng)?？刂齐娐?，數(shù)據(jù)處理單元與卷簧機(jī)械的執(zhí)行部件結(jié)合尚不理想，不僅存在著價(jià)格昂貴、功能不全等缺陷，而且操作界面復(fù)雜，使用不便。本項(xiàng)目與相關(guān)企業(yè)合作，通過(guò)研制集成于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的多功能接口功能模塊，將CAD/CAPP/CAM 軟件集成于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，研制出六軸卷簧機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其操作性和功能性優(yōu)良，不僅能滿足高速卷簧機(jī)數(shù)控化的需要，且具有高性價(jià)比。

1 技術(shù)原理

1.1 機(jī)器工作原理

卷簧機(jī)成形機(jī)構(gòu)部分包括送料、上、下、側(cè)圈徑桿、節(jié)距桿、切斷、芯軸等運(yùn)動(dòng)軸，如圖1 所示。既可加工等直徑、等節(jié)距，也可加工變直徑彈簧。送料長(zhǎng)度與圈徑和節(jié)距軸之間有確定的位置關(guān)系。等直徑時(shí)，彈簧直徑由圈徑保持恒定，彈簧螺距的控制由節(jié)距軸向前移動(dòng)位置與送料長(zhǎng)度協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，變徑彈簧同時(shí)還要協(xié)調(diào)控制圈徑軸的位置，切斷軸的移動(dòng)位置的精確控制可保證彈簧長(zhǎng)度的精度。而目前的數(shù)控卷簧機(jī)采用的是數(shù)控銑床或加工中心的控制系統(tǒng)，雖然解決了變換產(chǎn)品規(guī)格的凸輪調(diào)整問(wèn)題(五軸數(shù)控卷簧機(jī)需要保留一套凸輪調(diào)整機(jī)構(gòu))，但產(chǎn)品數(shù)據(jù)更新較困難，操作不便。工作前，根據(jù)彈簧的線徑、外徑、長(zhǎng)度、螺距等，先進(jìn)行彈簧特征數(shù)據(jù)編輯，輸入的彈簧特征數(shù)據(jù)計(jì)算出各軸間的相互關(guān)系，在運(yùn)行時(shí)由各伺服系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)各自的位置實(shí)時(shí)控制。

1.2 本項(xiàng)目主要研究、解決以下幾個(gè)問(wèn)題

1)配置了性能優(yōu)良的數(shù)控系統(tǒng)包括專用工業(yè)控制器和一體化板卡及控制接口卡;

2)研制了集成于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的CAD/CAPP/CAM一體化軟件及相互連接的接口功能模塊;

圖1 卷簧機(jī)工作原理圖

3)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)間雙向互交式數(shù)據(jù)交換和通信傳輸;

4)移植了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng);

5)建立了卷簧工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫(kù);

6)改造了現(xiàn)有的數(shù)控五軸卷簧機(jī)，增加了一個(gè)控制軸，實(shí)現(xiàn)六軸數(shù)控，增加了機(jī)械原點(diǎn)的設(shè)定，提高了卷簧機(jī)綜合技術(shù)性能。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究

1)面向制造的CAD 技術(shù)。包括智能識(shí)別、圖像矢量化、CAD 與CAPP 集成技術(shù)等。

2)面向制造的CAPP 技術(shù)。包括路徑優(yōu)化、步驟優(yōu)化、CAPP 與CAM 集成、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和管理技術(shù)等。

3)基于CAD 與CAPP 信息集成的CNC 技術(shù)，主要是與CAD/CAPP 集成系統(tǒng)的接口和互交的技術(shù)(基于STEP標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的接口和互交技術(shù))、一體式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備的研制技術(shù)和實(shí)時(shí)技術(shù)等。

4)本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的INC 系統(tǒng)的整體工作流程如圖2 所示，可分為6 個(gè)子部件模塊:輔助設(shè)計(jì)(CAD)、輔助工藝(CAPP)、優(yōu)化決策、數(shù)控加工(CNC)、系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)工作流程圖

5)選用具有網(wǎng)絡(luò)化功能的一體式數(shù)控系統(tǒng)，并成功地移植到高速六軸數(shù)控卷簧機(jī)。

6)開(kāi)發(fā)卷簧機(jī)產(chǎn)品的數(shù)字模塊，實(shí)現(xiàn)在零件實(shí)體模型上直接進(jìn)行數(shù)控編程，并實(shí)現(xiàn)圖形模擬仿真，使編程操作簡(jiǎn)單、直觀，易學(xué)易用。

7)對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控五軸卷簧機(jī)進(jìn)行改造，增加機(jī)械坐標(biāo)原點(diǎn)的設(shè)定，對(duì)實(shí)際送線長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)控和自動(dòng)補(bǔ)償，提高卷簧機(jī)整體防護(hù)等，有效地提升產(chǎn)品的綜合性能。

3 項(xiàng)目的研制情況

3.1 項(xiàng)目主要實(shí)施的內(nèi)容

1)本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出基于STEP2NC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，其中包含了加工工件的所有任務(wù)，基本原理是基于制造特征進(jìn)行編程，而不是直接對(duì)卷簧的成型部件與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程。這樣，CNC 系統(tǒng)可以直接從CAD 系統(tǒng)讀取STEP 數(shù)據(jù)文件，避免了由于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換而可能導(dǎo)致的精度降低問(wèn)題。

2)網(wǎng)絡(luò)化一體式數(shù)控系統(tǒng)以中央處理器為控制單元，并在其基礎(chǔ)搭建伺服控制單元、PLC 單元、通信單元、顯示單元、數(shù)據(jù)鍵入單元等模塊。通信部分包含數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC 主控單元與伺服驅(qū)動(dòng)及I/O 邏輯控制等各單元間通訊。

3)卷簧機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)與上層管理PC 之間的通信，方便快捷地與數(shù)控卷簧機(jī)進(jìn)行信息交換和控制。

4)解決機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)，處理好整體設(shè)計(jì)的優(yōu)化問(wèn)題。

5)驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)。為提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，保證可靠的動(dòng)力加載和產(chǎn)品的精度。

6)彈簧的參數(shù)化輸入與人機(jī)操縱界面設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)路線

篩選最佳的一體數(shù)控系統(tǒng)→開(kāi)發(fā)各功能模塊的接口技術(shù)→研制互交式通信接口→移植實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)→設(shè)計(jì)卷簧機(jī)用數(shù)據(jù)庫(kù)→數(shù)控卷簧機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)→集成化系統(tǒng)的測(cè)試和檢驗(yàn)。

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)與CAD/CAPP 之間的數(shù)據(jù)是單向傳輸，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)NC 程序的任何修改都無(wú)法直接反饋到CAD/CAPP 系統(tǒng)。生產(chǎn)NC 程序是記錄最初加工需求的信息容易丟失。而使用STEP2NC 可減少加工信息容易丟失的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動(dòng)，能夠保存所做的修改，使零件程序和優(yōu)化的加工描述及時(shí)地反饋到設(shè)計(jì)部門(CAD)，設(shè)計(jì)部門能清楚地了解到加工實(shí)況，獲得完整、連貫的加工過(guò)程數(shù)據(jù)，以便及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)整和更新，生產(chǎn)效率將得到極大的提高，如圖3 所示。

圖3 加工過(guò)程的數(shù)據(jù)交換

為了適合數(shù)字控制，對(duì)卷簧機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。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，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。

3.3 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)。卷簧機(jī)系統(tǒng)控制部分的硬件由電氣控制的強(qiáng)電和計(jì)算機(jī)控制的弱電兩個(gè)部分，以及伺服系統(tǒng)、電氣控制柜和操作臺(tái)組成。硬件系統(tǒng)的功能模塊如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)的功能模塊

3.4 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)包括專用工業(yè)控制器和一體化卡及控制接口卡。

3.4.1 處理單元

奔騰級(jí)處理器，各存儲(chǔ)器皆為固態(tài)器件，無(wú)可動(dòng)器件;內(nèi)插兩塊板卡，SIO 母卡(40 輸入/32 輸出);SCSI68Pin 連接線;標(biāo)準(zhǔn)操作面板;標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接板;繼電器板(20 輸入/16輸出)。

3.4.2 位置控制板及檢測(cè)板、軸控卡

1)5Pulse/6Vcmd 控制(Ver 2.0 以上);

2)主軸控制界面Pulse/Vcmd(Encoder Feedback);

3)類比輸出提供6 通道(±15Bits);

4)I/O 最高支援到256 輸入/256 輸出(使用串列傳輸);

5)提供4 軸原點(diǎn)檢測(cè);

6)提供1 軸手輪+/－ 31Bits 控制信號(hào);

7)最大提供6 軸斷線檢查(Ver 2.0 以上)。

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5。其中，上圈徑板、下圈徑板、側(cè)圈徑板、節(jié)距板的硬件構(gòu)成完全一樣，與工控?cái)U(kuò)展接口為24 位數(shù)據(jù)通道及中斷等控制信號(hào)，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。送線和切斷位置檢測(cè)板的主要作用是測(cè)量各自編碼器信號(hào)，經(jīng)變換處理后送入主機(jī)端口。由于送線和切斷不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故該端口可以復(fù)用。

圖5 閉環(huán)連接的位置控制板

3.5 伺服系統(tǒng)

為了提高整機(jī)性能及可靠性，伺服系統(tǒng)采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。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)中實(shí)現(xiàn)。

3.6 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于工業(yè)控制來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該是操作界面簡(jiǎn)潔，資源利用合理，控制功能完備，一切都以適應(yīng)機(jī)器的特點(diǎn)和需要為設(shè)計(jì)原則。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中始終遵循這樣的一個(gè)原則，就是盡量發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，減輕人的負(fù)擔(dān)，提高機(jī)器的工作效率。具體功能要求為:

1)窗口式操作，整個(gè)編輯、調(diào)試、運(yùn)行過(guò)程都有漢字提示，如:位移修正、回原點(diǎn)、單軸運(yùn)行、單件加工、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、無(wú)料、料架故障、伺服超差、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障等;

2)提供人工輸入、編輯、修改、刪除、儲(chǔ)存彈簧特征數(shù)據(jù)功能，參數(shù)表格輸入方式、菜單顯示;

3)加工過(guò)程實(shí)時(shí)顯示各軸的位置、速度、加工個(gè)數(shù)、時(shí)間及實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況等;

4)手動(dòng)運(yùn)行功能，快速點(diǎn)動(dòng)各軸進(jìn)給、回機(jī)械原點(diǎn);

5)自動(dòng)(步進(jìn)、連續(xù))加工工作形式;

6)六軸聯(lián)動(dòng)功能;

7)自動(dòng)診斷保護(hù)功能;

8)用戶服務(wù)功能，如文件管理、在線幫助。

3.6.1 合理利用硬件資源

根據(jù)彈簧成形的過(guò)程特點(diǎn)，采取了主從控制方式，即送線軸為主動(dòng)軸，其余為跟隨軸，并在硬件的設(shè)計(jì)上構(gòu)成二級(jí)控制。主計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，單片機(jī)則完成相應(yīng)軸的位置閉環(huán)控制。在每一插補(bǔ)周期，主機(jī)通過(guò)檢測(cè)出送線長(zhǎng)度，實(shí)時(shí)地計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的幾何位置，同時(shí)根據(jù)鋼絲材料的機(jī)械性能，算出鋼絲在該圈徑和節(jié)距處對(duì)應(yīng)的彈性恢復(fù)量。最后，得出各軸的實(shí)際位移量，再將這些位移數(shù)據(jù)送到各端口，并發(fā)出同步信號(hào)，通知各軸取得數(shù)據(jù)。各軸的控制器定時(shí)取出新的位置數(shù)據(jù)，與檢測(cè)出實(shí)際位置進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，將控制量送入伺服系統(tǒng)。由于軸控制器采用獨(dú)立處理單元，具有較強(qiáng)的處理和控制功能，在進(jìn)行多種算法實(shí)驗(yàn)后，采用變比例系數(shù)同時(shí)進(jìn)行積分處理的控制算法，使伺服系統(tǒng)具有快速的跟蹤性能和較高的定位精度。

3.6.2 完善的操作及控制功能

1)操作者在輸入彈簧的參數(shù)時(shí)，計(jì)算機(jī)均給予提示，并給出數(shù)據(jù)范圍，而且依照輸入?yún)?shù)自動(dòng)形成的彈簧圖形直觀地幫助操作者盡快查出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。同時(shí)，自動(dòng)形成的加工數(shù)據(jù)和補(bǔ)償量降低了對(duì)操作者技術(shù)水平的要求。

2)無(wú)論是在彈簧的調(diào)試過(guò)程中還是在連續(xù)卷繞過(guò)程中，計(jì)算機(jī)針對(duì)各種情況都給予提示。

3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，可根據(jù)用戶需要進(jìn)行選擇，而不需要變更硬件或軟件。例如，主機(jī)可通過(guò)聯(lián)機(jī)開(kāi)關(guān)建立與輔助送料及分選等系統(tǒng)信號(hào)聯(lián)鎖關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)完整的加工系統(tǒng)。亦可獨(dú)立地進(jìn)行卷簧機(jī)的單機(jī)加工。這樣做的好處是，既可采用其他廠家的輔助設(shè)備，又可在自己的輔助系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，輕松地將其隔離，而不影響主機(jī)的工作。

3.6.3 主機(jī)系統(tǒng)框圖

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)是按前后類型來(lái)考慮的。前臺(tái)軟件是一個(gè)中斷服務(wù)程序，用于計(jì)算各機(jī)構(gòu)幾何位置及鋼絲及鋼絲材料的變形補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)位控及相關(guān)邏輯功能。送線輪每走一個(gè)步長(zhǎng)，即啟動(dòng)一次中斷信號(hào)。后臺(tái)軟件則實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控管理等功能。整個(gè)程序框圖如圖7 所示。

圖7 主機(jī)系統(tǒng)軟件框圖

4 應(yīng)用前景

我國(guó)彈簧行業(yè)的多數(shù)廠家所用的設(shè)備還比較落后，尤其國(guó)營(yíng)老企業(yè)設(shè)備陳舊落后現(xiàn)象更為嚴(yán)重，生產(chǎn)出來(lái)的彈簧各項(xiàng)指標(biāo)差異性很大，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距較為明顯。

彈簧制造技術(shù)直接影響彈簧品質(zhì)。隨著科技的不斷進(jìn)步和機(jī)械設(shè)備性能的不斷提高，對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。但是目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備不夠齊全，跟不上當(dāng)前彈簧生產(chǎn)的需要，影響了彈簧產(chǎn)品品質(zhì)。

據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)有規(guī)模的彈簧企業(yè)約500 家以上。本項(xiàng)目的成功，將會(huì)有較大的市場(chǎng)需要，僅鹽城海旭彈簧廠的年需求量就有80～100 套。通過(guò)在行業(yè)中推廣，力爭(zhēng)產(chǎn)品的覆蓋面達(dá)到50%以上。采用本系統(tǒng)，可以提高工效，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可實(shí)現(xiàn)新增產(chǎn)值5 000 萬(wàn)元，利稅1 000 萬(wàn)元的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

彈簧行業(yè)在中國(guó)的整個(gè)制造業(yè)中雖然是一個(gè)小行業(yè)，但其所起到的作用絕對(duì)不可低估的，作為基礎(chǔ)件、零部件制造業(yè)之一的彈簧行業(yè)就更加需要有一個(gè)發(fā)展的超前期，才能適應(yīng)國(guó)家工業(yè)整體快速發(fā)展。彈簧產(chǎn)品規(guī)模品種的擴(kuò)大、品質(zhì)的提高，也是機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代的需要和配套主機(jī)性能提高的需要。因此，在國(guó)家工業(yè)的發(fā)展中，彈簧產(chǎn)品品質(zhì)的提高占有不可忽視的地位。隨著我國(guó)的火車、汽車、拖拉機(jī)、摩托車、助力車及電氣工業(yè)的不斷發(fā)展，彈簧的品種也在逐漸增多，數(shù)量在不斷增加。

本項(xiàng)目擬在今后對(duì)人機(jī)界面進(jìn)一步優(yōu)化，采用3D 圖形，增強(qiáng)視覺(jué)效果，并改進(jìn)操作縱面板的設(shè)計(jì)，不僅使其操作更加便捷、實(shí)用、而且美觀。進(jìn)一步拓展系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

［1］汪曾祥，魏先英，劉祥至.彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1986.

［2］臺(tái)灣寶元數(shù)控新代系統(tǒng)SYNTEC CNC 應(yīng)用手冊(cè)V10.1［S］.新代科技，2006.

［3］臺(tái)灣新代系統(tǒng)PLC 編輯手冊(cè)O(shè)penCNC_PLC 發(fā)展工具操作手冊(cè)［S］.新代科技，2006.