黃騁，張其

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

基于無軸卷工藝的多股簧數(shù)控加工機床

黃騁，張其

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

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

多股螺旋彈簧；無軸卷制；數(shù)控機床

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、強壓處理和表面處理。多股簧具有減震效果好、壽命長、可靠性好等特性，在國防裝備中廣泛應用，例如自動武器發(fā)射系統(tǒng)、航空發(fā)動機的減振簧等。同時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數(shù)控加工機床的結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)設計方案，并介紹試驗工程機的組裝與調(diào)試。

1 多股簧數(shù)控加工機床的結(jié)構(gòu)設計

1.1 機床總體方案設計

多股簧數(shù)控加工機床主要由中心放線機構(gòu)、中層鋼絲擰索機構(gòu)、外層鋼絲擰索機構(gòu)、張力控制單元、牽引機構(gòu)、緩沖機構(gòu)、推送機構(gòu)、繞簧機構(gòu)以及剪切機構(gòu)組成。該機床最大可以加工由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)控機床，第三代多股簧機床增大了線盤容量，簡化了出絲路徑，降低了勞動強度；另一方面，增加了剪切機構(gòu)和緩沖機構(gòu)，通過控制系統(tǒng)控制各電機以及氣動控制系統(tǒng)的聯(lián)動，實現(xiàn)了機床加工過程的全自動，提高了機床的加工能力和加工效率。

1.2 無軸卷制工藝

圖1 無軸卷制原理圖

在常見的多股簧卷制工藝中，均需一根卷簧軸對鋼索進行拉伸并繞軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(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，大多采用無軸的卷簧工藝。對此，基于單股簧的加工方法，改進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個可轉(zhuǎn)動小輪對鋼索進行擠壓卷繞成型。在卷制過程中，4個小輪為被動輪，順時針方向旋轉(zhuǎn)，而中心短軸主動作逆時針方向的旋轉(zhuǎn)運動。

2 多股簧數(shù)控加工機床的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的總體設計

第三代多股簧數(shù)控機床采用主從控制模式，以工業(yè)控制計算機為上位機，以PLC、ADAM-5510M以及伺服驅(qū)動器為下位機，實現(xiàn)了多股簧數(shù)控機床加工過程的全自動化。上位機主要用于搭建人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)參數(shù)的下載與監(jiān)控；而下位機則用于控制硬件完成相應的動作?？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)以及氣動控制系統(tǒng)。通過RS-485組網(wǎng)與上位機進行通信，實現(xiàn)工藝參數(shù)的下載與張力、電機轉(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)。對于中層和外層鋼絲的張力控制，以ADAM-5510M為運算核心，鋼絲張力經(jīng)稱重傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?，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)用預先寫入ADAM-5510M的張力偏差控制算法計算反饋值，ADAM-5024再將反饋值轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，調(diào)節(jié)磁粉離合器的電流，實現(xiàn)阻力矩的調(diào)節(jié)；而內(nèi)層只有一股鋼絲，以PLC為運算核心來實現(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)動器和伺服電機以及PLC。

2.2 伺服電機的啟動時序

圖2 各伺服電機的時序圖

在繞制多股簧時，完成對機床啟動準備工作后，各伺服電機按如圖2所示的時序關(guān)系運行。其中T1時段為各伺服電機的加速啟動階段，當各伺服電機達到相應的轉(zhuǎn)速后進入恒速運行時段。T9為機床停車后各伺服電機的減速時段。推送電機和卷簧電機在恒速運行T2時間后，彈簧的加工長度達到工藝參數(shù)要求，則進入減速停止時段T3。在 時間段內(nèi)，卷簧停止，即推送電機和卷簧電機皆停止轉(zhuǎn)動，此時緩沖裝置下行，剪切裝置剪斷多股簧，完成一根彈簧的加工。此后，推送電機和卷簧電機的加速運行到另一參數(shù)，推送電機和卷簧電機進入恒速時段T6，在這個時間段中，因推送電機速度大于牽引電機轉(zhuǎn)速，緩沖裝置存儲的鋼索不斷被消耗而上行運動，當緩沖裝置達到上行限制位后，卷簧電機減速為T2時段的卷簧電機轉(zhuǎn)速，推送電機的轉(zhuǎn)速減速為牽引電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)牽引與推送鋼索的速度匹配，再恒速運行T8時間后，彈簧參數(shù)達到工藝要求，此后各電機按T4～T8的速度時序不斷重復運動直到機床停車。

2.3 電機轉(zhuǎn)速的計算

根據(jù)圖1中的關(guān)系，卷簧電機轉(zhuǎn)速n0為：

式中：i0為卷簧電機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。

牽引電機和推送電機轉(zhuǎn)速為：

式中：n1和推送電機在T8和T6時段對應的轉(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為推送電機轉(zhuǎn)速放大系數(shù)。而牽引電機轉(zhuǎn)速等于推送電機轉(zhuǎn)速n1。

設擰索電機的轉(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為擰索電機到擰索主軸之間的傳動比；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，需要對鋼絲進行退扭操作，為此，在擰索機構(gòu)中，采用行星輪系實現(xiàn)了鋼索成型過程中每個線盤的翻轉(zhuǎn)，達到了鋼絲退扭的目的。該行心輪系主要包括太陽輪、惰輪、行星輪及行星架。因行星架與行星輪之間不存在動力的傳遞，因此，對行星架采用外接動力的方式單獨驅(qū)動，使整個機構(gòu)等效于行星輪系的運動。根據(jù)行星輪之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系有：

式中：nt—太陽輪的轉(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，即行星機架的轉(zhuǎn)速；Zy—行星輪的齒數(shù)；Zt—太陽輪的齒數(shù)。

由退扭率的定義有：

式中：γ—退扭百分比。

由退扭電機與搖籃之間的傳遞關(guān)系有：

式中，i4—退扭電機到行星輪之間的傳動比。結(jié)合等式（4）-（8）得退扭電機轉(zhuǎn)速的計算式為：

此外，聯(lián)動時剪切機構(gòu)執(zhí)行的時間間隔為：

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

針對多股簧加工廢品率高，成本高，以及加工裝備自動化程度低，不能進行大批量生產(chǎn)等問題，設計了第三代多股簧全自動數(shù)控加工機床。分析了現(xiàn)存多股簧的工藝路線存在的問題，改進了多股簧的卷制工藝方法，并設計了張力控制單元，擴大了線盤儲絲量，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)控制計算機，搭建了多股簧零編程數(shù)控操作系統(tǒng)，采用主從模式，實現(xiàn)了多股簧加工過程全自動化，提高了多股簧的加工效率。

[1]李小勇，王時龍，周杰． 多股螺旋彈簧[M]． 北京: 科學出版社, 2011．

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

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