基于無軸卷工藝的多股簧數控加工機床

黃騁，張其

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

基于無軸卷工藝的多股簧數控加工機床

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能力的多股簧數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，搭建了零編程的數控系統。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，避免了多股簧數控加工機床在批量化生產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效率。

多股螺旋彈簧；無軸卷制；數控機床

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，例如自動武器發射系統、航空發動機的減振簧等。同時也可以用于替代單股簧。以下提出了一種批量化生產的第三代多股簧全自動數控加工機床的結構設計和控制系統設計方案，并介紹試驗工程機的組裝與調試。

1 多股簧數控加工機床的結構設計

1.1 機床總體方案設計

多股簧數控加工機床主要由中心放線機構、中層鋼絲擰索機構、外層鋼絲擰索機構、張力控制單元、牽引機構、緩沖機構、推送機構、繞簧機構以及剪切機構組成。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，增加了剪切機構和緩沖機構，通過控制系統控制各電機以及氣動控制系統的聯動，實現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，從而實現多股簧的卷繞成型。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已經非常成熟，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，鋼索被推送輪以速度V1向前推送，4個可轉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，而中心短軸主動作逆時針方向的旋轉運動。

2 多股簧數控加工機床的控制系統

2.1 控制系統的總體設計

第三代多股簧數控機床采用主從控制模式，以工業控制計算機為上位機，以PLC、ADAM-5510M以及伺服驅動器為下位機，實現了多股簧數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，實現參數的下載與監控；而下位機則用于控制硬件完成相應的動作。控制系統主要包括鋼絲張力控制系統、伺服控制系統以及氣動控制系統。通過RS-485組網與上位機進行通信，實現工藝參數的下載與張力、電機轉速的在線監控。其中，鋼絲張力控制系統根據硬件的布局，分為外層鋼絲張力控制系統、中層鋼絲張力控制系統以及內層鋼絲張力控制系統。對于中層和外層鋼絲的張力控制，以ADAM-5510M為運算核心，鋼絲張力經稱重傳感器轉變為微弱電信號，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再將反饋值轉變為模擬信號，調節磁粉離合器的電流，實現阻力矩的調節；而內層只有一股鋼絲，以PLC為運算核心來實現內層鋼絲張力的調整。伺服控制系統主要包含伺服驅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要求，則進入減速停止時段T3。在 時間段內，卷簧停止，即推送電機和卷簧電機皆停止轉動，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，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時段的卷簧電機轉速，推送電機的轉速減速為牽引電機的轉速，實現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 電機轉速的計算

根據圖1中的關系，卷簧電機轉速n0為：

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

牽引電機和推送電機轉速為：

式中：n1和推送電機在T8和T6時段對應的轉速；V1為鋼索推送速度，在工藝參數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；R1為推送輪半徑；κ為推送電機轉速放大系數。而牽引電機轉速等于推送電機轉速n1。

設擰索電機的轉速為n3，鋼索的牽引速度為V2，鋼索捻距為p 。則擰索電機轉速與鋼索的牽引速度之間的關系為：

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，在擰索機構中，采用行星輪系實現了鋼索成型過程中每個線盤的翻轉，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動，使整個機構等效于行星輪系的運動。根據行星輪之間的轉速關系有：

式中：nt—太陽輪的轉速；ny—行星輪的轉速，即搖籃的轉速；nr—擰索主軸的轉速，即行星機架的轉速；Zy—行星輪的齒數；Zt—太陽輪的齒數。

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系有：

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

此外，聯動時剪切機構執行的時間間隔為：

式中：nt為彈簧的加工圈數；Pt為彈簧的螺距；D為彈簧的直徑。

3 結語

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等問題，設計了第三代多股簧全自動數控加工機床。分析了現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，優化了出絲路徑，使加工過程各股鋼絲張力控制更加穩定可靠，具備多規格、大批量的加工能力。并基于工業控制計算機，搭建了多股簧零編程數控操作系統，采用主從模式，實現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． 基于多股簧數控加工機床的多通道張力動態監控系統的研發[J]． 組合機床與自動化加工技術．2009(12): 54-57．

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