多股螺旋弹簧数控机床结构设计及控制系统改进.pdf

2 0 0 9 年第1 0 期工艺与装备文章编号：1 0 0|一2 2 6 5(2 0 0 9)l O 一0 0 7 l 一0 4多股螺旋弹簧数控机床结构设计及控制系统改进木周杰，彭玉鑫，王时龙，程建宏，邹政(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆4 0 0 0 4 4)摘要：针对多股螺旋弹簧成型原理，及成型过程中存在的问题，提出多股簧数控机床新型的设计方案。通过对钢丝旋转架的优化和张力控制系统的自主研制，大大提高了各股钢丝张力的一致性控制精度。整个系统采用了P C+P L C 主从式控制结构，实现了拧索和绕簧运动过程中四个伺服电机的同步控制。通过导电滑环实现钢丝张力控制系统与上位机的通讯。同时开发出了模块化、图形化人机界面，提高了系统的安全可靠性、通讯实时性和易用性。新机床的开发和投入使用，大幅度提高了多股簧的加工精度和产品合格率。关键词：多股螺旋弹簧；结构设计；张力控制器；人机界面中图分类号：T P 6 5 9文献标识码：AS t r u c t u r a lD e s i g na n dC o n t r o lS y s t e mo fN u m b e rC o n t r o lM a c h i n ef o rS t r a n d e dW i r e sH e l i c a lS p r i n gZ H O UJ i e，P E N GY u x i n，W A N GS h i l o n g，C H E N GJ i a n h o n g，Z O UZ h e n g(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM e c h a n i c a lT r a m s m i s s i o n s，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4，C h i n a)A b s t r a c t：B a s e do nt h ef o r m i n gp r i n c i p l eo fs t r a n d e dw i r e sh e l i c a ls p r i n ga n dt h ec u r r e n tp r o b l e m si nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s，an e wd e s i g ns c h e m ef o rt h en u m b e rc o n t r o lm a c h i n ei sp u tf o r w a r d T h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a le x p l o r i n g,a f t e ro p t i m i z i n gt h er o t a t i n gf r a m eo ft h es t e e lw i r ea n ds e l f-r e s e a r c h i n go ft h et e n s i o nc o n t r o l l e r，c o n s i s t e n tt e n s i o n c o n t r o la c c u r a c yo fi n d i v i d u a lw i r e sh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d T h ew h o l es ys t e ma d o p t sP C+P L Cc o n t r o ls t r u c t u r et os o l v et h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo ft h ef o u rs e r v om o。t o r sd u r i n gr e e l i n g T h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e db yt w oc o n d u c t i v er i n g s，a n dam o d u l a r，v i s u a la n dg r a p h i cH u m a n Ma c h i n eI n t e r f a c ew a sd e v e l o p e d，w h i c hh a se n h a n c e dt h ec o m p u t e rs y s t e ms a f e t y，c o m m u n i c a t i o nr e a l-t i m ea n do p e r a t i o n a le a s i n e s s A f t e rt h en e wm a c h i n eb e i n gp u tt ou s ei na c t u a lp r o d u c t i o n，i ti sp r o v e dt h a ts p r i n gm a c h i n i n ga c c u r a c ya n dq u a l i f i e dr a t eh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d K e yw o r d s：s t r a n d e dw i r e sh e l i c a ls p r i n g；s t r u c t u r a ld e s i g n；t e n s i o nc o n t r o l l e r；H u m a n Ma c h i n eI n t e r f a c e0引言多股螺旋弹簧(简称多股簧)是由多根钢丝绕成钢索(图1 a)后卷制而成的圆柱螺旋弹簧(图1 b)，与单股簧相比，这种弹簧具有较大的非线性阻尼，吸收冲击能力强，有更好的强度及独特的吸振、减振效果，强度更高、疲劳寿命更长。因而是航空发动机和大口径自动武器等产品的关键零件。(a)图1 多股螺旋弹簧收稿日期：2 0 0 9 0 4 2 8；修回日期：2 0 0 9 0 5 2 5基金项目：国家自然科学基金(5 0 7 7 5 2 2 6)；教育部科学技术研究重点项目(1 0 9 1 2 9)；重庆市科技攻关计划项目(C S T C 2 0 0 9 A C 3 0 4 9)作者简介：周杰(1 9 6 5 一)，男。重庆人，重庆大学机械工程学院副教授，主要研究方向为制造自动化、机械设计及理论等，(E m a i l)z h o u j i e j s y a h o o c o r n c n；王时龙(1 9 6 6 一)。男，湖南祁阳人，重庆大学机械工程学院教授。博士，博士生导师，院长，主要研究方向为为计算机集成制造、计算机智能协同监控、嵌入式系统等。7 l 万方数据工艺与装备组合机床与自动化加工技术根据多股螺旋弹簧的结构及成型特点，重庆大学机械传动国家重点实验室研发了第一代多股螺旋弹簧数控加工机床旧o，并取得以下突破：拧索与卷簧同时进行卷制，通过上位机(P C)+P L C 的主从式控制结构，实现了四轴联动的无级速度匹配；采用气动式张力控制器，控制拧索过程的各股钢丝的张力平衡；使用蓝牙技术实现了P C 机与整个旋转拧索过程的无线通讯。但在实际生产过程中，原机床暴露了很多不合理之处，如：整体结构较为复杂，钢丝路径不合理；气缸通过多级传动机构才将压力传到摩擦轮处，由于多级传动机构各转动副累加的摩擦力，导致张力与气缸气压之间响应关系严重滞后，很难精确的实时控制钢丝的张力，影响了机床的张力控制系统的稳定性，降低了多股簧的整体质量，甚至产生塑性变形，产生严重缺陷，使废品增加；三层钢丝均由中空的主轴拉出，走线复杂，由于在弹簧加工之前，必须人工夹持钢索钢丝，故加大了人工穿丝劳动量。因此，针对当前多股簧机床存在的问题，课题组提出了新型的设计方案。大大提高了机床的加工精度和产品质量。1多股螺旋弹簧数控加工机床的结构设计1 1 机床总体设计方案设备的工作原理如图2 所示。钢丝旋转架由电机带动绕主轴转动，旋转架分内、中、外三层，其钢丝路径均直接拉至集束器，并完成拧索过程。各个钢丝盒在旋转架上可以相对自由转动。钢丝从钢丝盒抽出后，出丝到工作路径中(中层钢丝经钢丝管导向)，内、中、外三层进入集束器后，形成钢索并同时在绕簧芯轴上绕制成弹簧。旋转架相对机座固定，而绕簧芯轴在机座上自身转动的同时，也向轴向方向平稳移动。绕簧芯轴转速一定时，绕簧芯轴的转速控制了多股螺旋弹簧的节距，而各旋转架的转动速度控制了钢索各层钢丝的节距。弹簧绕制完毕后，伺服电机带动滑动机架3 4 后退一定距离，以留出一定的空间便于切断钢索。1 2 钢丝旋转架结构的改进钢丝旋转架结构的优化不仅对钢丝的路径、整个机床的结构优化有很大影响，且对降低人工穿丝劳动量，提高张力控制精度有着重要的意义。其结构原理如图4 所示，所有控制元件全部集成在钢丝旋转架中。虚线部分为钢丝，绕簧过程中，绕簧主轴转动，拉动钢丝从钢丝盒1 中抽出，经制动盘7 后，绕过传感器7 2 1 中心钢丝架2、i 5 导电滑环3 中层拧索电机4 机床主轴5、l O、3 0、3 3 钢丝盒6、1 2、2 9、3 2 制动盘7 中层铜丝旋转架8、1 3 磁粉制动器9、1 4、2 8、3 1 张力传感器1 1 外层钢丝旋转架1 6 外层拧索电机1 7 钢丝切断器(手持砂轮片切割机)1 8 绕簧主轴1 9 传动丝杆2 0 拖板2 1 绕簧电机2 2 纵向进给电机2 3 床身2 4 钢索集束器2 5、2 6、2 7 外、中、内层钢丝3 4 拧索机架3 5 索架进退电机图2多股螺旋弹簧数控加工机床总体方案1 8 绕簧主轴1 9 传动丝杆2 0 拖板2 1 绕簧电机2 2 纵向进给电机2 3 床身图3多股螺旋弹簧数控加工机床绕簧心轴l2345口】必彤一：。厂三妒a I墨口】67891 钢丝盒2 大齿轮3 磁粉制动器4 小齿轮5 张力传感器6、8 轴承7 制动盘9 滚轮图4 张力控制器机械结构原理图5 上的滚轮9 出丝到工作路径中，其中检测机构为传感器5，控制调节机构为磁粉制动器3，其调节原理为：利用磁粉磁化时所产生的剪力来制动，磁粉链抗剪力与磁粉磁化程度成正比，即制动转矩的大小与绕组中的激磁电流的大小成正比，故可通过改变磁粉制动器中的激磁电流即可调节其扭矩。2拧索与绕簧控制系统的研制本文采用基于P c+P L C 的主从式控制结构，建立了对中层拧索轴、外层拧索轴、绕簧主轴和纵向进给轴的转速匹配关系，通过四个伺服驱动器和伺服电机形成闭环系统来控制四轴的精确联动。整个控制系统的 万方数据2 0 0 9 年第l O 期工艺与装备主要组成部分有：上位计算机(P C)、P L C 模块、执行元件(伺服驱动器和伺服电机)、被控对象(五个加工轴)以及用于它们之间传输数据的线缆。由于索架进退电机主要用于在绕制弹簧开始之前和绕制结束后控制索架的进退，以便在多股簧绕制结束后将钢丝拉出2 0 0 m m 左右，便于切断钢索，而在多股簧的绕制过程中并不动作。而根据多股簧的成型过程，在加工过程中则只需要四轴联动，通过其速度的严格匹配来实现多股簧的精确加工。运动控制系统各个伺服电机的动作顺序如图5 所示。螺距电机转速图5 五轴伺服运动系统速度时序图加工过程中，首先由上位P C 机发送控制指令到P L C，再通过四个伺服驱动器来控制四个伺服电机的运转，并将各电机的状态实时反馈回P L C，进而显示在操作界面上，最终实现理想的四轴联动。P L C 控制系统流程框图如图6 所示。图6P L C 控制程序流程图3钢丝张力控制系统的研制多股簧是由多股钢丝拧成的钢索缠绕而成，其性能好坏在很大程度上取决于钢索的索距是否均匀。在拧索过程中，如果各股钢丝张力不一致，各自的塑性变形相差很大，将造成钢索索距均匀性和直径一致性较差，从而无法保证钢索质量。在多股簧工作时，各股钢丝的变形及内部摩擦不均匀，且无法均匀承担载荷，将会造成某根钢丝的过度磨损而断裂，使多股簧的优越性能和使用寿命大打折扣。因此，多股簧各层钢丝的恒张力控制是保证多股簧生产线连续、高质量生产的关键技术，为了实现对钢丝张力控制与检测的数字化，本文采用基于P C 的控制系统方案，从而为用户提供良好的人机界面，以便于对钢丝张力控制的参数输入以及实时状态监测。3 1旋转过程中物理连线方案由于在拧索过程中，内、外层钢丝的拧索架不停的旋转，而固定在拧索架上的张力控制器也分别随着相应的拧索架不停地转动。本文采用了导电滑环实现相对转动机构的信号及电流传递，并采用R S 4 8 5 总线半双工工作方式实现多个张力控制器的控制。有效地解决了主控计算机P C 与张力控制器之间物理线路的连接问题。3 2多机通信的实现及张力控制器的研制本文采用台湾研华公司的A D A M-5 5 1 0 数据采集控制器对张力大小进行严格控制。A D A M-5 5 1 0 和上位机通信采用R S 4 8 5 异步串行通信方式，以上位机向指定的A D A M 5 5 1 0 发出控制命令，相应的A D A M 5 5 1 0对其作出响应的方式进行通信。通信内容均为A S C I I字符，波特率为9 6 0 0，8 位数据位，1 位停止位，采用L R C 校验方式。如图7 所示为张力控制系统原理图，钢丝经由钢丝盒抽出后，其张力大小由磁粉制动器恒定。在其进入拧索加工之前，由张力传感器检测其实际张力，并将检测信号输入A D A M 5 0 1 7 输入模块，经A D A M 5 5 1 0 控制器处理后，将控制信号反馈给A D A M 5 0 2 4 输出模块，从而控制磁粉制动器补偿张力差值，形成一个负反馈闭环系统。4 主控计算机人机界面的研发4 1 整机工作流程在对钢丝张力进行控制时，首先，在用户界面中设-7 3 万方数据工艺与装备组合机床与自动化加工技术钢丝盒图7 张力控制系统原理图置将多股簧加T 所需的各个工艺参数，然后由控制软件对这些参数进行数据处理，计算主轴转速并进行速度匹配。其次，由控制系统自动生成N C 程序文件，并由P L C 发出相应频率的脉冲信号，驱动伺服电机运转，进行拧索和绕簧加工。同时，编码器把电机的运转状态经由P L C 最终显示在用户界面上。在对钢丝张力进行检测时，首先，将张力设定参数输入界面，然后上位P c 机通过R S-4 8 5 总线发送给A D A M 一5 5 1 0。从而生成相应的张力控制程序来控制张力控制器。同时，压力传感器也把检测到的张力信号经由A D A M 一5 5 1 0 最终显示在晃面上。整机工作流程如图8 所示。图8 整机工作流程示薏图4 2 人机界面的优化人机界面是上位机控制操作的核心部分。是用户和机器互相传递信息的媒介，其性能的优良与否将直接影响该控制系统的性能及推广。根据图8 所示的整机工作流程及实际加工过程中多股簧工艺参数和状态的复杂性，本文在对用户界面进行了更为人性化、模块化的设计，主要包括：主控界面。为各功能模块提供接人口和运行结果显示，如图9 所示，其主要组成部分有：弹簧参数设置、弹簧旋向、电机转速设置及监控、张力设置及控制台按钮等。钢丝张力监控界面(图1 0)。在加T 过程中，实时监测各股钢丝的实际张力值，通过张力条形图可直观地观察张力的实时变化。同时，由于压力传感器精度有所不同，亦可通过“设定”按钮对各钢丝张力值进行分别校正，从而保证各监测值的准确性。7 4 图9 主控界面图1 0 钢丝张力监控界面文件管理界面。为使机床能够加工出不同规格的多股簧产品，该软件建立了一个数据库文件，通过主界面“修改参数”及“下载参数”按钮即可建立新的数据文件并使用。本界面模块的设计已经经过了模块的独立测试和集成后的整体测试，目前已经在多股簧加工机床上得到应用，其整体性能稳定，能够满足设计要求。5结束语综上所述，根据多股簧加工机床现状，依据多股簧钢索及弹簧成型特点，提出了新型的机床设计方案及钢丝旋转架结构。改造后的机床结构大大简化，传动效率更高；钢丝出线路径简洁，穿丝方便，并减少了以往绕簧过程中的有害摩擦。研究开发了钢丝张力控制系统，采用磁粉制动器控制扭矩，恒定张力，可以提高控制的稳定性和灵敏度，张力检测方面，采用美国A m c e l l s 公司的H S X 系列张力传感器，具有线性好、控制精确、误差小、灵敏度高、可靠性高等优点，大大提高张力控制的实时性和精确性。(下转第7 8 页)万方数据工艺与装备组合机床与自动化加工技术第一阶固有频率均有明显提高，方案四的基频最高，且几乎各项数据都是最优，不过考虑到其筋格布局致密，会使床身的质量明显提升(方案三也是如此)，故可以排除方案三、四；相比较之下，方案一和方案二只是在原结构上稍做改进，故床身质量不会有太多变化。方案一与方案二的区别只是出砂孑L 的形状。可以看出筋板上开圆形和椭圆形出砂孔较开方形出砂孔更有利于提升床身整体的动态性能。综上，可以选定方案一为最终优化方案。(a)各方案前五阶固有频率比较图各方案前无阶最大变形位移图图7 各优化方案结果对比3结束语通过对C A 6 1 5 0 车床床身的受力分析，分别对静刚度和模态分析进行了研究。在此基础上，通过提取床身的典型元结构并进行结构优化设计，然后以元结构优化结果为依据，提出床身的几种筋板布局方案，选取合理的筋板布局形式，最后以床身结构固有频率和最大变形为优化目标，分析所提出的方案。分析结果表明，优化方案床身的动态性能有了明显的提高。参考文献 1 汤文成，易红机床大件结构的拓扑优化设计 J 东南大学学报，1 9 9 6(9)：2 2 2 6 2 倪晓宇，易红，倪中华机床床身结构的有限元分析与优化 J 制造技术与机床，2 0 0 5(2)：4 7 5 0 3 王艳辉，伍建国精密机床床身结构参数的优化设计 J】机械设计与研究，2 0 0 3(6)：3 5 3 7 4 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闵建军，王时龙多股螺旋弹簧动态计算分析 J 机械工程学报，2 0 0 7(3)：1 9 9 2 0 3 8 C O S T E L L OGA，P H I L L I P SJW S t a t i cr e s p o n s eo fs t r a n d e dw i r eh e l i c a ls p r i n g s J T A M R e p o r t，1 9 7 8，2 1：1 7 1 1 7 8 9 V Y i l d i r i m F r e ev i b r a t i o no fu n i a x i a lc o m p o s i t ec y l i n d r i c a lh e l i c a ls p r i n g sw i t hc i r c u l a rs e c t i o n J o u r n a lo fS o u n da n dv i b r a t i o n，2 0 0 1，2 3 9(2)：3 2 1 3 3 3 1 0 成大先机械设计手册 M 北京：化学工业出版社2 0 0 4 1 i 钱学毅多股螺旋弹簧优化设计 J】机械研究与应用2 0 0 5(8)：8 0 8 1(编辑赵蓉)万方数据多股螺旋弹簧数控机床结构设计及控制系统改进多股螺旋弹簧数控机床结构设计及控制系统改进作者：周杰，彭玉鑫，王时龙，程建宏，邹政作者单位：重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400044刊名：组合机床与自动化加工技术英文刊名：MODULAR MACHINE TOOL&AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE年，卷(期)：2009(10)被引用次数：2次 参考文献(11条)参考文献(11条)1.闵建军;王时龙 多股螺旋弹簧动态计算分析期刊论文-机械工程学报 2007(03)2.王茂林 具有多中心股的多股螺旋压缩弹簧的分析计算 1995(02)3.王时龙;任伟军;周杰 多股螺旋弹簧的空间曲线模型研究期刊论文-中国机械工程 2007(06)4.V.Yildirim Free vibration of uniaxial composite cylindrical helical springs with circular section外文期刊 2001(02)5.COSTELLO G A;PHILLIPS J W Static response of stranded wire helical springs 19786.张晓峰;张毅 高精度多股螺旋弹簧数控加工机床设计期刊论文-机床与液压 2006(12)7.M.Paredes;M.Sartor;C.Masclet An optimization process for extension spring design 2001(08)8.杨建锁;王时龙;周杰 多股螺旋弹簧加工机床数控系统的研究期刊论文-组合机床与自动化加工技术 2007(06)9.钱学毅 多股螺旋弹簧优化设计期刊论文-机械研究与应用 2005(08)10.成大先 机械设计手册 200411.于道文 多股螺旋弹簧的动应力及其有效寿命 1997(03)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.王时龙.田志锋.彭玉鑫.周杰.康玲.WANG Shilong.TIAN Zhifeng.PENG Yuxin.ZHOU Jie.KANG Ling 多股簧数控机床设计及其张力控制系统的研究期刊论文-制造技术与机床2010(9)2.李川.王时龙.张贤明.白云.李平.LI Chuan.WANG Shi-long.ZHANG Xian-ming.BAI Yun.LI Ping 一种含螺旋飞轮运动转换器的悬架的振动控制性能分析期刊论文-振动与冲击2010,29(6)3.王时龙.雷松.周杰.李川.杨勇.萧红.WANG Shi-long.LEI Song.ZHOU Jie.LI Chuan.YANG Yong.XIAO Hong 两端并圈多股弹簧的冲击响应研究期刊论文-振动与冲击2011,30(3)4.周杰.邹政.王时龙.程建宏.彭玉鑫.ZHOU Jie.ZOU Zheng.WANG Shi-long.CHENG Jian-hong.PENG Yu-xin 基于多股簧数控加工机床的多通道张力动态监控系统的研发期刊论文-组合机床与自动化加工技术2009(12)5.王时龙.周杰.康玲.WANG Shilong.ZHOU Jie.KANG Ling 多股螺旋弹簧绕制过程中的动态张力期刊论文-机械工程学报2008,44(6)6.王时龙.杨勇.周杰.康玲.雷松.李川.WANG Shi-long.YANG Yong.ZHOU Jie.KANG Ling.LEI Song.LI Chuan 大型数控滚齿机热误差补偿建模期刊论文-中南大学学报（自然科学版）2011,42(10)7.王智君.王时龙.任亨斌.蔡斌.WANG Zhi-Jun.WANG Shi-Long.REN Heng-Bin.CAI Bin 基于Java EE的AOM-Spring-Hibernate架构及应用期刊论文-计算机系统应用2011,20(2)8.张琳 浅谈数控机床使用中的安全问题期刊论文-电气制造2009(5)9.刘英.李海滨 数控机床协同设计系统的研究期刊论文-林业机械与木工设备2004,32(5)10.闵志坤.王时龙.任亨斌.蔡斌.MIN Zhi-kun.WANG Shi-long.REN Heng-bin.CAI Bin 一种新型BOM检索方法的研究与实现期刊论文-重庆工学院学报（自然科学版）2009,23(1)引证文献(2条)引证文献(2条)1.葛惠民.张耀.黄文广.程文锋 五轴数控卷簧机控制系统期刊论文-轻工机械 2011(6)2.王时龙.田志锋.彭玉鑫.周杰.康玲 多股簧数控机床设计及其张力控制系统的研究期刊论文-制造技术与机床2010(9)本文链接：