集成化数控系统在高速六轴数控卷簧机的开发应用

穆键，颜夕秋

(南京林业大学，江苏 南京 210037)

0 前言

我国弹簧设备的研制和生产，已有一定的历史，早期生产的弹簧设备大多为机械传动、机械式控制，产品的整体品质和精度都受到限制。近些年来，随着数控技术的应用领域不断扩大发展，已有多种数控卷簧机问世。目前数控卷簧机的控制系统主要采用数控铣床或数控加工中心的五轴系统。控制电路，数据处理单元与卷簧机械的执行部件结合尚不理想，不仅存在着价格昂贵、功能不全等缺陷，而且操作界面复杂，使用不便。本项目与相关企业合作，通过研制集成于数控系统内部的多功能接口功能模块，将CAD/CAPP/CAM 软件集成于数控系统内部，研制出六轴卷簧机数控系统，其操作性和功能性优良，不仅能满足高速卷簧机数控化的需要，且具有高性价比。

1 技术原理

1.1 机器工作原理

卷簧机成形机构部分包括送料、上、下、侧圈径杆、节距杆、切断、芯轴等运动轴，如图1 所示。既可加工等直径、等节距，也可加工变直径弹簧。送料长度与圈径和节距轴之间有确定的位置关系。等直径时，弹簧直径由圈径保持恒定，弹簧螺距的控制由节距轴向前移动位置与送料长度协调来实现，变径弹簧同时还要协调控制圈径轴的位置，切断轴的移动位置的精确控制可保证弹簧长度的精度。而目前的数控卷簧机采用的是数控铣床或加工中心的控制系统，虽然解决了变换产品规格的凸轮调整问题(五轴数控卷簧机需要保留一套凸轮调整机构)，但产品数据更新较困难，操作不便。工作前，根据弹簧的线径、外径、长度、螺距等，先进行弹簧特征数据编辑，输入的弹簧特征数据计算出各轴间的相互关系，在运行时由各伺服系统分别实现各自的位置实时控制。

1.2 本项目主要研究、解决以下几个问题

1)配置了性能优良的数控系统包括专用工业控制器和一体化板卡及控制接口卡;

2)研制了集成于数控系统内部的CAD/CAPP/CAM一体化软件及相互连接的接口功能模块;

图1 卷簧机工作原理图

3)实现了数控系统间双向互交式数据交换和通信传输;

4)移植了实时多任务操作系统;

5)建立了卷簧工艺数据库和产品模型数据库;

6)改造了现有的数控五轴卷簧机，增加了一个控制轴，实现六轴数控，增加了机械原点的设定，提高了卷簧机综合技术性能。

2 关键技术的研究

1)面向制造的CAD 技术。包括智能识别、图像矢量化、CAD 与CAPP 集成技术等。

2)面向制造的CAPP 技术。包括路径优化、步骤优化、CAPP 与CAM 集成、工艺数据库的建立和管理技术等。

3)基于CAD 与CAPP 信息集成的CNC 技术，主要是与CAD/CAPP 集成系统的接口和互交的技术(基于STEP标准扩展的接口和互交技术)、一体式数控系统设备的研制技术和实时技术等。

4)本项目开发的INC 系统的整体工作流程如图2 所示，可分为6 个子部件模块:辅助设计(CAD)、辅助工艺(CAPP)、优化决策、数控加工(CNC)、系统监控和数据库。

图2 数控系统工作流程图

5)选用具有网络化功能的一体式数控系统，并成功地移植到高速六轴数控卷簧机。

6)开发卷簧机产品的数字模块，实现在零件实体模型上直接进行数控编程，并实现图形模拟仿真，使编程操作简单、直观，易学易用。

7)对现有的数控五轴卷簧机进行改造，增加机械坐标原点的设定，对实际送线长度进行测控和自动补偿，提高卷簧机整体防护等，有效地提升产品的综合性能。

3 项目的研制情况

3.1 项目主要实施的内容

1)本项目开发出基于STEP2NC 标准的数据模型，其中包含了加工工件的所有任务，基本原理是基于制造特征进行编程，而不是直接对卷簧的成型部件与工件之间的相对运动进行编程。这样，CNC 系统可以直接从CAD 系统读取STEP 数据文件，避免了由于数据类型转换而可能导致的精度降低问题。

2)网络化一体式数控系统以中央处理器为控制单元，并在其基础搭建伺服控制单元、PLC 单元、通信单元、显示单元、数据键入单元等模块。通信部分包含数控系统内CNC 主控单元与伺服驱动及I/O 逻辑控制等各单元间通讯。

3)卷簧机的数控系统与上层管理PC 之间的通信，方便快捷地与数控卷簧机进行信息交换和控制。

4)解决机械结构设计与数控系统设计的关联，处理好整体设计的优化问题。

5)驱动单元的设计。为提高系统的可靠性和稳定性，设计相应的驱动电路，保证可靠的动力加载和产品的精度。

6)弹簧的参数化输入与人机操纵界面设计。

3.2 设计路线

筛选最佳的一体数控系统→开发各功能模块的接口技术→研制互交式通信接口→移植实时多任务操作系统→设计卷簧机用数据库→数控卷簧机改进设计→集成化系统的测试和检验。

传统数控系统与CAD/CAPP 之间的数据是单向传输，现场对NC 程序的任何修改都无法直接反馈到CAD/CAPP 系统。生产NC 程序是记录最初加工需求的信息容易丢失。而使用STEP2NC 可减少加工信息容易丢失的问题，实现双向数据流动，能够保存所做的修改，使零件程序和优化的加工描述及时地反馈到设计部门(CAD)，设计部门能清楚地了解到加工实况，获得完整、连贯的加工过程数据，以便及时进行数据的调整和更新，生产效率将得到极大的提高，如图3 所示。

图3 加工过程的数据交换

为了适合数字控制，对卷簧机的机械结构进行了改造。将各运动机构独立，各采用一个伺服电机控制，操作者需要加工不同品种的弹簧时，对数控卷簧机而言，只需在计算机上填入相应的参数，通过程序控制协调各机构的动作，就可圈绕出所需要的弹簧。

3.3 控制系统的硬件构成

一个好的机电系统，应该是整机造价便宜、指标分配合理、工作运转可靠、维护更换方便，并在这些约束条件下达到性能最优。卷簧机系统控制部分的硬件由电气控制的强电和计算机控制的弱电两个部分，以及伺服系统、电气控制柜和操作台组成。硬件系统的功能模块如图4所示。

图4 硬件系统的功能模块

3.4 数控系统

数控系统包括专用工业控制器和一体化卡及控制接口卡。

3.4.1 处理单元

奔腾级处理器，各存储器皆为固态器件，无可动器件;内插两块板卡，SIO 母卡(40 输入/32 输出);SCSI68Pin 连接线;标准操作面板;标准转接板;继电器板(20 输入/16输出)。

3.4.2 位置控制板及检测板、轴控卡

1)5Pulse/6Vcmd 控制(Ver 2.0 以上);

2)主轴控制界面Pulse/Vcmd(Encoder Feedback);

3)类比输出提供6 通道(±15Bits);

4)I/O 最高支援到256 输入/256 输出(使用串列传输);

5)提供4 轴原点检测;

6)提供1 轴手轮+/－ 31Bits 控制信号;

7)最大提供6 轴断线检查(Ver 2.0 以上)。

位置控制板用于完成伺服系统位置环路的闭环控制，见图5。其中，上圈径板、下圈径板、侧圈径板、节距板的硬件构成完全一样，与工控扩展接口为24 位数据通道及中断等控制信号，编码器信号检测和一些I/O 控制信号，如伺服准备好、使能、速度到、故障报警等。送线和切断位置检测板的主要作用是测量各自编码器信号，经变换处理后送入主机端口。由于送线和切断不会同时进行，故该端口可以复用。

图5 闭环连接的位置控制板

3.5 伺服系统

为了提高整机性能及可靠性，伺服系统采用交流伺服驱动器和伺服电机。由于在控制环路的设计上，位置环路的控制在伺服系统中实现。

3.6 软件设计

对于工业控制来说，一个好的软件设计应该是操作界面简洁，资源利用合理，控制功能完备，一切都以适应机器的特点和需要为设计原则。在软件设计过程中始终遵循这样的一个原则，就是尽量发挥计算机的作用，减轻人的负担，提高机器的工作效率。具体功能要求为:

1)窗口式操作，整个编辑、调试、运行过程都有汉字提示，如:位移修正、回原点、单轴运行、单件加工、连续运转、无料、料架故障、伺服超差、电机驱动器故障等;

2)提供人工输入、编辑、修改、删除、储存弹簧特征数据功能，参数表格输入方式、菜单显示;

3)加工过程实时显示各轴的位置、速度、加工个数、时间及实时运行状况等;

4)手动运行功能，快速点动各轴进给、回机械原点;

5)自动(步进、连续)加工工作形式;

6)六轴联动功能;

7)自动诊断保护功能;

8)用户服务功能，如文件管理、在线帮助。

3.6.1 合理利用硬件资源

根据弹簧成形的过程特点，采取了主从控制方式，即送线轴为主动轴，其余为跟随轴，并在硬件的设计上构成二级控制。主计算机主要用于数据的运算和处理，单片机则完成相应轴的位置闭环控制。在每一插补周期，主机通过检测出送线长度，实时地计算出各运动机构对应的几何位置，同时根据钢丝材料的机械性能，算出钢丝在该圈径和节距处对应的弹性恢复量。最后，得出各轴的实际位移量，再将这些位移数据送到各端口，并发出同步信号，通知各轴取得数据。各轴的控制器定时取出新的位置数据，与检测出实际位置进行比较，经过运算后，将控制量送入伺服系统。由于轴控制器采用独立处理单元，具有较强的处理和控制功能，在进行多种算法实验后，采用变比例系数同时进行积分处理的控制算法，使伺服系统具有快速的跟踪性能和较高的定位精度。

3.6.2 完善的操作及控制功能

1)操作者在输入弹簧的参数时，计算机均给予提示，并给出数据范围，而且依照输入参数自动形成的弹簧图形直观地帮助操作者尽快查出错误的数据。同时，自动形成的加工数据和补偿量降低了对操作者技术水平的要求。

2)无论是在弹簧的调试过程中还是在连续卷绕过程中，计算机针对各种情况都给予提示。

3)系统设计灵活，可根据用户需要进行选择，而不需要变更硬件或软件。例如，主机可通过联机开关建立与辅助送料及分选等系统信号联锁关系，构成一个完整的加工系统。亦可独立地进行卷簧机的单机加工。这样做的好处是，既可采用其他厂家的辅助设备，又可在自己的辅助系统发生故障时，轻松地将其隔离，而不影响主机的工作。

3.6.3 主机系统框图

整个软件设计是按前后类型来考虑的。前台软件是一个中断服务程序，用于计算各机构几何位置及钢丝及钢丝材料的变形补偿，以实现位控及相关逻辑功能。送线轮每走一个步长，即启动一次中断信号。后台软件则实现人机界面，数据处理及监控管理等功能。整个程序框图如图7 所示。

图7 主机系统软件框图

4 应用前景

我国弹簧行业的多数厂家所用的设备还比较落后，尤其国营老企业设备陈旧落后现象更为严重，生产出来的弹簧各项指标差异性很大，与工业发达国家的差距较为明显。

弹簧制造技术直接影响弹簧品质。随着科技的不断进步和机械设备性能的不断提高，对产品的要求越来越高。但是目前国内的生产设备不够齐全，跟不上当前弹簧生产的需要，影响了弹簧产品品质。

据行业统计，目前国内有规模的弹簧企业约500 家以上。本项目的成功，将会有较大的市场需要，仅盐城海旭弹簧厂的年需求量就有80～100 套。通过在行业中推广，力争产品的覆盖面达到50%以上。采用本系统，可以提高工效，增加产品的经济价值和市场竞争力，可实现新增产值5 000 万元，利税1 000 万元的预期目标。

5 结语

弹簧行业在中国的整个制造业中虽然是一个小行业，但其所起到的作用绝对不可低估的，作为基础件、零部件制造业之一的弹簧行业就更加需要有一个发展的超前期，才能适应国家工业整体快速发展。弹簧产品规模品种的扩大、品质的提高，也是机械设备更新换代的需要和配套主机性能提高的需要。因此，在国家工业的发展中，弹簧产品品质的提高占有不可忽视的地位。随着我国的火车、汽车、拖拉机、摩托车、助力车及电气工业的不断发展，弹簧的品种也在逐渐增多，数量在不断增加。

本项目拟在今后对人机界面进一步优化，采用3D 图形，增强视觉效果，并改进操作纵面板的设计，不仅使其操作更加便捷、实用、而且美观。进一步拓展系统的网络通讯功能。

［1］汪曾祥，魏先英，刘祥至.弹簧设计手册［M］.上海:上海科学技术文献出版社，1986.

［2］台湾宝元数控新代系统SYNTEC CNC 应用手册V10.1［S］.新代科技，2006.

［3］台湾新代系统PLC 编辑手册OpenCNC_PLC 发展工具操作手册［S］.新代科技，2006.