基于8051系列单片机和工控机实现无轴数控卷簧机的系统设计

　　1、引　言

　　弹簧是机械行业的通用零部件，用途十分广泛。工业的发展，刺激了弹簧的需求，同时也对弹簧加工设备提出了更高的要求。以往的加工设备多为纯机械式卷簧机，构造复杂，而功能却较单一，调试繁琐，加工精度又难以提高。因此，开发新的卷簧机产品，刻不容缓。

　　计算机技术的发展为改造传统产业提供了有效手段，我们与某弹簧公司合作开发的8 mm五轴数控卷簧机，填补了国内空白，替代了进口产品。该产品荣获了江苏省科技进步奖、全国新技术新产品博览会金奖等奖项。

　　2、机器工作原理

　　弹簧的种类较多，如压簧、拉簧、扭簧等，这里我们只介绍用途最广泛的压簧成形机的工作原理。

　　成形机构如图1所示。利用一对或几对滚轮压住钢丝并旋转，推动钢丝向右运动，依靠上、下圈径杆的限位及导向作用使钢丝成形。上、下圈径杆可在各自的滑槽中移动，通过控制上、下圈径杆的位置，就可控制弹簧圈径的大小。节距杆为垂直纸面的运动，其作用是使卷绕的钢丝形成螺纹升角。通过控制节距杆的位置，就可控制弹簧节距的大小。当卷绕完毕时，用切刀将钢丝切断。芯轴则作为切刀切钢丝时的一个支承。

　　通过送线滚轮，上、下圈径杆，节距杆及切刀的组合运动，可卷绕变圈径、变节距等各种形状的圆形压簧。对机械卷簧机来说，因只有一个动力，各作用杆完全靠齿轮、凸轮、离合器等机构实现联动，结构复杂，调整费时。每更换一个品种，都经常需要修整凸轮形状，对操作工的技术水平要求高，特别是，送线长度的调整范围依赖于一个扇形齿轮的大小，这就限制了弹簧的展长。在扇形齿轮回行时，还需采用离合器脱开送线滚轮，不仅增加了噪音，还降低了送线精度。 为了宜于电脑控制，我们对卷簧机的机械结构进行了彻底改造。首先，将各运动机构独立，各采用一个伺服电机控制，如送线机构只是一个简单的齿轮传动，送线长度可以无限；上、下圈径杆及节距杆直接采用电机连接滚珠丝杆来驱动；切断机构也只是一个简单的凸轮传动，除进行一般的剪切外，还可匹配上下切刀进行扭切，以解决大线径、小旋绕比的弹簧剪切。 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、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。把这种设计思想落实到具体的硬件设计上，就是尽量选用现成的系统和板卡，必须自行设计的线路板则使之功能化和模块化，以提高整机的可靠性和可维护性。通过工程实践，我们感到，这对用户来说是至关重要的。硬件系统的功能模块如图2所示。

　　3．1　数控系统

　　数控系统包括pc总线工业控制计算机、外购板卡及自行设计的控制和接口卡。

　　3．1．1　工控机

　　主机采用了最早进入大陆的台湾研华公司的80486／100主板与机箱，内插两块板卡，一块是144位数字量i／o卡，分成六个主端口，每个端口仿真一个8255可编程外设接口，但能提供比8255更好的驱动能力；另一块是两路隔离的12位d／a输出卡，提供±10v的驱动电压，用来控制送线系统及切断系统的电机速度。

　　3．1．2　位置控制板及检测板

　　位置控制板用于完成伺服系统位置环路的闭环控制，见图3。其中，上圈径板、下圈径板、节距板的硬件构成完全一样，采用十六位单片机8096作为处理及控制器，与工控机扩展接口为24位数据通道及中断等控制信号，与伺服驱动器的接口为±10v模拟输出、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的编码器信号，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。

　　3．2　伺服系统

　　伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机。为了提高整机性能及可靠性，我们采用了德国西门子公司许可证生产的交流伺服系统。由于在控制环路的设计上，位置环路的控制在伺服系统中完成（这样做可灵活地选择一些算法，适应整机对控制系统的要求），为了降低成本，我们选择了只有电流环和速度环的晶体管脉宽调制变频器和矩形波电流驱动的永磁交流伺服电机。系统的调速比为1：10000，反应时间20毫秒。

　　3．3　分选系统

　　分选系统的作用有两个，一个是钢丝缺陷剔除，一个是弹簧自由高度分选。系统框图如图4所示。

　　3．3．1　钢丝缺陷剔除

　　钢丝从送料盘送出后，先进入磁探伤机，利用涡流原理检测钢丝有无缺陷。探伤机检测点与卷簧机切断点的位置是固定的。探伤机检测到钢丝缺陷后，向分选系统发出一中断请求信号，分选系统立即启动计数器，对安装在主机送线滚轮上的旋转编码器进行计数，一旦超过规定的长度，切下的弹簧将视为废品。在实际过程中，考虑到探伤机检测点与卷簧机切断点之间的长度内会出现数个缺陷，因此在处理器内预留了一组单元，机器运转时，每切下一个弹簧，就将各缺陷的位置处理刷新。

　　3．3．2　弹簧自由高度分选

　　在主机卷绕弹簧时，分选机控制气缸将探针推至需要的位置，当弹簧接触到探针时，分选机立即通知主机停止送线，同时将该弹簧钢丝展长与标准值比较，只有在偏差范围内才为合格产品，否则为超长或超短，并将结果通知分选系统。操作者可以根据所加工弹簧要求的精度来设定偏差范围，若主机设定成自动修正，则数控系统根据前一个弹簧的加工结果，自动修正进刀量，使得弹簧的自由高度满足要求。亦可设定成手工修正，由操作者改变弹簧的加工参数。若连续加工几个弹簧均不合格，主机停机并告警。

　　分选系统的控制器为8051系列单片机，采用薄膜键来设定工作参数，通过控制步进电机旋转不同的角度，把弹簧送入不同的料仓，如合格、超长、超短、材料缺陷等四个位置，以达到分选目的，并将各自统计的结果用数码管显示出来。

　　3．4　辅助送料系统

　　辅助送料系统框图如图5所示。

　　普通的料架是利用主机送线滚轮拖动钢丝使料盘转动进行送料的，这增加了主机的负担，容易使滚轮打滑，影响送线精度。而自动料架则利用一个摆杆来调节送线速度。我们在摆杆的摆动范围内放置四个接近开关，即摆杆的初始位置，二个中间位置和一个极限位置。当摆杆在初始位置时，对应速度为零，二个中间位置对应变频器的三个速度，由慢到快，若盘圆上的钢丝缠住时，主机拖动钢丝使摆杆达到极限位置，则极限开关断开主机伺服电机的使能信号，同时发出报警信号。故障解除后，主机从原中断处继续卷绕，使该弹簧不被浪费。

　　4、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。

　　4．1　简便直观的操作界面

　　进口的数控卷簧机大都采用通用机床的数控系统，不仅操作复杂，而且软件资源的配置不甚合理。我们则根据卷簧机的加工特点，界面设计力求简洁明了，全部采用中文提示下的表格输入方式，操作者只须根据每项名目填入相关参数即可。

　　工作主画面的布局如图6所示，总共分五个区，下面对各区内容分别加以介绍。

　　（1）综合参数区

　　包括弹簧代号、材料种类、钢丝直径、送线速度、生产数量、总产量等。

　　（2）弹簧尺寸参数区

　　包括旋向、圈径、节距、有效圈数、总圈数。对于异形弹簧，圈径、节距需要分段输入。

　　（3）弹簧图形显示区

　　当弹簧的参数被输入好后，自动生成弹簧图形，操作者可通过弹簧的形状来判断输入数据的正确性。

　　（4）机器调整参数区

　　上圈径、下圈径、节距等各轴偏移量设置及各轴累计偏移量的显示。

　　（5）提示区包括参数输入错误提示、操作步骤提示、机器工作状态提示、故障告警提示等。

　　4．2　合理利用硬件资源

　　根据弹簧成形的过程特点，我们采取了主从控制方式，即送线轴为主动轴，其余轴为跟随轴，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所对应的弹性恢复量。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，通知各轴取走。各轴的控制器定时取出新的位置数据，同时与检测出的实际位置进行比较，经过运算后，将控制量送入伺服系统。由于轴控制器采用8096单片机，具有较强的处理和控制功能，我们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。

　　4．3　完善的操作及控制功能

　　我们在软件设计过程中始终遵循这样一个原则，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。

　　首先，操作者在输入弹簧参数时，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。

　　其次，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。在调试阶段给出调试步骤，如滚轮加压、齿轮换档、位移修正、零点搜索、单轴运行、单件加工、连续运转等。正常加工时，机器遇特殊情况停机，也给出相应提示，如产量完成、无料、料架故障、无润滑油、伺服超差、电机过热、废品过多等，使操作者缩短调试和解决问题的时间。

　　第三，系统设计灵活，可根据用户需要进行选择，而不需变更硬件或软件。例如，主机可通过联机开关建立与辅助送料及分选等系统的信号联锁关系，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，而不致影响主机的工作。

　　4．4　主机系统软件框图

　　整个软件设计是按前后台类型来考虑的。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材料的变形补偿，以实现位控及相关逻辑功能。这里，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。

　　5、结束语

　　由于数控卷簧机具有普通机械卷簧机不可比拟的优越性，使得越来越多的弹簧加工企业愿意采用它，但目前该领域却是国外及台湾的产品一统天下。因此，希望本文能起到抛砖引玉的作用，引起行家们的兴趣，共同为振兴民族工业而努力。