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