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西北工业大学博士学位论文 异形弹簧数字化制造关键技术研究 摘要 随着工业的发展，作为基础零部件的弹簧的应用日益广泛，对弹簧空间形状 和成形精度的要求也在不断的提高。应对这种变化，适宜于加工具有复杂形状的 异形弹簧的数控卷簧设备在弹簧的生产制造中发挥着越来越重要的作用。但由于 各种条件的限制，我国在弹簧卷制设备制造方面与工业发达国家之间存在很大的 差距，该领域主要被进口产品所占领，因此，开发具有自主知识产权的先进弹簧 卷制设备对全面提升我国弹簧制造业水平显得尤为迫切和十分必要。 另一方面，弹簧作为一种常见产品，人们往往忽视对其先进制造方法的研究， 造成对弹簧数控卷制的研究比较薄弱。而实际上，由于弹簧卷绕成形的特点和卷 绕设备工作方式的特殊性，数控卷簧设备在使用过程中存在自动化程度低、对经 验的依赖性强、操作不方便等缺陷。因此，对弹簧制造过程进行深入研究具有重 要的理论意义和应用价值。 鉴于此，本文在教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目和洛阳市科技 攻关项目的支持下，通过对国内外的弹簧卷绕设备生产现状和发展趋势的调查与 总结，概括了弹簧卷绕制造的特点和规律，分析了弹簧卷绕过程中存在的问题和 制约因素，并将数字化制造、基于知识工程等先进制造技术与理念应用于弹簧卷 制领域，建立了以c a d c a p p c a m 为核心的弹簧数字化制造系统并将之应用于 生产实践中，期望能在弹簧的数控制造方面有所突破。论文的主要研究内容包括： 1 总结了弹簧卷绕成形的原理、过程和特点，并针对传统弹簧卷制过程中 缺少精确的数学计算，主要依靠手工试制获取弹簧加工参数的缺陷，计算分析了 与弹簧卷绕过程有关的工艺参数和影响因素，分解了弹簧卷制的步骤，提炼整理 了典型弹簧的凸轮布局、刀具选择、参数确定等工艺过程，建立了弹簧形状与卷 绕方式之间的联系。这些知识和规则可以帮助计算机方便地参与弹簧卷制过程， 从而为弹簧的数字化制造作好了技术准备。 2 根据弹簧的成形规律和制造特点，提出了以弹簧的c a d c a p p c a m 为 核心的弹簧数字化制造的概念，明确了系统的总体框架和功能结构，并根据面向 对象的设计方法对系统的需求和功能进行分析，利用u m l 建立了系统静态模型 和动态模型。数字化制造技术可以实现弹簧的设计、制造一体化，为弹簧的数控 加工提供了新的实现方法。 3 品种繁杂的异形弹簧由于具有复杂多变的末端结构，很难用一些简单的 参数来完整地概括和表达其形状，造成了在弹簧的数控加工时，需要借用电机转 角、送线长度等机床的动作参数来间接规定弹簧的样式，给弹簧的数控加工带来 了很大的不便。本文将特征技术引入到弹簧的表达过程中，通过对弹簧类零件的 摘要 形状特点和成形方式的研究，创造性地提取出了四种具有一定工程语义的基本结 构特征，通过组合关系的确定和空间位置的解算，使其相互拼接组合从而构成复 杂形状的异形弹簧。以形状特征为载体，利用弹簧零件的不同特征分类和层次结 构，建立了弹簧零件信息表达模型，为弹簧的数字化制造提供了完整的信息源。 4 弹簧的三维显示可以使操作者提前了解弹簧效果，减少试制时间，但目 前的卷簧设备大多不具备这样的功能。本文以开放图形程序库o p e i l g l 作为几何 建模工具，研究了弹簧实体表面的三维离散技术和空间点的存贮方式，实现了异 形弹簧的实体造型，并提出了一种替代算法对弹簧末端过渡部分进行了光滑处 理。这种方式造型逼真，而且便于嵌入到集成系统中。 5 弹簧卷绕成形时首先需要确定卷绕的动作顺序并完成对机床的配置，主 要包括有关工装的选择、布局、调整和参数选取，这个过程耗时费力，经验性强， 成为了弹簧数控加工的瓶颈。本文将人工智能应用到弹簧卷绕过程中，利用基于 规则和基于实例的混合推理策略来完成弹簧卷绕工艺设计，并把形状特征编码矩 阵作为判断实例相似的依据，规划了三级搜索过程来完成弹簧形状的匹配。基于 知识的弹簧卷绕工艺规划方法改变了传统的调机方式，对提高弹簧加工的自动化 水平和生产效率具有重要的意义。 6 利用上述的有关研究成果，设计了独具特色的弹簧卷制数控指令和编程 格式，开发了异形弹簧数字化制造系统，实现了弹簧卷绕过程的信息共享，完成 了弹簧零件特征建模、三维造型、工艺设计、自动编程等功能，并将之应用于课 题协作方的新产品开发中，较好地满足了弹簧现代化生产的需要。 关键词：异形弹簧，数字化制造，特征技术，实体造型，基于规则，基于实 例，卷绕工艺 西北工业大学博士学位论文 r e s e a r c ho nk e yt e c l l i l o l o 舀e so f d i g “a lm a l l u f h c n h i n g 矗时 s p e c i a l s h a p es p r i n g a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s 虹y ，m ei n c r e 觞i n gi i l t e f e s ti l lq u a l i t ) ，c o n 打o l 觚d p r o d u c d o ne m c i e n c yi sa l s ol l a y i | l gi i l l p a c ti nt 1 1 es p r i n gp r o d u c t i o nf i e l d c 叩i i l g 谢t i lt h i ss i t u a t i o i l ，l ec n c 印r i n gc o i l e rn l a ts l l i t e df o rc o i l i i l gs p e c i 小s h a p e 印r i n gi s p l a y i n gm o r e 趾dr n o r ei m p o n a i l t r o l ei i lt 1 1 e s p r i n gm a n u f 如t i l r i n gp m c e s s b u t b e c a u o fv “o l l sr e s t r i c t i n g 缸t 0 培，t h e r ei sb i gg 印b e “v o c l l i 卸do 妇 d e v e l o p e dc o 响e si nt h e 刚n gm a n 幽c 砌n gt e c t l l l o l o g i e s t h e r e f m ，t h er e a r c h o ns p r i n gc o i l e r 、i l lh a v ei i i l p o r t a ms i 鲥f i c 觚c ef o rp r o m o t i l l g 圮d e v c l o p m e mo f o u rc o 咖打y ss p 血gm a n 嘶k t i l r i n gi n d u s t 够 0 | l lt h eo t h e rh 柚d ，鹪ak i n do fc o m m o nm e c h a i l i c a lp m d u c t 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r cd e c o i n l ) o d ，t h ec o r m s p o n d i r 唱r e l a t i o n sb t m c e nt l l es p r i n gs p a t i a ls h a p e a n dc o i l i r l gm e t h o da r ee s t a b l i s h e d ，t l l ek n o w i e d g ea n dm l ea b o u ts p d n gc o i l i n g 撇 c o 璐m l c t e d a l lt h e w o f i 【sp r o v i d et l l e i m 珥 n 觚tf o u n d a t i o n f o ft t l e d i g i t a l m 锄m f 缸慨go fs p 血g 2 b a s e do nt 1 1 ep r o b l e m so fm es p r i r 唱c o i l i n g ，n l ec o n c e p to fs p 渤gd i g i t a l m 孤u 舭t i l l 血gw l l i c h i l lc o f eo fc a d c a p p c a mi s p u tf 0 1 w a r d s e v c r a lm a i n s u p p o n i n gt c c l l i l o l o 百e so ft 1 1 es p r i n gd i g i t a lc o i l i n gs y s t e ma r ed e 丘n e da i l ds t l l d i e d a c c o r d i n gt ot h ev i e w p o i mo fo b j c c t - o r i e n t e d ，t h er e q u i ”m e n t 粕df i l i l c t i o no ft l l e s y s t 咖a r e 卸a l y z e d u s i n gu m l ，t i l ed e t a i l e ds t a t i ca n dd y i l 嬲l i cm o d e lo f t h es y s t e m a r ee s t a b l i s h e d t h eg e n e r a lf m m e 锄df h n c t i o ns 咖c t i l r cf o r s p d r 培d i g i t a l m a n u f a c t t l r i n gi sa l s oc o n s t n l c t e d t h ed i g i t a lm a n u f a c t l l r es y s t 咖h e l pi m p l e m e n tt h e i n t e g r a t i o no fd e s i g na n dm a n u f 缸t u r eo fs p d n ga r l dp r o v i d et h en e wr e a l i z a 廿o n 一i 一 摘要 m e t h o df o r t h es p r i n gc n c c o i l i n g 3 t h es h a p e so fs 两n gi sq i i i t cd i 虢r e n t ，t h u st h e r ea r ev 撕o l l ss p e c i a l s h a p e s p r i n gw mc o m p l e xs p a t i a ls i l a p e n i sd i 伍c u l tt ol l s e s i m p l ea n dc o n 蚰 p a 舢e t e r st og e n e r a l i z e 锄de x p r e s sv 撕o l l ss p e c i a i - s l l a p es p r i n gc o m p r e h e n s i v e l y ， e s p e c i a l l yf o r1 l l e i rc o m p l i c a t e da n dd i v e r s ee i l d 蛐m c t u u s i n gt l l ef c a t i l r e 击髂e d t e c h n o l o g y ，f o l l rk i n d so fe l e m e i i t a r ys h a p e 如a n 鹏sa r ee x 仃a c t e da l l d t t l e i rd a 诅 s t m c 似f e sa l s oa f ed e 矗n e dr e s p e c t i v e l yi n 也i sd i s s e r t a t i o n m a n yd i 矗b r te l e r n e n t a r y s h a p cf e a t u f e s 黜l i l l i 【e d 锄df 0 咖e d 恤w h o l es p 血g t 协u 曲c l 嬲s i 匆i n gd i 腑r e m f e a 沁r e s ，t h ew h 0 1 ep a r ti n f o m l a t i o no fs p r i n gi sc r e a t e dt h i sr e p r e s e n t a t i o nm e t h o d p m v i d ee m i r ci n f b m l a t i o n s o u r c ef o rs p r i n gd i 舀t a lm a n u f k 砌n g 4 1 1 l e3 ds o l i dm o d e l i n go fs p r i n gc 觚缸i l i 够t h eo p e r a t o rt ow 曲c ht h es p d n g s h a p ee a f l i e r 觚dr e d u c et 量l ep r o d u c t i o nt i i n c s o ，l e3 dm o d e l i n gt c c h n o l o g yo f s p e c i a l s h 印es 皿n gu s i n go p e n g l i ss t i l d i e di nt l l i sd i s 湖t a t i o n n l ee m p h a s i si s h o wt od i s p e r t h es p r i n gs o l i ds u r f h c ea n ds t o r et 1 1 ec o o r d i n a t e so ft 1 1 e s ed i s c r e e t p o i m s ho r d e rt oa v o i dm eg a pb e t 、v e e nt 1 1 eh e l i xa n ds p f i n ge n d ，as o l m i o nt o s u b s t i t l l t et i l i s 仃 m s i t i o np a r tw i t l lc y l i n d e ra n dt o m si sp r e s e n t e d t h eh i g l lr e a l i t y s o l i dm o d e l i n gi sc r e a t e du s i n gt h i sm e t h o d 5 i nm o s tp r e s e m d a yc o i l i n gm a c h i n e s ，a l lt h es e n l pj o b s ，i n c l u d i n gt o o l s e l e c t i o n ，c a ml a y o u t ，p r o 掣眦，a r ea c l l i e v e db ym 锄砌w o l ku s i n gat r i a l - a n d - e r r o r m e t h o d 1 1 l i sm e n l o ds 翻o u s l ya 脏c t st l l es 州n gp r o d u c t i o ne m c i e n c y 1 ti s0 b v i o u s t 1 1 a tt l l em a c h i n ea d j u s n n e i l ti st h et o u g h e s tp a r to fm ep r o d u c t i o np m c e s sa n dt l l e m o s tt i m e c o n s u r n i n gp h a s e mo r d c rt os o l v et l l i sp r o b l e m ，t l l ea r t i f i c i a i i n t e l i i g e n c e i sa p p l i e dt om es p f i n gc o i l i n gp r o c e s sa i l d 也ek n 0 d e d g e b 鹊e dc o m p u t e r - a i d e d p r d c e s sp l 锄i i l g 如rs p f i n gc o i l i n g i s p r o p o s e d a c c o r d i n gt o t h e f o h i l i n g c h 锄c t e f i s t i co ft 1 1 es p e c i a l s h a p es 埘n g ，t h eh y 嘶d 玎b a s o n i n g 屯e c 枷q u e sw 1 1 i c h i m e g r a t i n gc a s e - b a s e da n dn l l e - b a s e df e a s o l l i n ga r e 弘o p o da l i dl l s e dt op l a n 出e s e t u po f t l l ec o i l e r 6 t h ei n 蛔臣a c c ds y s t c mf o rs p r i n gd i g i t a lm a n u f 缸慨n gi s d e v e l o p e da n d a p p l i e di np r a c t i c eo nt i 地f o u n d a t i o no fs t i l d yw o r ka b o v c t h ei n f 0 1 1 i l a t i o ns h a r i l l go f s p r i n gc o i l i n gp r o c e s s i sr e a l i z e di r i s y s t e m ，i r i c l u d i n gs p r i n gs p a t i a ls h a p e r e p 咒s e n t a t i o i l ，3 dm o d e l i n 舀c o i l i n gp r o c e s sp l 锄i i l g 锄da u t o m a t i cp r o 目韧：1 1 i n i n g k e yw o r d s ：s p e c i a l s h a p es p r i n g ，d i g i t a im a l l u f 弧，f b a t l l r e - b a s e dt e c l h l o l o g y ， s o l i dn l o d e l i n g ，m l e - b 鹪e dr e a s o n i n g ，c 船e - b a s er e 嬲o n i n g ，s 州n gc o i l i n gp m c e s s l v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 ， 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：蕉垡望 椰7 年乒月日 指导教师签名：墨! 迅盔 硎年乒月 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 j 请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：诬 叼年争月三日 西北工业大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 弹簧是重要的工业产品零部件，它在使用过程中起着储存能量、缓冲平衡、 自动控制、安全保险等作用，被广泛地应用于交通运输、航空航天、电子电器、 工矿配件、仪器仪表、日用五金等方面，几乎涉及到国民经济的各个领域，是用 量大、品种多的一种基础件，已成为机械设备必不可少的组成部分【l “。弹簧产 品质量的好坏，不仅决定着主机的质量水平，而且还直接影响到整个机械装备的 更新换代。 中国弹簧行业具有悠久的历史，早在2 0 世纪5 0 年代初就成为国家一个完整 的门类【4 1 。工业的发展，特别是近年来我国汽车、摩托车工业的高速增长，直接 刺激了弹簧的需求，成为弹簧行业最重要的拉动力，使弹簧的品种和数量日益增 多，也给弹簧行业的发展带来空前的机遇。据不完全统计，目前国内弹簧行业有 生产企业有1 6 0 0 余家，l o 余个专业弹簧研究所，2 l 大类各种弹簧产品，对国民 经济的发展起着相当重要的作用。 我国弹簧行业经过几十年的发展，虽然有了很大幅度的提高，但和先进工业 化国家相比，仍然存在很大的差距，总体技术水平要落后3 0 余年【5 】，这些差距 主要表现在： 弹簧企业的发展水平参差不一，规模小的企业占多数，大部分企业的装 备水平不高，大量2 0 世纪8 0 年代甚至7 0 年代的设备没有更新过，手工生产占 相当比重【“，产品质量水平不高。 全行业的开发能力差，缺乏独立开发能力，新产品开发速度不快。产品 主要以来图加工为主，很少参与主机厂同步开发，关键技术都掌握在主机厂手中。 管理水平低，大部分企业还使用传统的管理模式，很少有企业采用计算 机进行信息管理，一些民营企业家族式管理痕迹明显。 弹簧制造技术落后，工艺手段陈旧，新工艺开发滞后。 弹簧加工设备和国外差距明显，设备的品种单一，不成系列，更没有能 力生产成套设备，大部分加工设备停留在仿制阶段，而且大多数仿制的还是过期 的老产品，缺少自主开发能力。一些高技术含量、高附加值设备如大规格数控卷 簧机、应力喷丸机、负荷分类机等则要依赖进口。 随着经济全球化的发展趋势，发达国家制造业逐渐向发展中国家梯度转移， 许多经济学家预测中国将成为继英国、美国、日本后的又一个“世界工厂”。制 造业的发展，对弹簧这个基础零部件的制造精度、产品品种、产量、技术性能等 都提出了更新更高的要求，要满足这样的要求，就需要有先进的弹簧加工设备做 第一章绪论 强大的技术支撑。因此，从弹簧加工设备入手，利用现代科技发展成果尽快开发 出具有自主知识产权的高性能弹簧卷制设备来武装我国的弹簧制造业，对提升我 国弹簧行业的整体技术水平，满足市场需要，打破国外在先进弹簧制造设备方面 的技术垄断，发展机床工业，促进我国在世界制造产业链条中向上游迈进等诸方 面都具有十分重要的意义。 1 2 弹簧生产过程和特点 1 2 1 弹簧的制造过程 弹簧的生产过程是指将弹簧材料转变为成品弹簧的全过程，不但包括改变原 材料的形状、尺寸和材料性能等加工过程，也包括各种辅助生产过程。弹簧制造 企业生成过程的组成如图1 1 所示【”。 生产过程 工艺过程 卷簧 磨簧 冲压 喷丸 强压 热处理 表面处理 装陀 l 其胁各佳j 篡仁篇豢 辅助生产过程i 生产服务二运输、供应、保管、修理、试验、动力、仓库 弹簧的工艺流程就是在弹簧的生产制造中，按顺序流经每道工序的过程。由 于弹簧材料、弹簧类型和加工方法不同，螺旋弹簧的工艺规程也各有差别。概括 起来，弹簧生产中具有代表性的主要流程为：卷簧、热处理、磨簧、表面处理， 其中卷簧和磨簧工序将改变弹簧材料的形状和尺寸，热处理和表面处理将改变弹 簧的材料性能。这些工序对弹簧的最终成品质量起着决定性的作用。 ( 1 ) 卷簧 卷簧是弹簧制造的第一道工序，卷制精度对整个制造过程起着极为重要的作 用，决定了弹簧的几何尺寸和特性以及材料的利用率1 7 j 。 钢丝直径大于1 4 毫米的弹簧，一般采用热卷方法制造，而对于中小直径钢 丝的弹簧通常采用冷卷工艺。弹簧的冷卷设备可分为有芯卷制和无芯卷制两种。 有芯卷制是在车床或类似车床的专用设备上，将弹簧材料卷绕在芯轴上，其特点 是对设备要求不高，适应性强，但劳动量大，自动化程度低，而且还降低了材料 利用率和质量的均匀性。无芯卷制是在自动卷簧机上进行，它把钢丝线材卷绕成 西北工业大学博士学位论文 一定形状的弹簧，可以自动完成卷绕、切断、记数等功能，能以一个工作循环完 成弹簧的成形工艺。由于自动卷簧机自动化程度高、生产效率高、材料利用率高， 所以，它已成为弹簧制造中的主要设备，本文就是以数控自动卷簧机为对象对弹 簧的制造过程进行研究。 影响卷簧质量的因素是多方面的，例如机床设备的精度、弹簧材料的性能、 卷绕工具与金属丝接触部分摩擦状况、送料长度的精确度以及卷绕速度和操作者 的技术水平等。在卷簧前，必须对各种因素加以综合考虑来确定卷簧工序的工艺 参数，并通过反复试验来确定最终的工艺参数。 ( 2 ) 热处理 弹簧热处理的目的就是在于尽量发挥弹簧材料的潜力，使之达到或接近最佳 的机械性能指标，从而保证弹簧在使用状态下长期可靠地工作。常用的弹簧热处 理方法包括：退火、淬火、回火、化学热处理等。 ( 3 ) 磨簧 为了保证压缩弹簧的垂直度、平行度，并使两支撑圈的端面与其它零件保持 接触，减少扭曲，压缩弹簧的两端面一般要进行磨削加工。磨簧工序通常在弹簧 端面磨床上进行。为了使弹簧端圈的螺旋角、贴紧长度均匀致，螺旋角应在卷 簧时加以控制。 ( 4 ) 表面处理 弹簧在加工、存放或长期使用的过程中，由于周围介质的作用而发生锈蚀破 坏。这种破坏形式是弹簧失效的主要形式之一。避免或减轻弹簧的腐蚀破坏的有 效方法就是对弹簧进行表面处理。弹簧的表面处理方法主要有预处理、氧化处理、 磷化处理、涂漆、电镀等。 1 2 2 弹簧的卷制成形 最初使用的弹簧，大都是手工卷绕的，甚至热卷大弹簧也用人工推动绞盘而 成形。随着弹簧制造技术的不断发展，弹簧的加工设备也日益完善。自动卷簧机 的出现，则是卷簧工艺的一次重大变革。在卷簧机上，借助于计算机或凸轮的控 制，可以顺序或同时驱动多个卷绕工装运动，使弹簧的送料、端圈的并紧、节距 大小的调整、长度和直径的调整以及切断等多项工序都在一台机床上实现，自动 地完成弹簧的卷绕成形，大大提高了弹簧的生产效率，图1 2 表示了美国t o r i n 公司生产的六轴卷簧机的机构动作示意图1 3 j 。卷簧机现在已成为弹簧行业冷卷弹 簧的常用设备，它的性能直接关系到卷制弹簧的质量和效益。 卷簧机是利用有关运动部件强制弹簧材料发生一系列弹塑性变形，从而获得 所需要的弹簧形状。与导管的弯曲过程类似，弹簧在卷簧机上的卷制成形具有以 第一章绪论 下特点1 9 l ： 三维变形。在钢丝的卷绕过程中，不仅纵向纤维产生伸长和压缩，而且 截面方向也存在变形。 连续渐变。弹簧的卷制过程是用钢丝的局部变形来产生整体连续变形， 最终使弹簧成形。 多因素耦合。弹簧卷制过程存在很多影响产品质量的因素，且相互耦合， 呈非线性的特点。 非稳态过程。弹簧的成形过程实际上是一个不断的送线、卷绕、折弯的 渐变过程，每一点的应力状态也是时变的，直到卷制过程结束也无稳态值。 由于弹簧卷绕过程的这些特点，使弹簧的卷绕工艺和操作与金属切削类工件 的加工有明显的不同，不但需要较多的手工调整而且操作者的经验对卷簧的品种 和质量影响很大。 图l _ 2 六轴卷簧机的运动定义 1 3 弹簧卷制设备的发展概况 1 3 1 机械式卷簧机 在卷簧机发展的早期，弹簧的卷绕动作全部要靠纯机械式结构完成，因此这 类机型称为机械式卷簧机。机械式卷簧机以其结构简单、价格低廉、维护方便等 特点为弹簧行业作出了不可磨灭的贡献，但随着科技的进步和工业的发展，机械 式卷簧机也逐渐暴露出其缺点，这些缺点主要体现在【l0 j ： 弹簧送线的动力采用普通的三相电机，无法实现高精度的送线。 弹簧送线的传动一般采用扇形齿轮和电磁离合器的方式。在大多数使用 一d 一 西北工业大学博士学位论文 离合器的设备上，由于结构上的原因，需要安装刹车装置以确保离合器分离瞬间 即停止送线，但实际上刹车装置无法精确地做到这一点而造成精度下降。另外， 离合器也很容易损坏。 扇形齿轮的往复虽然在理论上可以实现较高的精度，但是因为在一定的 安装空间内无法同时满足啮合数多和单齿强度极限两个条件，因此实际的精度较 低。另外，由于存在齿轮配合间隙，过多的传动环节还会造成累计误差，影响了 送线精度。 大部分机械式卷簧机的送线和成形的动力均来自同一电机，在送线的过 程中成形凸轮也在连续的运转从而形成切断动作，因此送线长度受到限制，无法 实现特殊规格长弹簧的生产。 在弹簧卷绕过程中，各类成形刀具相互制约，调试工作比较麻烦，很难 加工具有复杂形状的异形弹簧，应用范围受到限制。由于采用机械式结构，信号 处理能力差，对料架、线材等装置在生产过程中出现的问题无法作出相应的动作。 1 3 2 数控卷簧机 机械式卷簧机采用纯机械式结构完成弹簧卷绕的动作，结构复杂，功能单一， 难以加工圈径和节距变化的异形弹簧，在生产过程中，每更换一个新的品种，就 需要经过反复的测试和调整，甚至要更换一些结构部件，而且加工精度低，可扩 展性差。随着计算机数控技术( c n c ) 的蓬勃发展，为满足现代工业对弹簧的精 度、结构和寿命的使用要求，在2 0 世纪8 0 年代前后，数控技术开始应用于弹簧 的卷制设备，数控卷簧机应运而生。数控卷簧机采用计算机为硬件，根据不同的 弹簧类型编制数控程序，执行对机床运动的数字控制功能，完成卷簧动作。数控 卷簧机结构简单，操作方便，能加工多个品种，加工效率高，质量好，符合弹簧 制造向高精度、高难度、小批量发展的生产模式。因此，弹簧卷绕设备经历了从 机械式卷簧机到数控卷簧机的发展历程，数控卷簧机得到了越来越广泛的应用， 并且仍在不断地向深度和广度发展，弹簧制造技术的革新方向就是普及利用数控 卷簧机。 数控卷簧机以伺服电机作为送线轴，省掉了离合器、扇形齿轮等传动环节， 送线长度、送线速度和送线起停的控制均由计算机来完成，大大降低了累计误差， 实现了在任意时间用任意速度实现任意长度的送线，送线精度可以达到 o 0 1 o 0 2 2 毫米。数控卷簧机把送线轴和成形轴分离，简化了机床的调试，在卷 制弹簧时，可以让成形轴停在某个固定位置，而转动送线轴从而实现定点送线； 也可以让不同的运动轴产生同步动作，实现复杂异形弹簧的生产。利用计算机的 测控技术能使数控卷簧机对线材、料架及其它部件所产生的故障进行检测和处 第一章绪论 理，并且还可以根据需要安装检长机等先进检测设备，使弹簧的生产进入了新的 发展阶段。 弹簧数控加工技术的发展，也对卷簧机的机械结构产生了很大的影响，出现 了多工位数控卷簧机，它是在卷簧机床身的立板周边区域安装了8 个呈星形分布 的滑座，送线方式不采用横向进给的模式，而是让线材通过机床的内部从垂直于 机床工作平面的立板中间进给，利用滑座上装卡的不同刀具实现对线材的卷绕、 弯曲、折角和切断等动作。 长期以来，对于一些形状复杂的异形弹簧的生产一直靠半机械半手工甚至是 全部手工的方式进行，如拉簧、扭簧复杂的端部结构在普通的卷簧机上难以一次 加工成形，需要安排专门的工序，借助于专用钳、钩环模具、扭臂模具等专用机 构来加工，生产效率低，质量不稳定。如何对复杂异形弹簧实现高效的一次性成 形而提高生产效率，是一个令弹簧生产厂家十分头疼的问题。由于多工位数控卷 簧机的工作原理是在所需要的方向上不断地弯曲钢丝。从而卷制出带有各种耳环 或扭臂的拉簧、扭簧及其它异形弹簧，因此，多工位数控卷簧机为高效、高精度 地生产异形弹簧提供了新的途径。 常用的多工位数控卷簧机有两个控制轴，一个轴专门负责送线，另外一个轴 通过凸轮来驱动需要运动的滑座，由滑座上安装的刀具强制钢丝产生变形。两轴 的多工位卷簧机结构简单，价格适宜，所以应用比较普及。但它的芯轴是固定的， 生产中钢丝的弯曲变形与芯轴本身有发生干涉的可能，需要根据弹簧的类型把芯 轴削边，以加工成不同的形状来配合生产，增加了机床调整的工作量，所以有的 卷簧机又增加了芯轴的旋转功能。 普通多工位数控卷簧机的滑座需要凸轮来驱动，而凸轮的相位精确调整是一 件很麻烦的事情，同时滑座上安装刀具的选择、滑座行程的调整、特殊弹簧生产 中的专用凸轮磨制也很浪费时间，在此背景下，一些机床生产厂家近年来研发了 全数控多工位卷簧机i l 们。这种机型采用8 个伺服电机分别驱动8 个成形滑座，取 消了驱动滑座所用的凸轮，利用数控指令来控制所需的滑座及刀具以设定的速度 前后动作，以前调整凸轮、布局刀具的工作现在只需修改数控程序即可实现，大 幅度地减少了机床的机械调试工作，同时也使机床的成形功能得到增强。 常见的多工位数控卷簧机的8 个滑座是固定的，仅可微调，但有的厂家对机 床的机械机构也进行了改进，使滑座能够移动，可以根据卷制弹簧的需要将滑座 安排在任意的角度，从而卷制出形状复杂的异形弹簧，以满足现代机械装备对弹 簧生产的要求。 6 一 西北工业大学博士学位论文 1 3 3 国内外卷簧机的发展现状及趋势 l ，国外卷簧设备现状 卷簧机作为制造弹簧的主要设备，随着弹簧工艺的发展而不断改进和创新， 并明显地成为各国弹簧制造技术水平高低的标志。在工业发达国家，由于其工业 基础雄厚，数控技术先进，从而推动了数控卷簧机向更高水平发展，生产了多种 规格和品种的数控卷簧机以满足市场的需要。这些卷簧机自动化程度高，有些机 型带有探伤、长度自动分检、外径及节距测控等装置l l “，在弹簧加工的制造精度、 生产效率、操作性能等方面，都取得了长足的发展和进步。目前，在数控卷簧机 领域技术比较发达的国家主要有德国、日本、美国和瑞士等，这些国家的弹簧行 业已普遍采用数控卷簧机进行生产。 德国 德国的w a f i o s 公司是世界上最大的线材加工设备制造商，主要生产高速 高精密数控卷簧机、磨簧机、弯管机、制钉机等设备，产品型号超过2 0 0 多种。 该公司生产的f u l 系列数控压簧机，编程简便，对机床的调整少，生产效率高， 每小时最高可卷绕近4 万个弹簧，利用弹簧的参数能观察弹簧的平面图形。机床 上配有检长和分选装置，可根据需要选择切断方式( 直切、旋转切、无芯轴切断) 。 弹簧的左右旋向是通过自动方式转换。f m u 系列多功能、高精度、高速度通用 弹簧成形机采用多轴控制，配备有多种标准工装和在线刀具库，包括进给、导向、 卷绕、折弯和旋转成形等刀具，扩大了弹簧加工的类型，缩短了机床调整时间， 能对形状复杂的异形弹簧一次加工成形。该系列机型的滑座采用伺服电机驱动， 并可根据弹簧卷绕空间的要求对滑座位置进行调整，提高了弹簧生产的自动化程 度和生产效率，其生产速度可以达到每小时加工9 千个弹簧1 1 2 j 。 日本 弹簧作为基础件在日本受到高度重视，弹簧行业发展很快，数控卷簧机的应 用也很普及。日本比较著名的数控卷簧机生产厂家主要有板屋制作所、奥野机械 制作所、旭精机工业株式会社等。 板屋制作所从2 0 世纪7 0 年代开始研发数控卷簧机，经过多年的发展，已生 产多种型号和规格的数控卷簧机，近年来不断推出新型多工位数控卷簧机投放市 场，其机床组成形式和弹簧卷绕方式己成为多工位数控卷簧机的主流，产品的系 列型号主要有m c s 、m c x 、r x 、m x 、a x 等f 1 3 】。该公司所生产的多工位数控 卷簧机革新了拉、扭簧及异形弹簧的生产方法，从送线进给到刀具的运动都采用 数字控制，可一次加工完成复杂的异形弹簧。高性能的数控系统降低了机床机械 部件的复杂程度，减少了机床调整时间，使操作者不需付出繁重的体力劳动，就 可轻松地操作机床。图形化的编程器可以帮助用户完成弹簧加工所需的基本程序 一 第一章绪论 设罱，而对一些简单形状的压簧的数控程序，数控系统可自动生成。 板屋制作所生产的m c s 系列卷簧机的主要特点有：伺服旋转芯轴、旋转线 材导向装置、独立控制的伺服滑座、卷曲轴、进给旋转装置，其控制轴数可扩展 到6 轴，包括进给、凸轮、伺服滑座和卷曲轴，其中旋转线材导向装置和伺服旋 转芯轴申请了专利。该系列机型还具有示教功能，在示教编程功能模式下，根据 卷绕弹簧的形状转动手轮，数控系统则同步记录卷绕的动作和加工参数，并自动 生成数控程序。为适应不同形状的弹簧的加工，机床配有多种类型的滑座，例如 用于卷绕弹簧簧身的t 型滑座、卷制拉簧尾钩的s 滑座、折弯用的l 滑座等。 此外，机床上还装有些反馈和检测装置，可以对机床的运动部件和弹簧卷绕过 程进行监控，如滑块和刀具的工作状态，弹簧外径、节距、自由长度的检测及补 偿等。 图l 一3r x 4 0 a 卷簧机 图l - 4 r x 卷簧机的编程 r x 系列卷簧机在机床的结构上作了较大的变动，能加工多种形状复杂的异 形弹簧，被称为2 l 世纪的卷簧机床。该系列卷簧机配备有两个可控的能三维运 动的换刀装置，可安装1 2 把成形刀具，它的线材导向以及进给装置可以旋转， 因此其可控轴数达到了1 5 个轴，机床的外形如图1 3 所示。刀具的位置是通过 三维运动的伺服滑座来控制，不需要人工调整和干预。利用换刀装置可以很容易 地选择所需要的刀具，线材的进给和刀具的运动可通过计算机编程来调整，因此 滑座的安装角度和布局也摆脱了人工的参与。这些特点使r x 系列卷簧机的人工 西北工业大学博士学位论文 调整时间大大减少，简化了卷簧机的操作。在卷绕弹簧时，只需按照钢丝的线径 选择进给滚轮和芯轴，并在换刀装置上安装合适的卷绕刀具，弹簧卷绕的动作即 可通过编程界面来实现，由数控系统控制线材进给、导向旋转、刀具运动，最终 一次加工完成所需要的弹簧产品，图1 4 为机床的编程界面。 美国 美国比较著名的卷簧机生产厂家是t o r n 公司，主要生产适合多种线径的 数控卷簧机系列。该公司生产的乙l l 型卷簧机有6 个控制轴，在料盘装置上安 装有张紧力补偿器，保证了送料长度和负荷的准确性。为满足市场需求，该公司 开发了多种辅助装置和可选配件，主要包括：集成质量控制；自由长度测控；质 量分析系统s p c ；3 5 类产品分选装置；弹簧端部加工装置；热处理；产品传输 装置；辅助滑座；特殊切断部件；定制刀具；用于复杂异形弹簧的芯轴成形装置； 用于卷制双扭簧的进给滚轮旋转装置：润滑装置。这些辅助部件为弹簧卷绕提供 整体解决方案，扩大了机床的工艺性能。 2 国内卷簧设备发展情况 由于弹簧行业的特殊性，卷簧机、磨簧机等弹簧的主要加工设备基本上属于 非标准设备，国内只有少数专业厂家生产，有的则依靠弹簧生产厂家根据需要自 己制造。国内生产卷簧机的企业主要有洛阳机床股份有限公司、江苏海旭弹簧制 造公司、上海中程公司和西北机器厂( 只生产小规格卷簧机) 1 6 】。与工业发达国 家相比，国产设备除了价格优势外，质量难以和进口设备相匹敌，存在着加工精 度低、效率不高、可靠性差、品种不全、型号老化等问题，所以目前弹簧行业中 先进的制造设备一般都依靠进口1 6 l ，但进口设备一方面价格高( 大约是国产同类 产品的5 1 0 倍) ，大部分企业无力承受；另一方面维修困难、配件不便。这些原 因导致国内弹簧行业专业化、自动化程度低，数控卷簧机的应用还不普及，机械 式卷簧机在国内弹簧生产企业中仍然占有很大的比重，不少工序还停留在手工操 作的水平上。 国产卷簧设备与国外产品的差距为卷簧机数控系统的研发和生产留出了一 个巨大的发展空间。针