多股螺旋弹簧螺距控制系统的研究与开发

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多股螺旋弹簧(简称多股簧)是将多股钢丝(通常为3~17股、0.4~14mm的碳素钢丝)拧制成1~3层的钢索,然后通过有芯卷制或无芯卷制方式绕制的圆柱螺旋弹簧。由于钢索拧紧过程钢丝间的紧密接触,使得多股簧具有强度高、寿命长、减振性好、抗油污等优良性能,能应用于有对强度、寿命等有特别要求的领域。当前主要有复位和减振两方面应用,在军用装备中作为发射武器的复进簧,在民用装备中作为复位弹簧使用,让部件处于设定位置。多股簧的三个主要参数为弹簧螺距、钢索索距和中径,其中,螺距是最为关键的控制指标。在保证多股簧螺距均匀性后,就可以相应地通过调整电机转速和芯轴直径来控制索距和中径。当前生产过程对螺距控制机理缺乏研究,各轴电机仅仅采用匀速运动,缺少实时反馈,各种耦合因素影响成形过程,使得螺距不均匀。本文以提高螺距的均匀一致性为控制目标,首先进行了多股簧数控机床的螺距控制系统设计,分析了系统的特性,有针对性地提出控制算法,并且对螺距控制系统进行了实现。本文就以下四个方面展开了研究:(1)针对螺距均匀性要求,设计了多股簧螺距控制系统的方案。为保证系统的可靠性,分别对检测方案和执行机构进行选型,完成了系统机械结构和通讯网络设计。同时对速度匹配的方式进行了分析。(2)对多股簧的成形过程进行力学分析,建立多股簧螺距控制的理论模型,包括钢索等效截面模型、螺距计算模型、送料位置模型与张力波动影响模型等,测试了测量器件引起的误差变化,分析了系统空载时的响应。基于Simulink仿真平台建立起螺距控制仿真模型。仿真结果验证了模型有效性与反馈控制的作用。(3)研究了多股簧螺距控制的算法,针对多股簧生产过程中扰动因素较多,系统模型不明,控制难度较大的特点,结合堆叠降噪自编码器提出了PID-SDAE控制算法。实验结果表明,采用提出算法有效提高了系统的鲁棒性与抗干扰能力,保证了制造弹簧的精度。(4)采用c#软件开发环境编写了上位机程序,设计了上位机和伺服驱动器间的MODBUS协议,开发了上位机交互界面,包括送料位移监测界面和控制参数整定界面,研制了螺距控制监控系统的架构与控制系统,确定了各电机速度匹配关系。
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