novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.27.419-428novtexmech-2071Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESСистема управления пружинонавивочного станка на основе электронных кулачковElectronic Cam-Based Control System for Spring Coiling MachinesГордеевД. В.GordeevD. V.

студент 

Москва

Moscow, 119454 

gordeev.d.v@edu.mirea.ruГирихидиД. В.GyrichidiD. V.

аспирант 

Москва

Moscow, 119454 

girikhidi.d.v@edu.mirea.ruРомановА. М.RomanovA. M.

д-р техн. наук, проф. 

Москва

Romanov Alexey M., Dr. of Tech. Sc., Professor 

Moscow, 119454 

romanov@mirea.ruМИРЭА — Российский технологический университетРоссияMIREA — Russian Technological UniversityRussian Federation202619082026278419428Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20262026Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/2071

Пружины являются незаменимым компонентом многих механических изделий, применяющихся в машиностроении, приборостроении и других отраслях. Несмотря на кажущуюся простоту изготовления самих пружин, современные пружинонавивочные станки являются сложными многоосевыми машинами, способными на скоростях подачи проволоки до 500 м/мин выполнять навивку пружин с переменным шагом, а также осуществлять автоматическую коррекцию геометрических параметров на основе промежуточного оптического контроля. Однако системам управления пружинонавивочными машинами посвящено несоизмеримо меньше исследовательских работ по сравнению с другими видами станков. В данной работе делается попытка закрыть этот пробел и обсуждается разработка универсального подхода к автоматизации навивки пружин на базе использования электронных кулачков. В работе вводится иерархическая структура электронных кулачков, позволяющая разделить геометрию изделия и особенности механики конкретного оборудования, а также предлагается новая трехуровневая архитектура аппаратно-программного обеспечения пружинонавивочного станка, охватывающая человеко-машинный интерфейс, генерацию траекторий движения механизмов станка, его бортовую систему управления и подсистему автоматической коррекции на основе технического зрения. Предложенный подход включает в себя реализацию нижнего уровня системы управления на основе существующих промышленных решений, не подпадающих под ограничения на системы двойного назначения, с автоматической генерацией управляющих программ на основе стандартизированных табличных описаний пружин, с дальнейшей возможностью их оптимизации. Проведенные экспериментальные исследования демонстрируют, что применение этого подхода к станкам различного типа позволяет осуществлять навивку пружин до 5 раз быстрее, чем на используемых на сегодняшний день станков на базе систем ЧПУ, а применение разработанного алгоритма автоматической коррекции шага пружины обеспечило до уровня в 1,26 раз сокращение разброса длин пружин и минимизацию количества брака. Описанные в работе решения в совокупности составляют базу для создания линейки отечественных пружинонавивочных станков.

Springs are an important component of many mechanical products used in mechanical engineering, instrumentation and other industries. Despite the apparent simplicity of manufacturing the springs themselves, modern spring winding machines are complex multi-axis machines capable of winding springs with variable pitch at wire feed speeds up to 500 m/min, as well as performing automatic correction of geometric parameters based on intermediate optical control. Despite the importance of springs for industry, disproportionately fewer research papers have been devoted to control systems for spring-loading machines compared to other types of machine tools. This research attempts to close this gap by developing a universal approach to automating the winding of springs based on the use of electronic cams. The paper proposes a three level software and hardware architecture for spring coiling machine as well as three level hierarchy of electronic cams. It includes the implementation of a lower-level control system based on existing industrial solutions that are not subject to restrictions on dual-use systems, with automatic generation of control programs based on standardized tabular descriptions of springs, with the further possibility of optimizing them. The conducted experimental studies demonstrate that the application of this approach to various types of machine tools allows winding springs up to 5 times faster than on currently used machines based on CNC systems, and the application of the developed algorithm for automatic spring pitch correction has provided up to 1.26 times a reduction in the spread of spring lengths and minimizing the number of defects.

пружинонавивочный станокпружинанавивкастанокэлектронный кулачокЧПУкоррекцияоптический контрольspring-coiling machinespringcoilingmachineelectronic camCNCcorrectionoptical inspectionИсследование выполнено при финансовой и технологической поддержке ООО "Димитровградский пружинный завод".The research was financially and technologically supported by LLC "Dimitrovgrad Spring Factory".ReferencesCadet G., Paredes M. Mechanical springs: from historical origins to modern applications // HAL. 2024. URL: https://hal.science/hal-04771005/Cadet G., Paredes M. Mechanical springs: from historical origins to modern applications, 2024, HAL, 2024, available at: https://hal.science/hal-04771005/Mahto P. R. et al. Various vibration harvesting techniques for rotating system: An overview // Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2025. Vol. 13, N. 1. P. 27.Mahto P. R. et al. Various vibration harvesting techniques for rotating system: An overview, Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2025, vol. 13, no. 1, pp. 27.Землянушнова Н. Ю. Модернизация токарного станка для навивки многожильных пружин // Вестник СевероКавказского государственного технического университета. 2004. № . 1. С. 36—38.Zemlyanushnova N. Y. Modernization of a lathe for winding multi-strand springs, Newsletter of North-Caucasus Federal University, 2004, no. 1, pp. 36—38 (in Russian).Sathish T. et al. A novel technique to design and production of coil spring in centre lathe // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 33. P. 2521—2523.Sathish T. et al. A novel technique to design and production of coil spring in centre lathe, Materials Today: Proceedings, 2020, vol. 33, pp. 2521—2523.Van Gerwen J. Electronic camming and gearing // Assembly Automation. 1999. Vol. 19, N. 1. P. 35—38.Van Gerwen J. Electronic camming and gearing, Assembly Automation, 1999, vol. 19, no. 1, pp. 35—38.Ku X. et al. Automatic generation of setup for CNC spring coiler based on case-based reasoning // Journal of Wuhan University of Technology. 2006. Vol. 28, N. SUPPL. 1. P. 1016—1019.Ku X. et al. Automatic generation of setup for CNC spring coiler based on case-based reasoning, Journal of Wuhan University of Technology, 2006, vol. 28, no. SUPPL. 1, pp. 1016—1019.Jishun L. et al. Integrated system of digital coiling for spring // IECON 2007-33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2007. P. 2694—2699.Jishun L. et al. Integrated system of digital coiling for spring, IECON 2007-33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IEEE, 2007, pp. 2694—2699.Ku X. et al. Digital manufacturing technology for spring coiling // 2009 IEEE 10th International Conference on Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design. IEEE, 2009. P. 766-769.Ku X. et al. Digital manufacturing technology for spring coiling, 2009 IEEE 10th International Conference on Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design, IEEE, 2009, pp. 766—769.Li J. et al. CBR-Based Process Planning for Special-Type Spring Coiling // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. 2009. — Vol. 43772. P. 129—133.Li J. et al. CBR-Based Process Planning for Special-Type Spring Coiling, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2009, vol. 43772, pp. 129—133.Chang H. C. et al. Indexing and retrieval in machining process planning using case-based reasoning // Artificial Intelligence in Engineering. 2000. Vol. 14, N. 1. P. 1—13.Chang H. C. et al. Indexing and retrieval in machining process planning using case-based reasoning, Artificial Intelligence in Engineering, 2000, vol. 14, no. 1, pp. 1—13.Wu Z. et al. Research of Control System for Embedded CNC Spring Machine //7 th International Conference on Education, Management, Information and Mechanical Engineering (EMIM 2017). Atlantis Press, 2017. P. 28—33.Wu Z. et al. Research of Control System for Embedded CNC Spring Machine, 7th International Conference on Education, Management, Information and Mechanical Engineering, Atlantis Press, 2017, pp. 28—33.Latif K. et al. A review of G code, STEP, STEP-NC, and open architecture control technologies based embedded CNC systems // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 114, N. 9. P. 2549—2566.Latif K. et al. A review of G code, STEP, STEP-NC, and open architecture control technologies based embedded CNC systems, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, vol. 114, no. 9, pp. 2549—2566.Liu L. et al. A review of the application of component-basedsoftwaredevelopmentinopenCNC systems // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020. Vol. 107, N. 9. P. 3727—3753.Liu L. et al. A review of the application of componentbased software development in open CNC systems, The Inter national Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, vol. 107, no. 9, pp. 3727—3753.Mejdr F., Beran L. The implementation of CNC control using smart device controller // 2015 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics (ECMSM). IEEE, 2015. P. 1—6.Mejdr F., Beran L. The implementation of CNC control using smart device controller, 2015 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics (ECMSM), IEEE, 2015, pp. 1—6.Романов А. М. Обзор аппаратно-программного обеспечения систем управления роботов различного масштаба и назначения. Часть 1. Промышленная робототехника // Российский технологический журнал. 2019. Vol. 7, N. 5. P. 30—46.Romanov A. M. A review on control systems hardware and software for robots of various scale and purpose. Part 1. Industrial robotics, Russian Technological Journal, 2019, vol. 7, no. 5, pp. 30—46 (in Russian).Readman M. C. et al. Control of free length when coiling a helical spring // IEE Proceedings-Control Theory and Applications. 2001. Vol. 148, N. 3. P. 239—244.Readman M. C. et al. Control of free length when coiling a helical spring, IEE Proceedings-Control Theory and Applications, 2001, vol. 148, no. 3, pp. 239—244.Kobelev V. Fundamentals of Springs Mechanics. Springer, 2024.Kobelev V. Fundamentals of Springs Mechanics, Springer, 2024.Berti G. et al. FEM analysis of the forming process of automotive suspension springs, 2010. URL: https://www.academia.edu/105504295/FEM_analysis_of_the_forming_process_of_automotive_suspension_springs (дата обращения: 15.01.2026)Berti G. et al. FEM analysis of the forming process of automotive suspension springs, 2010, available at: https://www.academia.edu/105504295/FEM_analysis_of_the_forming_process_of_automotive_suspension_springs (date of access: 15.01.2026)Kushwah S. et al. Optimization of coil spring by finite element analysis method of automobile suspension system using different materials // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 42. P. 827—831.Kushwah S. et al. Optimization of coil spring by finite element analysis method of automobile suspension system using different materials, Materials Today: Proceedings, 2021, vol. 42, pp. 827—831.Ларичев Д. В. и др. Интерполятор, обеспечивающий высокую точность поддержания скорости рабочего органа промышленного робота. Часть I // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25, № . 12. P. 633—645.Larichev D. V., Romanov M. P., Romanov A. M. B-spline based multi-axis interpolator for high accuracy of speed on complex trajectories. Part I, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2024, vol. 25, no. 12, pp. 633—645 (in Russian).Ларичев Д. В., Романов М. П., Романов А. М. Интерполятор, обеспечивающий высокую точность поддержания скорости рабочего органа промышленного робота. Часть II // Мехатроника, автоматизация, управление. 2025. Т. 26, № 1. С. 3—11.Larichev D. V., Romanov M. P., Romanov A. M. B-spline based multi-axis interpolator for high accuracy of speed on complex trajectories. Part II, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2025, vol. 26, no. 1, pp. 3—11 (in Russian).Kim I. et al. An open-source development environment for industrial automation with EtherCAT and PLCopen motion control // 2013 IEEE 18th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA). IEEE, 2013. P. 1—4.Kim I. et al. An open-source development environment for industrial automation with EtherCAT and PLCopen motion control, 2013 IEEE 18th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), IEEE, 2013, pp. 1—4.Freddi A., Salmon M. Embodiment design of the packaging machine: Prototype development // Design Principles and Methodologies: From Conceptualization to First Prototyping with Examples and Case Studies. Cham: Springer International Publishing, 2018. P. 239—273.Freddi A., Salmon M. Embodiment design of the packaging machine: Prototype development, Design Principles and Methodologies: From Conceptualization to First Prototyping with Examples and Case Studies, Cham, Springer International Publishing, 2018, pp. 239—273.Михайлиди Д. Х. и др. Организация инжинирингового центра для импортозамещения в промышленности // Russian Technological Journal. 2023. Т. 11, № 4. С. 105—115.Mikhailidi D. Kh. et al. Organization of an engineering center for industrial import substitution, Russian Technological Journal, 2023, vol. 11, no. 4, pp. 105—115.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.