Система управления пружинонавивочного станка на основе электронных кулачков

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.

1. Cadet G., Paredes M. Mechanical springs: from historical origins to modern applications // HAL. 2024. URL: https://hal.science/hal-04771005/

2. 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.

3. Землянушнова Н. Ю. Модернизация токарного станка для навивки многожильных пружин // Вестник СевероКавказского государственного технического университета. 2004. № . 1. С. 36—38.

4. 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.

5. Van Gerwen J. Electronic camming and gearing // Assembly Automation. 1999. Vol. 19, N. 1. P. 35—38.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Kobelev V. Fundamentals of Springs Mechanics. Springer, 2024.

18. 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)

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Михайлиди Д. Х. и др. Организация инжинирингового центра для импортозамещения в промышленности // Russian Technological Journal. 2023. Т. 11, № 4. С. 105—115.