通过卷绕弹簧来生产螺旋弹簧的方法和装置的制作方法

专利名称：通过卷绕弹簧来生产螺旋弹簧的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种借由根据权利要求1前序部分的数字控制绕簧机通过卷绕弹簧来生产螺旋弹簧的方法，以及一种适于实施所述方法的绕簧机。
背景技术：
螺旋弹簧是在许多应用领域中被大量需求且构造不同的机器元件。螺旋弹簧(也称为盘旋扭簧)通常由弹簧金属丝制成且取决于使用期间在其上的负载而呈拉伸弹簧或压缩弹簧的形式。例如，在机动车构造中大量需要压缩弹簧、尤其是承重弹簧。通过不同节距或不同节距型面的区段尤其会影响弹簧特性。例如，在压缩弹簧的情形下，通常具有包括恒定节距(恒定区段)的更大或更少长度的中心区段，在弹簧的两端邻近于所述恒定节距有带有节距的接触区域，所述节距朝向端部变小。在圆柱螺旋弹簧的情形下，弹簧直径在弹簧的长度上是恒定的，但其也可在长度上发生变化，例如在圆锥形或桶形螺旋弹簧的情形下。此外，(未加载)弹簧的总长度可对于不同应用宽泛地变化。如今，通常在数字控制绕簧机的帮助下通过卷绕弹簧生产螺旋弹簧。此时，金属丝 (弹簧金属丝)在NC控制程序的控制下借由输送装置输送到绕簧机的成型装置，且在成型装置的工具帮助下成型，以形成螺旋弹簧。工具通常包括一个或多个可变位卷绕销，以便固定弹簧绕圈的直径并可能改变该直径；以及一个或多个节距工具，其在制造过程的每个阶段中管理弹簧绕圈的局部节距。绕簧机通常旨在以高速率生产具有在十分窄的公差内的规定弹簧几何形状(额定几何形状)的大量弹簧。功能上重要的几何形状参数尤其包括在未装载状态下的成品螺旋弹簧的总长度。该总长度也尤其控制弹簧的安装尺寸和弹簧力。为了满足严格的质量要求，例如在机动车领域中，通常实践做法是在弹簧制造完成之后测量特定的弹簧几何形状数据(例如，弹簧的直径、长度、和/或节距、和/或节距型面)、并且取决于测量结果将完成的弹簧自动分类为令人满意部件(弹簧几何形状在公差内)和不令人满意部件(在公差之外的结果)以及可能分成其他类别。该过程是非常不经济的，尤其是在长弹簧的情形下，因为在长弹簧的情形下，每个弹簧消耗相对较大长度的金属丝且在发现完成的弹簧处于公差之外时必须将其丢弃。还已经提议在制造期间通过合适测量手段来检查弹簧的直径、长度和节距，以及在公差极限值之外的任何偏差事件中改变制造参数，使得弹簧几何形状保持在公差内。DE 10345445B4公开了一种绕簧机，其具有带有视频照相机的集成测量系统，所述视频照相机被导向在绕簧机的开始成型弹簧的区域。图像处理系统连接到视频照相机且具有合适的评估算法，所述图像处理系统旨在允许在制造期间检查弹簧的直径、长度和节距， 且旨在通过处理工具的反馈而使改变这些弹簧几何形状参数成为可能，在制造期间所述处理工具可由电机调节。详细描述了用于确定当前弹簧直径的评估算法
发明内容
本发明基于优化这种一般类型的方法和装置的问题，使得尤其在生产相对长的螺旋弹簧时，螺旋弹簧能够以高可靠性在紧密几何尺寸公差内生产，所述螺旋弹簧由质量迥然不同的金属丝材料构成。一个具体目的在于使得以极小的总长度散播和低报废率来生产长螺旋弹簧成为可能。这些问题是通过具有权利要求1的特征的卷绕弹簧来生产螺旋弹簧的方法以及具有权利要求12的特征的绕簧机来解决的。在从属权利要求中详细说明了有利的发展。所有权利要求中的措词通过引用的方式被包括在说明书的内容中。在方法中，首先限定待生产的螺旋弹簧的期望额定几何形状以及适于生产该额定几何形状的对应NC控制程序。因此，限定在生产弹簧期间必须执行的绕簧机的机器轴线的协调工作运动序列。在生产螺旋弹簧期间，相对于参考元件测量螺旋弹簧的选择结构化元件的实际位置。该测量允许确定在选择结构化元件与参考元件之间的实际距离。在生产螺旋弹簧开始之后和结束之前的测量时间中(也就是说，在旨在用于弹簧制造的绕簧机的工作运动的过程期间)实施测量。因此，在测量时间只生产了弹簧的一部分。此时，选择结构化元件位于测量区域内，所述测量区域在螺旋弹簧的纵向方向上距成型装置一段有限的距离。该距离小于完成的螺旋弹簧的总长度，也就是说小于从额定几何形状得到的总长度。当前位置差表示在测量时间实际位置与额定位置之间的差，通过将在测量时间时结构化元件的实际位置与结构化元件的额定位置进行比较，确定所述当前位置差。然后，成型装置的影响螺旋弹簧节距的至少一个工具的位置被控制为位置差的函数，以便使得实际位置接近额定位置。如果实际值对应于额定值，那么不采取控制动作。相反，如果发现明显的偏差(位置差)，那么通过改变节距工具和/或影响节距的某其他工具(例如，能够以受控形式旋转和 /或倾斜的卷绕销)的位置来改变在成型时刻所产生的弹簧节距，使得在下一测量中可以预期位置差的减少。因此，基于测量控制即时产生的节距。优选地，为此目的，仅节距工具的位置经受开环或闭环控制。由于测量区域距在成型装置上的成型处理位置一段有限的距离，该测量使得确定在成型装置与测量区域之间定位的弹簧区段的累积长度误差成为可能。此外，由于测量区域与成型装置之间的距离小于完成的螺旋弹簧的总长度，所以测量时间可以设置成相对于生产螺旋弹簧的总时间而言足够早，以便可基于测量实施的控制动作仍然可以用于校正在成型过程期间的可能不正确的设置，从而在制造过程结束之后保持螺旋弹簧的总长度处于公差内。测量区域与成型装置之间的距离优选地与完成的螺旋弹簧的总长度匹配，使得该距离在总长度的5%至70%之间、尤其在总长度的10%至50%之间。如果用于该距离的这些优选最小值得到满足，那么在不完美成型状况的情形中在弹簧区段上可以建立长度误差， 所述长度误差相比于测量系统的测量精度而言足够大，以允许明显的测量结果。如果该距离的优选上限值得到满足，那么一般而言，仍有足够的剩余时间以在制造过程的结束时借由一个或多个控制动作来生产具有期望总长度的螺旋弹簧。优选地在所述距离内存在一个或多个弹簧绕圈，由此，测量区域可定位成远离成型位置或成型装置的位置例如两个、三个、四个、五个、六个或多个弹簧绕圈。根据节距的不同，甚至在两至三个绕圈的距离处常常可以实现有效结果。
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在该方法的优选实施例中，相对于绕簧机固定的参考元件测量实际位置。绕簧机固定的参考元件是其坐标已知或可以相对于绕簧机固定坐标系统确定的元件。由于此时参考元件相对于故障绕簧机的绕簧机坐标系统具有限定的坐标，因此该测量是绝对测量。这允许特别高的测量精度。替代性地，参考元件还可是螺旋弹簧的结构化元件，尤其是相对靠近成型装置定位的绕圈区段或该绕圈区段的轮廓。在该情形下，实施相对测量。为了确保在针对测量选择的结构化元件与参考元件之间的任何可能累积长度误差足够大以允许可靠测量，在结构化元件与参考元件之间应当存在多个绕圈，例如两个、三个、四个、五个或多个绕圈。优选地尤其通过光学测量方法来无接触地实施测量。例如，激光测量系统可用于此目的。具有二维视场(观测区域、覆盖区域)的照相机优选地用于测量，且测量区域被放置在照相机的视场中。具有强大的图像处理硬件和软件的基于照相机的测量系统是可市售得到的且可用于此目的。照相机应当以尽可能小的振动附连到安装件上，其中安装件在操作期间牢固地连接到绕簧机的框架上。照相机优选地安置成邻近于纵向导向器或位于该纵向导向器上，所述导向器允许照相机固定在距成型装置的不同距离处，以便允许针对不同的弹簧几何形状设定相应优选距离。安装位置可竖直调节，例如以便允许匹配不同直径的弹簧。如果需要的话，调节装置还应当允许安装件相对于弹簧轴线倾斜地设置。在一些方法变型中，测量的参考点位于例如照相机矩形视场的边缘，所述视场具有相对于绕簧机坐标系统的已知坐标。在该情形中，通过视场的边缘、优选地通过面向成型装置的视场侧边缘形成虚拟参考元件。然后，可将结构化元件的实际位置测量减少成在视场中的简易距离测量。在可替代地或附加地被使用的另一方法变型中，提供了绕簧机固定参考本体，其定位在离测量区域一段距离的照相机视场内，其中参考本体的结构化元件(例如，笔直边缘)被用作测量的参考。在测量期间照相机的任何振动都不能影响在该方法变型中测量的测量精度，因为该振动对于可在照相机的视场中观测的在用作测量基础的螺旋弹簧的结构化元件与在参考本体上的参考点之间的距离无影响。当使用2D照相机测量时，已经发现尤其有利的是，用于测量的螺旋弹簧的选择结构化元件是弹簧绕圈的轮廓区段，所述弹簧绕圈在视场中差不多显示为直线且相对于弹簧的纵向方向横向(尤其相对于螺旋弹簧的纵向方向成大约45°至大约90°之间的角度)地行进。这允许简易图像处理系统轮廓监测算法来十分精确地确定在弹簧的纵向方向上的结构化元件的实际位置。例如，替代性地，还可能在弹簧绕圈的外边缘放置测量区域，以确定该绕圈区段距螺旋弹簧的纵向轴线最大距离的位置(最大位置)，并且确定在该最大位置与参考元件之间的距离。在测量时间的结构化元件的额定位置应当尽可能准确地获知，以便允许制造过程的客观控制。结构化元件的额定位置优选地在制造过程期间是随时可知的，因而允许在测量时间从相应的程序-时间函数直接获得额定位置。当制造具有更大或更小恒定长度区段 (恒定节距的区段)的螺旋弹簧时，仅在可出现的可变节距弹簧区段已经通过测量区域时优选地开始测量。当在恒定区段实施测量时，可能利用如下事实，即，选择结构化元件的额定位置在相对长的时间内保持恒定，因而导致相对简单的测量值获取和评估。原则上，还可能在具有变化节距的弹簧区段中实施测量。这通常导致额定位置随着时间而变化(即，移动)，
6且然后该额定位置被用作与可用于测量时间的额定值做比较的步骤的基础。一般而言，在测量时间时结构化元件的额定位置的坐标是从在结构化元件的额定位置的坐标中的程序-时间函数获取的，所述程序-时间函数在测量之前被确定。然后，可唯一地确定针对每个测量时间的校正额定值。用于额定位置的坐标的程序-时间函数可以通过基于计算机的模拟来确定。然而一般而言，在相对短的时间内，通过实验确定是可能和值得的。在一些方法变型中，用于结构化元件的额定位置的坐标的程序-时间函数是基于至少一个参考螺旋弹簧的参考生产过程(S卩，通过实验)来确定的。在该情形中，短语“程序-时间函数”是指与NC控制程序内的特定点相关的函数。 在该情形中，达到特定NC设定对应于特定程序时间或在程序序列中的时间。在这个意义上，程序时间对应于在程序行进期间程序步骤的顺序处理中的序列位置。例如，如果需要触发信号来控制在程序行进的特定阶段中照相机所记录的图像，那么该触发信号可以由程序线在合适点之前触发。诸如此类的信号在程序中被直接链接到绕簧机轴线的特定位置，例如链接到金属丝输送的绕簧机轴线和/或链接到用于定位节距工具的绕簧机轴线。因此， 程序-时间函数中的时间对应于在一个或多个绕簧机轴线的运动曲线上的位置。程序-时间函数导致在NC程序中的时间(程序时间)与弹簧生产的过程同步。在这个意义上，程序-时间函数还是相对于绕簧机轴线的运动的运动函数。特别地，程序-时间函数还对应于金属丝输送的运动函数。在一些制造过程中，例如在相对短的螺旋弹簧的情形中，单次测量和在该测量之后根据需要实施的单次控制动作可能足以产生具有足够小长度误差的螺旋弹簧。尤其在相对长的螺旋弹簧的情形中，在连续测量时间实施多次测量，在制造螺旋弹簧期间在所述连续测量时间之间具有时间间隔，从而使得在制造过程期间观测弹簧几何形状的变化率以及在需要时实施多个控制动作成为可能。在理论上每单位时间的测量次数受测量系统的记录和评估能力的限制。然而，已经发现，高测量频率通常即不是需要也不是值得的。在优选的方法变型中，在紧邻连续测量时间之间的时间间隔与金属丝的输送速率匹配，使得在两次紧邻连续测量之间的时间间隔中产生至少一个绕圈，且在该时间间隔中优选地产生在一、两个绕圈之间。这使得可能保证任何累积长度误差足够大，以允许其在测量系统的测量精度范围内被可靠地监测到。因此改善测量结果的显著性，且控制过程以更为稳定的形式操作。在制造螺旋弹簧的恒定区段期间，优选地实施多次测量。在这些情况下，观测到的结构化元件在一定时间内不应当改变其位置。在该时间期间，用于比较步骤的额定值保持恒定。如果结构化元件在恒定区段的制造期间在成型装置的方向上移动，那么这表示在成型过程期间节距太小，这可被适当地校正。相反地，通过减少节距可补偿结构化元件远离成型装置的运动。在一些方法变型中，在预定次数的测量之后、尤其在每次测量之后，从多次连续测量的实际值确定实际值的移动平均值。从该移动平均值可以获得与控制动作有效性相关的有效信息。移动平均值随着时间的进展优选地被显示在绕簧机的显示单元上。操作员可以从该显示单元直接看出实施在控制装置上的设置对于有效控制来说是否足够，以便在制造步骤结束时得到具有期望总长度的螺旋弹簧。
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可以实施各种控制概念和控制算法。在一些变型中，针对各确定的位置差来确定加权差值，且工具的位置基于加权差值而变化。具体地，可以确定与位置差成比例的加权差值，其中比例因子可以优选地由操作员设定并且可以根据需要变化。在该变型中，测量中发现的相对于额定值的任何偏差可以导致控制动作，因而使得对偏差迅速反应成为可能。还可以在仅当位置差或从其获得的加权差值超过特定阈值时来校正工具的位置。为了避免永久控制误差，控制误差优选地以积分第器的形式随着时间积分，因而使得产生总体上比例积分调节器的控制特性成为可能。为了该方法，以不同的方式触发选择结构化元件的位置测量。例如，触发信号可以被触发，以便借由程序线触发测量，所述程序线出现在NC控制程序的合适点。这确保与程序-时间函数的自动同步。然后，测量时间限定的标准精度按照控制系统的循环时间的量级大小，例如可以是1或数毫秒的量级大小。尤其在生产恒定区段期间的测量的情形中，诸如此类的精度是完全足够的，因为待测量的结构区段实质上是静止的。在其它方法变型中， 独立于NC控制程序的定时器被用于限定测量时间，且借由NC控制程序与参考时间同步。例如，诸如此类的定时器可由控制单元中的附加板提供。这允许独立于控制系统的循环时间， 获得用于测量时间限定的高精度。在一些变型中，相对于程序-时间函数的参考时间限定测量时间，其中精度是100微秒或更少。结果是，甚至在具有变化节距的弹簧区段的区域中实施测量时可能进行足够精确的测量。在诸如此类的情形中，存在随着时间变化的额定位置，也就是说移动的额定位置，比较步骤可基于所述额定位置。因此，不可能尽量准确地确认测量时间，以便允许也以足够的精度来确定与测量时间相关联的观测结构化元件的额定位置。尤其在测量具有节距变化的弹簧区段时，还可能有利的是在不同测量区域实施多次测量，且测量结果被考虑到闭环系统中。在一些实施例中，在第一时间在第一测量区域实施第一测量，所述第一测量区域在距成型装置第一距离处，且在随后的第二测量时间点在第二测量区域实施第二测量，所述第二测量区域相对于第一测量区域偏移，所述第二测量区域距成型装置第二距离，第二距离大于第一距离。如果在物理偏移测量区域中在偏移时间的两次或多次测量结果被一起处理，那么可以得到关于弹簧卷绕过程随着时间的进展以及关于在任何额定偏移事件中趋势的精确描述。这使得确保对于弹簧卷绕过程的更为精确的控制成为可能。本发明还涉及数字控制的绕簧机，所述绕簧机具体配置成用于实施所述方法。该绕簧机具有用于将金属丝输送到成型装置的输送装置；以及具有至少一个卷绕工具的成型装置，所述成型装置大致管理在预定位置的螺旋弹簧的直径；以及至少一个节距工具，其在被开发的螺旋弹簧上的动作管理螺旋弹簧的局部节距。绕簧机优选地具有第一照相机，其设置成使得在照相机的视场中的测量区域记录在距成型装置的工具有限距离的弹簧区段的一部分。在测量区域与成型装置之间的距离优选地与完成的螺旋弹簧的总长度匹配，使得所述距离在总长度的5%至70%之间、尤其在总长度的10%至50%之间，和/或使得在所述距离内存在一个或多个弹簧绕圈，例如至少两个或三个弹簧绕圈。此外，可以提供第二照相机，且所述第二照相机位于距第一照相机一定距离处，使得弹簧自由端区段在生产螺旋弹簧的最后阶段中行进进入第二照相机的覆盖区域。当使用具有足够大覆盖区域的照相机时，单个照相机可足以覆盖测量区域，所述测量区
8域距成型装置的工具有限距离，且所述测量区域用于监测端部区段。在具有带有照相机的合适测量系统的一些现代CNC绕簧机中，可以通过现有设计先决条件来实施本发明。实施本发明实施例的能力可以附加程序部分或程序模块的形式或者以修改成计算机辅助控制装置的控制软件的程序的形式来实施。因此，本发明的又一方面涉及一种尤其存储到计算机可读介质中或采用信号形式存储的计算机程序制品，其中，所述计算机程序制品使得在所述计算机程序制品被装载到合适计算机的存储器中并由计算机行进时，计算机执行根据本发明或根据其优选实施例所述的方法。这些以及其它特征不仅在权利要求书中公开而且在说明书和附图中公开，其中在每种情形中单个特征可以单独实施或以本发明实施例的子集合形式的两个或多个成组来实施以及在其它领域中实施，且可以代表自身值得其保护的有利实施例。


图1示出了具有输送装置和成形装置的一部分的绕簧机的一个实施例的示意性视图2示出了如图1所示的绕簧机的安装件的透视图，所述绕簧机包括用于无接触地实时记录涉及当前被制造的弹簧的几何形状的数据的基于照相机的光学测量系统的两个照相机以及弹簧引导装置；
图3示出了从与金属丝输送方向平行且与第一照相机的相机光学器件的光轴平行的观测方向看的当前被制造的弹簧的通过成型装置产生的弹簧区段，其中弹簧的一个绕圈区段位于测量区域中，所述测量区域位于照相机的视场中；
图4是在制造弹簧期间在一系列独立测量中确定的实际值的移动平均值随着时间的进展的曲线图，其中图4A示出了在没有控制下随着时间的进展，且图4B示出了具有主动控制的随着时间的进展；
图5示出了涉及在制造弹簧期间在一系列独立测量中的实际值的散播的柱状图和曲线图，其中图5A示出了在没有控制下的实际值，而图5B示出了通过主动控制得到的实际值；
图6示出了第一照相机的矩形视场，其中在该视场中可以看见待测量的弹簧区段以及固定地安装到绕簧机的参考元件的图像。
具体实施例方式在图1中的示意图示出了基于就其本身而言已知的设计的CNC绕簧机100的主要元件。绕簧机100具有输送装置110，其配备有输送辊112并且输送金属丝115的连续金属丝区段，所述金属丝来自于金属丝供应源并且传送通过导向单元，且以数字控制的输送速率曲线进入到成型装置120的区域中。在数字控制工具的帮助下，所述金属丝在成型装置中被成型，以形成螺旋弹簧。工具包括两个卷绕销122、124，它们以90°的角度偏移地设置并且相对于中心轴线118 (对应于期望弹簧轴线的位置)在径向上对齐，且旨在确定螺旋弹簧的直径。在设定过程期间，卷绕销的位置可以针对弹簧直径的基本调节沿着虚线所示的运动线路以及在水平方向上(平行于输入112的输送方向)改变，以便针对不同的弹簧直径进行机器设定。还可以在合适电气驱动器的帮助下来实施这些运动，所述电气驱动器由数字控制系统监控。节距工具130具有尖端，所述尖端相对于弹簧轴线以大致直角排列并且在绕圈旁边接合制造中的弹簧。节距工具可以在数字控制运动驱动器的帮助下移动，以便对应的绕簧机轴线平行于制造中弹簧的轴线118 (即，相对于该附图中的平面成直角)。对应于节距工具的位置，在制造弹簧期间向前传送的金属丝被节距工具强制在平行于弹簧轴线的方向上，弹簧在对应区段中的局部节距由节距工具的位置管理。在弹簧生产期间，通过将节距工具平行于轴线移动而产生节距变化。成型装置具有另一节距工具140，其从下面竖直地应用并且具有楔形工具尖端，在使用该节距工具时，所述楔形工具尖端被插入到相邻的绕圈之间。该节距工具的调节运动相对于轴线118成直角行进。在图示的制造过程中未使用该节距工具。数字控制分离工具150被安装在弹簧轴线上方，并且在完成成型操作之后通过竖直工作运动来切割已经从所输送的金属丝供应源生产得到的螺旋弹簧。在图1中，示出的已经被输送的金属丝处于先前完成的螺旋弹簧刚被切断之后的情形。在该位置，金属丝已经形成半个绕圈，且形成弹簧开始端的金属丝端部位于在节距工具130的位置之前的0. 3 个绕圈处。属于工具的CNC绕簧机的绕簧机轴线由计算机数字控制装置180控制，所述计算机数字控制装置具有存储器装置，在该存储器装置中具有控制软件，该软件尤其包括用于绕簧机轴线的工作运动的NC控制程序。为了制造螺旋弹簧，从所示的“弹簧完成位置”开始，金属丝在输送装置110的帮助下在卷绕销122、124的方向上输送，且通过卷绕销偏折到期望直径，从而形成圆弧形状的曲线，直到金属丝自由端达到节距工具130为止。当金属丝被进一步输送时，节距工具的轴向位置确定制造中螺旋弹簧的当前局部节距。当想要在弹簧制造期间改变节距时，节距工具在NC控制程序的控制下轴向地移动。节距工具的致动运动基本上管理沿着螺旋弹簧的节距型面。当设定绕簧机时，成型工具移动至其相应的基本设置。此外，NC控制程序被生成或装载，从而在制造过程期间控制工具的致动运动。由操作员在显示屏或控制单元170上实施绕簧机的几何形状输入，所述控制单元连接到控制装置180。将参考图2来描述对于实施如图1所示的绕簧机的方法有利的多个安装件。采用与图1相同的附图标记来标记从图1已知的元件。图2示出了在生产相对长的圆柱螺旋弹簧200期间的卷绕机，在图中示出的时间内已经生产出螺旋弹簧200的大约20个绕圈。这是长弹簧，其中完成弹簧的总长度L与弹簧的直径D之间的L/D比大于10。为了确保弹簧保持笔直并且其自由端不向下弯曲，提供弹簧导向装置210，所述弹簧随着金属丝输送量增加变得更长。弹簧导向装置具有角板212，所述角板相对于水平纵向轴线附连到绕簧机的框架并具有V形型面。角板的一起向下行进的平坦倾斜表面在底部和侧面支承弹簧，使得制造中的弹簧的纵向轴线(中心轴线)相对于制造中弹簧的中心轴线118共轴地行进。角板借由保持装置(未示出)附连到绕簧机框架，且在高度和横向方向上可以被调节，以便允许进行期望的导向，针对不同直径的弹簧相对于弹簧的中心轴线118共轴。在完成制造弹簧的工艺之后，角板可借由液压枢转驱动器自动向下枢转，以便允许完成的弹簧滑动到收集容器中。角板的面向成型装置的端部定位成远离成型装置有几厘米的明显分隔，使得自由浮动的弹簧区段202保持在成型装置的工具与角板的绕簧机侧开始端之间。角板的长度与完成的螺旋弹簧的总长度匹配，使得所制造的弹簧端部区段在最后制造阶段期间首先自由突出超过角板远离绕簧机的端部。因此，靠近绕簧机的自由浮动弹簧区段202和远离绕簧机的弹簧端部区段204可进行在相对于螺旋弹簧的纵向轴线成直角的观测方向上的光学测量。绕簧机配备有用于无接触实时记录与当前被制造的弹簧几何形状的数据相关的基于照相机的光学测量系统。测量系统具有两个相同的CCD视频照相机250J60，在该示例中具有10MX768像素(图像单元)的分辨率的所述视频照相机可以经由接口向连接的图像处理系统供应达100幅图像每秒(帧每秒)。在每种情形中经由来自于控制系统的触发信号来触发单个图像的记录。这限定了测量时间。图像处理软件内容纳在程序模块中，所述程序模块与绕簧机的控制装置180相互作用或与其集成在一起。两个照相机被安装到安装轨道255上，所述安装轨道抵抗扭曲并且在侧面附连到邻近于在输送装置的导向辊的区域中的弹簧导向装置的绕簧机的绕簧机框架上，使得安装轨道的纵向轴线平行于绕簧机轴线118行进。测量照相机可以在安装轨道上纵向移动，且可以固定在任何期望的可选的纵向位置。靠近绕簧机的第一照相机250被安装，使得其矩形视场252 (图像覆盖区域)覆盖离成型工具(见图3)—定距离的自由浮动弹簧区段202的一部分。在该示例中，照相机光学器件的光轴被设置成在螺旋弹簧的中心轴线的大致相同水平处(也就是说，在轴线118的水平处)并且相对于该轴线成直角。在矩形视场252内可以看见较小的矩形测量区域254， 通过该测量区域254，弹簧面向照相机的绕圈区段从左上向右下倾斜。该绕圈区段的图像 (其在弹簧生产期间在金属丝的纵向方向上移动)或其远离绕簧机的轮廓被用作长度测量的结构化元件。第二照相机沈0旨在记录弹簧自由端204且因此定位在安装轨道上，使得弹簧自由端在制造螺旋弹簧的最后阶段期间行进到第二照相机的覆盖区域中。在轴线118的高度上与照相机直径相对地安装照明装置，从而在控制系统所预定的测量时间时提供闪光形式的照明，作为对于来自于控制系统的触发信号的反应，从而允许光传输测量。在照相机的侧面上可以提供前部照明装置，以便改善对于用于测量的弹簧的感兴趣细节的可视性。图3示出了从平行于金属丝输送的方向(绕簧机的C轴线)或平行于第一照相机的照相机光学器件的光轴的观测方向上观看的图2中所示的情形。可以看出通过金属丝115 的区段在左侧，其在输送方向(相对于附图的平面成直角)上被输送到下部卷绕工具124的弯曲倾斜表面。卷绕工具强制金属丝沿上部卷绕工具的方向向上到达弯曲成圆形的路径上，且在该过程中永久地成型。可以看出节距工具130的尖端在卷绕工具之上，且卷绕工具的侧向工作表面停靠在制造中的绕圈上。节距工具可以在NC控制下在相关绕簧机轴线的帮助下平行于弹簧轴线118 (在箭头的方向上)移动，使得弹簧在成型位置的局部节距由节距工具的位置管理。图3示出了制造圆柱螺旋弹簧200的初始阶段中的情形，所述螺旋弹簧200具有在端部已经被制造的接触区段206，其具有连续增加的节距；之后的具有恒定节距的恒定区段208 ；以及相对的接触区段，其在所示的时间还未被制造，并且具有减少的节距。在所示的时间，制造过程已被推进成使得具有接触区段的弹簧自由端经过测量区域254，且已经到达弹簧导向装置的角板，且具有恒定节距的自由浮动弹簧区段202因而以稳定的形式相对于轴线118同轴地定位。第一照相机250布置成，使得在从螺旋弹簧的纵向方向看时，测量区域2M离成型装置的工具122、130相对大的距离210。在该示例中，在该距离中有螺旋弹簧的大约四个绕圈。在该示例中，该距离是完成的弹簧总长度的大约10%至大约20%之间，尤其在短弹簧的情形中例如还可高达所述总长度的30%、40%或50%。可以采用下述过程来在该绕簧机的帮助下大规模生产螺旋弹簧。首先，螺旋弹簧的期望额定几何形状被输入到显示与控制单元170上，或者例如通过输入识别数值使得已经可用的合适几何形状数据从绕簧机的存储器被装载。所谓的NC发生器使用该几何形状数据作为用于计算NC控制程序的基础，其单个NC设定及其在随后制造过程中的序列控制绕簧机的装置和工具的协调工作运动。在成型装置的工具被设定好之后，第一螺旋弹簧在第一参考制造过程中被制造， 而不激活配备有测量系统的控制系统。在该情形中，第一照相机250的测量区域2M记录弹簧的选择结构化元件，在该示例中是从左上至右下穿过测量区域倾斜的绕圈区段。这在照相机图像中显示为暗色，且从明亮的背景中清楚可见，从而形成直线的明亮/灰暗轮廓。 为了改进识别轮廓的能力，螺旋弹簧可被照明在照相机的一侧上和/或在测量区域的区域内部。远离该绕簧机且在视场中可见的边界线或该绕圈区段的边缘被用于确定结构化元件的实际位置。在该情形中，例如图像处理系统可以用测量区域的上部边界线和下部边界线分别确定明亮/灰暗过渡的上部交叉点256-1和下部交叉点256-2的坐标，且位于它们之间的直线区域的坐标通过插值确定。然后，在图像处理软件的“距离工具”的帮助下，针对位于上部和下部交叉点之间中心处的测量点270，确定平行于轴线至远离绕簧机的参考点的距离，以便得到结构化元件位置的第一实际值。在图3所示的示例中，视场252靠近绕簧机(在左侧)的直线边界线被用作测量时的虚拟参考元件，或用作“固定止挡件”。然后，平行于轴线(平行于轴线118)在选择结构化元件上的测量点270与参考元件之间测量到的距离被控制系统用作进一步制造的第一额定值。然后，独立地测量完成的弹簧的总长度，如果该总长度在预定公差内，那么假定测量第一额定值可以用作随后大规模制造的起始值。相反，如果总长度在公差之外，那么改变制造过程的设置，以便允许针对随后弹簧实施相应的进一步参考测量。这些单独参考测量按步骤反复地进行，直到所制造的弹簧恰好处于螺旋弹簧的总长度的制造公差内为止。然后，在该“令人满意的”弹簧制造期间所确定的结构化元件的额定值被用于大规模制造。在该情形中，在该示例中，必须小心以保证在弹簧的恒定区段208已经位于测量区域2M中时确定额定值。在这些状况下，然后，在相对长的时间间隔中额定尺寸的绝对值是恒定的，因此，理想地，在照相机所记录的制造中弹簧的投影的外观上没有变化，只要恒定区段的绕圈移动通过照相机的覆盖区域即可。然后，控制系统可以被设定并且可以被激活，以便批量制造随后的弹簧。在该情形中，仅在可具有增加节距的接触区域移动通过测量区域时开始方便地测量，且测量区域位于弹簧的恒定部分中。之后，控制循环然后开始，首先测量选定结构化区段与限定参考元件 (视场的边缘)之间的实际距离。然后，通过评估软件将确定的实际位置或确定的实际距离与用于测量时间的结构化元件的先前确定额定位置或额定距离进行比较。该计算比较产生用于当前位置差的值，其表示在测量时间时的实际位置与额定位置之间的差。在下述示例中，为了清楚起见，在每个情形中数字细节将不带任何量纲地引用，虽然该量纲是毫米。例如，如果额定值是10. 5，而实际值是10. 7，那么位置差是-0. 2。从该位置差确定加权差值。为此目的，在该示例中，使用可由操作员设定且称为“控制步进(control step)” 的加权参数，其被限定为百分比并且被应用到确定的位置差。例如，如果设定50%的控制步进，那么-0. 2的位置差导致-0. 1的加权差值。在加权之后保留的该值现在被添加到校正值，以便得到新(修正)校正值。起初，例如校正值可以被设定为值0 (零)，接着在控制过程期间按步进变化。在该示例(校正值起初为0)中，使用计算关系式0+ (-0.1)= (-0.1)计算新校正值，然后其作为校正发送到绕簧机的控制系统。在预定点处为控制系统准备NC控制程序，使得在NC程序中的可编程逻辑控制器 (PLC)可以立即改变对应于所接收的校正值的NC设置。该变化直接(实时)作用在节距工具130的位置上，目的是减少位置差。在紧随的第二测量中，例如确定实际位置的实际大小为10. 6。额定值是10. 5 (其仍有效)，这导致-0. 1的位置差。在加权因子未变化(控制步进50%)时，这导致-0. 05的加权差值，且因此校正值是(-0. 1)+ (-0. 05)= -0.15。如所示的，更新的校正并不作用在初始校正值(=0)上而是作用在基于先前测量已经变化的校正值(-0. 1)上。在第二测量之后，因此，-0. 15的校正值作为校正被发送到控制系统，且按照上述方式被处理以直接改变 NC控制程序。使用示例已经解释的测量数据的处理对应于具有可变比例分量和积分作用的积分分量的比例积分调节器。现在在制造螺旋弹簧的恒定区段期间以时间间隔分离的多个连续测量时间实施这些步骤，因而实施或可能实施多个控制动作。金属丝在测量期间被连续地向前输送且不必要停止。在该方法变型中连续测量时间之间的时间间隔与金属丝的输送速率匹配，使得在两个紧邻连续测量时间之间产生大约1.4个绕圈。如果处理序列不是最优的，该测量序列(与照相机的可能帧率相比相对缓慢)使得在单独测量之间在弹簧中建立误差成为可能， 该误差的大小足以导致在系统测量精度范围内的明显测量值，因而导致该校正幅值的校正在校正方向上开始。可以结合图4A、4B和5A、5B来演示该控制过程的精度增加作用。这些附图示出了测量结果，该测量结果是在具有3. 8 mm直径的47圈的弹簧金属丝所构成的离合器阻尼器弹簧的生产期间得到的。弹簧具有大约27 mm直径以及大约350 mm的总长度。在图4A、 4B中的每个视图均示出了在制造弹簧期间用于单独测量所确定的实际值的移动平均值的时间进度。在每种情形中，用于均衡测量时间的无量纲数值示出在横坐标上，使得横坐标是时间轴。在每种情形中的纵坐标示出了用于与10.55 mm的额定值(示出为粗线)相比较的实际值的移动平均值。图4A示出了用于常规制造而不加控制的典型测量曲线图。新螺旋弹簧的制造从时间标记351开始。先前制造过程的最后阶段示出在其左侧，以非常低的平均值(大约10. 48 mm)结束，结果是，该弹簧的制造总长度太短。最初，新螺旋弹簧的实际值太高，该移动平均值首先接近额定值，然而随着距离增加，使其下冲持续更大的程度，由此导致该螺旋弹簧在完成之后也相当地短。图4B示出了在控制系统接通时用于制造的对应图示。先前弹簧的制造在时间标记405以十分接近额定值的平均值结束，由此导致弹簧的总长度十分接近用于总长度的额定值。在制造下一螺旋弹簧期间，实际值最初低于额定值很多。然而，在第三测量之后，控制动作导致移动平均值接近额定值(10. 55 mm)，移动平均值随着制造过程的结束渐近地接近额定值，其中移动平均值在制造过程结束时再次实质上正好对应于额定值。图5A、5B使用不同的图示来示出控制系统的作用，其中在每种情形中图5A示出了没有控制系统情况下的结果，而图5B示出了在控制系统接通情况下的结果。在每种情形中在右侧的视图再次示出了在其横坐标上的任意数字单位的测量时间，且在纵坐标上示出了在实际值与额定值之间的相应测量位置差。在上方和下方平行于零直线的粗线代表制造过程的公差带极限值。在每个附图中左侧以柱状图形式示出了测量结果。在如图5A所示没有控制系统情况下的制造过程期间，实际值围绕额定值在两个方向上都广泛散播，虽然所有值都落入公差内。当激活控制系统时(图5B)，围绕额定值的得到散播明显更少，因而确保在控制系统的帮助下所制造的所有螺旋弹簧都具有十分接近该总长度额定值的总长度。第一照相机250设置成相对接近在安装轨道255上的成型工具，由此导致在第一照相机的位置上的任何振荡仅会具有小的幅值，其对于测量精度几乎没有任何不利影响。 然而，照相机的运动会不利地影响测量结果。参考图6，以便解释一种使得测量结果独立于任何照相机振荡且因而改进测量精度的可能方式。该示意图描述了第一照相机的矩形视场 652。较小的矩形测量区域6M包围位于照相机的聚焦区域中且面向照相机的绕圈区段的轮廓，所述轮廓从上到下基本上竖直地行进。弹簧的观测结构化元件的实际位置的坐标通过具有测量区域的上边缘和下边缘的明亮/灰暗轮廓的交叉点之间的插值来确定。此外， 可以在视场内看见参考元件680的图像，其由竖直布置的螺栓形成，所述螺栓在稳固安装件的帮助下附连到绕簧机框架。螺栓从下部突出到视场中，并且在照相机的聚焦区域中形成具有明亮/灰暗过渡的鲜明成像的竖直轮廓。现在在测量中确定结构化元件与参考元件 680面向结构化元件的边缘之间的距离，且所述距离作为用于评估的实际尺寸。测量距离独立于照相机的任何振荡以及相对于观测弹簧的与其关联的视场中的任何运动。因此，从测量误差中排除照相机的任何运动。如上所述，在平行于或倾斜于轴线118的方向或在其它合适方向上实施螺旋弹簧的结构化元件(例如，绕圈区段的轮廓)与虚拟或物理存在的参考元件之间的距离测量。基于具有超过30个绕圈的长弹簧的生产，阐述了已经详细说明的示例性实施例。 在附图中未示出的尝试期间，生产出了具有大约65 mm长度和仅7圈的螺旋弹簧。在生产期间以合适的校正仅两次实施测量。还可能将总长度的散播从没有控制的大约0. 3 mm减少至有控制的0. 15。除了相对于绕簧机固定参考元件的所描述绝对测量以外或作为其替代方式，在一些情形中还可能进行相对于参考元件的相对测量，其中参考元件由弹簧的一部分形成。例如，如果如图3所示的视场252足够大以在弹簧的纵向方向上覆盖更多绕圈，那么在位于测量区域254中的绕圈轮廓上的测量点270与位于更靠近成型工具且为大约3或4个圈数距离的对应绕圈轮廓之间的长度分离可以被测量并用作控制过程的基础。例如，因此，第一完整绕圈214或其远离绕簧机的轮廓可用作参考元件。
权利要求
1.一种借由数字控制绕簧机通过卷绕弹簧来生产螺旋弹簧的方法，其中，金属丝受NC 控制程序控制被输送通过所述绕簧机的成型装置的输送装置，并且在所述成型装置的工具的帮助下成形以形成螺旋弹簧，所述方法包括以下步骤限定所述螺旋弹簧的期望额定几何形状以及适用于生产该额定几何形状的NC控制程序；在至少一个测量时间中在测量区域中测量所述螺旋弹簧的选择结构化元件相对于参考元件的实际位置，所述测量时间发生在生产所述螺旋弹簧的开始之后和结束之前，所述测量区域在所述螺旋弹簧的纵向方向上距所述成型装置的有限距离处，其中，所述距离小于完成的螺旋弹簧的总长度；将所述实际位置与该测量时间的结构化元件的额定位置进行比较，以便确定当前位置差，所述位置差代表在测量时间的实际位置与额定位置之间的差；借由所述成型装置的至少一个工具控制确定所述螺旋弹簧的节距的位置，所述位置为所述位置差的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量区域与所述成型装置之间的距离与完成的螺旋弹簧的总长度匹配，使得所述距离在总长度的5%至70%之间、尤其在总长度的 10%至50%之间，和/或使得在所述距离内存在一个或多个弹簧绕圈。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，利用具有二维视场的照相机进行测量，且所述测量区域位于所述照相机的视场内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相对于绕簧机固定参考元件测量所述实际位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用虚拟参考元件，所述虚拟参考元件由所述照相机的视场边缘形成、优选地由所述视场的面向所述成型装置的侧边缘形成，或其中提供绕簧机固定参考本体，其定位在所述照相机视场距所述测量区域一定距离处，其中所述参考本体的一个部分，尤其是笔直边缘，用作所述测量参考元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述螺旋弹簧用于测量的选择结构化元件是绕圈区段的轮廓，所述绕圈区段显示为在视场中的直线且相对于螺旋弹簧的纵向方向，尤其相对于所述纵向方向以在大约45°至90°之间的角度，横向行进。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从用于所述结构化元件的额定位置的坐标的程序-时间函数得到在测量时间的所述结构化元件的额定位置的坐标，所述程序-时间函数在测量之前被限定，其中，用于所述结构化元件的额定位置的坐标的所述程序-时间函数优选地基于参考螺旋弹簧的至少一个参考生产过程通过实验确定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在其间具有时间间隔的连续测量时间，在螺旋弹簧的制造期间实施多次测量，其中，所述时间间隔优选地与所述金属丝的输送速率匹配，使得在两次紧邻连续测量之间的时间间隔内产生至少一个绕圈，且其中，在所述时间间隔中优选地产生在一个至两个之间的绕圈。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述螺旋弹簧的恒定区段的制造期间实施多次测量，和/或其中，在预定次数的测量之后、尤其在每次测量之后，从多次连续测量的实际值确定用于该实际值的移动平均值，其中，尤其，该移动平均值随着时间的进度优选地显示在所述绕簧机的显示单元上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于每个确定的位置差确定加权差值、尤其是与所述位置差成比例的加权差值，且所述工具的位置基于所述加权差值而变化。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，尤其在测量具有节距变化的弹簧区段时，在第一测量时间在第一测量区域实施第一测量，所述第一测量区域在距成型装置第一距离处，且在随后的第二测量时间点在第二测量区域实施第二测量，第二测量区域相对于第一测量区域偏移，第二距离大于第一距离，且其中，第一测量和第二测量的结果在一起被处理。
12.一种用于在NC控制程序的控制下通过卷绕弹簧生产螺旋弹簧(200)的绕簧机 (100)，所述绕簧机包括用于将金属丝(115)输送到成型装置(120)的输送装置(110)，其中所述成型装置具有至少一个卷绕工具(122，124)以及至少一个节距工具(130)，所述卷绕工具主要管理所述螺旋弹簧在预定位置的直径，所述节距工具在被开发的螺旋弹簧上的作用管理着所述螺旋弹簧的局部节距，其特征在于，所述绕簧机配置成实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
13.根据权利要求12所述的绕簧机，其中，所述绕簧机具有第一照相机(259)，所述第一照相机配置成使得在第一照相机的视场(252)中的测量区域(254)记录在距所述成型装置(120)的工具有限距离(210)的弹簧区段的一部分，其中，所述距离(210)优选地与完成的螺旋弹簧的总长度匹配，使得所述距离是所述总长度的5%至70%之间、尤其在所述总长度的10%至50%之间，和/或使得在所述距离内有一个或多个弹簧绕圈。
14.根据权利要求12或13所述的绕簧机，其中，所述绕簧机具有第二照相机(沈0)，所述第二照相机定位在距第一照相机(250) —定距离处，使得弹簧自由端部分(204)在生产所述螺旋弹簧的最后阶段中行进到第二照相机的覆盖区域中。
15.一种尤其存储到计算机可读介质中或采用信号形式存储的计算机程序制品，其中，所述计算机程序制品使得在所述计算机程序制品被装载到合适计算机的存储器中并由计算机运行时，所述计算机执行根据权利要求1-11中任一项所述的方法。
全文摘要
通过卷绕弹簧来生产螺旋弹簧的方法和装置。在由数字控制绕簧机卷绕弹簧生产螺旋弹簧的方法中，金属丝通过NC控制程序的控制被输送过绕簧机成型装置的输送装置且由成型装置的工具成型形成螺旋弹簧。这样，首先限定螺旋弹簧的期望额定几何形状和适于生产额定几何形状的NC控制程序。在生产螺旋弹簧的开始后和结束前出现的至少一次测量时在测量区域测量螺旋弹簧的选择结构化元件对于绕簧机固定参考元件的实际位置，测量区域在螺旋弹簧的纵向上距成型装置小于完成螺旋弹簧总长度的有限距离。比较测量的实际位置与测量时间的结构化元件的额定位置，确定测量时间实际位置与额定位置之间的当前位置差。成型装置的节距工具控制为位置差的函数。
文档编号B21F35/00GK102233399SQ20111008501
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月6日 优先权日2010年4月6日
发明者卡尔考 V. 申请人:瓦菲奥斯股份公司