數控細微線繞線機控制系統的設計[轉貼]

無獨有偶

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摘要：介紹了數控細微線繞線機控制系統的設計方案與排線方法，給出了控制系統原理框圖及光電傳感器信號電路。     1.引言
    繞線機作為電子工業專用設備之一，在我國已生產和使用了多年，改革開放以來，我國元器件廠也引進了許多國外的繞線機。常見的有平行繞線機、環行繞線機及各種特種繞線機等。在繞制細微漆包線時，這些機器都會遇到共同的問題，如無法達到整齊排線，繞線張力無法控制等，特別是繞制0．1mm以下的一些音圈、傳感器機芯等線圈時，問題尤為突出。針對這種情況，我們研制了這種適用于細微漆包線的繞線機，很好地解決了這個問題，用它繞制的磁電式測振傳感器機芯線圈，張力穩定，線圈直流電阻一致性好，排線整齊，外觀達到了“鏡面”效果。
    2.實現原理
    與普通繞線機一樣，精密繞線機的排線也是用步進電機來實現的，放線張力的控制也用了彈簧摩擦片張力器，但為了達到設計要求，有針對性地進行了許多改進，采用復合排線法，加裝了張力指示儀，大大地改進了整機性能，提高了產品質量。
    2．1放線張力
    在繞制細微漆包線時，由于線徑細，如果張力太大，就會將線拉長，使線圈的直流電阻增大。在成批生產中，張力的不穩定還會造成線圈與線圈之間較大的直流電阻差異，所以要嚴格控制張力。為此，在普通放線張力儀與寶石針之間加裝了一個張力指示儀，它是一個機械式張力指示儀，通過指針刻度即可知道繞線張力是多少克，避免了操作工人憑經驗調節所帶來的偏差，張力指示儀的加裝對減少高速繞線時產生的線的抖動也有好處。細線的放線張力器一般都是彈簧摩擦片式，經過細致調節完全可以滿足要求。
    2．2排線原理
    繞細線線圈時一般采用兩種排線方式，即自由排線和強制排線。這兩種排線方法各有千秋，自由排線靠線的張力及擺動輪或擺錘的擺動來排線，導輪與線圈骨架之間的距離較遠，只要調節得當，每匝線都能緊密排繞，完全可以使繞出的線圈達到“鏡面”效果，但是調節起來比較困難，主要是機械方面的調試量太多；強制排線利用繞線主軸與排線軸的同步運動技術，使每繞一圈，排線機構步進一定的距離，一般是步進一個線徑的距離，在電子數控技術發展的今天，實現起來并不困難，只要事先設置好繞線參數，不需要太多的調試即可繞線，但經過我們反復試驗，強制排線方式用于高速繞制0．1mm以下的線圈時非常困難，經常出現亂繞現象。
    新方案采用將兩種方式復合，取其長補其短，以強制排線為主，自由排線為輔，寶石針與線圈骨架的距離拉大，控制系統根據這一距離和設定的繞線參數，計算出實際的排線參數，再根據實際調試加以修正，由于控制系統有掉電保護功能，對每一種規格的線圈，經過幾次調整，都可以很快得到理想的繞線參數并保存。繞線時，寶石針的擺動與繞線主軸同步，不過其擺動幅度比單獨采用強制排線時小，留出了一定的余地讓自由排線來發揮其緊密排繞特長。
    3.控制系統原理
    如圖1所示的以AT89C52單片機為中心構成的控制系統，由于程序存儲器在單片機內部，四個口都可以作為I／O使用，大大簡化了外圍電路，提高了系統的可靠性。
    3．1單片機電路
    本系統的單片機電路是一典型的單片機最小應用系統，四個口均未用作數據口或地址口，其中，P0口工作為基本輸入輸出方式，控制LED顯示及EEPROM的讀寫，串行EEPROM電路用了一塊X25045，它既能存儲繞線參數，防止掉電丟失，又擔當了監控CPU的看門狗。P1口工作在輸出狀態，控制主軸電機M1變頻器，排線步進電機M2驅動器，電磁制動器和蜂鳴器。P2口專門控制4×4監控鍵盤，采用了常規的行列矩陣掃描原理。P3口用于操作按鈕和繞線傳感信號的輸入，其中，計數傳感信號連到外部中斷INT0端，它是正確繞線的關鍵信號。復位電路和晶振電路比較簡單，此處不再贅述。
    3．2輸出電路
    輸出部分主要包括主軸電機變頻器控制、步進電機驅動器控制和LED顯示驅動三部分。變頻器控制占用了三個口線：啟動、轉動方向和第二速度選擇，均通過小型直流繼電器來切換。第二速度選擇是在預停機時，使變頻器運行在低速狀態，以便計數到匝時直流電磁制動器能及時制動，從而達到準確停機的目的。步進電機驅動器控制信號有兩個，即串行步進脈沖信號和方向信號，這兩個信號都是TTL電平，由于驅動器內部有光耦隔離，故可以直接輸出。驅動器在內部將串行步進脈沖進行環行分配，變成三相信號，顯然，這種方式省了單片機的一個控制信號。LED顯示器是主要的人機界面，由集成電路MC14499和74LS05來擔當，MC14499是一款工作于串行方式的七段數碼LED編碼驅動接口電路，通過外串電阻來驅動共陰極發光二極管，僅通過CE、CLK和DATA三個信號與單片機接口，大大節省了口線資源。
    3．3輸入電路
    輸入信號包括操作按鈕信號和繞線傳感信號，由于這些信號均來自機器，拉線較長，為了防止干擾，有必要對其進行隔離和處理。圖2所示即為按鈕信號和傳感信號處理電路，二者區別在于U2的選用，對按鈕信號，U2選用光電耦合器TLP521－1，而對傳感信號，U2應選槽型光電傳感器。雖然三個傳感信號電路相同，但其所起的作用卻大不一樣。排線零位信號由擋光片觸發，是步進電機排線的坐標原點，每繞完一個線圈，都要回到原點對零，以消除由于步進電機丟步或絲杠反向間隙造成的積累誤差。主軸零位信號用于主軸的精確定位，保證每次都從某一位置開始繞線或每次都能停在某一固定位置，也由擋光片來觸發。計數傳感信號有兩個作用，一是匝數計數，二是作為繞線主軸與排線軸的同步信號，它是一個中斷輸入信號，單片機收到這個信號就認為繞了一圈，步進電機應該連續走一個線徑的距離，當然，單片機要將這個距離平均分配為十次走完，這個任務由裝在主軸上的分頻式碼盤來完成。
    繞線機控制系統的實時性很強，而且主程序與中斷程序、中斷程序與中斷程序之間的嵌套比較復雜，因此，整個程序都用匯編語言編寫和調試。在單片機中斷資源的利用方面作了合理安排，如T0定時器用于步進電機調頻脈沖，INT0外部中斷用于匝數計數和同步控制等。具體的鍵盤掃描、LED顯示、算術運算、中斷處理等程序可參考有關資料，此處就不一一介紹了。
    4.結束語
    數控細微線繞線機已在用戶廠進行了小批量使用，實踐證明其繞線質量滿足精密線圈要求，調試方便，穩定可靠，由單片計算機精密控制實現的復合排線方式實用可行，很好地解決了國產設備及進口設備在高速繞制細微線線圈時出現亂繞的問題。（史亞楠 編輯）