数控细微线绕线机控制系统的设计与实现

摘  要   介绍了数控细微线绕线机控制系统的设计方案与排线方法，给出了控制系统原理框图及光电传感器信号电路。

关键词   绕线机复合排线 单片机 光电传感器

Desige and Realization of the Control System for Fine Wire Winder

Abstract   This paper introduces the control system for fine wire winder. It discusses the methods of the wire arrangement. The schematic diagrams are presented in detail.

Keywords  Core winder  wire arrangement  single chip microcomputer  photoelectric sensor

1 引言

绕线机作为电子工业专用设备之一，在我国已生产和使用了多年，改革开放以来，我国元器件厂也引进了许多国外的绕线机。常见的有平行绕线机，环行绕线机及各种特种绕线机等。但在绕制细微漆包线时，这些机器都会遇到共同的问题，如无法达到整齐排线，绕线张力无法控制等，特别是绕制0.1mm以下的一些音圈，传感器机芯等线圈时，问题尤为突出，针对这种情况，我们研制了这种适用于细微漆包线的绕线机，很好的解决了这个问题，用它绕制的磁电式测振传感器机芯线圈，张力稳定，线圈直流电阻一致性好，排线整齐，外观达到了“镜面”效果。

2 实现原理

    与普通绕线机一样，精密绕线机的排线也是用步进电机来实现的，放线张力的控制也用了弹簧摩擦片张力器，但为了达到设计要求，有针对性地进行了许多改进，采用复合排线法，加装了张力指示仪，大大地改进了整机性能，提高了产品质量。

2.1放线张力

    在绕制细微漆包线时，由于线径细，如果张力太大，就会将线拉长，使线圈的直流电阻增大，在成批生产中，张力的不稳定还会造成线圈与线圈之间直流电阻差异较大，所以要严格控制张力。为此，在普通放线张力仪与宝石针之间加装了一个张力指示仪，它是一个机械式张力指示仪，通过指针刻度即可知道绕线张力是多少克，避免了操作工人凭经验调节所带来的偏差，张力指示仪的加装对减少高速绕线时产生的线的抖动也有好处。细线的放线张力器一般都是弹簧摩擦片式，经过细致调节xx可以满足要求。

2.2排线原理

    绕细线线圈时一般采用两种排线方式，即自由排线和强制排线。这两种排线方法各有千秋，自由排线靠线的张力及摆动轮或摆锤的摆动来排线，导轮与线圈骨架之间的距离较远，只要调节得当，每匝线都能紧密排绕，xx可以使绕出的线圈达到“镜面”效果，但是调节起来比较困难，主要是机械方面的调试量太多；强制排线利用绕线主轴与排线轴的同步运动技术，使每绕一圈，排线机构步进一定的距离，一般是步进一个线径的距离，在电子数控技术发展的今天，实现起来并不困难，只要事先设置好绕线参数，不需要太多的调试即可绕线，但经过我们反复试验，强制排线方式用于高速绕制0.1mm以下的线圈时非常困难，经常出现乱绕现象。新方案采用将两种方式复合，取其长补其短，以强制排线为主，自由排线为辅，宝石针与线圈骨架的距离拉大，控制系统根据这一距离和设定的绕线参数，计算出实际的排线参数，再根据实际调试加以修正，由于控制系统有掉电保护功能，对每一种规格的线圈，经过几次调整，都可以很快得到理想的绕线参数并保存。绕线时，宝石针的摆动与绕线主轴同步，不过其摆动幅度比单独采用强制排线时小，留出了一定的余地让自由排线来发挥其紧密排绕特长。

3 控制系统原理

     如图1所示，以AT89C52单片机为中心构成控制系统, 由于程序存储器在单片机内部，四个口都可以作为I/O使用，大大简化了外围电路，提高了系统的可靠性。

图1  控制系统原理框图

3．1单片机电路

本系统的单片机电路是一典型的单片机最小应用系统，四个口均未用作数据口或地址口，其中P0口工作为基本输入输出方式，控制LED显示及EEPROM的读写，串行EEPROM电路用了一块X25045,它既能存储绕线参数，防止掉电丢失，又担当了监控CPU的看门狗。P1口工作在输出状态，控制主轴电机M1变频器，排线步进电机M2驱动器，电磁制动器和蜂鸣器。P2口专门控制4X4监控键盘，采用了常规的行列矩阵扫描原理。P3口用于操作按钮和绕线传感信号的输入，其中计数传感信号连到外部中断INT0端，它是正确绕线的关键信号。复位电路和晶振电路比较简单，此处不再赘述。

3．2输出电路

    输出部分主要包括主轴电机变频器控制，步进电机驱动器控制和LED显示驱动三部分。变频器控制占用了三个口线：启动﹑转动方向和第二速度选择，均通过小型直流继电器来切换。第二速度选择是在预停机时，使变频器运行在低速状态，以便计数到匝时直流电磁制动器能及时制动，从而达到准确停车的目的。步进电机驱动器控制信号有两个，即串行步进脉冲信号和方向信号，这两个信号都是TTL电平，由于驱动器内部有光耦隔离，故可以直接输出。驱动器在内部将串行步进脉冲进行环行分配，变成三相信号，显然这种方式省了单片机的一个控制信号。LED显示器是主要的人机界面，由集成电路MC14499和74LS05来担当，MC14499是一款工作于串行方式的七段数码LED编码驱动接口电路，通过外串电阻来驱动共阴极发光二极管，仅通过CE﹑CLK和DATA三个信号与单片机接口，大大节省了口线资源。

3．3 输入电路

输入信号包括操作按钮信号和绕线传感信号，由于这些信号均来自机器，拉线较长，为了防止干扰，有必要对其进行隔离和处理。图2所示即为按钮信号和传感信号处理电路，二者区别在于U2的选用，对按钮信号，U2选用光电耦合器TLP521-1,而对传感信号，U2应选槽型光电传感器。虽然三个传感信号电路相同，但其所起的作用却大不一样。排线零位信号由挡光片触发，是步进电机排线的坐标原点，每绕完一个线圈，都要回到原点对零，以xx由于步进电机丢步或丝杠反向间隙造成的积累误差。主轴零位信号用于主轴的xx定位，保证每次都从某一位置开始绕线或每次都能停在某一固定位置，也由挡光片来触发。计数传感信号有两个作用，一是匝数计数，二是作为绕线主轴与排线轴的同步信号，它是一个中断输入信号，单片机收到这个信号就认为绕了一圈，步进电机应该连续走一个线径的距离，当然，单片机要将这个距离平均分配为十次走完，这个任务由装在主轴上的分频式码盘来完成。

                        图2  光电传感器电路

4 系统软件

    绕线机控制系统的实时性很强，而且主程序与中断程序﹑中断程序与中断程序之间的嵌套比较复杂，所以整个程序都用汇编语言编写和调试。在单片机中断资源的利用方面做了合理安排，如T0定时器用于步进电机调频脉冲，INT0外部中断用于匝数计数和同步控制等。具体的键盘扫描，LED显示，算术运算，中断处理等程序可参考有关资料，此处就不一一介绍了。

5 结束语

    数控细微线绕线机已在用户厂进行了小批量使用，实践证明其绕线质量满足精密线圈要求，调试方便，稳定可靠，由单片计算机精密控制实现的复合排线方式实用可行，很好的解决了国产设备及进口设备在高速绕制细微线线圈时出现乱绕的问题。

参考文件

           何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计. 北京航空航天大学出版社. 1990. 137—160