文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)10-0033-04
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)線的應(yīng)用越來(lái)越廣,,對(duì)導(dǎo)線的加工使用離不開(kāi)對(duì)導(dǎo)線的切割,、剝皮和壓端子等,導(dǎo)線切割作為導(dǎo)線加工的第一步,,對(duì)導(dǎo)線的后續(xù)處理很重要[1],。帶尼龍保護(hù)層的導(dǎo)線在航空、航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,。這類導(dǎo)線具有以下特點(diǎn):(1)保護(hù)層切斷后具有自然張開(kāi)的特性,;(2)導(dǎo)線的線芯不能接觸高溫;(3)導(dǎo)線有一定的直徑,,具有較高的硬度和較強(qiáng)的韌性,,切刀運(yùn)行速度需足夠高。傳統(tǒng)的切線機(jī)對(duì)這類導(dǎo)線的切割已不適用,,因?yàn)檫@些切線機(jī)要么沒(méi)有加熱機(jī)構(gòu),,要么對(duì)切刀進(jìn)行加熱。沒(méi)有加熱機(jī)構(gòu)的切線機(jī)在切割這類導(dǎo)線后,,導(dǎo)線的尼龍保護(hù)層會(huì)發(fā)散開(kāi)來(lái),,不便于后續(xù)處理;對(duì)切刀進(jìn)行加熱的切線機(jī)在切割這類導(dǎo)線時(shí),,一方面高溫切刀接觸導(dǎo)線線芯會(huì)引起安全事故,,另一方面切刀速度過(guò)快時(shí)切刀與導(dǎo)線的接觸時(shí)間不夠,導(dǎo)線切割后外層仍會(huì)張開(kāi),,如果切刀速度過(guò)慢則切不斷導(dǎo)線,。針對(duì)這種狀況,本文研制了切割這類導(dǎo)線的專用自動(dòng)切線控制系統(tǒng),,并詳細(xì)介紹此控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能
本系統(tǒng)主要由進(jìn)線機(jī)構(gòu)、切線機(jī)構(gòu)和燙線機(jī)構(gòu)組成,,采用滾輪連續(xù)傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線按指定長(zhǎng)度切線,,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其工作流程如下:首先裝夾導(dǎo)線,,然后通過(guò)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)夾緊導(dǎo)線,,加熱槍加熱,進(jìn)線電機(jī)根據(jù)設(shè)定的切線長(zhǎng)度運(yùn)動(dòng)使進(jìn)線主動(dòng)輪1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)給,,導(dǎo)線進(jìn)給帶動(dòng)進(jìn)線從動(dòng)輪2旋轉(zhuǎn),,通過(guò)對(duì)從動(dòng)輪2上編碼器的檢測(cè)可以得到導(dǎo)線的進(jìn)給長(zhǎng)度,,當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到指定長(zhǎng)度后進(jìn)線電機(jī)停止,鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)加熱槍管吹出熱風(fēng)燙化導(dǎo)線尼龍保護(hù)層,,吹風(fēng)時(shí)間到后,,鼓風(fēng)機(jī)停止,進(jìn)線電機(jī)再次動(dòng)作將導(dǎo)線燙化的位置送到切刀下,,然后切線電機(jī)帶動(dòng)切刀運(yùn)動(dòng)切割導(dǎo)線,,切斷導(dǎo)線后切刀回位,接著進(jìn)線電機(jī)再次帶動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)給,,進(jìn)行下一段的導(dǎo)線切割,。
本切線系統(tǒng)具有以下功能:(1)切線長(zhǎng)度、切線數(shù)量,、進(jìn)線速度,、加熱溫度和吹風(fēng)時(shí)間均可根據(jù)需要人為設(shè)定,且設(shè)置的參數(shù)具有掉電保護(hù)的功能,;(2)設(shè)備可調(diào)試功能可控制設(shè)備點(diǎn)動(dòng)或連續(xù)運(yùn)行,,點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行可對(duì)導(dǎo)線進(jìn)給和切刀運(yùn)動(dòng)分別控制,從而方便設(shè)備檢修和故障處理,。(3)設(shè)備暫停功能可在緊急情況下使系統(tǒng)暫停,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)此專用自動(dòng)切線控制系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì),將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),??刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
中央處理器采用Philips公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI-S型微處理器LPC2131,它含有2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道),、6路PWM輸出、2個(gè)SPI串行接口和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP,,含有47個(gè)通用I/O口[2],,這使得它完全符合本系統(tǒng)的控制要求。對(duì)其通過(guò)ISP在線編程, 可以控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行,。其中本系統(tǒng)的核心部分為電機(jī)控制部分和溫度控制部分,。
2.1 電機(jī)控制及保護(hù)電路
電機(jī)控制電路由脈沖下發(fā)電路和編碼器信號(hào)回饋電路組成。其與伺服驅(qū)動(dòng)器接口示意圖如圖3所示,。
脈沖下發(fā)電路為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供方向控制信號(hào)和脈沖控制信號(hào),,本系統(tǒng)選用了Panasonic公司的MINAS A4系列交流伺服電機(jī)及與之匹配的驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器信號(hào)采用位置控制方式差分輸入,。ARM輸出的方向和脈沖兩路單極性信號(hào)先經(jīng)過(guò)差分生成芯片SP26LV431轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)再接入驅(qū)動(dòng)器,,這樣可以提高信號(hào)的抗干擾能力。
編碼器信號(hào)回饋電路用于將編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)回饋給ARM,。驅(qū)動(dòng)器提供三對(duì)差分信號(hào)A+,、A-、B+、B-,、Z+,、Z-作為反饋。這三對(duì)信號(hào)由于受到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部大電源的干擾,,在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)許多毛刺,,直接接到ARM中會(huì)引起誤判斷,所以這三對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)由AM26LS32構(gòu)成的差分電路轉(zhuǎn)化為單路信號(hào)A,、B,、Z再回饋給ARM。
由于導(dǎo)線切割時(shí)需要的切刀速度很高,,所以設(shè)置了兩路極限開(kāi)關(guān)接口,,并將驅(qū)動(dòng)器的行程限位功能設(shè)置為有效以限定切刀的運(yùn)行范圍,防止切刀過(guò)沖,。此外設(shè)置了一路紅外線檢測(cè)接口來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)是否有線,,若系統(tǒng)無(wú)線則自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行,從而保護(hù)送線滾輪,。
2.2 溫控電路
溫控電路由溫度控制電路和溫度測(cè)量電路組成,,溫度控制檢測(cè)示意圖如圖4所示。
溫度控制電路產(chǎn)生PWM波對(duì)加熱槍加熱,,ARM產(chǎn)生的PWM波經(jīng)過(guò)達(dá)林頓輸出光耦TIL113驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器對(duì)加熱槍加熱,。
溫度轉(zhuǎn)換器用于檢測(cè)加熱槍的溫度,對(duì)溫度控制形成閉環(huán)控制,,從而更好地控制加熱溫度,。本系統(tǒng)溫度轉(zhuǎn)換器由美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的基于SPI總線的MAX6675芯片組成,其測(cè)溫范圍為0 ℃~1 024 ℃,。本系統(tǒng)控制加熱槍燙化導(dǎo)線保護(hù)層的溫度范圍為300 ℃~400 ℃,,所以采用MAX6675芯片作為溫度轉(zhuǎn)換器能滿足加熱槍溫度的測(cè)量。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法,,便于功能擴(kuò)展,。主要模塊包括顯示模塊、按鍵模塊,、參數(shù)存儲(chǔ)模塊,、電機(jī)控制模塊和溫度控制模塊。顯示模塊和按鍵模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互,,參數(shù)保存模塊通過(guò)IAP(在應(yīng)用編程)對(duì)ARM自身的FLASH存儲(chǔ)系統(tǒng)編程,,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保存功能。LPC2131帶有32 KB的片內(nèi)FLASH,,其分為8個(gè)扇區(qū),,扇區(qū)號(hào)為0~7,,每個(gè)扇區(qū)大小為4 KB[2]。本系統(tǒng)將切線根數(shù),、切線長(zhǎng)度,、進(jìn)線速度等參數(shù)寫進(jìn)扇區(qū)號(hào)為7的扇區(qū)中,地址范圍為0x00007000-7FFF,。電機(jī)控制模塊和溫度控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,。
3.1 電機(jī)控制部分
本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為電機(jī),對(duì)電機(jī)的精確控制直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能,。系統(tǒng)有進(jìn)線電機(jī)和切線電機(jī),,兩個(gè)電機(jī)是順序動(dòng)作的,任意時(shí)刻只有一個(gè)電機(jī)動(dòng)作,,可以通過(guò)一個(gè)定時(shí)器的兩個(gè)匹配通道實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電機(jī)的控制,。電機(jī)的啟動(dòng)、停止通過(guò)定時(shí)器匹配中斷的允許和禁止來(lái)實(shí)現(xiàn),,電機(jī)需要的脈沖通過(guò)定時(shí)器匹配中斷發(fā)生時(shí)翻轉(zhuǎn)相應(yīng)I/O引腳高低電平來(lái)獲得,,電機(jī)的速度通過(guò)脈沖發(fā)生的頻率來(lái)改變[3]。
因?yàn)槎〞r(shí)器每?jī)纱纹ヅ渲袛嗖女a(chǎn)生一個(gè)完整的脈沖,,由設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)速n(單位為:r/min),、系統(tǒng)頻率Fclk及電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)N可得定時(shí)器的匹配值MR為:
因?yàn)閷?dǎo)線切割時(shí)需要的切刀速度在1 200 r/min以上,否則切不斷導(dǎo)線,,所以切線電機(jī)的速度很快,。一方面速度陡升陡降會(huì)造成指令脈沖丟失;另一方面切線電機(jī)的運(yùn)程短,,速度陡升陡降容易造成切刀過(guò)沖,,卡死在切線槽中。因此系統(tǒng)對(duì)切線電機(jī)的起停設(shè)置了加,、減速過(guò)程,。系統(tǒng)初始化時(shí),計(jì)算各速度檔對(duì)應(yīng)的定時(shí)器匹配值,,并依次存入數(shù)組。切線電機(jī)啟動(dòng)時(shí),,開(kāi)啟匹配中斷,。中斷服務(wù)程序每發(fā)送一個(gè)完整的脈沖后,從數(shù)組中取出下一個(gè)數(shù)據(jù),,重載中斷匹配值,,直到電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速,加速完成,,中斷匹配值保持不變,,電機(jī)速度恒定,。減速過(guò)程與加速過(guò)程相似。
編碼器反饋脈沖反應(yīng)了電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況,,它的檢測(cè)通過(guò)定時(shí)器捕獲中斷來(lái)實(shí)現(xiàn),。
進(jìn)線長(zhǎng)度的測(cè)量計(jì)算是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,其直接影響到切線機(jī)的切線精度,。對(duì)進(jìn)線電機(jī)上的編碼器回饋信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)可以得到送線主動(dòng)輪1的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,,但在導(dǎo)線打滑的情況下,主動(dòng)輪1旋轉(zhuǎn)時(shí)可能并沒(méi)有帶動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)給,,這時(shí)便會(huì)對(duì)導(dǎo)線實(shí)際進(jìn)給長(zhǎng)度的計(jì)算造成錯(cuò)誤,。所以本系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)送線從動(dòng)滾輪2上的獨(dú)立編碼器的回饋信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)來(lái)計(jì)算導(dǎo)線實(shí)際的進(jìn)線長(zhǎng)度,這樣可以避免導(dǎo)線打滑造成的影響,。由送線滾輪的半徑R和旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)r便可計(jì)算出導(dǎo)線的進(jìn)給長(zhǎng)度L:
因?yàn)橛?jì)算公式中用到圓周率π,,其精確程度將直接影響下線長(zhǎng)度的計(jì)算,為了減小誤差就要將π多取幾位有效位數(shù),,本設(shè)計(jì)中取π為3.141 5,。
本系統(tǒng)加熱槍噴嘴到切刀的距離為40 mm,指定切線長(zhǎng)度Lset的導(dǎo)線進(jìn)給分兩次完成,。導(dǎo)線先進(jìn)給Lset-Lcst的長(zhǎng)度,,使導(dǎo)線需切割的位置到達(dá)加熱槍噴嘴位置,鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)燙化導(dǎo)線保護(hù)層后導(dǎo)線再進(jìn)給Lcst,,使導(dǎo)線加熱位置到達(dá)切刀下,。為了避免編碼器計(jì)數(shù)的累積誤差,每次導(dǎo)線進(jìn)給時(shí)便將獨(dú)立編碼器計(jì)數(shù)值清零,,導(dǎo)線再次進(jìn)給時(shí)獨(dú)立編碼器計(jì)數(shù)值從零開(kāi)始重新計(jì)數(shù),。經(jīng)過(guò)測(cè)試,本系統(tǒng)的下線精度高達(dá)0.5%,,完全滿足系統(tǒng)的精度要求,。
3.2 溫度控制部分
本系統(tǒng)對(duì)加熱槍溫度和鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)短的有效控制直接關(guān)系到導(dǎo)線尼龍保護(hù)層的燙化效果,加熱槍溫度過(guò)低,、吹風(fēng)時(shí)間太短則燙不化尼龍保護(hù)層,,反之則會(huì)對(duì)線芯造成影響,甚至?xí)鸢踩鹿?。另外,,為了避免高溫吹風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的影響,導(dǎo)線進(jìn)給的過(guò)程中鼓風(fēng)機(jī)關(guān)閉,。
本系統(tǒng)加熱槍的溫度,、鼓風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)時(shí)間都可以人為設(shè)置,從而使?fàn)C線效果達(dá)到最佳,。經(jīng)過(guò)測(cè)試,,當(dāng)加熱槍溫度為350 ℃,、吹風(fēng)時(shí)間為5 s時(shí),燙線效果最好,。所以加熱槍溫度根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境條件在350 ℃左右小范圍調(diào)整,,吹風(fēng)時(shí)間在5 s左右小范圍調(diào)整。此系統(tǒng)的溫度控制是一個(gè)閉環(huán)控制,,通過(guò)MAX6675溫度轉(zhuǎn)換器可以讀取加熱槍的溫度值,與設(shè)定值進(jìn)行比較,。如果超過(guò)設(shè)定值則降低PWM占空比;反之則提高PWM占空比,。程序設(shè)計(jì)中開(kāi)啟PWM中斷,,在其中斷服務(wù)程序中讀取加熱槍的溫度,根據(jù)讀取的溫度值與設(shè)定溫度值的差值實(shí)時(shí)改變PWM的占空比,,從而使加熱槍的溫度保持在較小的溫差范圍內(nèi),。因?yàn)橐鶕?jù)加熱槍的溫度和設(shè)定溫度相比較來(lái)調(diào)整PWM的占空比,所以對(duì)溫度值讀取的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,。MAX6675是基于SPI總線的專用芯片,,它采用SPI總線形式與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行信息交換,MAX6675的數(shù)據(jù)讀取時(shí)序如圖5所示,。其一個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀取需要16個(gè)時(shí)鐘周期,。MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為16位,輸出時(shí)高位在前,,低位在后,。第一位D15為無(wú)用位,第D14~D3為熱電偶模擬輸出電勢(shì)轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量,,D2位為熱電偶斷線檢測(cè)位,,當(dāng)D2位為1時(shí)表明熱電偶斷線,D1為MAX6675標(biāo)識(shí)符,,D0為三態(tài)數(shù)據(jù)[4],。
SPI總線既可通過(guò)ARM的I/O口模擬,也可通過(guò)LPC2131的SPI接口或SSP控制實(shí)現(xiàn),。 本系統(tǒng)軟件程序使用LPC2131具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP控制來(lái)獲得加熱槍的溫度值,。設(shè)計(jì)中將SSP控制器配置為SPI功能,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為16 bit,。由于通過(guò)SSP控制的SPI功能讀取的數(shù)據(jù)為16 bit,,而有效溫度位僅為12 bit,所以需要通過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換去掉無(wú)用的位,。轉(zhuǎn)換程序如下:
# define ERROR1 0xffff;//標(biāo)識(shí)位錯(cuò)
# define ERROR2 0xfffe,;//熱電偶開(kāi)路
uint16 Get_Real_Temp(uint before_change_temp)
{
uint16 real_value;
real_value=before_change_temp,;
if (real _value & 0x8000)
return ERROR1,;
if (real _value & 0x4000)
return ERROR2;
real_value=real_value & 0x7ffb,;
real_value=(real_value>>3),;
return real_value;
}
此轉(zhuǎn)換程序中before_change_temp通過(guò)SSP直接讀取MAX6675所得到的16 bit數(shù)據(jù),,real_value是去掉無(wú)效位后有效的溫度值,。
本文所研制的專用自動(dòng)切線控制系統(tǒng)能夠很好地完成帶尼龍保護(hù)層導(dǎo)線的切割,切割的導(dǎo)線因?yàn)槟猃埍Wo(hù)層已經(jīng)被燙線機(jī)構(gòu)燙化,,切線端頭不會(huì)再?gòu)堥_(kāi),,可以方便地對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的剝皮和壓端子等處理。本系統(tǒng)可以滿足切線長(zhǎng)度在50 mm~10 000 mm,、外徑在1 mm~10 mm范圍內(nèi)導(dǎo)線的切割,,切線精度高達(dá)0.5%。目前該自動(dòng)切線系統(tǒng)已用于我國(guó)重慶市某廠中,,系統(tǒng)送線,、燙線和切線的全自動(dòng)化運(yùn)作極大減輕了該廠操作工人的負(fù)擔(dān),改變了該廠原來(lái)手工切線效率低,、勞動(dòng)強(qiáng)度大的狀況,,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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