隨著現代工業(yè)的發(fā)展，導線的應用越來越廣，對導線的加工使用離不開對導線的切割、剝皮和壓端子等，導線切割作為導線加工的第一步，對導線的后續(xù)處理很重要[1]。帶尼龍保護層的導線在航空、航天等領域有廣泛的應用。這類導線具有以下特點：(1)保護層切斷后具有自然張開的特性；(2)導線的線芯不能接觸高溫；(3)導線有一定的直徑，具有較高的硬度和較強的韌性，切刀運行速度需足夠高。傳統(tǒng)的切線機對這類導線的切割已不適用，因為這些切線機要么沒有加熱機構，要么對切刀進行加熱。沒有加熱機構的切線機在切割這類導線后，導線的尼龍保護層會發(fā)散開來，不便于后續(xù)處理；對切刀進行加熱的切線機在切割這類導線時，一方面高溫切刀接觸導線線芯會引起安全事故，另一方面切刀速度過快時切刀與導線的接觸時間不夠，導線切割后外層仍會張開，如果切刀速度過慢則切不斷導線。針對這種狀況，本文研制了切割這類導線的專用自動切線控制系統(tǒng)，并詳細介紹此控制系統(tǒng)的實現方法。
1 系統(tǒng)總體結構及功能
    本系統(tǒng)主要由進線機構、切線機構和燙線機構組成，采用滾輪連續(xù)傳動方式實現對導線按指定長度切線，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

    其工作流程如下：首先裝夾導線，然后通過壓力調節(jié)機構夾緊導線，加熱槍加熱，進線電機根據設定的切線長度運動使進線主動輪1旋轉帶動導線進給，導線進給帶動進線從動輪2旋轉，通過對從動輪2上編碼器的檢測可以得到導線的進給長度，當導線達到指定長度后進線電機停止，鼓風機通過加熱槍管吹出熱風燙化導線尼龍保護層，吹風時間到后，鼓風機停止，進線電機再次動作將導線燙化的位置送到切刀下，然后切線電機帶動切刀運動切割導線，切斷導線后切刀回位，接著進線電機再次帶動導線進給，進行下一段的導線切割。
    本切線系統(tǒng)具有以下功能：(1)切線長度、切線數量、進線速度、加熱溫度和吹風時間均可根據需要人為設定，且設置的參數具有掉電保護的功能；(2)設備可調試功能可控制設備點動或連續(xù)運行，點動運行可對導線進給和切刀運動分別控制，從而方便設備檢修和故障處理。(3)設備暫停功能可在緊急情況下使系統(tǒng)暫停。
2 系統(tǒng)硬件設計
    根據此專用自動切線控制系統(tǒng)的功能要求進行總體設計，將各個功能進行模塊化設計?？刂葡到y(tǒng)硬件結構如圖2所示。

    中央處理器采用Philips公司生產的32位ARM7TDMI-S型微處理器LPC2131,它含有2個32位定時計數器(帶4路捕獲和4路比較通道)、6路PWM輸出、2個SPI串行接口和具有緩沖作用和數據長度可變功能的SSP，含有47個通用I/O口[2]，這使得它完全符合本系統(tǒng)的控制要求。對其通過ISP在線編程, 可以控制外圍設備協(xié)調運行。其中本系統(tǒng)的核心部分為電機控制部分和溫度控制部分。
2.1 電機控制及保護電路
    電機控制電路由脈沖下發(fā)電路和編碼器信號回饋電路組成。其與伺服驅動器接口示意圖如圖3所示。

    脈沖下發(fā)電路為電機運轉提供方向控制信號和脈沖控制信號，本系統(tǒng)選用了Panasonic公司的MINAS A4系列交流伺服電機及與之匹配的驅動器，驅動器信號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先經過差分生成芯片SP26LV431轉換為差分信號再接入驅動器，這樣可以提高信號的抗干擾能力。
    編碼器信號回饋電路用于將編碼器發(fā)出的脈沖信號回饋給ARM。驅動器提供三對差分信號A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作為反饋。這三對信號由于受到驅動器內部大電源的干擾，在電機旋轉時所發(fā)出的信號會出現許多毛刺，直接接到ARM中會引起誤判斷，所以這三對信號經過由AM26LS32構成的差分電路轉化為單路信號A、B、Z再回饋給ARM。
    由于導線切割時需要的切刀速度很高，所以設置了兩路極限開關接口，并將驅動器的行程限位功能設置為有效以限定切刀的運行范圍，防止切刀過沖。此外設置了一路紅外線檢測接口來檢測系統(tǒng)是否有線，若系統(tǒng)無線則自動停止系統(tǒng)運行，從而保護送線滾輪。
2.2 溫控電路
    溫控電路由溫度控制電路和溫度測量電路組成，溫度控制檢測示意圖如圖4所示。

    溫度控制電路產生PWM波對加熱槍加熱，ARM產生的PWM波經過達林頓輸出光耦TIL113驅動固態(tài)繼電器對加熱槍加熱。
    溫度轉換器用于檢測加熱槍的溫度，對溫度控制形成閉環(huán)控制，從而更好地控制加熱溫度。本系統(tǒng)溫度轉換器由美國Maxim公司生產的基于SPI總線的MAX6675芯片組成，其測溫范圍為0 ℃～1 024 ℃。本系統(tǒng)控制加熱槍燙化導線保護層的溫度范圍為300 ℃～400 ℃，所以采用MAX6675芯片作為溫度轉換器能滿足加熱槍溫度的測量。
3 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展。主要模塊包括顯示模塊、按鍵模塊、參數存儲模塊、電機控制模塊和溫度控制模塊。顯示模塊和按鍵模塊實現系統(tǒng)的人機交互，參數保存模塊通過IAP(在應用編程)對ARM自身的FLASH存儲系統(tǒng)編程，從而實現數據掉電保存功能。LPC2131帶有32 KB的片內FLASH，其分為8個扇區(qū)，扇區(qū)號為0～7，每個扇區(qū)大小為4 KB[2]。本系統(tǒng)將切線根數、切線長度、進線速度等參數寫進扇區(qū)號為7的扇區(qū)中，地址范圍為0x00007000-7FFF。電機控制模塊和溫度控制模塊是整個系統(tǒng)的核心。
3.1 電機控制部分
    本系統(tǒng)的執(zhí)行機構主要為電機，對電機的精確控制直接關系到系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)有進線電機和切線電機，兩個電機是順序動作的，任意時刻只有一個電機動作，可以通過一個定時器的兩個匹配通道實現對兩個電機的控制。電機的啟動、停止通過定時器匹配中斷的允許和禁止來實現，電機需要的脈沖通過定時器匹配中斷發(fā)生時翻轉相應I/O引腳高低電平來獲得，電機的速度通過脈沖發(fā)生的頻率來改變[3]。
    因為定時器每兩次匹配中斷才產生一個完整的脈沖，由設置的電機轉速n(單位為：r/min)、系統(tǒng)頻率Fclk及電機每轉一圈需要的脈沖數N可得定時器的匹配值MR為：
 
    因為導線切割時需要的切刀速度在1 200 r/min以上，否則切不斷導線，所以切線電機的速度很快。一方面速度陡升陡降會造成指令脈沖丟失；另一方面切線電機的運程短，速度陡升陡降容易造成切刀過沖，卡死在切線槽中。因此系統(tǒng)對切線電機的起停設置了加、減速過程。系統(tǒng)初始化時，計算各速度檔對應的定時器匹配值，并依次存入數組。切線電機啟動時，開啟匹配中斷。中斷服務程序每發(fā)送一個完整的脈沖后，從數組中取出下一個數據，重載中斷匹配值，直到電機達到設定轉速，加速完成，中斷匹配值保持不變，電機速度恒定。減速過程與加速過程相似。
    編碼器反饋脈沖反應了電機的實際運行情況，它的檢測通過定時器捕獲中斷來實現。
    進線長度的測量計算是整個控制系統(tǒng)的關鍵，其直接影響到切線機的切線精度。對進線電機上的編碼器回饋信號進行檢測可以得到送線主動輪1的運轉情況，但在導線打滑的情況下，主動輪1旋轉時可能并沒有帶動導線進給，這時便會對導線實際進給長度的計算造成錯誤。所以本系統(tǒng)是通過對送線從動滾輪2上的獨立編碼器的回饋信號進行檢測來計算導線實際的進線長度，這樣可以避免導線打滑造成的影響。由送線滾輪的半徑R和旋轉的圈數r便可計算出導線的進給長度L：
 
    因為計算公式中用到圓周率π，其精確程度將直接影響下線長度的計算，為了減小誤差就要將π多取幾位有效位數，本設計中取π為3.141 5。
    本系統(tǒng)加熱槍噴嘴到切刀的距離為40 mm，指定切線長度Lset的導線進給分兩次完成。導線先進給Lset-Lcst的長度，使導線需切割的位置到達加熱槍噴嘴位置，鼓風機吹風燙化導線保護層后導線再進給Lcst，使導線加熱位置到達切刀下。為了避免編碼器計數的累積誤差，每次導線進給時便將獨立編碼器計數值清零，導線再次進給時獨立編碼器計數值從零開始重新計數。經過測試，本系統(tǒng)的下線精度高達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)對加熱槍溫度和鼓風機吹風時間長短的有效控制直接關系到導線尼龍保護層的燙化效果，加熱槍溫度過低、吹風時間太短則燙不化尼龍保護層，反之則會對線芯造成影響，甚至會引起安全事故。另外，為了避免高溫吹風對導線的影響，導線進給的過程中鼓風機關閉。
    本系統(tǒng)加熱槍的溫度、鼓風機的吹風時間都可以人為設置，從而使燙線效果達到最佳。經過測試，當加熱槍溫度為350 ℃、吹風時間為5 s時，燙線效果最好。所以加熱槍溫度根據系統(tǒng)使用環(huán)境條件在350 ℃左右小范圍調整，吹風時間在5 s左右小范圍調整。此系統(tǒng)的溫度控制是一個閉環(huán)控制，通過MAX6675溫度轉換器可以讀取加熱槍的溫度值,與設定值進行比較。如果超過設定值則降低PWM占空比；反之則提高PWM占空比。程序設計中開啟PWM中斷，在其中斷服務程序中讀取加熱槍的溫度，根據讀取的溫度值與設定溫度值的差值實時改變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。因為要根據加熱槍的溫度和設定溫度相比較來調整PWM的占空比，所以對溫度值讀取的準確性至關重要。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備以串行方式進行信息交換，MAX6675的數據讀取時序如圖5所示。其一個完整的數據讀取需要16個時鐘周期。MAX6675 的輸出數據為16位，輸出時高位在前，低位在后。第一位D15為無用位，第D14～D3為熱電偶模擬輸出電勢轉換的12位數字量，D2位為熱電偶斷線檢測位，當D2位為1時表明熱電偶斷線，D1為MAX6675標識符，D0為三態(tài)數據[4]。

    SPI總線既可通過ARM的I/O口模擬，也可通過LPC2131的SPI接口或SSP控制實現。 本系統(tǒng)軟件程序使用LPC2131具有緩沖作用和數據長度可變功能的SSP控制來獲得加熱槍的溫度值。設計中將SSP控制器配置為SPI功能，數據長度設置為16 bit。由于通過SSP控制的SPI功能讀取的數據為16 bit，而有效溫度位僅為12 bit，所以需要通過適當的轉換去掉無用的位。轉換程序如下：
# define ERROR1 0xffff；//標識位錯
# define ERROR2 0xfffe；//熱電偶開路
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；
}
    此轉換程序中before_change_temp通過SSP直接讀取MAX6675所得到的16 bit數據，real_value是去掉無效位后有效的溫度值。
    本文所研制的專用自動切線控制系統(tǒng)能夠很好地完成帶尼龍保護層導線的切割，切割的導線因為尼龍保護層已經被燙線機構燙化，切線端頭不會再張開，可以方便地對其進行進一步的剝皮和壓端子等處理。本系統(tǒng)可以滿足切線長度在50 mm～10 000 mm、外徑在1 mm～10 mm范圍內導線的切割，切線精度高達0.5%。目前該自動切線系統(tǒng)已用于我國重慶市某廠中，系統(tǒng)送線、燙線和切線的全自動化運作極大減輕了該廠操作工人的負擔，改變了該廠原來手工切線效率低、勞動強度大的狀況，并取得了良好的經濟效益。
參考文獻
[1] 馬勇贊，羅曉曙.基于AVR單片機全自動裁線剝皮扭線機控制系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)控制計算機，2009，22 (2)：83-84.
[2] Philips Corporation.LPC2131/2132/2136/2138 user manual  preliminary release[Z].2004.
[3] 江信建.交流伺服電機的單片機控制及其應用[J].機電技術，2004(2)：40-42.
[4] 祖一康.基于K型熱電偶與MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)[J].江西理工大學學報，2007，28(4)：25-27.