面向绕线机的开放式数控系统

0 引言

　　线圈是一种常用的电子元器件，2008年，我国的线圈产量达到250多亿只，据有关调查机构发布的数据显示，到2010年全球线圈的市场规模预测将达到14.64亿美元。绕线机是线圈生产的关键设备，目前，我国主流的绕线机控制技术主要采用基于内置脉冲功能的小型PLC控制器，这种绕线机存在如下缺点：控制精度差，会出现绕线不均匀，堆积，塌陷等问题，严重影响绕线成品的质量，难以适应中高端的绕线机市场需求；产品开发难，周期长，由于线圈的种类繁多，不同种类的线圈需要不同的绕线机生产，一种新型的线圈需要开发一种新的绕线机，而传统的绕线机控制器是非开放性系统，没有通用性，当产品种类和型号改变时，必须重新开发新的控制器，导致大量的重复性研发工作，给绕线机制造商带来时间、人力、物力、财力和技术上的沉重负担。因此，开发一种面向绕线技术的开放式控制平台，对提高我国绕线机开发技术水平和开发效率，具有非常重要的意义。

1 系统的特点

　　面向绕线机的开放式数控系统，是一个可用于各种绕线机的数控控制器。它在保证低成本的同时，实现稳定可靠、高速高精和多工序的绕线控制，提供高性价比的绕线控制解决方案。同时，它还具有各种绕线机所需要的基本功能，可通过内部软件配置和外部硬件搭配来实现不同种类绕线机控制要求，并提供个性化的操作界面，以满足绕线机终端用户和制造商的需求，做到简单方便、经济实用。既为绕线机制造商提供了一个全开放、易开发和高性价比的解决方案，又为绕线机终端用户提供了一种高效简捷、经济实用的选择。

　　应用该系统，将改变目前绕线机开发过程中控制器定制开发的设计模式，为绕线机开发商提供一个绕线机开发的开放平台，在此平台上，绕线机生产商只需做简单的功能设计，就能设计出满足特定要求的绕线机控制器，并且缩短新产品的开发周期，节约开发成本，提高产品的竞争力。该系统具有如下特点：

　　a．开放性。系统是一个面向绕线机制造行业的开放平台，与传统的控制器一绕线机一对一的开发模式不同，系统提出开放式控制器平台的概念，根据绕线机行业的共性需求设计一个开放的控制平台，并开发相应的用户工具，用户可在此平台上方便快捷地开发出适合各种类型绕线机的控制器，从而缩短绕线机设备的开发周期。

　　b．先进性。系统采用先进的数控技术，实现绕线设备的多轴精确控制，提高设备的精度和速度，使用该系统可以生产具有先进水平的绕线机，填补我国中高档绕线机市场的空白，实现绕线机行业的技术进步和产业升级。

2 硬件系统

　　系统数控硬件采用MC68HCooO微处理器的单片机，以微处理器MC68HCooO为核心，通过总线与存储器以及各种接口相连接，采用集中控制、分时处理的工作方式，完成绕线机各种绕线动作的控制，具有成本低、结构简单和易于实现的优点。

　　2.1 硬件快速响应

　　硬件采用MC68Hcooo微处理器，其CPU主频率为25 MHz，在处理显示、键盘输人和通讯等工作的同时，难以保证稳定的500 KPPS的多轴联动插补响应和快速的输入输出响应。通过改进，采用MC68HC000微处理器和Lattice公司的ispM4A搭配。ispM4A是一种复杂的可编程逻辑器件(CPLD)，频率高达160 MHz，可承担实时的输入输出计算，实现可靠、高速的运动响应和外部输入输出。此外，ispM4A具有ISP功能，融合引脚锁定功能和JTAG技术，使得动态配置系统设置成为可能。MC68HC000微处理器和ispM4A搭配不仅实现了快速响应，而且提供了系统配置选配能力。

　　2.2 驱动模块

　　系统选配高速高精的运动驱动模组，采用闭环控制模式，支持位置脉冲驱动，驱动脉冲最高速率为500 KPPS，驱动解析度为0．001 mm／Pulse，可实现高速高精的多轴运动插补控制，用于开发中高端绕线机。

　　2.3 多种输入输出模块

　　针对各种绕线机因工况不同对输入输出的种类数量要求各不相同的情况，硬件系统在设计时，提供2组AD转换输入和DA转换输出、24个快速开关量输入点和16个快速开关量输出点，还配置可扩展I／O接口，可将I／O扩充至64组，每组16个。

3 软件系统

　　3.1 数控系统软件

　　数控系统软件采用基于模块化设计的开放式框架结构，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成、更改或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求。

　　数控系统软件具有实时性、多任务性和并发处理的特点。针对这些特点，结合单微处理器结构的硬件，数控软件采用前后台型结构模式，来协调各任务的执行，确保时序配合要求和逻辑关系，以满足数控系统的各种控制要求。

　　前后台型结构模式的任务划分为：前台程序，强实时性任务，包括插补运算、运动控制和故障诊断等任务；后台程序，弱实时性任务，包括显示、按键响应、绕线程序的编辑和管理、绕线程序的解释、插补预处理、系统的输入和输出等。

　　前后台型结构模式的任务调度机制为：前台程序为中断服务程序，采用优先抢占调度机制；后台程序为循环运行程序，采用顺序调度机制；在运行中，后台程序不断定时被前台终端程序所打断。前后台型结构模式的信息交换是通过数据缓冲区来实现。

　　系统通过精确的2 ms中断来定期处理运动驱动，配合高速高精的运动驱动硬件模块，采用闭环控制模式，通过实时计算实现高速高精的多轴联动插补控制。系统的驱动脉冲最高速率和驱动解析度，可满足各种绕线机对高速绕线排线联动的需求。系统提供独有的绕线指令，可以通过NC编程来实现绕线控制。

　　3.2 基于Windows的绕线机系统开发工具

　　基于Windows的绕线机系统开发工具，实现简单、高效和快捷的应用开发。该组件包括PLC编辑器、人机界面编辑器和联机调试工具。

　　a．PLC编辑器。编辑、编译和仿真梯形图，传输PLC到数控硬体中。PLC编辑器用来设计机床I／O接口和CNC接口讯号的逻辑，实现对机床动作控制。

　　b．屏幕编辑器。编辑、编译和预览屏幕设计，传输屏幕到数控硬体中。屏幕编辑器可以按照用户的习惯喜好来定制数控系统的操作界面，使操作更方便、更人性化。

　　c．联机软件。上传／下载NC程序和参数；联机软件在用户PC和数控系统之间搭建了一座互通信息的桥梁，使用户方便地监测、更改数控系统的状态。

　　可以通过NC编程、PLC编程、屏幕编程和参数设置来实现对数控系统的重新规划，满足新的功能需求。

　　3.3 面向应用的绕线机操作软件

　　在数控系统软件和开发工具的基础上，针对各种绕线机的不同工艺特点和操作习惯，开发不同的绕线机操作软件，提供个性化的操作界面，让操作者易学易懂易用，使绕线机控制在应用上具有亲和力。结合绕线机的工艺特点，从复杂、无规律的绕线生产中抽象总结出规律，形成绕线基本动作库。使用独有的绕线指令和绕线基本动作库，在操作界面中采用填表输入的方式，使复杂且专业的绕线工艺设计变成简单的表格填充，既直观简单，又可以剔出错误输入。同时，系统还提供教导输入，可以将当前位置坐标直接设置到当前行参数中，确保输入准确简便。

4 结束语

　　随着数控技术的日益成熟，利用先进的数控技术对传统专用机械进行改造已成为一种必然，面向绕线机的开放式数控系统的开发具有重要的意义：先进的数控技术克服了传统绕线机控制精度低、速度低和产品质量差等缺点，能够实现高速高精的绕线控制，填补我国在中高档绕线机生产技术空白；开放式的控制平台为绕线机开发者提供了一个快速设计绕线设备的平台，将改变传统绕线机开发过程中设备与控制器一对一的开发模式，实现开发过程的模块化，提高设计效率和设计质量。