随着现代工业的发展，导线的应用越来越广，对导线的加工使用离不开对导线的切割、剥皮和压端子等，导线切割作为导线加工的第一步，对导线的后续处理很重要[1]。带尼龙保护层的导线在航空、航天等领域有广泛的应用。这类导线具有以下特点：(1)保护层切断后具有自然张开的特性；(2)导线的线芯不能接触高温；(3)导线有一定的直径，具有较高的硬度和较强的韧性，切刀运行速度需足够高。传统的切线机对这类导线的切割已不适用，因为这些切线机要么没有加热机构，要么对切刀进行加热。没有加热机构的切线机在切割这类导线后，导线的尼龙保护层会发散开来，不便于后续处理；对切刀进行加热的切线机在切割这类导线时，一方面高温切刀接触导线线芯会引起安全事故，另一方面切刀速度过快时切刀与导线的接触时间不够，导线切割后外层仍会张开，如果切刀速度过慢则切不断导线。针对这种状况，本文研制了切割这类导线的专用自动切线控制系统，并详细介绍此控制系统的实现方法。
1 系统总体结构及功能
    本系统主要由进线机构、切线机构和烫线机构组成，采用滚轮连续传动方式实现对导线按指定长度切线，系统总体结构如图1所示。

    其工作流程如下：首先装夹导线，然后通过压力调节机构夹紧导线，加热枪加热，进线电机根据设定的切线长度运动使进线主动轮1旋转带动导线进给，导线进给带动进线从动轮2旋转，通过对从动轮2上编码器的检测可以得到导线的进给长度，当导线达到指定长度后进线电机停止，鼓风机通过加热枪管吹出热风烫化导线尼龙保护层，吹风时间到后，鼓风机停止，进线电机再次动作将导线烫化的位置送到切刀下，然后切线电机带动切刀运动切割导线，切断导线后切刀回位，接着进线电机再次带动导线进给，进行下一段的导线切割。
    本切线系统具有以下功能：(1)切线长度、切线数量、进线速度、加热温度和吹风时间均可根据需要人为设定，且设置的参数具有掉电保护的功能；(2)设备可调试功能可控制设备点动或连续运行，点动运行可对导线进给和切刀运动分别控制，从而方便设备检修和故障处理。(3)设备暂停功能可在紧急情况下使系统暂停。
2 系统硬件设计
    根据此专用自动切线控制系统的功能要求进行总体设计，将各个功能进行模块化设计。控制系统硬件结构如图2所示。

    中央处理器采用Philips公司生产的32位ARM7TDMI-S型微处理器LPC2131,它含有2个32位定时计数器(带4路捕获和4路比较通道)、6路PWM输出、2个SPI串行接口和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP，含有47个通用I/O口[2]，这使得它完全符合本系统的控制要求。对其通过ISP在线编程, 可以控制外围设备协调运行。其中本系统的核心部分为电机控制部分和温度控制部分。
2.1 电机控制及保护电路
    电机控制电路由脉冲下发电路和编码器信号回馈电路组成。其与伺服驱动器接口示意图如图3所示。

    脉冲下发电路为电机运转提供方向控制信号和脉冲控制信号，本系统选用了Panasonic公司的MINAS A4系列交流伺服电机及与之匹配的驱动器，驱动器信号采用位置控制方式差分输入。ARM输出的方向和脉冲两路单极性信号先经过差分生成芯片SP26LV431转换为差分信号再接入驱动器，这样可以提高信号的抗干扰能力。
    编码器信号回馈电路用于将编码器发出的脉冲信号回馈给ARM。驱动器提供三对差分信号A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作为反馈。这三对信号由于受到驱动器内部大电源的干扰，在电机旋转时所发出的信号会出现许多毛刺，直接接到ARM中会引起误判断，所以这三对信号经过由AM26LS32构成的差分电路转化为单路信号A、B、Z再回馈给ARM。
    由于导线切割时需要的切刀速度很高，所以设置了两路极限开关接口，并将驱动器的行程限位功能设置为有效以限定切刀的运行范围，防止切刀过冲。此外设置了一路红外线检测接口来检测系统是否有线，若系统无线则自动停止系统运行，从而保护送线滚轮。
2.2 温控电路
    温控电路由温度控制电路和温度测量电路组成，温度控制检测示意图如图4所示。

    温度控制电路产生PWM波对加热枪加热，ARM产生的PWM波经过达林顿输出光耦TIL113驱动固态继电器对加热枪加热。
    温度转换器用于检测加热枪的温度，对温度控制形成闭环控制，从而更好地控制加热温度。本系统温度转换器由美国Maxim公司生产的基于SPI总线的MAX6675芯片组成，其测温范围为0 ℃～1 024 ℃。本系统控制加热枪烫化导线保护层的温度范围为300 ℃～400 ℃，所以采用MAX6675芯片作为温度转换器能满足加热枪温度的测量。
3 系统软件设计
    本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展。主要模块包括显示模块、按键模块、参数存储模块、电机控制模块和温度控制模块。显示模块和按键模块实现系统的人机交互，参数保存模块通过IAP(在应用编程)对ARM自身的FLASH存储系统编程，从而实现数据掉电保存功能。LPC2131带有32 KB的片内FLASH，其分为8个扇区，扇区号为0～7，每个扇区大小为4 KB[2]。本系统将切线根数、切线长度、进线速度等参数写进扇区号为7的扇区中，地址范围为0x00007000-7FFF。电机控制模块和温度控制模块是整个系统的核心。
3.1 电机控制部分
    本系统的执行机构主要为电机，对电机的精确控制直接关系到系统的整体性能。系统有进线电机和切线电机，两个电机是顺序动作的，任意时刻只有一个电机动作，可以通过一个定时器的两个匹配通道实现对两个电机的控制。电机的启动、停止通过定时器匹配中断的允许和禁止来实现，电机需要的脉冲通过定时器匹配中断发生时翻转相应I/O引脚高低电平来获得，电机的速度通过脉冲发生的频率来改变[3]。
    因为定时器每两次匹配中断才产生一个完整的脉冲，由设置的电机转速n(单位为：r/min)、系统频率Fclk及电机每转一圈需要的脉冲数N可得定时器的匹配值MR为：
 
    因为导线切割时需要的切刀速度在1 200 r/min以上，否则切不断导线，所以切线电机的速度很快。一方面速度陡升陡降会造成指令脉冲丢失；另一方面切线电机的运程短，速度陡升陡降容易造成切刀过冲，卡死在切线槽中。因此系统对切线电机的起停设置了加、减速过程。系统初始化时，计算各速度档对应的定时器匹配值，并依次存入数组。切线电机启动时，开启匹配中断。中断服务程序每发送一个完整的脉冲后，从数组中取出下一个数据，重载中断匹配值，直到电机达到设定转速，加速完成，中断匹配值保持不变，电机速度恒定。减速过程与加速过程相似。
    编码器反馈脉冲反应了电机的实际运行情况，它的检测通过定时器捕获中断来实现。
    进线长度的测量计算是整个控制系统的关键，其直接影响到切线机的切线精度。对进线电机上的编码器回馈信号进行检测可以得到送线主动轮1的运转情况，但在导线打滑的情况下，主动轮1旋转时可能并没有带动导线进给，这时便会对导线实际进给长度的计算造成错误。所以本系统是通过对送线从动滚轮2上的独立编码器的回馈信号进行检测来计算导线实际的进线长度，这样可以避免导线打滑造成的影响。由送线滚轮的半径R和旋转的圈数r便可计算出导线的进给长度L：
 
    因为计算公式中用到圆周率π，其精确程度将直接影响下线长度的计算，为了减小误差就要将π多取几位有效位数，本设计中取π为3.141 5。
    本系统加热枪喷嘴到切刀的距离为40 mm，指定切线长度Lset的导线进给分两次完成。导线先进给Lset-Lcst的长度，使导线需切割的位置到达加热枪喷嘴位置，鼓风机吹风烫化导线保护层后导线再进给Lcst，使导线加热位置到达切刀下。为了避免编码器计数的累积误差，每次导线进给时便将独立编码器计数值清零，导线再次进给时独立编码器计数值从零开始重新计数。经过测试，本系统的下线精度高达0.5%，完全满足系统的精度要求。
3.2 温度控制部分
    本系统对加热枪温度和鼓风机吹风时间长短的有效控制直接关系到导线尼龙保护层的烫化效果，加热枪温度过低、吹风时间太短则烫不化尼龙保护层，反之则会对线芯造成影响，甚至会引起安全事故。另外，为了避免高温吹风对导线的影响，导线进给的过程中鼓风机关闭。
    本系统加热枪的温度、鼓风机的吹风时间都可以人为设置，从而使烫线效果达到最佳。经过测试，当加热枪温度为350 ℃、吹风时间为5 s时，烫线效果最好。所以加热枪温度根据系统使用环境条件在350 ℃左右小范围调整，吹风时间在5 s左右小范围调整。此系统的温度控制是一个闭环控制，通过MAX6675温度转换器可以读取加热枪的温度值,与设定值进行比较。如果超过设定值则降低PWM占空比；反之则提高PWM占空比。程序设计中开启PWM中断，在其中断服务程序中读取加热枪的温度，根据读取的温度值与设定温度值的差值实时改变PWM的占空比，从而使加热枪的温度保持在较小的温差范围内。因为要根据加热枪的温度和设定温度相比较来调整PWM的占空比，所以对温度值读取的准确性至关重要。MAX6675是基于SPI总线的专用芯片，它采用SPI总线形式与各种外围设备以串行方式进行信息交换，MAX6675的数据读取时序如图5所示。其一个完整的数据读取需要16个时钟周期。MAX6675 的输出数据为16位，输出时高位在前，低位在后。第一位D15为无用位，第D14～D3为热电偶模拟输出电势转换的12位数字量，D2位为热电偶断线检测位，当D2位为1时表明热电偶断线，D1为MAX6675标识符，D0为三态数据[4]。

    SPI总线既可通过ARM的I/O口模拟，也可通过LPC2131的SPI接口或SSP控制实现。 本系统软件程序使用LPC2131具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP控制来获得加热枪的温度值。设计中将SSP控制器配置为SPI功能，数据长度设置为16 bit。由于通过SSP控制的SPI功能读取的数据为16 bit，而有效温度位仅为12 bit，所以需要通过适当的转换去掉无用的位。转换程序如下：
# define ERROR1 0xffff；//标识位错
# define ERROR2 0xfffe；//热电偶开路
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；
}
    此转换程序中before_change_temp通过SSP直接读取MAX6675所得到的16 bit数据，real_value是去掉无效位后有效的温度值。
    本文所研制的专用自动切线控制系统能够很好地完成带尼龙保护层导线的切割，切割的导线因为尼龙保护层已经被烫线机构烫化，切线端头不会再张开，可以方便地对其进行进一步的剥皮和压端子等处理。本系统可以满足切线长度在50 mm～10 000 mm、外径在1 mm～10 mm范围内导线的切割，切线精度高达0.5%。目前该自动切线系统已用于我国重庆市某厂中，系统送线、烫线和切线的全自动化运作极大减轻了该厂操作工人的负担，改变了该厂原来手工切线效率低、劳动强度大的状况，并取得了良好的经济效益。
参考文献
[1] 马勇赞，罗晓曙.基于AVR单片机全自动裁线剥皮扭线机控制系统的研制[J].工业控制计算机，2009，22 (2)：83-84.
[2] Philips Corporation.LPC2131/2132/2136/2138 user manual  preliminary release[Z].2004.
[3] 江信建.交流伺服电机的单片机控制及其应用[J].机电技术，2004(2)：40-42.
[4] 祖一康.基于K型热电偶与MAX6675多路温度采集系统[J].江西理工大学学报，2007，28(4)：25-27.