智能并丝机控制单元的制作方法

专利名称：智能并丝机控制单元的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是智能并丝机的一种控制单元，属于电线电缆制造领域。
背景技术：
并丝机是将多根丝线并成一股再缠绕到线盘上的设备，并好丝的线盘供编织机进行编织使用。普通并丝机只具备简单的并丝绕线功能，绕线前安装空线盘、固定丝线、启动机器，一盘绕线结束剪断丝线、打结线头、拆下线盘等一系列辅助并丝动作需人工完成。故普通并丝机自动化程度低,生产效率不高,对工人的操作熟练程度要求高，同时进行并丝的线盘数量一般最多只有3只，再多则性价比大幅降低。智能并丝机是一种高度自能化的并丝机，从空线盘定位、安装，到启动电机并丝绕线，到并丝结束、剪线、固定线头、出成品盘，所有并丝动作自动完成，无需人工干预。操作人员只需将空线盘放置在供盘架上，并及时将集盘架上的成品盘移走即可。智能并丝机能同时并丝4只线盘或更多线盘。与普通并丝机相比，智能并丝机具有自动化程度高、生产效率高、操作人员工作强度低、并丝过程无需人工干预，生产效率是普通并丝机的5至10倍。但是，与普通并丝机比较，智能并丝机结构复杂，并丝过程机械动作多，控制系统也复杂。为保证并丝工作顺利完成与并丝质量，各机械动作必须精确到位，这就对机器控制部分提出更高要求。并丝机在并丝过程中有两个主要的动作，一是绕线速度，二是排线节距。为了精确控制智能并丝机的绕线 转速与排线节距，主传动电机与调节节距的排线电机均采用伺服电机。当启动主电机绕线时，排线电机也以设定的排线节距速度开始运行，绕线速度变化时，排线速度也相应变化，以保证排线节距不变。绕线结束，启动扭线电机，将多股丝线扭成一股，防止剪断线后丝线散乱。其它并丝动作，如将供盘架上的空盘固定在绕线轴上、剪线、夹线、取下并好丝的盘并输送到集盘架上等，都由气缸控制。所有的气缸动作，以及三只电机的运行都由控制单元统一控制执行。绕线长度、绕线速度、排线节距、排线位置、扭线速度等所有控制设备运行的参数都在控制单元上设定。同时，控制单元要实时监控设备的运行状态，如输送空盘是否到位、固定空盘是否到位、是否缺盘、成品盘是否及时移出、是否有断丝发生、气压压力大小、主机运行状态、排线电机运行状态等等。一旦有异常情况发生，控制单元要立即停机并显示报警信息。所以，设备的控制单元既要能按并丝参数要求准确、实时地控制各传动单元，又要能实时监控设备各部件的运行状态，保证并丝质量。
发明内容本实用新型创造是设计与开发一种新型单片机，作为智能并丝机的控制单元。它具有控制、显示、及复杂数学运算功能，可以很好地控制智能并丝机高速绕线与规律排线，保证在绕线加减速时保持排线节距不变；并能准确控制气缸运动，确保其它并丝动作精确、到位。单片机根据设置好的并丝参数控制从空盘到成品盘的所有并丝动作，同时显示机器的并丝数据，监控机器的运行状态。智能并丝机如果在运行中发生异常情况，如发生断丝、电机驱动器故障、气压不足、气缸动作不到位、排线异常等，控制单元将实时报警并停机，显示报警信息，方便使用人员排除故障，确保设备运行安全，保证并丝质量。单片机作为整机控制系统的核心单元，主要有显示部件与控制部件组成，控制部件包含处理器MCU、信号输入与输出、存储、通讯、脉冲发生器、日历时钟、以及按键阵列等部分组成。软件具体包括友好人机界面、主机控制与排线控制、并丝参数计算、输入输出信号处理、按键操作、扭线控制、断电记忆等部分。各部分有机结合又相对独立，确保整机高速运行又能实时控制。本单片机功能如下:1、显示部件。采用液晶屏点阵显示方式，能显示中英文字符、数字及特殊字符，能显示自创符号，满足智能并丝机所有参数与信息的显示要求。2、处理器单元。单片机的核心控制部件，采用单片机高端控制芯片，具有速度快、运算能力强、功能齐备、实时控制、运行可靠等特点，是智能并丝机能实现其高度自动化的有力保障。3、信号输入与输出部件。作为单片机的外围控制部件，主要实现处理器与外部控制器件(如继电器等)及外部信号发生器(如传感器等)的信号转换，它将处理器的控制信号转化为外部控制器件控制信号，从而最终控制气缸动作；同时，将外部信息，如动作过程、异常报警等信号转化为处理器能够接受处理的数据。4、存储单元。保存单片机的操作信息、运行参数、显示信息等，能实现单片机的断电记忆功能。5、通讯部件。主要实现控制单元与绕线电机驱动器和排线电机驱动器的双向数据通讯，使得单片机实时控制并丝机的绕线速度及排线节距，同时监控它们的运行状态，保证
并丝质量。
·[0013]6、脉冲发生器。由于智能并丝机使用的丝的直径范围在0.05毫米到0.2毫米之间，它的排线节距也非常小，一般在0.2毫米到2毫米之间，这就要求排线节距的控制精度要非常高，所以排线驱动必须用脉冲方式控制，否则，电机运行精度达不到要求。7、日历时钟。显示日历时间及记录事件发生的时间以及记录机器的运行时间等。8、按键阵列。接收操作人员的按键操作内容，实现对机器的有效控制。智能并丝机控制单元(单片机)具有以下优点:1、集成度高，控制功能齐备。单片机的MCU采用高端工程控制专用芯片，具有运算速度快、存储容量大、响应实时、管脚功能强大等优点。它既能与伺服驱动器进行485通讯，读写参数；又能发生脉冲精确控制伺服驱动器对电机进行位置控制；既能进行脉冲频率、并丝长度、排线节距的复杂计算，又能快速反应并丝动作的异常情况。一个单片机就相当于一台PLC与一台触摸屏组合，具有PLC与触摸屏的功能。PLC与触摸屏各自独立，单独编程，再用连接线组合在一起，而单片机只有一个程序，就完成PLC与触摸屏的功能，又因为是实时控制系统，响应速度更快，开关机时间更短。2、操作简单、人机界面友好。单片机采用小键盘按键与菜单命令相结合的方式进行操作，能显示中英文。键盘按键布局合理，功能划分明确，菜单显示明了易懂，操作人员无需培训或简单培训就能熟练运用。调试好的设备，操作人员只用启动、停止命令就能完成并丝任务。设备运行异常时，显示报警信息，方便排除故障。[0019]3、性价比高、节能环保。单片机将显示与控制两部分集成在一起，由一个MCU控制，不但提高程序的运行速度，也提高单片机运行的可靠性与稳定性，与完成相同功能的PLC、触摸屏组合相比，价格为它们的十分之一或几十分之一。同时，单片机的能耗不到5W，所有元件无毒无害，满足节能环保要求。4、易于安装、便于维修。智能并丝机结构复杂，并丝动作多，为达到高度智能化的结果，用于控制机器的信号数量多，形式也多样，但单片机与外部器件连接只有两个接口，一为电源接口，一为集成所有控制信号的信号接口。拆卸与安装时，只需松开两接口即可，无需一个端子一个端子地拆卸与安装。维修更换单片机既简单快捷，又保证无错误，是一个理想的控制单元。


:图1为本控制单元原理图；图2为程序结构框图；图3为输入接口信号处理子程序框图；图4按键命令处理子程序框图；图5为计算绕线长度子程序框图；图6并丝过程子程序框图；图7为更新显示子程序框图。
具体实施方式
:信号输入模块由光电隔离`器、缓冲驱动器组成。信号输出模块由锁存器、光电隔离器、功率放大器组成。脉冲输出模块由高速光电隔离器、功率放大器组成。电源转换模块2为信号输出模块的电源。电源转换模块I为其它器件的电源。下面就其实现过程作详细说明。图1为智能并丝机的控制系统，其中虚框部分为控制系统的核心部件单片机，即本发明内容。单片机通过电源接口和信号输入输出接口与外部控制单元相连，从而控制整机运行。电源接口输入开关电源提供的24V电源，作为单片机的输入电源。电源转换模块I为除信号输出模块外的其它器件提供工作电源；电源转换模块2为信号输出模块提供工作电源。电源转换模块I与2输出5V电源，功率为5瓦。绕线电机驱动器与绕线电机驱动智能并丝机主轴旋转绕线，排线电机驱动器与排线电机驱动排线装置往返排线，扭线电机驱动扭线装置旋转扭线，三个电机的运行状况及相互关系由单片机程序按并丝工艺精确控制。气缸控制信号控制所有气缸动作，如安装空盘、剪线夹线、收集成品盘等等。其它控制信号包括启动、停止、急停、复位、信号灯等。传感器输入信号有报警信息、排线状态、线盘安装是否到位等信息。它们都在单片机的控制下按规定程序运行，并将运行状态返回单片机。整机通电后，单片机程序一方面接收操作人员的键盘按键命令，形成工作参数，或者执行操作命令，输出控制信号形成设备动作；另一方面，单片机接收信号输入与输出接口的输入信号，处理信号，及时响应信号内容。通过软硬件相结合，单片机控制智能并丝机的所有工作过程，完成各种并丝工作。以下说明单片机硬件与软件。硬件部分:见图1虚框部分，MCU是单片机的处理器。本例中MCU采用PIC高端处理芯片18F452。键盘阵列、液晶显示、信号输入模块、信号输出模块通过8位数据线与MCU连接，直接进行8位数据交换。MCU用3根控制线与日历时间芯片相连接，读写日历时间。MCU通过控制线与储存器连接，串行读写存储器数据。MCU通过串口与串口通讯器件连接，与外部控制单元进行485通讯。MCU产生的脉冲及脉冲方向由控制线输出到脉冲输出模块。MCU通过片选扩展器件扩展片选控制线，选择控制所有与数据线连接的器件。MCU的8位数据线作为单片机的数据总线，所有与MCU连接的扩展芯片的数据线都连接在数据总线上。MCU通过数据总线读写各连接扩展芯片的数据，完成信息交换。MCU的控制线根据功能分类，分别用来作为片选控制线、串口通讯控制线、显示模块控制线、存储器和日历时间控制连接线，以及脉冲和脉冲方向控制线。片选扩展器件由I只HC138与I只LS04组成。它将MCU的3条控制线扩展为8条，该8条控制线与MCU上其它控制线一起作为连接在数据总线上的器件的片选控制线，使得MCU可以点对点读写数据总线上的元件数据信息。键盘阵列由I只74HC373与I只74HC244组成，最多可以形成64只按键，本单片机只用30只按键。74HC373与74HC244的数据线连接到数据总线上，MCU通过查询方式读入按键信息。日历时间芯片直接与MCU的控制线连接，为MCU提供日历时间，这样，单片机可以记录机器的运行时间及其它时间参数。芯片的晶振频率为32.768K。
存储器运用串行传输方式直接与MCU控制线连接。作为MCU的扩展存储器件，与MCU的片内存储器一起，用来存储单片机的字符数据、工作参数、及其它数据。液晶显示的8位数据线连接数据总线，其它读写、片选等控制信号引脚直接与MCU的控制线连接，接收显示MCU的各种数据信息。信号输入模块由3只74HC244与12只D207组成，每只74HC244接4只D207，最多可以形成24路输入信号。D207作为光电隔离器件,一端接74HC244的输入端,另一端通过信号输入与输出接口连接传感器输入信号。3只74HC244的数据线连接到数据总线，片选线连接到MCU的控制线或扩展片选控制线。这样，MCU通过查询方式就可以读入传感器信号。信号输出模块由3只74HC373、12只D207及若干只功率放大器组成。放大器的输出端经信号输入与输出接口接气缸控制继电器控制气缸动作，放大器的输入端接光电隔离器件D207的输出端。74HC373的数据线连接到数据总线，输出端接光电隔离器D207的输入端，片选线连接到MCU的控制线或扩展片选控制线。MCU的控制信号经74HC373锁存，D207隔离，及功率放大器放大后，变成24伏的继电器控制信号。单片机最多可以输出24路控制信号。串口通讯器件为485串口元件。它的输入端直接与MCU的串口连接，输出端经信号输入与输出接口与绕线电机驱动器及排线电机驱动器连接，进行点对点串口通讯。根据驱动器的地址安排，单片机可以连接I个串口对象，也可以连接多个对象。脉冲输出模块由I只高速光耦与I只功率放大器组成，高速光耦的输入端接MCU的脉冲输出，输出端接放大器的输入端，放大器的输出端经信号输入与输出接口连接排线驱动器。MCU发出的脉冲方波经高速光耦由放大器放大后作为排线驱动器的位置脉冲信号。[0051]其它输出由I只74HC373完成，可以输出8路电平信号，用以控制单片机键盘指示灯灯开关及单片机本板报警声音等。软件部分:软件程序既能用C语言编程，也能用汇编语言编程。主程序存放于MCU内，除主程序外，主要还有处理输入接口信号的子程序、处理按键命令的子程序、更新参数信息的显示子程序、计算绕线长度的子程序、以及运行并丝步骤的子程序等。参数与文本显示程序将参数与文本字符保存在存储器内，MCU程序在运行过程中实时调用的存储器内的的参数与字符数据。程序结构框图见图2。单片机通电后，MCU主程序自动运行，完成初始化，取得机器当前的运行参数与状态，读取两驱动器的有关参数，然后循环查询各子程序的运行条件，条件满足则调入相应子程序运行，条件不满足则查询下一子程序运行条件。各子程序运行条件按顺序循环查询，直到单片机断电，程序终止运行。MCU程序除图2部分外，还有中断子程序，包括定时器中断与输出脉冲中断。定时器中断作为程序事件的计时或计数；脉冲中断用来记录输出的脉冲数量。一旦有中断事件发生，MCU将立即终止当前运行的程序，处理中断事件，运行中断程序。中断程序运行结束，再接着运行被终止的程序。 初始化:有程序参数初始化、485串口初始化、中断初始化、存储器串行读写初始化、脉冲发生器初始化、日历时间初始化等。初始化程序在单片机上电第一时间完成。读取参数:有单片机本身的参数，如设定的绕线速度、长度及排线位置等；还有两驱动器的有关参数，使得单片机与驱动器的状态保持一致。输入接口信号处理子程序:包括处理操作按钮命令，如启动、停止、急停、复位；处理各类报警信息，如断丝、空盘安装错误、排线错误等等。接口输入信号由3只74HC244组成，最多可以输入24路信号,分成3组,每组8路输入信号。MCU通过查询方式处理所有输入信息。输入接口信号处理子程序框图见图3所示。按键命令处理子程序:处理单片机键盘的所有功能按键命令，如启动、停止、调速、菜单等等；处理所有菜单命令，如排线位置参数调整、绕线长度设定、排线节距与线径设定等等。一般情况下，键盘按键与菜单命令相结合，完成并丝机的功能操作或参数设定。MCU通过查询方式确定是否有按键产生，即程序顺序输出列(或行)数据(该列或行对应位为0)，再输入行(或列)数据，如果输入的数据有O位，则说明对应位有按键产生，可以执行按键命令。按键命令处理子程序框图如图4所示。计算绕线长度子程序:智能并丝机没有测定绕线长度的装置，绕线长度由程序依据并丝节距、速度、线径、根数等参数计算得出。长度计算为定时计算、定时显示，并能保证长度精度要求。子程序框图如图5所示。并丝过程子程序:它完成所有的并丝动作，包括连续运行与单步运行，是智能并丝机的主要控制部分。有各气缸控制、排线控制、绕线控制、扭线控制。从安装空盘到收集成品盘，都由该子程序完成。根据并丝工艺设定并丝动作顺序，程序按设定的顺序执行每个并丝动作，每调用I次子程序，顺序执行I个并丝动作。子程序框图如图6所示。更新显示子程序:实时更新或定时更新机器运行参数。实时更新的有报警信息、各参数输入数据更改、各控制状态更改等；定时更新的主要有绕线长度、运行时间、日历时间、加减速转速等。单片机的字符数字显示采用点阵方式，显示前，存储器内必须先保存好字符数据。子程序框图如图7所示。各子程序相对独立，在更改某子程序后，可以尽量不影响其它程序的工作状态。单片机安装在设备的操作柜上，通过一根信号电缆与一根电源线与整机的其它部件相连。整机上 电，单片机立即运行，可以进行各项操作，整机断电，单片机停止运行。
权利要求1.一种智能并丝机控制单兀,其特征在于它包含处理器MCU、信号输入与输出、存储、通讯、脉冲发生器、日历时钟、以及按键阵列组成；软件部分包括友好人机界面、主机控制与排线控制、并丝参数计算、输入输出信号处理、按键操作、扭线控制、断电记忆部分；硬件部分:MCU是单片机的处理器，MCU采用PIC高端处理芯片18F452，键盘阵列、液晶显示、信号输入模块、信号输出模块通过8位数据线与MCU连接，直接进行8位数据交换，MCU用3根控制线与日历时间芯片相连接，读写日历时间，MCU通过控制线与储存器连接，串行读写存储器数据，MCU通过串口与串口通讯器件连接，与外部控制单元进行485通讯，MCU产生的脉冲及脉冲方向由控制线输出到脉冲输出模块，MCU通过片选扩展器件扩展片选控制线，选择控制所有与数据线连接的器件，MCU的8位数据线作为单片机的数据总线，所有与MCU连接的扩展芯片的数据线都连接在数据总线上，MCU通过数据总线读写各连接扩展芯片的数据，完成信息交换，MCU的控制线根据功能分类，分别用来作为片选控制线、串口通讯控制线、显示模块控制线、存储器和日历时间控制连接线，以及脉冲和脉冲方向控制线； 片选扩展器件由I只HC138与I只LS04组成，它将MCU的3条控制线扩展为8条，该8条控制线与MCU上其它控制线一起作为连接在数据总线上的器件的片选控制线，使得MCU可以点对点读写数据总线上的元件数据信息， 键盘阵列由I只74HC373与I只74HC244组成，最多可以形成64只按键，本单片机只用30只按键，74HC373与74HC244的数据线连接到数据总线上，MCU通过查询方式读入按键信息； 日历时间芯片直接与MCU的控制线连接，为MCU提供日历时间，这样，单片机可以记录机器的运行时间及其它时间参数；芯片的晶振频率为32.768K ； 存储器运用串行传输方式直接与MCU控制线连接，作为MCU的扩展存储器件，与MCU的片内存储器一起，用来存储单·片机的字符数据、工作参数、及其它数据； 液晶显示的8位数据线连接数据总线，其它读写、片选等控制信号引脚直接与MCU的控制线连接，接收显示MCU的各种数据信息； 信号输入模块由3只74HC244与12只D207组成，每只74HC244接4只D207，最多可以形成24路输入信号，D207作为光电隔离器件,一端接74HC244的输入端,另一端通过信号输入与输出接口连接传感器输入信号，3只74HC244的数据线连接到数据总线，片选线连接到MCU的控制线或扩展片选控制线，这样，MCU通过查询方式就可以读入传感器信号； 信号输出模块由3只74HC373U2只D207及若干只功率放大器组成，放大器的输出端经信号输入与输出接口接气缸控制继电器控制气缸动作，放大器的输入端接光电隔离器件D207的输出端，74HC373的数据线连接到数据总线，输出端接光电隔离器D207的输入端，片选线连接到MCU的控制线或扩展片选控制线，MCU的控制信号经74HC373锁存，D207隔离，及功率放大器放大后，变成24伏的继电器控制信号，单片机最多可以输出24路控制信号；串口通讯器件为485串口元件；它的输入端直接与MCU的串口连接，输出端经信号输入与输出接口与绕线电机驱动器及排线电机驱动器连接，进行点对点串口通讯，根据驱动器的地址安排，单片机可以连接I个串口对象，也可以连接多个对象； 脉冲输出模块由I只高速光耦与I只功率放大器组成，高速光耦的输入端接MCU的脉冲输出，输出端接放大器的输入端，放大器的输出端经信号输入与输出接口连接排线驱动器，MCU发出的脉冲方波经高速光耦由放大器放大后作为排线驱动器的位置脉冲信号；其它输出由I只74HC373完成，可以输出8路电平信号，用以控制单片机键盘指示灯灯开关及单片机本板报 警声音等。
专利摘要一种智能并丝机控制单元，涉及的是智能并丝机的一种控制单元，属于电线电缆制造领域。单片机作为整机控制系统的核心单元，由硬件与软件两部分组成。硬件主要有显示部件与控制部件组成，控制部件包含处理器MCU、信号输入与输出、存储、通讯、脉冲发生器、日历时钟、以及按键阵列等部分组成。软件具体包括友好人机界面、主机控制与排线控制、并丝参数计算、输入输出信号处理、按键操作、扭线控制、断电记忆等部分。各部分有机结合又相对独立，确保整机高速运行又能实时控制。智能并丝机控制单元(单片机)具有以下优点1、集成度高，控制功能齐备。2、操作简单、人机界面友好。3、性价比高、节能环保。
文档编号G05B19/042GK203101902SQ201320075549
公开日2013年7月31日 申请日期2013年2月18日 优先权日2013年2月18日
发明者包天申, 王立文 申请人:杭州三普机械有限公司