1. Einleitung. Wickelmaschinen, als Spezialausrüstung in der Elektronikindustrie, werden in meinem Land seit vielen Jahren hergestellt und eingesetzt. Seit der Reform- und Öffnungspolitik haben chinesische Komponentenhersteller auch viele ausländische Wickelmaschinen importiert. Gängige Typen sind Parallelwickelmaschinen, Ringkernwickelmaschinen und verschiedene Spezialwickelmaschinen. Beim Wickeln feiner Lackdrähte stoßen diese Maschinen auf häufige Probleme, wie z. B. die Unfähigkeit, eine saubere Drahtanordnung zu erzielen und die Wickelspannung zu kontrollieren. Diese Probleme treten besonders deutlich beim Wickeln von Schwingspulen und Sensorkernen mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm auf. Um dieses Problem zu lösen, haben wir eine Wickelmaschine speziell für feine Lackdrähte entwickelt, die das Problem effektiv behebt. Die mit dieser Maschine gewickelte Spule eines magnetoelektrischen Vibrationssensorkerns weist eine stabile Spannung, eine gute Gleichmäßigkeit des Gleichstromwiderstands der Spule, eine saubere Drahtanordnung und ein spiegelglattes Aussehen auf. 2. Das Funktionsprinzip entspricht dem einer herkömmlichen Wickelmaschine. Die Präzisionswickelmaschine verwendet ebenfalls einen Schrittmotor für die Drahtführung und einen Federreibplatten-Spanner zur Spannungsregelung. Um jedoch die Konstruktionsanforderungen zu erfüllen, wurden zahlreiche gezielte Verbesserungen vorgenommen. Es wurde ein kombiniertes Drahtwickelverfahren eingeführt und eine Spannungsanzeige hinzugefügt, wodurch die Gesamtleistung der Maschine und die Produktqualität deutlich verbessert wurden. 2.1 Drahtwickelspannung: Beim Wickeln von feinem Lackdraht führt zu hohe Spannung aufgrund des geringen Drahtdurchmessers zu einer Dehnung des Drahtes und damit zu einem Anstieg des Gleichstromwiderstands der Spule. In der Serienfertigung kann eine instabile Spannung zudem erhebliche Unterschiede im Gleichstromwiderstand zwischen den Spulen verursachen. Daher ist eine präzise Spannungsregelung unerlässlich. Aus diesem Grund wurde zwischen dem herkömmlichen Drahtwickelspanner und der Saphirnadel eine Spannungsanzeige integriert. Diese mechanische Spannungsanzeige ermöglicht die direkte Ablesung der Wickelspannung in Gramm an der Zeigerskala und vermeidet so Abweichungen, die durch erfahrungsbasierte Einstellungen des Bedieners entstehen können. Die Spannungsanzeige trägt außerdem zur Reduzierung von Drahtvibrationen bei hohen Wickelgeschwindigkeiten bei. Drahtwickelspanner für feine Drähte sind in der Regel Federreibplatten-Spannvorrichtungen, die bei sorgfältiger Einstellung alle Anforderungen erfüllen. 2.2 Prinzip der Drahtanordnung: Beim Wickeln von Dünndrahtspulen werden üblicherweise zwei Drahtanordnungsverfahren angewendet: die freie und die erzwungene Drahtanordnung. Jedes Verfahren hat seine Vor- und Nachteile. Die freie Drahtanordnung nutzt die Drahtspannung und die Schwingung eines oszillierenden Rades oder Pendels zur Drahtführung. Der Abstand zwischen Führungsrad und Spulenrahmen ist relativ groß. Mit der richtigen Justierung lässt sich jede Windung fest wickeln, wodurch ein spiegelbildlicher Effekt erzielt wird. Die Justierung gestaltet sich jedoch schwierig, hauptsächlich aufgrund des hohen mechanischen Aufwands. Die erzwungene Drahtanordnung nutzt die Synchronbewegung von Wickelspindel und Drahtanordnungswelle. Dadurch kann der Drahtanordnungsmechanismus mit jeder Windung um eine bestimmte Strecke, typischerweise einen Drahtdurchmesser, vorrücken. Dank der Entwicklung der elektronischen numerischen Steuerung (ENC) ist dies problemlos möglich. Sind die Wickelparameter voreingestellt, kann der Wickelvorgang ohne größere Justierungen durchgeführt werden. Nach wiederholten Versuchen zeigte sich jedoch, dass die erzwungene Drahtanordnung bei Spulen mit einem Durchmesser unter 0,1 mm und hohen Geschwindigkeiten sehr schwierig ist und häufig zu unregelmäßigen Wicklungen führt. Das neue Verfahren kombiniert beide Methoden, nutzt ihre Stärken und gleicht ihre Schwächen aus. Die erzwungene Drahtanordnung bildet die primäre Methode und wird durch die freie Drahtanordnung ergänzt. Der Abstand zwischen der Saphirnadel und dem Spulenrahmen wird vergrößert. Das Steuerungssystem berechnet die tatsächlichen Verdrahtungsparameter anhand dieses Abstands und der eingestellten Wicklungsparameter und korrigiert diese anschließend anhand der tatsächlichen Anpassungen. Da das Steuerungssystem über einen Stromausfallschutz verfügt, können nach wenigen Anpassungen für jede Spulenspezifikation schnell ideale Wicklungsparameter ermittelt und gespeichert werden. Während des Wickelvorgangs ist die Schwingung der Saphirnadel mit der Wickelspindel synchronisiert, ihre Schwingungsamplitude jedoch geringer als bei alleiniger Zwangsverdrahtung. Dadurch bleibt genügend Spielraum für die freie Verdrahtung, um deren enge Wicklungseigenschaften optimal zu nutzen. 3. Funktionsprinzip des Steuerungssystems: Wie in Abbildung 1 dargestellt, basiert das Steuerungssystem auf dem Mikrocontroller AT89C52. Da sich der Programmspeicher im Mikrocontroller befindet, können alle vier Ports als Ein-/Ausgänge verwendet werden. Dies vereinfacht die Peripherieschaltung erheblich und erhöht die Systemzuverlässigkeit. 3.1 Mikrocontroller-Schaltung: Die Mikrocontroller-Schaltung dieses Systems ist ein typisches Minimalanwendungssystem. Keiner der vier Ports wird als Daten- oder Adressport verwendet. Port P0 arbeitet im einfachen Ein-/Ausgabemodus und steuert die LED-Anzeige sowie das Lesen und Schreiben des EEPROMs. Ein serielles EEPROM vom Typ X25045 speichert die Wicklungsparameter, um Datenverlust bei Stromausfall zu verhindern, und dient gleichzeitig als Watchdog-Timer für die CPU. Port P1 arbeitet im Ausgabemodus und steuert den Spindelmotor-Wechselrichter M1, den Schrittmotortreiber M2, die elektromagnetische Bremse und den Summer. Port P2 steuert die 4×4-Überwachungstastatur mittels eines herkömmlichen Zeilen-Spalten-Matrix-Scanprinzips. Port P3 dient zur Eingabe von Bedientasten und Wicklungssensorsignalen. Das Zählsensorsignal ist mit dem externen Interrupt-Eingang INT0 verbunden und ein entscheidendes Signal für die korrekte Wicklung. Die Reset-Schaltung und die Quarzoszillatorschaltung sind relativ einfach und werden hier nicht detailliert beschrieben. 3.2 Ausgangsschaltung Die Ausgangsschaltung besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: der Ansteuerung des Spindelmotor-Wechselrichters, der Ansteuerung des Schrittmotortreibers und dem Treiber der LED-Anzeige. Die Frequenzumrichtersteuerung belegt drei I/O-Leitungen: Start, Drehrichtung und zweite Drehzahlwahl, die alle über kleine DC-Relais geschaltet werden. Die zweite Geschwindigkeitswahl wird während des Vorstopps verwendet, um den Frequenzumrichter mit niedriger Drehzahl zu betreiben. Dadurch wird sichergestellt, dass die elektromagnetische Gleichstrombremse beim Erreichen des Umdrehungsgrenzwerts umgehend bremst und somit ein präziser Stopp erreicht wird. Der Schrittmotortreiber verfügt über zwei Steuersignale: ein serielles Schrittimpulssignal und ein Richtungssignal. Beide Signale sind TTL-Pegel und können dank interner Optokoppler-Isolation direkt ausgegeben werden. Intern verteilt der Treiber die seriellen Schrittimpulse kreisförmig und wandelt sie in ein Dreiphasensignal um. Dadurch wird ein Steuersignal vom Mikrocontroller eingespart. Die LED-Anzeige dient als zentrale Mensch-Maschine-Schnittstelle und wird von den integrierten Schaltkreisen MC14499 und 74LS05 gesteuert. Der MC14499 ist ein serieller Sieben-Segment-LED-Encoder-Treiber, der LEDs mit gemeinsamer Kathode über externe Serienwiderstände ansteuert. Er kommuniziert mit dem Mikrocontroller lediglich über drei Signale: CE, CLK und DATA, wodurch I/O-Leitungsressourcen deutlich reduziert werden. 3.3 Eingangsschaltung: Die Eingangssignale umfassen Bedientastensignale und Wicklungssensorsignale. Da diese Signale von der Maschine stammen und lange Leitungen umfassen, sind Isolation und Signalverarbeitung notwendig, um Störungen zu vermeiden. Abbildung 2 zeigt die Schaltungen zur Verarbeitung von Tasten- und Sensorsignalen. Der Unterschied liegt in der Auswahl von U2. Für Tastensignale verwendet U2 einen Optokoppler TLP521-1, während für Sensorsignale ein Schlitzlichtschrankensensor zum Einsatz kommen sollte. Obwohl die drei Sensorsignalschaltungen identisch sind, unterscheiden sich ihre Funktionen deutlich. Das Draht-Nullpositionssignal wird durch eine Lichtblockierplatte ausgelöst und dient als Koordinatenursprung des Schrittmotordrahts. Nach dem Wickeln jeder Spule muss es zum Nullpunkt zurückkehren, um akkumulierte Fehler aufgrund von Schrittverlusten des Schrittmotors oder Spiel der Spindel zu eliminieren. Das Spindel-Nullpositionssignal dient der präzisen Spindelpositionierung und stellt sicher, dass das Wickeln immer von einer bestimmten Position aus beginnt oder an einer festen Position stoppt. Auch dieses Signal wird durch eine Lichtblockierplatte ausgelöst. Das Zählsensorsignal erfüllt zwei Zwecke: Erstens zählt es die Anzahl der Windungen und zweitens dient es als Synchronisationssignal zwischen der Wickelspindel und der Drahtführungswelle. Es handelt sich um ein Interrupt-Eingangssignal. Wenn der Mikrocontroller dieses Signal empfängt, gilt eine Umdrehung als abgeschlossen, und der Schrittmotor soll kontinuierlich eine Strecke zurücklegen, die einem Drahtdurchmesser entspricht. Der Mikrocontroller verteilt diese Strecke gleichmäßig auf zehn Umdrehungen. Dies wird durch einen auf der Spindel montierten Frequenzteiler-Encoder realisiert. Das Steuerungssystem der Wickelmaschine erfordert hohe Echtzeitfähigkeit, und die Verschachtelung zwischen Hauptprogramm und Interrupt-Routinen sowie zwischen den Interrupt-Routinen selbst ist recht komplex. Daher ist das gesamte Programm in Assemblersprache geschrieben und debuggt. Die Nutzung der Interrupt-Ressourcen des Mikrocontrollers ist sinnvoll gestaltet; beispielsweise wird der Timer T0 für die Frequenzmodulationsimpulse des Schrittmotors verwendet, und der externe Interrupt INT0 dient der Umdrehungszählung und der Synchronisationssteuerung. Spezielle Programme für die Tastaturabtastung, die LED-Anzeige, arithmetische Operationen und die Interruptbehandlung sind in der entsprechenden Dokumentation zu finden und werden hier nicht detailliert beschrieben. 4. Fazit: Die CNC-Feindrahtwickelmaschine wurde im Werk des Anwenders in Kleinserien eingesetzt. Die Praxis hat gezeigt, dass ihre Wickelqualität den Anforderungen an Präzisionsspulen entspricht und sie einfach zu debuggen, stabil und zuverlässig ist. Die mittels Präzisionssteuerung durch einen Ein-Chip-Computer realisierte Verbundwickelmethode ist praktisch und durchführbar und hat das Problem der zufälligen Wicklung beim Hochgeschwindigkeitswickeln von Feindrahtspulen mit inländischen und importierten Geräten wirksam gelöst.