【摘要】纤维缠绕是指在工业环境下缠绕机进行的一系列缠绕运动。众所周知，工业环境极其复杂恶劣，若人工进入工业现场进行缠绕加工，会带来各种问题和不便，基于此问题，缠绕机控制系统应运而生。缠绕机控制系统一般是由上位机控制系统和下位机控制系统共同组成。目前，国内针对缠绕机控制系统上位机软件的研究不多且不够全面，无论在安全性、便捷性以及人机界面的友好性上都存在问题。本文利用QT平台进行上位机软件开发，实现人机界面交互、项目管理、运动轨迹点生成等功能，能完成对下位机的实时控制和监测。开发的上位机软件很好地解决安全性、便捷性和人机界面友好性的问题。
【关键词】缠绕机；QT平台；上位机控制系统；便捷性
1引言
由于纤维缠绕制品具有强度大、刚度好、可靠性强等诸多优势，所以纤维缠绕制品广泛的应用于诸多领域[1]，例如机械制造、航空航天航海、军工武器等。纤维缠绕制品一般是由缠绕机进行缠绕完成，而缠绕机控制系统是整个缠绕机的核心[2]。目前针对缠绕机控制系统下位机系统研究较多，下位机一般由运动控制器和伺服电机组成，下位机能直接对被控对象进行控制。但是在进行缠绕时，若每次工人直接对下位机进行控制，这势必会存在一些问题，例如下位机一直在工业环境下，工人不能一直长期处于此环境下，而且下位机不能实现对缠绕项目的管理、安全性的保证。目前，针对缠绕机下位机控制系统和伺服电机控制系统的研究较多，且此类研究已经较全面和成熟。但是对于上位机控制系统的研究较少，尤其是上位机软件的安全性和便捷性的研究比较少，这就迫切的需要对此问题进行深入研究，解决不足。基于此问题，本文进行了深入的研究，利用QT平台编译出上位机软件对缠绕过程进行全程的控制与监视。
2上位机软件的开发
由于QT平台具有较多优势，例如良好的跨平台特性、良好的封装机制、可重用性较好、丰富的API、支持2D/3D图形渲染、支持OpenGL、支持XML等[3，4]。本文利用QT平台进行上位机软件的开发。缠绕机控制系统上位机软件架构如图1所示。如图1所示，此上位机软件架构主要是由表现层、业务层、底层三层组成。表现层主要是用户界面，实现人机交互，业务层是由系统设置模块、项目管理模块和加工控制模块组成，底层主要是图形图表开发库和GUI应用程序框架，主要为业务层提供帮助。
2.1业务层。在上位机软件的开发中，业务层较为复杂和重要，本部分将对业务层的系统设置模块和项目管理模块进行详细的阐述和分析。2.1.1系统设置模块业务层系统设置模块的类图，如图2所示。其主要由Wind⁃ingMachine类组成。2.1.2项目管理模块业务层项目管理模块的类图，如图3所示。该模块是由WindingPattern（缠绕线型）、ProjectManger（项目管理）、Project（项目）、LayerWindingParameter（分层缠绕参数）、Head、HeadType、Maderl（芯模）、Body（筒身）、BodyType等类构成。
2.2安全性。安全性是软件设计的核心和关键，针对目前缠绕机上位机控制系统项目管理过程中存在的安全问题，本文增加了权限管理和加密狗验证。控制系统采用校验用户名和密码的方式进行权限管理。若校验结果一致，则允许用户进行操作；若不一致，控制系统弹出警告栏，将输入的错误次数累加一次，若错误次数没有超过错误限制次数则允许用户重新填写密码，若超过则控制系统调用罚函数，禁止用户对界面进行访问操作，等待惩罚结束[5]。当控制系统开启，系统进行初始化检测上位机是否存在加密狗。若不存在加密狗，则系统报出错误，立即退出；若系统存在加密狗功能，则对加密狗的密码进行验证，验证成功，则进入加密狗数据保护状态，保护相关数据不被访问[6]。具体的数据加密流程如图4所示。
2.3界面实现。如图5所示，缠绕机上位机控制系统主界面共分为四个区，分别是加工项目区、信息提示区、功能操作区、缠绕参数区。每个区都具有各自的功能，加工项目区主要进行芯模形状的选择和尺寸参数的录入。信息提示区主要显示缠绕过程中系统的运行情况。功能操作区主要是实现系统启动、暂停、设置等相关功能。缠绕参数区主要进行主轴档位、缠绕参数、缠绕方式等参数的设置和显示。如图6所示，缠绕机上位机控制系统设置界面包含了串口参数设置以及机床设置，其中串口参数设置有串口号、波特率，机床设置主要是零点设置和限位设置。如图7所示，缠绕机上位机控制系统运行界面能实时显示缠绕进度和各轴电机的运行参数，参数包含了主轴运行速度、伸臂轴位置、小车位置、丝嘴翻转角度等。在缠绕过程中，上位机控制系统能实时对缠绕机的运行情况进行监测，一旦缠绕出现错误和故障，可以立即点击暂停按钮，防止机床和电机出现损伤，造成缠绕事故。
3下位机运动轨迹仿真
由于通过下位机控制电机参数，会带来诸多问题和不便。本文进行了缠绕机上位机控制系统的开发，操作人员可以通过上位机直接给下位机发送指令对电机进行控制和参数监视，达到稳定缠绕的要求。本文设计开发的上位机软件具有良好的人机交互性、便捷性和安全性，操作人员能较好的对整个系统进行精确控制和安全控制。下面本文将通过下位机运动控制器自带的AutoThink软件，对上位机发送给下位机的运动轨迹点进行轨迹曲线拟合和仿真，验证本文设计上位机软件的可行性和便捷性。打开上位机软件界面后，操作人员先进行身份安全验证，通过验证后，进行缠绕参数设置和项目设置，然后通过相关算法[7，8]，上位机自动生成运动轨迹点，最后操作人员将运动轨迹点和缠绕参数发送给下位机进行执行，下位机运动控制器对接收到的运动轨迹点进行处理后，通过自带的模拟仿真功能，对运动轨迹点进行了仿真拟合。如图8所示，红色、蓝色、绿色分别代表轴1（小车往复）、轴2（丝嘴翻转）、轴3（丝嘴伸臂）的运动轨迹曲线。
4结论
本文针对缠绕机控制系统中存在的诸多问题进行分析研究，在QT平台上设计开发了缠绕机上位机软件，该软件具有人机界面友好、管理安全、操作便捷等特点，使得操作人员可以脱离下位机控制器，通过上位机软件直接给控制系统发送操作指令以及实时监测缠绕机系统的各项参数，实现稳定安全缠绕。本文最后利用下位机自带的AutoThink软件，对上位机发送给下位机的运动轨迹点进行轨迹仿真，仿真结果验证了上位机软件的可行性和便捷性。本文设计开发的上位机软件，只通过相关算法进行轨迹点生成和发送，没有进行轨迹点的采样和拟合，这就增加了下位机处理轨迹点的难度，该问题需要今后进一步研究和完善。
作者:陈瑞 张宗正 马振兴 李宁 赵红玉 单位:喀什大学物理与电气工程学院