銑床回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)位的閉環(huán)控制
2019-11-8 來源：華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院 作者：趙樹忠 郭豪
應(yīng)用于冶金行業(yè)中的各種鋸片被統(tǒng)稱為冶金鋸片。在鋸片的加工工藝中，銑齒是影響冶金鋸片最終分度精度的關(guān)鍵工序之一，而分度精度決定產(chǎn)品在空間的角度位置，很大程度上決定冶金鋸片的產(chǎn)品質(zhì)量，因此提高冶金鋸片銑床分度精度有很重要的現(xiàn)實意義。普通鋸齒銑床大多采用開環(huán)控制，其分度精度較低。為提高分度精度，本文設(shè)計了一種基于單片機的回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)位閉環(huán)控制系統(tǒng)。編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和儲存的信號形式的設(shè)備。步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。單片機控制端口輸出電脈沖的數(shù)量及其頻率的大小決定了電動機轉(zhuǎn)子角位移的大小和轉(zhuǎn)速的高低，兩者成正比關(guān)系，而繞組的通電順序則決定了電動機的轉(zhuǎn)向。因此，通過控制輸入電脈沖的數(shù)目、頻率及電動機繞組的通電順序就可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，可以很容易地實現(xiàn)步進(jìn)電機的數(shù)字控制，系統(tǒng)幾乎不受電壓和環(huán)境溫度等因素的影響，控制誤差小，穩(wěn)定 性高。隨著單片機技術(shù)的日益成熟，基于單片機的控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合應(yīng)用于性能穩(wěn)定、誤差率低、響應(yīng)迅速的系統(tǒng)當(dāng)中。故本文設(shè)計了以單片機作為核心、編碼器作為測量元件、步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件的銑床回轉(zhuǎn)工作臺的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
1、銑床分度系統(tǒng)
此次設(shè)計的冶金鋸片銑床分度系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等部分構(gòu)成。銑床回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)位的閉環(huán)控制總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。
銑床分度系統(tǒng)的閉環(huán)控制總體結(jié)構(gòu)示意圖
其中控制系統(tǒng)以 ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機為核心，動力系統(tǒng)由步進(jìn)電機和驅(qū)動組成，傳動系統(tǒng)則由減速器和主軸構(gòu)成。此外對原先 Ｘ５２１６ 的主軸傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計及優(yōu)化，在滿足加工精度使用要求的前提下設(shè)計電機與主軸同向傳動，縮短了傳動鏈，減少了傳動過程中所造成的誤差。因為考慮到所選用三相步進(jìn)電機步距角 為 １．２°，不 足 以 滿 足 銑 床 多 樣 加 工 的 要求，因此自行設(shè)計了一套傳動比ｉ＝１２０ 的 三 級減速器。為了進(jìn)一步提升銑床分度精度，相比于原來銑床開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，新的回轉(zhuǎn)工作臺系統(tǒng)加入了編碼器，使整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和精確程度。根據(jù)所選用的步進(jìn)電機功率和額定電流參數(shù)，綜合考慮選用了驅(qū)動器３ＤＭ２２８３，該驅(qū)動器采用了最新３２位ＤＳＰ技術(shù)，可以設(shè)置４００～５１ ２００內(nèi)的細(xì)分以及額定電流內(nèi)的任意電流值，能夠滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用需要。
2、分度系統(tǒng)主要組成部分的確定
２．１ 編碼器
根據(jù)冶金銑齒時的分度精度±２′的要求，綜合各方面因素選擇了德國海德漢公司生產(chǎn)的 ＲＯＮ２７５型角度編碼器，它的系統(tǒng)精度可以達(dá)到±５″，采用 ＴＴＬ電平接口，有一個參考點。供電電源為５ＶＤＣ，固有頻率≥１ ２００Ｈｚ，滿足使用要求。為了避免角度編碼器的軸承受力過大，減少軸向運動和軸之間的不對正誤差，選擇用分離式聯(lián)軸器聯(lián)接驅(qū)動軸與編碼器。為確保測量的高精度，使編碼器軸與驅(qū)動軸對正非常重要。角度編碼器有帶定心環(huán)的內(nèi)置安裝法蘭，編碼器軸通過膜片式聯(lián)軸器和扁平聯(lián)軸器連接驅(qū)動軸。編碼器安裝示意圖如圖２所示。
編碼器安裝示意圖
２．２ 步進(jìn)電機
根據(jù)機床回轉(zhuǎn)平臺 主 軸 電 機 啟 動 扭 矩 ≥１８ Ｎｍ的要求，綜合經(jīng)濟(jì)性考慮選用了雷賽科技的１１０系列三相步進(jìn)電機。該電機克服了傳統(tǒng)電機低速爬行、共振區(qū)明顯、噪聲大、高速扭矩小、啟動頻率低等缺點，具有伺 服 的 某 些 特 點。 該 電 機 的 保 持 扭 矩 可 以 達(dá) 到２０Ｎｍ，步距角為１．２°，步距角精度可以達(dá)到０．０６°，配合減速器的使用，可以很好地滿足實際使用要求。２．３ 單片機本系統(tǒng)控制相對簡單，選用了８位單片機，考慮到編碼器有３路信號 Ｚ、Ａ、Ｂ，并且由于５２系列單片機有３個定時計數(shù)器 Ｔ０、Ｔ１和 Ｔ２，所以相應(yīng)地 Ｚ、Ａ、Ｂ可分別接入 Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)和后續(xù)處理。所以本次系統(tǒng)的改造設(shè)計當(dāng)中采用了 ＳＴＣ 公司生產(chǎn)的ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機，該單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便、穩(wěn) 定 性 高 等 特 點。此 外 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 內(nèi)部程序儲存空間達(dá)到８ｋＢ，是５１系列單片機的兩倍，同時還支持 ＭＣＳ５１系列單片機的所有功能，滿足 系統(tǒng)使用要求。３ 閉環(huán)控制系統(tǒng)３．１ 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成由于老式銑床回轉(zhuǎn)工作臺分度機構(gòu)多采用機械式分度機構(gòu)，多為開環(huán)控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的控制精度相對較低，系統(tǒng)簡單，抗干擾能力差，加工精度不高。此次設(shè)計除了對其控制和驅(qū)動裝置以及機械結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)外，系統(tǒng)中還加入了編碼器，對整個加工過程有一個實時的檢測和反饋，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖３所示。采用閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自我修正能力，提高了加工精度，改善了系統(tǒng)的抗干擾能力，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
２．３ 單片機
本系統(tǒng)控制相對簡單，選用了８位單片機，考慮到編碼器有３路信號 Ｚ、Ａ、Ｂ，并且由于５２系列單片機有３個定時計數(shù)器 Ｔ０、Ｔ１和 Ｔ２，所以相應(yīng)地 Ｚ、Ａ、Ｂ可分別接入 Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)和后續(xù)處理。所以本次系統(tǒng)的改造設(shè)計當(dāng)中采用了 ＳＴＣ 公司生產(chǎn)的ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機，該單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便、穩(wěn) 定 性 高 等 特 點。此 外 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 內(nèi)部程序儲存空間達(dá)到８ｋＢ，是５１系列單片機的兩倍，同時還支持 ＭＣＳ５１系列單片機的所有功能，滿足 系統(tǒng)使用要求。
3、 閉環(huán)控制系統(tǒng)
３．１ 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成
由于老式銑床回轉(zhuǎn)工作臺分度機構(gòu)多采用機械式分度機構(gòu)，多為開環(huán)控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的控制精度相對較低，系統(tǒng)簡單，抗干擾能力差，加工精度不高。此次設(shè)計除了對其控制和驅(qū)動裝置以及機械結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)外，系統(tǒng)中還加入了編碼器，對整個加工過程有一個實時的檢測和反饋，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖３所示。采用閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自我修正能力，提高了加工精度，改善了系統(tǒng)的抗干擾能力，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
閉環(huán)控制系統(tǒng)本系統(tǒng)
主要以 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單 片 機 為 核 心 和 主 控制器，選用三相步 進(jìn)電機和 ３ＤＭ２２８３ 驅(qū) 動 器組成電機和驅(qū)動系統(tǒng)，由旋轉(zhuǎn)編碼器作為檢測元件。３．２ 轉(zhuǎn)位閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件連接編碼器是集光機電技 術(shù) 于一體的速 度 位移傳感器，在檢測長度和旋轉(zhuǎn)角度等方面 得 到廣泛的應(yīng)用。通常其輸出有 Ａ、Ｂ、Ｚ三相脈沖。Ａ、Ｂ相脈沖依旋轉(zhuǎn)方向不同而造成理想相位差分別為±９０°，通過比對兩者的相位差，用來區(qū)分電機的正、反轉(zhuǎn)。同時通過與 Ｚ相脈沖信號的比對可以確定當(dāng)前的回轉(zhuǎn)位置，從而提高回轉(zhuǎn)精度。編碼器每轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出一個 Ｚ相脈沖，可用它作為機械零位檢測，同時也可以用來作為系統(tǒng)結(jié)束的標(biāo)識信號。控制系統(tǒng)用到了５２系列單片機的 Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２三個定時計數(shù)器，它們分別記錄編碼器的 Ｚ、Ａ、Ｂ脈沖信號。通過單片機調(diào)整步進(jìn)電機的驅(qū)動脈沖信號，從而對銑齒加工分度精度進(jìn)行精確控制，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺的閉環(huán)控制。本次回轉(zhuǎn)工作臺閉環(huán)控制系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機步距角為 １．２°，在未選用細(xì)分驅(qū)動的前提下，單片機控制端口每輸出一個脈沖則電機轉(zhuǎn)動１．２°。已知減速器傳動比為１／１２０，所以一個脈沖轉(zhuǎn)動的角度為１．２°／１２０＝０．０１°。那么轉(zhuǎn)動一周所需要的電子脈沖數(shù)為３６０°／０．０１°＝３６ ０００。如果分度數(shù)為ｎ，那么一個分度數(shù)所需的電子脈沖數(shù)為３６ ０００／ｎ。
驅(qū)動器的 ＰＵＬ－、ＤＩＲ－、ＥＮＡ 分別與單片機的Ｐ１．１、Ｐ１．２、Ｐ１．３接口連接，單片機通過這３個引腳與３ＤＭ２２８３進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時，３ＤＭ２２８３的 ＰＵＬ＋、ＤＩＲ＋、ＥＮＡ＋接口分別接５ＶＤＣ。轉(zhuǎn)位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件連接圖如圖４所示，驅(qū)動器接入２２０Ｖ 交流電用以驅(qū)動步進(jìn)電機，ＰＥ 端接地線，同時 Ｕ、Ｖ、Ｗ 端口接入三相步進(jìn)電機。
本次研究選用了１１０系列三相步進(jìn)電機，它的控制等效電路如圖５所示。三相步進(jìn)電機有３條勵磁信號引線 A、Ｂ、C、其轉(zhuǎn)動由這３條引線上勵磁脈沖產(chǎn)生的時間決定，每出現(xiàn)一個脈沖信號，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過一個脈沖角。要想實現(xiàn)步進(jìn)電機的連續(xù)轉(zhuǎn)動，只要通過單片機控制步進(jìn)電機驅(qū)動器依序不斷地向步進(jìn)電機送出脈沖信號即可。通過控制繞組的通電順序來控制電機的轉(zhuǎn)向，通過調(diào)整脈沖信號的頻率來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，頻率越高則電機轉(zhuǎn)速越快。正向轉(zhuǎn)動的通電順為Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ，反向轉(zhuǎn)動的通電順序為 Ｃ－ＣＢ－Ｂ－ＢＡ－Ａ－ＡＣ。
轉(zhuǎn)位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件連接圖
步進(jìn)電機的控制等效電路
4、 軟件設(shè)計
通過各硬件模塊的搭建，初步具備了實現(xiàn)銑床分度精度系統(tǒng)閉環(huán)控制的條件。通過 ＭＣＳ－５１單片機的匯編語言 可 以 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 初 始 化，歸 零 點 子 程 序，Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２定時計數(shù)器的數(shù)據(jù)采集分析，步進(jìn)電機控制脈沖的發(fā)生等模塊的控制，從而實現(xiàn)對銑床分度機構(gòu)的閉環(huán)控制，進(jìn)而實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)位置的精確控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)程序流程如圖６所示。
5、 分度系統(tǒng)抗干擾設(shè)計
由于在加工車間之中同時存在眾多的大功率用電設(shè)備，例如各類機床、電焊機、高功率電機、繼電器等，這些設(shè)備的動作會造成電磁干擾、機械干擾、噪聲 干擾、光干擾等，影響本系統(tǒng)平穩(wěn)運行，破壞了分度系統(tǒng)的精度，因此必須采取有效措施來排除這些干擾。通過設(shè)置隔離變壓器、交流凈化電源、低通濾波器等裝置，來降低電網(wǎng)干擾對系統(tǒng)的影響。將電路板所用開關(guān)電源的直流全部浮空，對硬件采取合理的布置，信號走線統(tǒng)一從左向右。用地線將各部分隔離開來，從而減少高頻脈沖信號及電磁離合器對分度系統(tǒng)的影響。通過設(shè)計光電 隔離電 路 來 實 現(xiàn) 單 片 機 電 路Ｉ／Ｏ端口與步進(jìn)電機驅(qū)動器接口以及光電編碼器接口的電平轉(zhuǎn)換和隔離。為了濾除高頻和低頻的干擾，對電路板上的＋５Ｖ 和＋２４Ｖ 的電源入口接入０．０１μＦ的瓷片電容和１００μＦ的電解電容。為防止電壓波動和執(zhí)行程序跑飛影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，為單片機系統(tǒng)設(shè)置看門狗電路，使得單片機電路在遇到故障時能夠自動復(fù)位，起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。
閉環(huán)控制系統(tǒng)程序流程
6、 結(jié)束語
此次研究基于ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，利用３ＤＭ２２８３驅(qū)動器和１１０系列三相步進(jìn)電機以及編碼器對傳統(tǒng)的銑床分度工作臺進(jìn)行了改造升級。使之由過去的開環(huán)控制系統(tǒng)升級為閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，改進(jìn)了銑齒加工的分度精度。利用５２系列單片機有３個定時計數(shù)器的特點，直接與編碼器的三路信號相連，記錄銑床回轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)情況，繼而對步進(jìn)電機的脈沖信號進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步控制電機進(jìn)行補償，從而提高了分度精度，使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性得到提高。
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