銑床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)位的閉環(huán)控制
2019-11-8 來(lái)源：華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 作者：趙樹(shù)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(shí)意義。普通鋸齒銑床大多采用開(kāi)環(huán)控制，其分度精度較低。為提高分度精度，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)位閉環(huán)控制系統(tǒng)。編碼器是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存的信號(hào)形式的設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。單片機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。因此，通過(guò)控制輸入電脈沖的數(shù)目、頻率及電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(jī)技術(shù)的日益成熟，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在各個(gè)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(jì)了以單片機(jī)作為核心、編碼器作為測(cè)量元件、步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的銑床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
1、銑床分度系統(tǒng)
此次設(shè)計(jì)的冶金鋸片銑床分度系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。銑床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(jī)為核心，動(dòng)力系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)組成，傳動(dòng)系統(tǒng)則由減速器和主軸構(gòu)成。此外對(duì)原先 Ｘ５２１６ 的主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)及優(yōu)化，在滿足加工精度使用要求的前提下設(shè)計(jì)電機(jī)與主軸同向傳動(dòng)，縮短了傳動(dòng)鏈，減少了傳動(dòng)過(guò)程中所造成的誤差。因?yàn)榭紤]到所選用三相步進(jìn)電機(jī)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(jì)了一套傳動(dòng)比ｉ＝１２０ 的 三 級(jí)減速器。為了進(jìn)一步提升銑床分度精度，相比于原來(lái)銑床開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，新的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)加入了編碼器，使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)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(jī)功率和額定電流參數(shù)，綜合考慮選用了驅(qū)動(dòng)器３ＤＭ２２８３，該驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(shí)的分度精度±２′的要求，綜合各方面因素選擇了德國(guó)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(gè)參考點(diǎn)。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(guò)大，減少軸向運(yùn)動(dòng)和軸之間的不對(duì)正誤差，選擇用分離式聯(lián)軸器聯(lián)接驅(qū)動(dòng)軸與編碼器。為確保測(cè)量的高精度，使編碼器軸與驅(qū)動(dòng)軸對(duì)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(guò)膜片式聯(lián)軸器和扁平聯(lián)軸器連接驅(qū)動(dòng)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(jī)
根據(jù)機(jī)床回轉(zhuǎn)平臺(tái) 主 軸 電 機(jī) 啟 動(dòng) 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(jī)。該電機(jī)克服了傳統(tǒng)電機(jī)低速爬行、共振區(qū)明顯、噪聲大、高速扭矩小、啟動(dòng)頻率低等缺點(diǎn)，具有伺 服 的 某 些 特 點(diǎn)。 該 電 機(jī) 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(shí)際使用要求。２．３ 單片機(jī)本系統(tǒng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，選用了８位單片機(jī)，考慮到編碼器有３路信號(hào) Ｚ、Ａ、Ｂ，并且由于５２系列單片機(jī)有３個(gè)定時(shí)計(jì)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(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和后續(xù)處理。所以本次系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了 ＳＴＣ 公司生產(chǎn)的ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機(jī)，該單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便、穩(wěn) 定 性 高 等 特 點(diǎn)。此 外 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 內(nèi)部程序儲(chǔ)存空間達(dá)到８ｋＢ，是５１系列單片機(jī)的兩倍，同時(shí)還支持 ＭＣＳ５１系列單片機(jī)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(tái)分度機(jī)構(gòu)多采用機(jī)械式分度機(jī)構(gòu)，多為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的控制精度相對(duì)較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，抗干擾能力差，加工精度不高。此次設(shè)計(jì)除了對(duì)其控制和驅(qū)動(dòng)裝置以及機(jī)械結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)外，系統(tǒng)中還加入了編碼器，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程有一個(gè)實(shí)時(shí)的檢測(cè)和反饋，構(gòu)成一個(gè)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(jī)
本系統(tǒng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，選用了８位單片機(jī)，考慮到編碼器有３路信號(hào) Ｚ、Ａ、Ｂ，并且由于５２系列單片機(jī)有３個(gè)定時(shí)計(jì)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(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和后續(xù)處理。所以本次系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了 ＳＴＣ 公司生產(chǎn)的ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機(jī)，該單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便、穩(wěn) 定 性 高 等 特 點(diǎn)。此 外 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 內(nèi)部程序儲(chǔ)存空間達(dá)到８ｋＢ，是５１系列單片機(jī)的兩倍，同時(shí)還支持 ＭＣＳ５１系列單片機(jī)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(tái)分度機(jī)構(gòu)多采用機(jī)械式分度機(jī)構(gòu)，多為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的控制精度相對(duì)較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，抗干擾能力差，加工精度不高。此次設(shè)計(jì)除了對(duì)其控制和驅(qū)動(dòng)裝置以及機(jī)械結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)外，系統(tǒng)中還加入了編碼器，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程有一個(gè)實(shí)時(shí)的檢測(cè)和反饋，構(gòu)成一個(gè)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(jī) 為 核 心 和 主 控制器，選用三相步 進(jìn)電機(jī)和 ３ＤＭ２２８３ 驅(qū) 動(dòng) 器組成電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由旋轉(zhuǎn)編碼器作為檢測(cè)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(jī)電技 術(shù) 于一體的速 度 位移傳感器，在檢測(cè)長(zhǎng)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(guò)比對(duì)兩者的相位差，用來(lái)區(qū)分電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。同時(shí)通過(guò)與 Ｚ相脈沖信號(hào)的比對(duì)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(dòng)一圈發(fā)出一個(gè) Ｚ相脈沖，可用它作為機(jī)械零位檢測(cè)，同時(shí)也可以用來(lái)作為系統(tǒng)結(jié)束的標(biāo)識(shí)信號(hào)。控制系統(tǒng)用到了５２系列單片機(jī)的 Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，它們分別記錄編碼器的 Ｚ、Ａ、Ｂ脈沖信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，從而對(duì)銑齒加工分度精度進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的閉環(huán)控制。本次回轉(zhuǎn)工作臺(tái)閉環(huán)控制系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)步距角為 １．２°，在未選用細(xì)分驅(qū)動(dòng)的前提下，單片機(jī)控制端口每輸出一個(gè)脈沖則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)１．２°。已知減速器傳動(dòng)比為１／１２０，所以一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為１．２°／１２０＝０．０１°。那么轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)分度數(shù)所需的電子脈沖數(shù)為３６ ０００／ｎ。
驅(qū)動(dòng)器的 ＰＵＬ－、ＤＩＲ－、ＥＮＡ 分別與單片機(jī)的Ｐ１．１、Ｐ１．２、Ｐ１．３接口連接，單片機(jī)通過(guò)這３個(gè)引腳與３ＤＭ２２８３進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，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(dòng)器接入２２０Ｖ 交流電用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，ＰＥ 端接地線，同時(shí) Ｕ、Ｖ、Ｗ 端口接入三相步進(jìn)電機(jī)。
本次研究選用了１１０系列三相步進(jìn)電機(jī)，它的控制等效電路如圖５所示。三相步進(jìn)電機(jī)有３條勵(lì)磁信號(hào)引線 A、Ｂ、C、其轉(zhuǎn)動(dòng)由這３條引線上勵(lì)磁脈沖產(chǎn)生的時(shí)間決定，每出現(xiàn)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)脈沖角。要想實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器依序不斷地向步進(jìn)電機(jī)送出脈沖信號(hào)即可。通過(guò)控制繞組的通電順序來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過(guò)調(diào)整脈沖信號(hào)的頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，頻率越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。正向轉(zhuǎn)動(dòng)的通電順為Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ，反向轉(zhuǎn)動(dòng)的通電順序?yàn)?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(jī)的控制等效電路
4、 軟件設(shè)計(jì)
通過(guò)各硬件模塊的搭建，初步具備了實(shí)現(xiàn)銑床分度精度系統(tǒng)閉環(huán)控制的條件。通過(guò) ＭＣＳ－５１單片機(jī)的匯編語(yǔ)言 可 以 實(shí) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 初 始 化，歸 零 點(diǎn) 子 程 序，Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２定時(shí)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)采集分析，步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的發(fā)生等模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)銑床分度機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)
由于在加工車間之中同時(shí)存在眾多的大功率用電設(shè)備，例如各類機(jī)床、電焊機(jī)、高功率電機(jī)、繼電器等，這些設(shè)備的動(dòng)作會(huì)造成電磁干擾、機(jī)械干擾、噪聲 干擾、光干擾等，影響本系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，破壞了分度系統(tǒng)的精度，因此必須采取有效措施來(lái)排除這些干擾。通過(guò)設(shè)置隔離變壓器、交流凈化電源、低通濾波器等裝置，來(lái)降低電網(wǎng)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。將電路板所用開(kāi)關(guān)電源的直流全部浮空，對(duì)硬件采取合理的布置，信號(hào)走線統(tǒng)一從左向右。用地線將各部分隔離開(kāi)來(lái)，從而減少高頻脈沖信號(hào)及電磁離合器對(duì)分度系統(tǒng)的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)光電 隔離電 路 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 單 片 機(jī) 電 路Ｉ／Ｏ端口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)和執(zhí)行程序跑飛影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)置看門狗電路，使得單片機(jī)電路在遇到故障時(shí)能夠自動(dòng)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(yǔ)
此次研究基于ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機(jī)，利用３ＤＭ２２８３驅(qū)動(dòng)器和１１０系列三相步進(jìn)電機(jī)以及編碼器對(duì)傳統(tǒng)的銑床分度工作臺(tái)進(jìn)行了改造升級(jí)。使之由過(guò)去的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)升級(jí)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(jī)有３個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)，直接與編碼器的三路信號(hào)相連，記錄銑床回轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)情況，繼而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步控制電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)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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