一種小型雕刻機(jī)低成本實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方案的研究

盧桂萍，賴?yán)も?，宋圳基，孫　妍

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 珠海519088）

一種小型雕刻機(jī)低成本實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方案的研究

盧桂萍，賴?yán)も?，宋圳基，孫妍

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 珠海519088）

介紹了一種小型雕刻機(jī)低成本實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的方案，通過在運(yùn)動(dòng)部件上固定同步帶一端，編碼器輸入軸上安裝同步輪，同步帶與同步輪嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)編碼器對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置信息檢測的方法實(shí)現(xiàn)反饋。通過主控單片機(jī)的程序算法根據(jù)編碼器信息對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，最終可以以低成本實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。相比于行業(yè)上常用的光柵尺和磁柵尺作為位置檢測傳感器，與伺服電機(jī)組成閉環(huán)控制的方式，所介紹的閉環(huán)控制方案在成本上有極大的優(yōu)勢。

雕刻機(jī)；閉環(huán)控制；低成本；同步帶

雕刻機(jī)作為一種加工設(shè)備，其精度和精度穩(wěn)定性需在各種加工工況下得到保證，才能實(shí)現(xiàn)高精度的加工。而市面上在售的小型雕刻機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)單元為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，傳動(dòng)方式為滾珠絲杠螺母副或齒輪齒條副，其所能實(shí)現(xiàn)的控制方式只是開環(huán)或者半閉環(huán)控制，在進(jìn)給過大或者意外撞擊時(shí)發(fā)生有可能會(huì)發(fā)生丟步或者機(jī)構(gòu)形變導(dǎo)致產(chǎn)生加工誤差，而這些誤差的產(chǎn)生并不能由雕刻機(jī)的控制器檢測到，所以這些誤差是不可控的而且不能作任何的補(bǔ)償［1-2］。行業(yè)里常用的有光柵尺和磁柵尺作為位置檢測傳感器，與伺服電機(jī)組成閉環(huán)控制，這兩種方案可以實(shí)現(xiàn)高精度的檢測，但是造價(jià)成本高，不適宜應(yīng)用于低成本的小型雕刻機(jī)上［3］，本文介紹一種低成本的閉環(huán)控制方案，采用步進(jìn)電機(jī)和編碼器組成的閉環(huán)控制方式。圖1所示為全自動(dòng)雕刻機(jī)。

圖1　本文設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)

1　原理

實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制則需要直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的位置信息，本文所采用的方法為編碼器和同步帶組合，具體實(shí)現(xiàn)方案是將同步帶固定在運(yùn)動(dòng)部件上，編碼器輸入軸上安裝有同步輪，同步帶與同步輪嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)編碼器對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置信息檢測［4-5］，如圖2所示。

圖2　Y軸閉環(huán)結(jié)構(gòu)示意

1.1編碼器控制方法

編碼器以歐姆龍E6B2-CWZ6C為例，該編碼器的分辨率，共有3路信號(hào)輸出，分別為A相、B相、Z相，其中A相和B相每旋轉(zhuǎn)一周都會(huì)輸出2000個(gè)脈沖，而且兩路信號(hào)間隔，T為1圈360°，可以根據(jù)A相和B相的信號(hào)先后確定旋轉(zhuǎn)方向，Z相為每旋轉(zhuǎn)一圈則輸出1個(gè)脈沖，如圖3所示。

圖3　編碼器信號(hào)定義

1.2同步輪設(shè)計(jì)

同步輪選用型號(hào)為為HTD-3M，齒數(shù)為22的同步輪，其外徑d0=20.25 mm，選用的同步帶的厚度h0=0.5 mm，則可知該結(jié)構(gòu)可對(duì)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)的分辨率為：

≈0.032 6 mm/p

控制核心選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F217單片機(jī)，利用單片機(jī)的定時(shí)器功能中的正交編碼模式對(duì)編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，配置其計(jì)數(shù)模式為TIM編碼模式3，即對(duì)所有邊緣都進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以編碼器每旋轉(zhuǎn)1/2 000圈單片機(jī)則可以捕獲4個(gè)有效信號(hào)，所以2 000P/R的編碼器可以實(shí)現(xiàn)4倍頻的檢測，即8 000 P/R的分辨率，那么最終該結(jié)構(gòu)和單片機(jī)的組合可以實(shí)現(xiàn)的分辨率為：

P1＝P×1/4=0.008 15 mm≈0.032 6 mm/p

2　獲取位置信息

以STM32F217單片機(jī)為例，共有14個(gè)定時(shí)器，其中有8個(gè)定時(shí)器可用于正交編碼計(jì)數(shù)，分別為：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM8、TIM9、TIM12；有10個(gè)定時(shí)器可用于脈沖輸出用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，分別為：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM8、TIM9、TIM10、TIM11、TIM12、TIM13、TIM14.以小型四軸雕刻機(jī)為例，單片機(jī)需要完成4個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和4個(gè)編碼器脈沖的獲取，所以需要分配單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器資源，定時(shí)器TIM1、TIM8、TIM10、TIM11用于輸出頻率可變的脈沖，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，定時(shí)器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5用于獲取編碼器信息。以Y軸的定時(shí)器TIM2為例，將其配置為正交編碼模式，觸發(fā)模式為上下邊沿觸發(fā)，那么編碼器的A相和B相在編碼器旋轉(zhuǎn)1/2 000圈時(shí)就可以完成對(duì)單片機(jī)4次觸發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)編碼器的4倍頻檢測，從而提高反饋系統(tǒng)的分辨率進(jìn)而提高閉環(huán)精度，定時(shí)器TIM2的初始化設(shè)定程序如下。

編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)TIM-＞CNT的值就會(huì)在初始值3000的基礎(chǔ)上累加，反轉(zhuǎn)是則會(huì)減去相應(yīng)的數(shù)值，通過定期讀取TIM-＞CNT的值就可以知道Y軸在這段時(shí)間內(nèi)實(shí)際移動(dòng)的距離，其余3個(gè)軸也是同樣的操作。

3　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

以Y軸動(dòng)單元為例，選用57步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力單元，步距角為1.8°，DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分選擇為2 000 p/r，即每輸入2 000個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)1圈，輸入1個(gè)脈沖就步進(jìn)電機(jī)就完成相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)部件的位置由脈沖量確定，而速度則是有前后兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間即脈沖頻率來確定，那么單片機(jī)通過輸出脈沖數(shù)和脈沖頻率可調(diào)的脈沖來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)軸的控制，以Y軸的定時(shí)器TIM8為例，通過程序?qū)⑵渑渲脼镻WM輸出模式，并且將輸出管腳映射到PC6，將PC6管腳通過電氣連接到Y(jié)軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端即可通過程序來控制Y軸的步進(jìn)電機(jī)，其配置程序如下［6］。

通過函數(shù)void Stepping_Motor_Y（uint8_t dir_y，uint32_t pul_y，uint32_t amount_y）來對(duì)Y軸的電機(jī)進(jìn)行控制，參數(shù)dir_y設(shè)定電機(jī)的不使能或者正反轉(zhuǎn)，參數(shù)pul_y設(shè)定脈沖的頻率即電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，參數(shù)amount_y設(shè)定本次輸出脈沖的總數(shù)即運(yùn)動(dòng)部件的位移，以小型四軸雕刻機(jī)為例，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)的思路為：根據(jù)每1條G代碼或者其它的數(shù)控的移動(dòng)指令解析成每個(gè)軸所需的移動(dòng)量以及移動(dòng)速度，通過類似的設(shè)定函數(shù)配置好每個(gè)軸的參數(shù)，然后根據(jù)4個(gè)軸中最先需要移動(dòng)的軸為基準(zhǔn)，對(duì)該軸的的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，等該軸輸出到相應(yīng)脈沖量后啟動(dòng)其他的軸，可以準(zhǔn)確的分配不同的軸的啟動(dòng)時(shí)間，完成不同軸的插補(bǔ)順序，驅(qū)動(dòng)程序如下。

4　閉環(huán)處理

步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制單元，單片機(jī)輸出脈沖給驅(qū)動(dòng)器后不能得知步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生丟步，所以就引入了編碼器和同步帶搭配的位置檢測方案，單片機(jī)根據(jù)編碼器獲取的位置信息對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)丟步進(jìn)行補(bǔ)償，以及對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)［7-8］。

閉環(huán)控制一般有兩種：一是固定閉環(huán)周期的閉環(huán)控制，二是動(dòng)態(tài)閉環(huán)周期的閉環(huán)控制。固定閉環(huán)周期的閉環(huán)控制是在固定的周期內(nèi)根據(jù)反饋環(huán)的反饋信息對(duì)控制換進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制［9］，但是本文所介紹的小型雕刻機(jī)各軸的速度區(qū)間范圍較大，如果閉環(huán)周期較長則會(huì)降低運(yùn)動(dòng)部件在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的閉環(huán)精度，如果閉環(huán)周期較短，可以滿足低速時(shí)的閉環(huán)精度，但是會(huì)一直消耗單片機(jī)的寶貴的處理能力，而且并不是所有的運(yùn)動(dòng)都需要這么短的閉環(huán)周期。所以選擇動(dòng)態(tài)閉環(huán)周期的閉環(huán)控制方式，動(dòng)態(tài)的周期的根據(jù)輸出相應(yīng)的脈沖量后進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，在低速和高速時(shí)都可以保證閉環(huán)精度，并且不會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)處理量的浪費(fèi)，而且也可以根據(jù)不同分辨率的編碼器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)快速改變閉環(huán)精度［10］。以Y軸移動(dòng)部件為例，采用的傳動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)通過雙膜片式聯(lián)軸器以絲桿連接，傳動(dòng)比為1:1，絲桿型號(hào)為1605，導(dǎo)程Ph0=5 mm/r，可以得知每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)Y軸運(yùn)動(dòng)部件的位移量為：

4×0.002 5=0.01 mm

5　結(jié)束語

經(jīng)過上面論證和實(shí)際加工運(yùn)行驗(yàn)證，本文介紹的閉環(huán)控制方案的閉環(huán)的精度可以滿足小型雕刻機(jī)的加工精度，相比于單純用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制有著不可比擬的精度穩(wěn)定性，相比于市面上采用光柵尺或者磁柵尺的雕刻機(jī)在成本上更加競爭優(yōu)勢。

當(dāng)然，本方案也存在一些不足之處有待完善，如不能用在大型機(jī)床上，避免長距離的同步帶由于自身重量在垂直方向上有誤差，同時(shí)本方案在小型雕刻機(jī)上有著更為廣闊的應(yīng)用空間，例如機(jī)械間隙提前補(bǔ)償?shù)龋部梢杂糜谌我庵本€運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制，或者拓展為減速后的多圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。雕刻機(jī)實(shí)物如圖4所示。

圖4　雕刻機(jī)實(shí)物

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Research on Low-Cost Implementation of Closed-loop Control Program for a Small Engraving Machine

LU Gui-ping，LAI Kun-yu，SONG Zhen-ji，SUN Yan
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Zhuhai Guangdong 519088，China）

The low cost closed-loop control program for a small engraving machine is introduced in this paper. Synchronous belt and synchronous wheel complete gear transmission Based on the moving parts and fixed belt is installed on the shaft encoder input synchronous wheel.So as to realize the feedback method of detecting position information of the moving parts of the encoder.Through the program the microcontroller control algorithm according to the encoder information to the stepper motor control to achieve real-time closed-loop control，the final closedloop control can be achieved at low cost.Compared to the industry commonly used grating and magnetic grating as a position detection sensor，and servo motor closed-loop control method，the closed-loop control scheme introduced here has great advantages in cost.

engraving machine；closed-loop control；low cost；synchronous belt

TP24

A

1672-545X（2016）07-0031-04

2016-04-07

廣東省“千百十”人才培養(yǎng)工程

盧桂萍（1976-）女，吉林東遼人，碩士學(xué)位，副教授，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)化制造，機(jī)電一體化。