銑床回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)位的閉環(huán)控制

趙樹忠，郭 豪

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

0 引言

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(jī)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(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[1]，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)工作臺轉(zhuǎn)位的閉環(huán)控制總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 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(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5 VDC，固有頻率≥1 200 Hz，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(yùn)動(dòng)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(dòng)軸與編碼器。為確保測量的高精度，使編碼器軸與驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸。編碼器安裝示意圖如圖2所示。

1-回轉(zhuǎn)工作臺；2-驅(qū)動(dòng)軸;3-聯(lián)軸器；4-編碼器

2.2 步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)機(jī)床回轉(zhuǎn)平臺主軸電機(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20 Nm，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)控制相對簡單，選用了8位單片機(jī)，考慮到編碼器有3路信號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)部程序儲存空間達(dá)到8 kB，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)工作臺分度機(jī)構(gòu)多采用機(jī)械式分度機(jī)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(jì)除了對其控制和驅(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，對整個(gè)加工過程有一個(gè)實(shí)時(shí)的檢測和反饋，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。

圖3 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(jī)的正、反轉(zhuǎn)。同時(shí)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(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[2]，同時(shí)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(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。通過單片機(jī)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號，從而對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(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[3]。

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5 VDC。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220 V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，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(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)送出脈沖信號即可。通過控制繞組的通電順序來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過調(diào)整脈沖信號的頻率來控制步進(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)的通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA,反向轉(zhuǎn)動(dòng)的通電順序?yàn)镃-CB-B-BA-A-AC。

圖4 轉(zhuǎn)位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件連接圖

圖5 步進(jìn)電機(jī)的控制等效電路

4 軟件設(shè)計(jì)

通過各硬件模塊的搭建，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MCS-51單片機(jī)的匯編語言可以實(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)對銑床分度機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)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(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(jì)光電隔離電路來實(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，對電路板上的+5 V和+24 V的電源入口接入0.01 μF的瓷片電容和100 μF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。

圖6 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(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(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(jī)的脈沖信號進(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。

參考文獻(xiàn)：

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