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銑床回轉工作台轉位的閉環控製

2019-11-8 來源：華北（běi）理工大學機械工程學（xué）院作者：趙樹忠郭豪

應用於冶金行業中的各種鋸片被統稱為（wéi）冶金鋸片。在（zài）鋸片的加（jiā）工工藝中，銑齒是影響冶金鋸片最終分度精（jīng）度的關鍵工序之一，而（ér）分度精度決定產品在空間的角度位置，很大程度上決定冶金（jīn）鋸片的產品質量（liàng），因此提高冶金鋸片銑床分（fèn）度精度有很重要的現實意義。普通鋸齒銑床大多采用開環（huán）控製（zhì），其分度精度較低。為提高分度精度，本文設計了一（yī）種（zhǒng）基於單片機的回（huí）轉工作台轉位閉環控製係統。編碼器是將信號或數據進行編製、轉換為可用以通訊、傳輸和儲存的信號（hào）形式的設備（bèi）。步進（jìn）電機是將（jiāng）電脈衝信號轉變為角位移或線位移的控（kòng）製（zhì）元（yuán）件。單片機控製端口輸出電脈衝的數量及其頻率的（de）大小決定了電動機轉子（zǐ）角位移的大小和轉速的高低，兩者成正比關係，而繞組（zǔ）的通電順序則決定（dìng）了電動機的轉向（xiàng）。因此，通過控製輸入電脈衝的數（shù）目、頻率（lǜ）及電動機繞組的通電順序就可以獲得所需要的轉角、轉速及轉向（xiàng），可（kě）以很容易地實現步進電（diàn）機的數字控製，係統幾乎不受電壓和環境溫度等因素的影響，控製誤差（chà）小，穩定性高。隨著單片機（jī）技術的日益成熟，基於單片機的控製係統在各個領域得到了廣（guǎng）泛的應用，特別適合應用（yòng）於性能穩定、誤差率低、響應迅速的係統當中。故本文設計了以單（dān）片機作為核心、編碼器作（zuò）為測量元件、步進電機作為（wéi）執行元件的銑床回轉工作台的閉環控製係統。

1、銑床分度（dù）係統

此次設計的冶金鋸片銑床（chuáng）分度係統主要由控製（zhì）係統、動力係統、傳動係統等部分構成（chéng）。銑床回轉工作台轉位的閉環控製總體結構如圖１所示。

銑床分度係統的閉環控製總體結構示意圖（tú）

其中控製（zhì）係統以ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機為核心（xīn），動力（lì）係統由（yóu）步進電機和驅動組成，傳動係統則由（yóu）減速（sù）器（qì）和主軸（zhóu）構成。此外對原先Ｘ５２１６的主軸傳動結構進行了重新設計及優化，在滿足加工精度（dù）使用要求的前提下設計電機與主軸（zhóu）同向傳動，縮短了（le）傳動鏈，減少了傳（chuán）動過程中所造成的誤差。因為考慮到所選用三相步進電機步距角為１．２°，不足以滿（mǎn）足銑床多樣加工的要求，因此自行設計了一套傳動比ｉ＝１２０的三級減速器（qì）。為了進一步提（tí）升銑床分度（dù）精度，相比於原來銑床開環控製（zhì）結構（gòu），新的回轉工（gōng）作台係統加入了編碼器，使整個係統構成一個閉環控製，增加了（le）係統的工（gōng）作穩定性和精確程度。根據所選用的步進電機功率和額（é）定電流參數，綜合考慮選用了驅動器３ＤＭ２２８３，該驅動器采用（yòng）了最新３２位ＤＳＰ技術，可以（yǐ）設置４００～５１　２００內的細分以及額定（dìng）電流內的任意電（diàn）流值，能（néng）夠滿足大（dà）多數場合的應用需要（yào）。

2、分度係統（tǒng）主要組成（chéng）部分的確（què）定（dìng）

２．１　編碼器（qì）

根據冶（yě）金銑齒時的分度精度（dù）±２′的要求，綜合各方麵因素選擇了德國海德漢公（gōng）司生產的ＲＯＮ２７５型角度編碼器，它（tā）的係統精度可以達到±５″，采用ＴＴＬ電（diàn）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（yòng）要求。為了避免角度編碼器的（de）軸承受力過大，減少軸向運動和軸之（zhī）間的不對正誤差，選（xuǎn）擇用分離式聯軸器（qì）聯接驅動軸與編碼器。為確保測量的高精（jīng）度，使編碼器軸與驅動軸對正非常重要。角度編碼器有帶定（dìng）心環的內（nèi）置安（ān）裝法（fǎ）蘭，編碼器軸通過膜片式聯軸器和扁平聯軸器連（lián）接驅動軸。編碼器安裝示意圖如（rú）圖２所（suǒ）示。

編碼器安裝示意圖

２．２　步進（jìn）電機

根據機床（chuáng）回轉平台主軸（zhóu）電機啟動（dòng）扭矩 ≥１８Ｎｍ的要求，綜合經濟性考慮選用了雷賽科技的１１０係列三相步進電機。該電機克服了傳統電機低速爬行（háng）、共振區明顯（xiǎn）、噪聲大、高速扭矩小、啟動頻率（lǜ）低等缺點，具（jù）有伺服的某些特點。該電機的保持扭矩可以達到２０Ｎｍ，步距角為１．２°，步距角精度可以（yǐ）達到０．０６°，配合減速器的使用，可（kě）以很好地滿足實際使（shǐ）用要求。２．３　單片（piàn）機本係統控製相對簡單，選用（yòng）了８位單片機，考慮到（dào）編碼器有３路信號Ｚ、Ａ、Ｂ，並且由於５２係列單片機（jī）有３個（gè）定時計數（shù）器Ｔ０、Ｔ１和Ｔ２，所以（yǐ）相應地Ｚ、Ａ、Ｂ可分別接入Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２計數器進行計（jì）數和後續處理。所以本次係統的改造設計當中采用了ＳＴＣ公司生產（chǎn）的（de）ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，該單片機具有結構簡單、成（chéng）本低（dī）、使用方便、穩定性高等特點。此外ＳＴＣ８９Ｃ５２內部程序儲存空間達（dá）到８ｋＢ，是５１係列單片機的兩倍，同時還支（zhī）持ＭＣＳ５１係（xì）列單片機的（de）所有功能，滿足係統使用要求。３　閉環（huán）控製係統３．１　閉環控製係統的組成由於老式銑床（chuáng）回轉工（gōng）作台分度機（jī）構多采用機械式分度機構，多為開環控製係統，因此係統的控製精度相對較低，係統簡單（dān），抗幹擾能力差，加（jiā）工精度不高。此次設計除了對其控製和（hé）驅動裝置以及機械結構有所改進外，係統中還加入了編碼器，對（duì）整個加（jiā）工過程有一個實時的檢測和反饋，構成一個閉環控（kòng）製係統。閉環控製係統如圖（tú）３所示（shì）。采用閉環控製，增加了係統的穩定性和自我（wǒ）修正能力，提（tí）高了加工精度（dù），改善了係統的抗幹擾能力，增加（jiā）了係統的穩定性。

２．３　單片機

本係統控製相對簡單，選用了８位單片機，考慮到編碼器有３路信（xìn）號Ｚ、Ａ、Ｂ，並且（qiě）由（yóu）於５２係列（liè）單（dān）片機（jī）有３個定時（shí）計數器Ｔ０、Ｔ１和Ｔ２，所以相應（yīng）地Ｚ、Ａ、Ｂ可分別接入Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２計數器進行計數和後續處理。所以本次係統的（de）改造設計當（dāng）中采用了ＳＴＣ公司生產的ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，該單片機具有結構簡單（dān）、成本低、使用方便、穩定性高等（děng）特點。此外ＳＴＣ８９Ｃ５２內部程序儲存空間達到８ｋＢ，是５１係列（liè）單片機的兩倍，同時還（hái）支持ＭＣＳ５１係列單片機的所有功能（néng），滿足（zú）係統使用要（yào）求。

3、　閉環控製（zhì）係統

３．１　閉環控製係統的組成

由於老式銑床回轉工作台分度機構多采用機械式分度機構，多為開環控（kòng）製係統，因此係統（tǒng）的控製精度相對較低，係統簡單，抗幹擾能力（lì）差，加工（gōng）精度不高。此次設計除了對其控製和驅動裝置以及機械（xiè）結構有所改進外，係統（tǒng）中還加入了編碼器，對整個加工過程有一個實時的檢測（cè）和反饋，構成（chéng）一個閉環控製係（xì）統。閉環控製係統如（rú）圖３所（suǒ）示。采用閉環（huán）控製，增加了係統的穩定性和自我修正能（néng）力，提（tí）高了加工精度，改善了係統的抗幹擾能力（lì），增加了係統的穩定性。

閉環（huán）控（kòng）製係統（tǒng）本係統

主要以ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機為核心和主控製器，選用三相步進電機（jī）和３ＤＭ２２８３驅動器組成電（diàn）機和驅（qū）動係統，由旋轉編碼（mǎ）器作為檢測元件。３．２　轉位閉環控製係（xì）統的硬件連接編碼器是集光機（jī）電技術於一體的速度位移傳感器，在檢測（cè）長度和旋轉角度等方麵得到廣（guǎng）泛的應用。通常其輸出有Ａ、Ｂ、Ｚ三相脈衝。Ａ、Ｂ相脈衝依旋轉方向（xiàng）不同而造成理（lǐ）想相位差分別為±９０°，通（tōng）過比對兩者的相位（wèi）差（chà），用來區分（fèn）電機的正、反轉。同時通過與Ｚ相脈衝信（xìn）號的比（bǐ）對可（kě）以（yǐ）確定當前的回轉（zhuǎn）位置，從而提（tí）高回（huí）轉（zhuǎn）精度。編碼器每轉動一（yī）圈發出一個Ｚ相脈衝，可用它作為（wéi）機械零位檢測，同時也可以用來作為係統結束的標識信號。控製係統用到了５２係列單片機（jī）的Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２三個定時計數器（qì），它們分別記錄編（biān）碼（mǎ）器的Ｚ、Ａ、Ｂ脈衝（chōng）信號。通過單片機調整（zhěng）步進電機的驅動脈衝信號，從而對銑齒加工分度精度進行精確控製，實現回轉工作台的閉環控製。本次回轉工作台閉環控製係統選用（yòng）的步進電機步距角為１．２°，在未選用細分驅動的前提下，單片機控製端口每輸出一個脈衝（chōng）則（zé）電機（jī）轉動１．２°。已知減速（sù）器傳動比為１／１２０，所以一個脈衝轉動的角度為１．２°／１２０＝０．０１°。那麽轉（zhuǎn）動一周所需要的電子（zǐ）脈（mò）衝數為３６０°／０．０１°＝３６　０００。如果分度數為ｎ，那麽一個分度數所需的電子脈衝數為（wéi）３６　０００／ｎ。

驅動器的（de）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（guò）這３個引腳與３ＤＭ２２８３進行數據交換。同時，３ＤＭ２２８３的ＰＵＬ＋、ＤＩＲ＋、ＥＮＡ＋接口分（fèn）別接５ＶＤＣ。轉位閉環控製係統硬件連接圖如圖（tú）４所示，驅動器接入２２０Ｖ交流電用以驅動步進電機，ＰＥ端接地線，同時Ｕ、Ｖ、Ｗ端口接入三相步進電機。

本次（cì）研究選用了１１０係列三（sān）相步進電機，它的控製等效電路如圖５所示。三相步進電機有３條勵磁信號（hào）引線 A、Ｂ、C、其轉動由（yóu）這３條引（yǐn）線上勵磁脈（mò）衝產生的時間決定，每出現（xiàn）一個脈衝信號，步進電機轉過一個（gè）脈衝角。要想實現步進電機（jī）的連續轉動，隻要通過單片機控製步（bù）進電機驅動器依（yī）序不斷地向步進電機送出脈衝信號（hào）即可。通過控製繞（rào）組的通電順序來控製電機的轉向（xiàng），通過調整脈衝信號（hào）的頻率來控製步進電機（jī）的（de）轉（zhuǎn）速，頻率越（yuè）高則電機轉速越快。正向轉動的通電順為Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ，反向轉（zhuǎn）動的通電順序為Ｃ－ＣＢ－Ｂ－ＢＡ－Ａ－ＡＣ。

轉位閉環控製係統硬件連接圖（tú）

步進電機（jī）的控（kòng）製等效（xiào）電路

4、　軟件設計

通過各硬件模塊的搭建，初步具備了實現銑（xǐ）床分度精度係（xì）統閉環控製的（de）條件。通過ＭＣＳ－５１單片機的匯編語言可以實現（xiàn）係統初始化，歸零點子（zǐ）程序（xù），Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２定時計數器的數據采集分析，步進（jìn）電機（jī）控製脈衝的發生（shēng）等（děng）模塊的控製，從而（ér）實現（xiàn）對銑床（chuáng）分度機構的閉環控製（zhì），進而實現對回轉位置的（de）精確控製。閉環控製係統程序流程（chéng）如圖６所示。

5、　分度係統抗幹擾設計

由於在加工車間之中同時存在眾多的大功率用（yòng）電設備，例如各類機床、電焊機、高（gāo）功率電機、繼（jì）電器等，這些（xiē）設備的動作會造成電磁幹擾（rǎo）、機械幹擾、噪聲幹擾、光幹擾等，影響本係統平穩運行，破（pò）壞了分度係統的精度，因此必須采取有（yǒu）效措施來排除這些幹擾。通過設置隔離變壓器、交流淨化電源、低通濾波（bō）器等裝置，來降低電網（wǎng）幹擾（rǎo）對係統的影響。將（jiāng）電路板所用開關電源的直流全部浮空，對硬件采取合理（lǐ）的布置，信（xìn）號走線統一從左向右。用地線將各部分隔離開來，從而減少高頻脈衝信號（hào）及（jí）電磁離合器對（duì）分度係（xì）統的影響。通過設計光電隔離電路來實現單片機電路（lù）Ｉ／Ｏ端口與步進電機驅（qū）動器接口以及光電編碼器接口（kǒu）的電平（píng）轉（zhuǎn）換和隔離。為了濾除高頻和低頻的幹擾，對電路板上的＋５Ｖ和＋２４Ｖ的電源入口接入０．０１μＦ的瓷片電（diàn）容和１００μＦ的電解電容。為（wéi）防（fáng）止電壓波動和執行程序跑（pǎo）飛影響係統穩定性，為單片機係統設置看門狗電路，使得單（dān）片機電路在遇到故障時能夠自動複位，起到保護係統（tǒng）的作用。

閉環控製（zhì）係統程序流程

6、　結束語

此次研究基於ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，利用３ＤＭ２２８３驅動器和１１０係列三相步（bù）進電機以及編（biān）碼器對傳統的銑床分度工（gōng）作台進行了改造升級（jí）。使之由過去的開環控製係統升級為閉（bì）環控製係統，提高了係統工作的穩（wěn）定性，改進了銑齒加（jiā）工的分度精度（dù）。利用５２係列單片機有３個定時計數器的（de）特點，直接與編碼器的三路信號相連，記錄銑床回轉平台的旋轉情況，繼而對步（bù）進電機的脈衝信（xìn）號進行調整，進一步（bù）控製電機進行補償，從（cóng）而提高了分度精度，使係統的可靠性、穩定性得到提高。

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